Báo cáo nhập môn vật lý y khoa đề tài tìm hiểu hệ thống máy chụp xạ hình spect

Vào năm 1976, hệ thống máy SPECT với gamma camera Anger được tích hợp trên giàn quay gantry được phát triển bởi hai nhà phát minh Ronald Jack Jaszczakvà JohnKeyes giúp việc chẩn đoán dễ

111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ

Giảng viên: ThS Mai Đình Thủy

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Phương Ly 20238267

2 Trần Vũ Diệu Linh 20238263

Hà Nội, năm 2024

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP XẠ HÌNH SPECT

1 Lịch sử ra đời máy chụp xạ hình SPECT

2 Giới thiệu về máy chụp xạ hình SPECT

3 Phân loại SPECT

4 Cấu tạo về máy xạ hình SPECT

5 Ứng dụng trong y tế

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY XẠ HÌNH SPECT 11

1 Tính năng - đặc điểm sử dụng

2 Nguyên lý ghi hình của SPECT

3 Một số lưu ý khi thực hiện ghi hình máy SPECT

4 Chỉ định, chống chỉ định trong ghi hình SPECT

CHƯƠNG III KIỂM SOÁT LIỀU LƯỢNG KHI GHI HÌNH MÁY SPECT 16

1 Quy trình xạ hình SPECT:

2 Kiểm soát liều lượng khi ghi hình:

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

MỞ ĐẦU

Ngày nay, máy chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon (single photon emission computed tomography – SPECT) có vai trò quan trọng trong lĩnh vực ghi hình y học hạt nhân (YHHN) Máy SPECT được sử dụng nhiều để chụp xạ hình và rất phổ biến

vì tính chất tiện lợi và chi phí hợp lí, phù hợp túi tiền Do đặc điểm kỹ thuật phức tạp nên máy SPECT cần được kiểm tra định kỳ và bảo dưỡng thường xuyên để phát hiện kịp thời các hỏng hóc, đảm bảo đủ chất lượng để sử dụng cho mục đích chẩn đoán bệnh Nhà Vật lý Y khoa (medical physicist - MP) giữ vai trò vô cùng quan trọng trong các khoa y học hạt nhân Họ có trách nhiệm trong việc giám sát và kiểm soát việc đo hoạt độ cho dược chất phóng xạ và bệnh nhân; thực hiện lập kế hoạch điều trị, kiểm soát chất lượng các quy trình và thiết bị đo lường, các loại máy móc cũng như vấn đề an toàn bức xạ cho bệnh nhân, nhân viên y tế và dân chúng Trong đó, công tácđảm bảo chất lượng (quality assurance - QA) và kiểm soát chất lượng (quality control

- QC) cho máy SPECT là công việc thường xuyên, có ý nghĩa quyết định đến chất lượng chẩn đoán (IAEA, 2013) Để đảm nhiệm được công việc này, một nhà Vật lý Y khoa cần có sự am hiểu và kiến thức vật lý về những thành phần và cấu tạo, đặc điểm, nguyên lí hoạt động, các thông số, chỉ số quan trọng của từng bộ phận và của toàn bộ

hệ thống máy Họ sẽ thực hiện các bài kiểm tra định kì hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng quý để đảm bảo rằng máy móc hoạt động một cách chính xác và ổn định nhất

Bài báo cáo được chia làm ba phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về máy chụp xạ hình SPECT.

 Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy chụp xạ hình SPECT.

 Chương 3: Kiểm soát liều lượng khi ghi hình máy SPECT.

Trong quá trình làm báo cáo, có thể còn sai sót Mong thầy cô góp ý để emhoàn thiện kiến thức hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP XẠ HÌNH SPECT

1 Lịch sử ra đời máy chụp xạ hình SPECT

Đầu những năm 1950, Rectilinear Scanner hoặc với tên gọi khác là máy ghi hình cơ học (máy quét tuyến tính) được phát minh bởi Benedict Cassen và kỹ sư sinh học Clifton Reed Phát minh của hai ông đã đóng góp to lớn cho lĩnh vực y học hạt nhân

Ca ghi hình đầu tiên được thực hiện bởi máy ghi hình cơ học là ghi hình tuyến giáp bằng cách sử dụng iodine phóng xạ Hình ảnh được in ra bởi một máy in và mất khoảng hai giờ để có một bản đồ hoàn chỉnh về sự phân bố của iodine tuyến giáp (Cherry et al., 2012) Năm 1953 Gamma camera hay camera nhấp nháy Anger lần đầutiên được phát minh bởi Hal Anger Ông đã kết hơp một mảng tinh thể NaI có diện tích lớn với nhiều ống nhân quang điện để cải thiện và tăng khả năng các tia gamma

có thể được thu nhận, giúp thời gian ghi hình giảm xuống Từ đó, gamma camera đã trở thành công cụ được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng YHHN lâm sàng (Cherry et al., 2012)

Đến năm 1963, hệ thống máy SPECT đầu tiên ra đời với tên gọi là Mark I bởi hai nhàphát minh Kuhl và Edward (Hình 1.1) Hai nhà phát minh và các cộng sự của mình đã miệt mài phát triển hệ thống máy Mark I thành các hệ thống máy cao cấp và hiện đại hơn vào những năm sau đó, lần lượt các hệ thống máy như Mark II, Mark III và Mark

IV (Jaszczak & Biology, 2006)

Vào năm 1976, hệ thống máy SPECT với gamma camera Anger được tích hợp trên giàn quay (gantry) được phát triển bởi hai nhà phát minh Ronald Jack Jaszczakvà JohnKeyes giúp việc chẩn đoán dễ dàng hơn vì các hệ thống đầu dò (detector) có thể linh động di chuyển xung quanh cơ thể bệnh nhân ở nhiều hướng khác nhau (Hình 1.2)

Nó có thể quét toàn bộ cơ thể từ đầu đến chân hoặc quay xung quanh cơ thể bệnh nhân Đến nay các loại máy SPECT hai đầu dò hoặc ba đầu dò đã được sản xuất để giảm thời gian ghi hình và tăng chất lượng hình ảnh (Jaszczak & Biology, 2006)

Hiện tại (tính đến tháng 11/2006), cả nước có 15 máy SPECT và một số máy móc thiết bị y học hạt nhân khác… đang được sử dụng rất hiệu quả tại các bệnh viện hàng

đầu về chuyên ngành này như: BV Chợ Rẫy, BV 108, BV Bạch Mai, BV Đà Nẵng…

2 Giới thiệu về máy chụp xạ hình SPECT

SPECT là tên viết tắt của Single Photon Emission Computed Tomography(Chụp cắt

lớp bằng bức xạ đơn photon).Đây chính là phương thức tạo ảnh cao hơn so với

Gamma – Camera SPECT là chu trình chẩn đoán hình ảnh bằng y học hạt nhân, cho phép hiển thị hình ảnh trong không gian 3 chiều chức năng các bộ phận, chuyển hóa tếbào và các thông số chức năng khác trong cơ thể thông qua việc sử dụng một lượng nhỏ các chất phóng xạ khác nhau Phương pháp này giúp phát hiện các thay đổi về

bệnh học ở cấp độ phân tử trước khi hình thành nên sự thay đổi trong cấu trúc giải phẫu.

Máy chụp SPECT là một trong những thiết bị chẩn đoán hình ảnh hiện đại nhất hiện nay Về nguyên lí tạo ảnh, SPECT cũng giống như CT, chỉ khác ở chỗ với CT thì chùm photon được chiếu từ bên ngoài, xuyên qua cơ thể và được ghi nhận ở detector phía đối diện nguồn tia X Còn với SPECT, thì chùm bức xạ photon được phát ra từ bên trong cơ thể do phân rã phóng xạ được đưa (uống,tiêm,.…) vào cơ thể trước đó (nơi cần chụp ảnh) Chùm bức xạ phát ra được ghi nhận đồng thời bởi hệ detector bao quanh bệnh nhân cho ta thông tin về chức năng cơ quan muốn thăm khám Ảnh SPECT cho ta thấy được thông tin chức năng của các cơ quan (functional image)

3 Phân loại SPECT

Hiện nay có máy SPECT một đầu thu và SPECT hai đầu thu, tạo ra sự lựa chọn linh hoạt trong quá trình thăm khám:

- Máy SPECT một đầu thu (Hình 2.1):

Linh hoạt trong chụp tổng quát với khả năng tiếp cận hết sức dễ dàng với bệnh nhân trên cáng và xe lăn Đặc trưng của hệ thống tiết kiệm chi phí này là gantry mở đa năng, khả năng chỉnh nghiêng đầu thu đầu/cuối, tự động đánh dấu cơ thể trong chụp SPECT và chụp toàn thân, cũng như dễ dàng nâng cấp lên cấu hình hai đầu thu

Hình 1.1: Máy SPECT 1 đầu thu tại bệnh viện Chợ Rẫy

- Máy SPECT hai đầu thu (Hình 2.2):

Tối đa hóa chất lượng hình ảnh trong chụp toàn thân đồng thời tăng năng suất thăm khám trong mọi kiểu chụp: Máy hai đầu dò có thể biến đổi cho cấu hình đầu thu ở các góc 180 độ,90 độ và 76 độ, tạo ra các ứng dụng thăm khám tối ưu trong chụp tổng quát tim mạch,u bướu và thần kinh, tim mạch v.v…

Thuận tiện trong việc chụp bệnh nhân trên cáng và trên xe lăn, kể cả trong tư thế đứng: Hai đầu thu cố định 180 độ tối đa hóa tính năng chụp toàn thân và chụp SPECT bằng các đầu thu được đặt ở vị trí đối diện nhau, tạo nên một hệ thống lý tưởng cho ứng dụng điều trị u bướu Gantry mở cho phép tiếp cận dễ dàng với cả hai đầu thu

Về phương diện kỹ thuật có loại máy 1 đầu, và máy 2 đầu (dual head) Hiện nay một

số BV ở Việt Nam mới bắt đầu có máy 2 đầu như ở BV 108, BV Chợ Rẫy,…

4 Cấu tạo về máy xạ hình SPECT

Hình 2.2: Máy xạ hình SPECT 2 đầu thu ở bệnh viện Chợ Rẫy.

Máy SPECT bao gồm các bộ phận chính như trong hình 2.3, mô hình SPECT 2 đầu (dual head).

a Đầu dò và bàn điều khiển (Control Console):

Cấu tạo và hoạt động của đầu dò giống như một Planar Gamma Camera đã mô tả ở trên Từ trước đến nay các đầu dò của SPECT vẫn thường dùng tinh thể Nal(Tl) Bức

xạ phát ra từ tinh thể phát quang được khuếch đại bởi ống nhân quang và các mạch điện tử khác Để có được hình ảnh tốt, đầu dò cần có độ phân giải cao, đo trong thời gian ngắn (độ nhậy lớn), ống định hướng thích hợp và khoảng cách từ đầu dò đến mô tạng ghi hình ngắn nhất SPECT hiện đại dùng hệ đầu dò ghép bởi nhiều tỉnh thể cho hình ảnh tốt hơn Để tăng độ phân giải và tốc độ đếm (giảm thời gian ghi hình) người

ta tạo ra loại SPECT 2 hoặc 3 đầu dò Gắn liền với đầu dò là ống định hướng

b Khung máy (Gantry):

Hình: Máy chụp xạ hình SPECT

Các đầu dò được lắp đặt trên một giá đỡ (khung máy) thích hợp có các môtơ cho phép điều khiển đầu dò quay được góc 180 + 360° quanh bệnh nhân theo những góc nhìn thích hợp (khoảng 3-6°).

Hình 2.3: Mô hình máy SPECT 2 đầu thu

c Hệ thống điện tử:

Các tín hiệu thu được từ tinh thể nhấp nháy, được đưa vào mạch điện tử để lựa chọn, khuếch đại và ghi nhận Hệ thống điện tử, ghi đo của SPECT phức tạp hơn ở Gamma Camera nhấp nháy nhiều Trên Gamma Camera hình ảnh được tạo ra nhờ tập hợp một loạt các chấm sáng còn ở đây cần phải phân tích, chuyển đổi sang tín hiệu số (digital)

để lưu giữ Có thể PC mới làm được chức năng lọc và tái tạo ảnh

d Máy tính (PC) với các phần mềm thích hợp, bàn điều khiển (Computer

Console) và Bộ nhớ các dữ liệu:

Các kỹ thuật lọc và hiệu chỉnh dựa trên các thuật toán tin học (algebric recontruction technique) như lọc nền (back projection technique), xoá bỏ nhiễu (substraction) do một phần trường chiếu trùng lập đè lên nhau (star artifact) khi thu nhận tín hiệu theo từng đơn vị thể tích Từ đó cho phép ghi hình cắt lớp

e Trạm hiển thị (Display Station): Cho thấy hình ảnh cụ thể và lưu giữ

5 Ứng dụng trong y tế

– SPECT là sự phát triển lên của Gamma Camera, nó có thể tạo ra các ảnh 3 chiều, đối với hình ảnh mô, nhiễm trùng, tuyến giáp và xương

– SPECT cho phép hiển thị chính xác sự định vị của các ảnh không gian 3, nó có thể cung cấp thông tin chức năng ở các bộ phận bên trong bệnh nhân Điển hình như cho hình ảnh của não và tim mạch.

– Chẩn đoán về các bệnh tim mạch: SPECT, sử dụng các đồng vị phóng xạ đặc trưng như l131 Octreotide hay MIBG, được dùng để định vị các khối u ác tính không điển hình như các khối u thần kinh nội tiết Thiết bị này hỗ trợ rất lớn cho các bác sĩ trong việc lấy mẫu sinh thiết, phẫu thuật cắt bỏ và xạ trị sau phẫu thuật

– Chẩn đoán các bệnh trong não:

– Máy chụp SPECT có chức năng chẩn đoán các loại bệnh tầm soát, chẩn đoán ung thư xương, tuyến tiền liệt, bướu cổ và bướu giáp độc, thăm dò chức năng của các bộ phận như tuyến giáp, gan, thận và não, với độ chính xác cao

– Ngoài ra, máy SPECT được thiết kế rất tiện dụng và tối ưu Hệ thống giường tạo cho bênh nhân cảm giác thoải mái trong quá trình thăm khám Hệ thống Collimator, Detector với nhiều mức năng lượng khác nhau cho phép kỹ thuật viên vận hành nhiều lựa chọn khi sử dụng các đồng vị khác nhau để cho chất lượng ảnh tốt nhất…

CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MÁY XẠ HÌNH

SPECT

1 Tính năng - đặc điểm sử dụng

SPECT là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh bằng y học hạt nhân, cho phép hiển thị hìnhảnh trong không gian 3 chiều chức năng các bộ phận, chuyển hoá tế bào và cácthông số chức năng khác trong cơ thể thông qua việc sử dụng một lượng nhỏ cácchất phóng xạ khác nhau Ảnh SPECT là ảnh 3 chiều rõ nét, đặc biệt là hình ảnhcủa các mô, tuyến giáp và xương Phương pháp này giúp phát hiện các thay đổi vềbệnh học ở cấp độ phân tử trước khi hình thành nên sự thay đổi trong cấu trúc giảiphẫu để có thể nhìn thấy được trên hình ảnh CT Điển hình như các chức năng:

- Chẩn đoán về các bệnh tim mạch như dị tật, rối loạn huyết động học, bệnh củamạch vành v.v…

- SPECT, sử dụng các đồng vị phóng xạ đặc trưng như I131 Octreotide hayMIBG để định vị các khối u ác tính không điển hình (các khối u thần kinh nộitiết…) SPECT là công cụ rất hữu dụng cho các bác sĩ trong việc lấy mẫu sinhthiết, phẫu thuật cắt bỏ và xạ trị sau phẫu thuật các khối u này

- Chẩn đoán các bệnh trong não: với hình ảnh SPECT chụp não, bác sĩ dễ dàngchẩn đoán trạng thái và các tổn thương xảy ra trong não bệnh nhân

- Với các bệnh khác: máy SPECT có chức năng chẩn đoán, xét nghiệm các loạibệnh tầm soát, chẩn đoán ung thư xương, tuyến tiền liệt, bướu cổ và bướu giácđộc, thăm dò chức năng của các tạng như tuyến giáp, gan, thận và não v.v…với độ chính xác cao

- Để chẩn đoán các khối u và một số bệnh lý chức năng khác như xạ hình tướimáu cơ tim, xạ hình hàng rào máu não (chẩn đoán bệnh tâm thần hoặc tổnthương não), xạ hình gan, xạ hình xương, xạ hình tuyến giáp, xạ hình thận, xạhình phổi

2 Nguyên lý ghi hình của SPECT

Kỹ thuật SPECT phát triển trên cơ sở CT- Scanner Nhưng trong SPECT không có chùm tia X nữa mà là các photon gamma của các ĐVPX đã được đưa vào cơ thể bệnh nhân dưới dạng các dược chất phóng xạ để đánh dấu đối tượng cần ghi hình Trong SPECT các tín hiệu cũng được ghi nhận như trong đầu dò của Gamma Camera và đầu

dò các kỹ thuật y học hạt nhân thông thường khác, nhưng trong SPECT đầu dò được quay xoắn với góc nhìn từ 180° đến 360° (1/2 hay toàn vòng tròn cơ thể), được chia theo từng bậc ứng với từng góc nhỏ (thông thường khoảng 3°) Tuy mật độ chùm photon được phát ra khá lớn, nhưng đầu dò chỉ ghi nhận được từng photon riêng biệt nên được gọi là chụp cắt lớp đơn photon Tia photon trước khi đến được đầu dò bị các

mô tạng của cơ thể nằm trên đường đi hấp thụ Do vậy năng lượng của chúng bị suy giảm tuyến tính Công thức chung về định luật hấp thụ được biểu diễn:

I = I 0 e-μx , với µ là hệ số hấp thụ, có giá trị phụ thuộc vào năng luợng chum tia và bản

Từ định luật hấp thụ năng lượng photon ta thấy sự hấp thụ làm cho cường độ chùm tia giảm dần và có thể tính ra hệ số suy giảm đó (attenuation coefficient) của chùm tia.Giá trị đó ngược với giá trị truyền qua Gọi T là độ truyền qua thì I/I 0 = T Từ công thức của định luật hấp thụ ta tính được là T=e-μx Giá trị T có thể biết được bởi vì ứngvới một cấu trúc vật chất nhất định (mô, tạng) có độ dầy x nào đó sẽ có một giá trị μ xác định Nếu hiệu chỉnh được độ suy giảm sẽ có được giá trị thật cường độ chùm tia truyền qua hoặc hấp thụ Nếu không hiệu chỉnh được hệ số suy giảm thì số liệu thu được từ một góc nhìn sẽ là tổng cộng số liệu của tất cả các đơn vị thể tích nằm trên đường đi của tia.

Cho máy quét trên cơ thể hoặc bệnh nhân quay thì góc quay và góc nhìn của chùm tiaquyết định hướng, mật độ chùm tia đến đầu dò và giá trị hấp thụ của nó

Nguyên lý ghi hình của máy xạ hình SPECT

Ta hình dung giả sử chia lát cắt thành nhiều đơn vị vật chất với kích thước nhất định Khi chùm tia photon quét qua lớp vật chất đó (ngang hoặc dọc) thì nó sẽ lần

lượtxuyên qua các đơn vị vật chất Tín hiệu phát ra từ mỗi đơn vị vật chất sẽ khác nhau do có độ suy giảm tuyến tính khác nhau, tuỳ thuộc vào góc quay, độ lớn của góc nhìn trong mặt phẳng quét và khoảng cách của nó tới đầu dò Máy PC với các phần mềm thích hợp có khả năng hiệu chỉnh hệ số suy giảm đó và loại bỏ cả các bức xạ từ các mặt phẳng khác gọi là lọc nền (filtered back projection) Như thế nghĩa là PC loại

bỏ các tín hiệu tạo ra từ các lớp vật chất trước, sau (hoặc trên, dưới) đối với mặt phẳnglát cắt Các tín hiệu đó gọi là xung nhiễu Vì vậy sẽ thu nhận được hàng loạt các tín hiệu của từng đơn vị thể tích một lớp vật chất nhất định (ta hình dung như một lát cắt)

Do vậy, các tín hiệu chỉ được ghi nhận theo từng thời điểm một Số lượng góc nhìn cần chọn đủ để tái tạo ảnh một cách trung thực tuỳ thuộc vào độ phân giải của đầu dò