Báo viết này trình bày phương pháp tìm thông tin hoạt độ và mật độ ở mức voxel dựa vào ảnh PET/CT định dạng DICOM bằng phần mềm GAMOS. Kết quả tính bằng phần mềm GAMOS được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm CARIMAS và cho độ phù hợp tốt.
Trang 1ĐỌC ẢNH DICOM VÀ TÍNH LIỀU HẤP THỤ ĐỐI VỚI F-18 CHO
BỆNH NHÂN BẰNG PHẦN MỀM GAMOS
Nguyễn Thị Phương Thảo
Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam
Tính liều bức xạ là một nhiệm vụ quan trọng trong Y học hạt nhân Việc tính liều cho từng cá thể ở mức voxel đang là xu hướng mà thế giới muốn hướng đến Để tính liều cho từng cá thể, cần phải biết được sự phân bố của mật độ mô và hoạt độ thuốc phóng xạ ở mức voxel Báo cáo này trình bày phương pháp tìm thông tin hoạt độ và mật độ ở mức voxel dựa vào ảnh PET/CT định dạng DICOM bằng phần mềm GAMOS Kết quả tính bằng phần mềm GAMOS được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm CARIMAS và cho độ phù hợp tốt Sau đó, thông tin này được sử dụng để tìm phân bố liều hấp thụ cho trường hợp nguồn F-18 đồng nhất trong phổi Phân bố liều hấp thụ của bệnh nhân được so sánh với liều hấp thụ cho phantom toán học tính bởi phần mềm OLINDA/EXM Kết quả tính liều cho bệnh nhân và phantom lệch ít nhất ở phổi (15%) và nhiều nhất ở não (35%) cho thấy sự quan trọng của việc tính liều cho từng bệnh nhân cụ thể và GAMOS chính là công cụ tin cậy và linh hoạt có thể phục vụ cho việc tính liều.
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Từ khóa: DICOM, GAMOS, hoạt độ, mật độ, liều hấp thụ.
Trong Y học hạt nhân thực hành, thuốc
phóng xạ được đưa vào cơ thể bệnh nhân
nhằm mục đích chẩn đoán hay điều trị [1] Bức
xạ ion hóa phát ra từ thuốc sẽ hấp thụ trong cơ
thể bệnh nhân Năng lượng hấp thụ từ bức xạ
được mô tả bằng liều hấp thụ [2] Việc xác định
được phân bố liều hấp thụ tại các vị trí trong cơ
thể là một bài toán quan trọng, vì nó cho phép
đánh giá hiệu quả điều trị (trong y học hạt nhân
điều trị) hay mức độ nguy hiểm do bức xạ ion
hóa (trong chẩn đoán) [3] Tuy nhiên, việc tính
liều chiếu trong Y học hạt nhân cho từng bệnh
nhân cụ thể ở các bệnh viện vẫn chưa thực
hiện được
Để tính liều trong cơ thể, cần phải có
thông tin về cấu trúc giải phẫu (phân bố mật
độ mô) và phân bố thuốc phóng xạ trong cơ thể [4] Trước đây, để mô tả cấu trúc cơ thể, người ta xây dựng các mô hình người chuẩn (anthropomorphic model) với các cơ quan có kích thước khá lớn [5] như Callahan, Brownell, phantom MIRD hay phantom hình học GSF Khi tính liều bằng phương pháp MIRD với phantom toán học, người ta giả sử sự phân
bố mật độ mô và thuốc phóng xạ trong mỗi cơ quan là đồng nhất Do đặc tính phức tạp của
cơ thể, điều giả sử này không phù hợp và sẽ đánh giá sai phân bố liều trong cơ thể bệnh nhân Từ những năm của thập niên 90, người
ta bắt đầu quan tâm đến việc tính liều hấp thụ cho những cấu trúc có kích thước rất nhỏ, cụ thể là những voxel có kích thước cỡ vài mm [6] Hiện nay, các hệ ghi ảnh y học cho phép tái tạo hình ảnh cấu trúc 3D của cơ thể bệnh nhân
từ những voxel có kích thước khá nhỏ (ảnh CT
có kích thước voxel nhỏ hơn 1 mm) [7] Điều
Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Phương Thảo,
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
Email: nguyen.thi.phuong.thao.8488@gmail.com
Ngày nhận: 14/02/2019
Ngày được chấp nhận: 08/03/2019
Trang 2này, cùng với tốc độ tính toán của máy tính
ngày càng cao, cho phép phát triển kỹ thuật
tính liều cho cơ quan ở mức voxel và có thể áp
dụng được cho từng bệnh nhân
Báo cáo này trình bày phương pháp tìm
thông tin hoạt độ và mật độ trên mỗi voxel,
dựa vào ảnh PET/CT, thực hiện bởi phần mềm
GAMOS [8], và so sánh với tính toán bởi phần
mềm CARIMAS [9] Các thông tin này sau
đó được đưa vào chương trình tính liều của
GAMOS để tính liều hấp thụ cho từng voxel,
từ đó tính được liều hấp thụ cho từng cơ quan
ở mức voxel cho bệnh nhân cụ thể Phân bố
liều hấp thụ cho bệnh nhân sẽ được so sánh
với phân bố liều hấp thụ tính cho phantom toán
học của phần mềm OLINDA/EXM [10] để đánh
giá ảnh hưởng của cấu trúc giải phẫu đến liều
hấp thụ
II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
1 Đối tượng nghiên cứu
Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày cách
tìm phân bố hoạt độ và cấu trúc mô, ở mức
voxel, bằng phần mềm GAMOS phiên bản
6.0.0 Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ
C++, là công cụ dùng để tính liều trong Y học
hạt nhân và xạ trị Bộ ảnh PET/CT của bệnh
nhân được sử dụng có định dạng DICOM,
ảnh CT gồm 111 slice, ảnh PET gồm 74 slice
Thông tin ảnh DICOM được dùng để tính liều
hấp thụ đối với nguồn phóng xạ F-18 tại một số
cơ quan trong cơ thể với giả sử nguồn phân bố
đồng nhất trong phổi
2 Phương pháp nghiên cứu
Công việc cụ thể được tiến hành qua các
bước:
- Bước 1: Tạo file Data.dat Cấu trúc file
Data.dat gồm có:
+ Hệ số nén (Ví dụ hệ số nén bằng 4, nghĩa
là ghép 4 voxel gốc của ảnh thành 1 voxel
hớn hơn Nếu hệ số nén bằng 1, nghĩa là giữ
nguyên các voxel gốc) + Khai báo vật liệu và mật độ (Giá trị tương ứng ở sau tên vật liệu cho biết ngưỡng trên của vùng mật độ)
+ Các giá trị để ngoại suy từ HU (Hounsfield unit) sang mật độ
+ Đường dẫn đến các file DICOM
- Bước 2: Mở Terminal, chạy các lệnh yêu cầu biên dịch file Dicom thành file text
Quá trình biên dịch ảnh sẽ diễn ra Khi kết thúc quá trình, màn hình hiển thị trên Terminal
sẽ thông báo File text chứa thông tin về ảnh
CT và ảnh PET lần lượt là g4dcm và petg4dcm
sẽ xuất hiện trong cùng thư mục với file Data dat
Đối với file.g4dcm chứa thông tin về ảnh
CT, thông tin trên mỗi voxel sẽ là số index vật liệu và mật độ tương ứng (g/cm3) Với file petg4dcm chứa thông tin về ảnh PET, thông tin trên mỗi voxel là giá trị hoạt độ (Bq)
Điều cần lưu ý là, mặc định trong phần mềm GAMOS, để tiết kiệm thời gian tính, kết quả tính toán chỉ cho chúng ta giá trị mật độ chứ không bao gồm luôn cả giá trị HU Trong báo cáo này, do cần đánh giá cả giá trị HU, do
đó phải điều chỉnh User code của GAMOS, ra lệnh xuất cả giá trị HU trên mỗi voxel
- Bước 3: sử dụng thông tin ảnh PET/CT để tính liều hấp thụ
Thông tin giải phẫu của bệnh nhân nhận được từ ảnh CT được đưa vào chương trình tính liều của GAMOS thông qua các command line và các file input Một file ảnh PET giả định được tạo ra với giả sử thuốc phóng xạ F-18 phân bố đồng nhất trong phổi và tính liều mà các cơ quan khác trong cơ thể nhận được Kết quả tính cho bệnh nhân dùng phần mềm GAMOS được so sánh với kết quả tính cho phantom hình học dùng phần mềm OLINDA/ EXM, qua đó đánh giá vai trò của cấu trúc giải phẫu đến phân bố liều hấp thụ
Trang 33 Đạo đức nghiên cứu
Nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ theo đạo đức
nghiên cứu trong Y học Nghiên cứu dựa trên
ảnh PET/CT của bệnh nhân, được cung cấp
từ Bệnh viện Chợ Rẫy Nghiên cứu không gây
ảnh hưởng nào đến sức khỏe của bệnh nhân
và thông tin bệnh nhân được giữ bí mật tuyệt
đối
III KẾT QUẢ
1 Đọc thông tin trong ảnh DICOM não
Để đánh giá độ tin cậy, việc so sánh kết quả
tính toán của GAMOS với kết quả tính bằng
phần mềm CARIMAS 2.9 được thực hiện Đây là phần mềm chủ yếu được sử dụng để hiển thị và phân đoạn ảnh CT, PET và MRI, được phát triển bởi trung tâm Turku Ảnh CT được dùng để đối chiếu giá trị HU và mật độ Ảnh PET được dùng
để đối chiếu giá trị hoạt độ Trong mỗi slice ảnh,
số voxel là lớn (ảnh PET chứa 28224 và ảnh CT chứa 262144 voxel trên mỗi slice)
Do đó, để dễ so sánh kết quả tính toán, 20 voxel gốc ngẫu nhiên được lựa chọn, và so sánh kết quả khi tính bằng Gamos và khi tính bằng CARIMAS [4] Kết quả phân bố hoạt độ và mật
độ được trình bày trong bảng 1 và 2
Bảng 1 Phân bố hoạt độ (Bq)
Trang 4Bảng 2 Phân bố HU và mật độ Voxeli
(%)
HU (g/cm3) Mật độ HU (g/cm3) Mật độ
Trang 52 Kết quả tính liều cho từng cơ quan của bệnh nhân được so sánh với kết quả tính cho phantom toán học với cùng điều kiện F-18 đồng nhất trong phổi được trình bày ở bảng 3.
Kết quả tính liều cho bệnh nhân và phantom khi giả sử F-18 phân bố đồng nhất trong phổi có
sự khác biệt lớn Khác biệt ở tất cả cơ quan đều trên 10%, nhỏ nhất ở phổi (15%) và lớn nhất ở não (35%)
Bảng 3 Liều hấp thụ trên một MBq khi F-18 phân bố đồng nhất trong phổi
Cơ quan Liều hấp thụ tính cho
bệnh nhân ( mGy/MBq)
Liều hấp thụ tính cho phantom (mGy/MBq)
Độ lệch (%)
IV BÀN LUẬN
Với phân bố mật độ và HU, cho độ lệch là
0% Với phân bố hoạt độ, cho độ lệch khác 0
nhưng rất nhỏ (<< 1%) Nguyên nhân dẫn đến
sai lệch về hoạt độ là GAMOS chỉ sử dụng số
nguyên cho hoạt độ, trong khi đó, CARIMAS
sử dụng nhiều hơn một số lẻ cho giá trị hoạt
độ Tuy nhiên, sai lệch trên là rất nhỏ Với kết
quả đọc phân bố hoạt độ và mật độ từ ảnh
DICOM so sánh giữa GAMOS và CARIMAS
cho thấy GAMOS là phần mềm đáng tin cậy
Từ việc tính liều cho bệnh nhân và cho
phantom với cùng đồng vị F-18, cùng giả sử
phân bố nguồn đồng nhất trong phổi, kết quả
cho thấy sự khác biệt về phân bố liều khá lớn
(lên đến 35%), điều đó cho thấy ảnh hưởng
của cấu trúc giải phẫu đến phân bố liều hấp thụ
rất quan trọng Trên thực tế, sự phân bố thuốc
phóng xạ trong mỗi bệnh nhân và trong từng
cơ quan cũng không đồng nhất và rất khác
nhau, cùng ảnh hưởng đến liều hấp thụ Do
đó việc tính liều hấp thụ cho từng bệnh nhân
cụ thể là rất cần thiết, không thể dựa vào kết quả tính phân bố liều cho phantom để áp dụng cho bệnh nhân, sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả điều trị
Với khả năng đọc ảnh DICOM với độ tin cậy cao và khả năng sử dụng những thông tin này để tính phân bố liều hấp thụ ở mức voxel, GAMOS có thể sử dụng như một công cụ hữu ích để tính liều hấp thụ cho từng bệnh nhân cụ thể sử dụng trong Y học hạt nhân
V KẾT LUẬN
Do sự phức tạp trong cấu trúc giải phẫu và phân bố hoạt độ trong cơ thể bệnh nhân, việc tính phân bố liều cho từng bệnh nhân cụ thể là một công việc cần thiết Phần mềm GAMOS, với khả năng linh hoạt và độ tin cậy cao trong việc đọc thông tin ảnh DICOM ở mức voxel, có thể sử dụng làm công cụ để đánh giá liều hấp thụ ở mức voxel cho từng bệnh nhân cụ thể
Trang 6Lời cảm ơn
Xin chân thành cám ơn sự hỗ trợ về chuyên
môn cũng như dữ liệu ảnh PET/CT từ bệnh
viện Chợ Rẫy và giáo sư Pedro Arce Dubois
(thuộc Đơn vị ứng dụng y tế, phòng thiết bị
khoa học, Sở công nghệ, CIEMAT, Tây Ban
Nha) để thực hiện nghiên cứu này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Vani, Chappidi, Nagalaxmi (2013)
Radiopharmaceuticals in nuclear medicine:
Evolution and role in dentistry Journal of
International Dental and Medical Research,
6(3),122-127
2 J.Briere, B.Philippon (1979)
Absorbed dose to Ovaries or Uterus During a
131I-Therapeutic of Cancer or Hyperthyroidism:
Comparison Between in vivo Measurements by
TLD and Calculations International Journal of
Applied Radiation and Isotopes, 30, 463-466.
3 M.A Staniszewska (1987) Radiation
risk to patients from nuclear medicine in
Poland Eur J Nucl Med, 13, 307-310.
4 Nguyễn Thị Phương Thảo, Nguyễn
Đông Sơn (2017) Using Carimas to determine
the distribution of radiation activity in patients
from PET images Japanese Journal of Medical
Physics, Vol 37 Supplement No.1, 72-73.
5 C.Villagrasa, J.DarréonI, Clairand
(2008) Anthropomorphic phantom for effective
dose measurements: Feasibility numerical study and presentation of the detector
development Radiation Measurements, 43,
590-593
6 Bolch WE, Bouchet LG, Aydogan B (1997) Voxel S values for use in dosimetry for
nonuniform activity distributions International Federation of Medical and Biological Engineering, 168, 861-864
7 Susan D Kost, 1 Yuni K Dewaraja,2 Richard G Abramson (2015) VIDA: A
Voxel-Based Dosimetry Method for Targeted
Radionuclide Therapy Using Geant4 Cancer Biother Radiopharm, 30 (1), 16–26.
8 P Arce, J I Lagares, L Harkness (2014) Gamos: A framework to do Geant4
simulations in different physics fields with an
user-friendly interface Nuc Instr Meth, 735,
304-313
9 Sergey V Nesterov, Chunlei Han, Maija Mäki (2009) Myocardial perfusion
quantitation with 15O-labelled water PET: high reproducibility of the new cardiac analysis
software (Carimas™) Eur J Nucl Med Mol Imaging, 36,1594–1602.
10 Stabin MG, Sparks RB, Crowe E (2005) OLINDA/EXM: the second-generation
personal computer software for internal dose
assessment in nuclear medicine J Nucl Med
46(6),7-1023.
Summary READING DICOM IMAGES AND CALCULATING ABSORBED DOSE FOR F-18 IN PATIENTS BY GAMOS SOFTWARE
Calculating radiation dose is an important task in Nuclear Medicine Calculating the absorbed dose for each patient at voxel level is common practice around the world Information on the distribution of tissue density and activity at voxel level are needed to carry out this procedure
In this report, a method to calculate the distribution of activity and density at voxel level, based
on PET/CT images with DICOM format using GAMOS software is presented The results were compared with those calculated by CARIMAS software This information was then used to calculate
Trang 7the absorbed dose distribution for a homogenous F-18 source in the lung Distribution of absorbed dose of patients was compared with that of phantom calculated by OLINDA / EXM software The smallest difference is in the lung (15%) and highest in the brain (35%) This shows the importance of calculating the dose for each specific patient and GAMOS is a credible and flexible tool for this task
Keywords: DICOM, GAMOS, activity, density, absorbed dose.