ảnh hưởng của cao thế chụp ct lên chất lượng hình ảnh petct và liều bức xạ

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:  Thầy Nguyễn Tấn Châu, Thầy là người đã tận tình chỉ dẫn, luôn cho tôi những lời khuyên bổ ích, cung cấp những kiến thức quý báu và đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thành khóa luận này. Chân thành cảm ơn thầy rất nhiều!  Cô Hoàng Thị Kiều Trang đã đóng góp những ý kiến bổ ích để khóa luận được hoàn chỉnh hơn.  Quý Thầy, Cô, các cán bộ trẻ đang công tác tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Những người luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong thời gian học và làm khóa luận này.  Đơn vị PET-CT & Cyclotron – bệnh viện Chợ Rẫy, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian làm khóa luận tại đây.  Các bạn học cùng lớp VLHN2010, những người đã cùng tôi đi hết thời sinh viên. VÕ XUÂN THỊNH TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 ii MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY GHI HÌNH PET/CT 2 1.1. Tổng quan thiết bị ghi hình PET/CT 2 1.2. Chụp cắt lớp phát xạ possitron (PET) 2 1.2.1. Nguyên lý ghi hình của máy PET 5 1.2.2. Các loại sự kiện trùng phùng 9 1.2.3. Nhân phóng xạ dùng trong ghi hình PET 10 1.2.4. Cấu tạo khoang máy PET 11 1.2.5. Những yếu tố vật lý ảnh hưởng đến hình ảnh PET 14 1.2.5.1. Thời gian bay, TOF (Time Of Flight) 14 1.2.5.2. Về vị trí của positron hủy cặp 15 1.2.5.3. Kích thước của các tinh thể nhấp nháy trong các đầu dò 15 1.2.5.4. Sự không tuyến tính của photon hủy cặp: 16 1.2.5.5. Yếu tố công nghệ 17 1.3. Chụp cắt lớp vi tính (CT) 17 1.3.1. Nguyên lý 18 1.3.2. Phương pháp tái tạo ảnh CT 20 CHƯƠNG 2. VAI TRÒ CỦA CT TRONG MÁY PET/CT 22 2.1. Sử dụng CT để hiệu chỉnh sự suy giảm của ảnh PET 24 2.1.1. Các phương pháp hiệu chỉnh sự suy giảm 25 2.1.2. Phương pháp hiệu chỉnh suy giảm bằng cách sử dụng nguồn bên ngoài . 26 2.1.3. Phương pháp hiệu chỉnh suy giảm dựa trên ảnh CT 27 2.1.3.1. Ước lượng tỷ lệ (Scaling estimate) 29 2.1.3.2. Phương pháp phân đoạn (Segmentation) 29 2.1.3.3. Phương pháp kết hợp (Hybrid) 29 iii 2.1.4. Ưu điểm của phương pháp sử dụng ảnh CT để hiệu chỉnh suy giảm PET 31 2.2. Tính liều chiếu hiệu dụng trong chụp hình CT 32 2.2.1. Các khái niệm tính liều cơ bản 32 2.2.1.1. Liều chiếu 32 2.2.1.2. Liều hấp thụ 32 2.2.1.3. Liều tương đương 32 2.2.1.4. Liều hiệu dụng 33 2.2.2. Các thông số liều CT cụ thể: CTDI và DLP 34 2.2.2.1. Liều hấp thụ trung bình trong một lát cắt 34 2.2.2.2. Tích liều chiều dài DLP 37 2.2.3. Liều hiệu dụng trong CT. 37 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM 39 3.1. Thiết bị 39 3.1.1. Hình nộm giả người 39 3.1.2. Máy đo hoạt độ phóng xạ (Capintec 25 PET) 40 3.1.3. Máy ghi hình PET/CT (Biograph 64 True Point w. True V) 41 3.1.4. Dụng cụ pha chế liều, kim tiêm, xi lanh,… 42 3.2. Chuẩn bị thực nghiệm 42 3.3. Kết quả thực nghiệm 43 3.3.1. Chất lượng hình ảnh theo thông số chụp 44 3.3.1.1. Hình ảnh PET/CT 80 kV 44 3.3.1.2. Hình ảnh PET/CT 100 kV 45 3.3.1.3. Hình ảnh PET/CT 120 kV 46 3.3.1.4. Hình ảnh PET/CT 140 kV 47 3.3.2. Giá trị phân tích bán định lượng SUV 47 3.3.3. Giá trị liều bức xạ 48 3.4. Bàn luận 49 3.4.1. Chất lượng hình ảnh CT thay đổi theo cao thế (kV) 49 3.4.2. Mối tương quan giữa SUV và cao thế (kV) 50 iv 3.4.3. Liều bức xạ giảm khi giảm cao thế chụp CT 51 3.5. Kết luận 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACD Annihilation coincidence detection Phép đo hủy cặp trùng phùng ACF Attenuation coefficient factor Hệ số suy giảm BGO Bismuth Germanium Oxide CT Computer tomography Chụp cắt lớp vi tính CTDI CT dose index Chỉ số liều CT DLP Dose legth product Tích độ dài liều FOV Field of view Trường nhìn FWHM Full width at half maximum Bề rộng một nửa GSO Gadolinium Oxyorthosilicate HU Hounsfield unit Đơn vị Hounsfield LOR Line of response Đường đáp ứng LSO Lutetium Oxyorthosilicate PET Positron emission tomography Chụp cắt lớp phát xạ positron ROI Region of interest Vùng quan tâm SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SUV Standardized uptake value Giá trị hấp thu chuẩn hóa TOF Time of flight Thời gian bay vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Đặc tính vật lý của một số đồng vị phóng xạ trong ghi hình PET/CT . 11 Bảng 1.2: Tính chất của một số chất nhấp nháy dùng trong thiết kế đầu dò PET [6] 13 Bảng 1.3: Giá trị CT đối với một số tổ chức cơ thể người [3] 21 Bảng 2.1: Hệ số suy giảm khối của một số vật liệu (cm 2 /g) [9] 28 Bảng 2.2: Hệ số tỷ lệ suy giảm khối lượng giữa photon 70 keV và 511 keV của một số loại vật liệu [9] 30 Bảng 2.3: Trọng số bức xạ của một số bức xạ cơ bản [1]. 33 Bảng 2.4: Trọng số mô của một số cơ quan [1] 34 Bảng 2.5: Giá trị hệ số chuyển đổi k ứng với các vùng cơ thể theo độ tuổi (mSv/(mGy.cm)) 38 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của phantom: NEMA IEC Body 39 Bảng 3.2: Thể tích của các quả cầu bên trong phantom: NEMA IEC Body 40 Bảng 3.3: Đặc điểm của máy PET/CT Biograph 64 True Point with TrueV 41 Bảng 3.4: Thông số chụp CT và PET 43 Bảng 3.5: Giá trị Max SUV ứng với từng quả cầu và cao thế chụp CT khác nhau 48 Bảng 3.6: Liều bức xạ của phantom từ phần chụp hình CT trong kỹ thuật PET/CT 48 Bảng 3.7: Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến giá trị SUV [11] 50 Bảng 3.8: Liều bức xạ giảm khi giảm cao thế và % khác biệt so với giá trị chuẩn 120 kV 52 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: (A) Thiết bị ghi hình positron đầu tiên trên thế giới. Ảnh chụp Bs. Brownell (trái) và Aronow và thiết bị năm 1953. (B) Hình ảnh về phương pháp ghi hình phát xạ positron sử dụng đồng vị 74 As [5]. 3 Hình 1.2: MGH PC-I máy ghi hình cắt lớp positron đầu tiên trên thế giới (1968 -1971) [6]. 3 Hình 1.3: Ảnh cho thấy độ phân giải của máy PET được cải thiện theo thời gian từ 1975 đến 1995 [6]. 4 Hình 1.4: Máy ghi hình PET/CT, Biograph 64 True Point with True V, tại đơn vị PET-CT và Cyclotron – Bệnh viện Chợ Rẫy. 5 Hình 1.5: Minh họa sự hình hành một ma trận dữ liệu thô, sinogram [8]. 6 Hình 1.6: Minh họa các sự kiện hủy cặp được ghi nhận và một số sự kiện hủy cặp không được ghi nhận khi chỉ có 1 photon đến được detector [14]. 8 Hình 1.7: Các loại sự kiện trùng phùng trong PET [13]. 9 Hình 1.8: Tinh thể đầu dò trong máy PET [19]. 12 Hình 1.9: Quãng chạy của positron sau phân rã [14]. 15 Hình 1.10: Hai tinh thể dò đối xứng hoạt động trong chế độ trùng phùng ngẫu nhiên [15]. 16 Hình 1.11: Minh họa độ lệch không tuyến tính [14]. 17 Hình 1.12: A) CT thế hệ đầu tại bệnh viện Atkinson Morleys [18], Londres 1971. B) CT SOMATO Force 2 nguồn của siemens tại Chicago 2013[17]. 18 Hình 1.13: Hình trái minh hoạ quá trình thu nhận ảnh CT của một vật thể, giúp tìm ma trận dữ liệu thô. Và hình bên phải, là hình chiếu ngược từ bộ dữ liệu thô được dựng lại bằng các thuật toán tái tạo ảnh [8] . 19 Hình 2.1: Vị trí mũi tên cho thấy trong hình (A) là ảnh CT cho thông tin về cấu trúc của các cơ quan; (B) là ảnh PET cung cấp hình ảnh chuyển hóa của tổn thương, trên hình là những nốt sáng bất thường; (C) là ảnh kết hợp PET/CT cung cấp cả hai loại thông tin cho ta biết rất rõ hình dạng và vị trí của tổn thương [6] . 22 Hình 2.2: Máy PET/CT là sự kết hợp 2 khối máy ghi hình cắt lớp điện toán (CT) và máy ghi hình cắt lớp positron (PET) riêng biệt [16]. 24 Hình 2.3: Hình ảnh minh hoạ vị trí hủy cặp và hai photon 511 keV thoát ra và đập vào đầu dò PET. 24 Hình 2.4: Các bước quét lấy dữ liệu để điều chỉnh sự suy giảm của quét phát xạ quét trống (B ij), quét truyền qua (Tij), quét phát xạ (Eij) [5]. 26 viii Hình 2.5: Sơ đồ khối mô tả qui trình hiệu chỉnh suy giảm ảnh PET sử dụng ảnh CT [9]. 27 Hình 2.6: Hệ số suy giảm của tia X với ứng với các mức năng lượng khác nhau trong một số loại mô thường gặp [5]. 28 Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn liều cho một lát cắt có độ rộng 10 mm. Phần liều do tán xạ gây nên xung quanh lát cắt được tô sọc màu đỏ được cộng dồn vào diện tích bên trong bề dày lát cắt được tô sọc màu xanh. 35 Hình 2.8: Sự chồng chập của chùm tia X được xác định dọc theo trục z [12]. 36 Hình 2.9: Minh họa tổng chiều dài quét L trong tính tích liều chiều dài DLP [12]. 37 Hình 3.1: Hình nộm giả người (Phantom NEMA IEC Body) được dùng trong khóa luận này để làm thực nghiệm thu thập số liệu đánh giá chất lượng hình ảnh PET/CT và liều bức xạ. Nguồn: bệnh viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh. 40 Hình 3.2: Máy đo liều CRC 25 PET. 41 Hình 3.3: Hình ảnh minh hoạ giai đoạn tiêm thuốc phóng xạ vào phantom và các quả cầu. 42 Hình 3.4: Bố trí phantom trên bàn ghi hình, các đường laser màu đỏ dùng để cân chỉnh vị trí trung tâm của phantom sao cho trùng với trường chụp của khoang máy CT và khoang máy PET 43 Hình 3.5: Hình ảnh PET/CT với thông số 80 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và coronal cho thấy tín hiệu nhiễu cao thể hiện qua độ mịn (Smooth) của hình ảnh, ngoài ra còn khó phân biệt các quả cầu theo hướng coronal (mũi tên màu đỏ). 44 Hình 3.6: Hình ảnh PET/CT với thông số 100 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và coronal cho thấy tín hiệu nhiễu đã giảm đi thể hiện qua độ mịn của hình ảnh so với ảnh 80 kV, và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng đã cải thiện hơn so với 80 kV 45 Hình 3.7: Hình ảnh PET/CT với thông số 120 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và coronal cho thấy tín hiệu nhiễu đã giảm đi thể hiện qua độ mịn của hình ảnh so với ảnh 80 kV, và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng đã cải thiện hơn so với 80 kV 46 Hình 3.8: Hình ảnh PET/CT với thông số 140 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và coronal cho thấy tín hiệu rất rõ nét, có thể xác định được bề dày của các quả cầu. Tín hiệu nhiễu giảm, làm cho hình ảnh có độ ix mịn rất cao; và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng rõ nét. 47 Hình 3.9: Hình ảnh CT với các thông số chụp thay đổi từ 80 kV đến 140 kV. Rõ ràng bằng mắt thường ta có thể đánh giá được độ sắc nét của từng hình ảnh, qua đó cho thấy điện thế càng cao, thì nhiễu càng giảm và hình ảnh càng sắc nét, mịn màng hơn. Tuy nhiên rất khó để phân biệt sự khác biệt giữa hình ảnh 120 kV và 140 kV. 49 Hình 3.10: Hình ảnh CT với cùng một lát cắt nhưng có thông số chụp CT khác nhau là 80 kV và 120 kV. Hình (B) 120 kV có thể quan sát rõ tất cả các quả cầu với bề dày của quả cầu có thể đo được. Tuy nhiên rất khó để phân biệt các quả cầu trên hình (A) 80 kV. 50 Hình 3.11: Biểu đồ biểu diễn sự thăng giáng của Max SUV theo cao thế chụp CT cho các quả cầu đường kính 37 mm, 28 mm, 22 mm, 13 mm và 10 mm. 51 1 LỜI MỞ ĐẦU PET/CT là sự kết hợp giữa 2 hệ thống PET và CT, được đưa vào ứng dụng trong chẩn đoán lần đầu vào năm 2000. Sự ra đời của PET/CT đánh dấu một bước phát triển quan trọng của y học hiện đại. Kỹ thuật này mang lại cùng lúc các thông tin về chức năng liên quan đến hoạt động chuyển hóa và các thông tin về cấu trúc giải phẫu của các cơ quan cần thăm khám, giúp phát hiện sớm, chính xác các tổn thương bệnh lý, đặc biệt là trong chẩn đoán bệnh lý ung thư, tiền đề cho việc điều trị đạt hiệu quả tốt nhất về sau. Ngoài ưu điểm là cung cấp thông tin cấu trúc của cơ thể thì ảnh CT trong ghi hình PET/CT còn có một chức năng quan trọng khác là hiệu chỉnh sự suy giảm, với sự tích hợp PET/CT trong cùng một lần chụp thì việc hiệu chỉnh suy giảm đã trở nên thuận tiện hơn rất nhiều. Tuy nhiên, ngoài ưu điểm về thời gian và chất lượng hình ảnh thì việc tích hợp CT trong ghi hình PET cũng mang lại một liều bức xạ chiếu ngoài đáng kể cho bệnh nhân. Vấn đề đặt ra là làm sao cân bằng giữa liều chiếu xạ bệnh nhân phải nhận ở mức thấp nhất trong khi đó chất lượng ảnh PET/CT phải đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Trong nhiều tình huống lâm sàng khác nhau, giá trị thông số chụp CT hiện tại có thể được giảm xuống trong khi vẫn cho sự điều chỉnh suy giảm của ảnh PET một cách tối ưu. Mục tiêu của khóa luận này là nghiên cứu chất lượng hình ảnh PET/CT khi thay đổi thông số chụp CT cũng như liều bức xạ từ đó có thể đưa ra những khuyến cáo hợp lý nhất để làm sao cân bằng được yêu cầu là đảm bảo chất lượng hình ảnh và liều bức xạ thấp nhất. [...]... ghi hình PET /CT Sự ra đời hệ thống máy PET /CT đã tạo nên một phương thức ghi hình y học hiện đại với ưu thế tận dụng những ưu điểm của CT và của cả PET, nhờ có được đồng thời hình ảnh cấu trúc giải phẫu của CT và hình ảnh chức năng chuyển hóa của PET Trong hơn 10 năm gần đây, kỹ thuật PET /CT có những bước phát triển nhanh chóng cả về số lượng máy và chất lượng hình ảnh do được áp dụng các tiến bộ của. .. sắc nét hình ảnh kém (hình 2.1B) A B C Hình 2.1: Vị trí mũi tên cho thấy trong hình (A) là ảnh CT cho thông tin về cấu trúc của các cơ quan; (B) là ảnh PET cung cấp hình ảnh chuyển hóa của tổn thương, trên hình là những nốt sáng bất thường; (C) là ảnh kết hợp PET /CT cung cấp cả hai loại thông tin cho ta biết rất rõ hình dạng và vị trí của tổn thương [6] 22 Nhược điểm thứ hai của việc ghi hình ảnh PET...  Ghi hình phát xạ sau khi bệnh nhân đã được tiêm thuốc phóng xạ Các nhược điểm trên của ghi hình PET đã được giải quyết khi có sự ra đời của máy ghi hình kết hợp PET /CT từ năm 2000 Rõ ràng với một hình ảnh CT cho thông tin về hình ảnh giải phẫu cơ thể học tốt (ảnh anatomy) kết hợp với hình ảnh PET cung cấp thông tin về mặt chuyển hoá (metabolism) thì sự kết hợp giữa CT và PET đã mang lại cho thế giới... đó CT có đơn vị là HU : hệ số suy giảm trung bình của những mô trong pixel đó : hệ số suy giảm của nước Hình ảnh CT điển hình là 12 bit trên mỗi pixel (1,5 byte) tương đương 212 (4096 ) giá trị thang độ xám khác nhau Ví dụ: Giá trị CT của không khí là -1000 Giá trị CT của mô mỡ từ -100  -80 20 Giá trị CT của mô mềm từ 10  100 Giá trị CT của xương từ 400  3000 Giá tri CT của nước là 0 Các giá trị CT. .. Cùng với đó chất lượng ảnh cũng dần được cải thiện, độ phân giải ảnh tăng dần theo thời gian ra đời Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho sự phát triển theo thời gian của kỹ thuật ghi hình PET /CT Hình 1.1, đại diện cho thế hệ máy ghi hình positron đầu tiên 2 trên thế giới Hình ảnh thu được là ảnh hai chiều, chỉ cho thấy có sự hấp thụ thuốc phóng xạ trong não nhưng không xác định được vị trí của tổn... PET /CT đi vào hoạt động nhưng chủ yếu tập trung tại hai thành phố lớn là 4 Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Trong hình 1.4 là hình ảnh của máy ghi hình PET /CT tại Bệnh Viện Chợ Rẫy Hình 1.4: Máy ghi hình PET /CT, Biograph 64 True Point with True V, tại đơn vị PET -CT và Cyclotron – Bệnh viện Chợ Rẫy 1.1.1 Nguyên lý ghi hình của máy PET Nguyên lý cơ bản: PET (Positron Emission tomography) là kỹ thuật chụp hình. .. (PET), hình 2.2 Với máy ghi hình PET /CT kết hợp thì hình ảnh CT có hai vai trò chính sau:  Cung cấp thông tin hình ảnh giải phẫu rõ nét cho bác sĩ phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh lý tốt hơn  Hình ảnh CT được dùng để hiệu chỉnh độ suy giảm cho ảnh PET 23 Khoan máy Khoan máy CT PET Hình 2.2: Máy PET /CT là sự kết hợp 2 khối máy ghi hình cắt lớp điện toán (CT) và máy ghi hình cắt lớp positron (PET) riêng... trí của tổn thương (A) (B) Hình 1.1: (A) Thiết bị ghi hình positron đầu tiên trên thế giới Ảnh chụp Bs Brownell (trái) và Aronow và thiết bị năm 1953 (B) Hình ảnh về phương pháp ghi hình phát xạ positron sử dụng đồng vị 74As [5] Trong hình 1.2 là thế hệ ghi hình cắt lớp Positron đầu tiên, thiết kế với dãy đầu dò (detector) dạng mảng, sử dụng tinh thể nhấp nháy NaI Để ghi hình cắt lớp thì hai đầu dò... đoán hình ảnh góp phần làm tăng hiệu quả điều trị cho bệnh nhân Mục đích của việc ghi hình PET /CT là sao cho với cùng một lần chụp hình nhưng vừa thấy được các tổn thương của cơ quan, đồng thời xác định được tổn thương đó nằm ở đâu trong cùng một lần chụp Về cơ bản PET /CT gồm 2 khối máy độc lập với nhau, máy ghi hình cắt lớp điện toán (CT) và máy ghi hình cắt lớp positron (PET), hình 2.2 Với máy ghi hình. .. qua các thuật toán tái tạo ảnh chuyên biệt, ta sẽ tái tạo được ảnh đã được chụp cắt lớp (hình 1.13) Hình 1.13: Hình trái minh hoạ quá trình thu nhận ảnh CT của một vật thể, giúp tìm ma trận dữ liệu thô Và hình bên phải, là hình chiếu ngược từ bộ dữ liệu thô được dựng lại bằng các thuật toán tái tạo ảnh [8] 19 1.2.2 Phương pháp tái tạo ảnh CT Bằng cách thu nhận dữ liệu suy giảm của chùm tia X ở nhiều góc . luận 49 3.4.1. Chất lượng hình ảnh CT thay đổi theo cao thế (kV) 49 3.4.2. Mối tương quan giữa SUV và cao thế (kV) 50 iv 3.4.3. Liều bức xạ giảm khi giảm cao thế chụp CT 51 3.5. Kết luận. cầu và cao thế chụp CT khác nhau 48 Bảng 3.6: Liều bức xạ của phantom từ phần chụp hình CT trong kỹ thuật PET /CT 48 Bảng 3.7: Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến giá trị SUV [11] 50 Bảng 3.8: Liều. giá chất lượng hình ảnh PET /CT và liều bức xạ. Nguồn: bệnh viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh. 40 Hình 3.2: Máy đo liều CRC 25 PET. 41 Hình 3.3: Hình ảnh minh hoạ giai đoạn tiêm thuốc phóng xạ vào