Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng máy pet thông qua phần mềm geant4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TUẤN ANH NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4 KỸ THUẬT HẠT NHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT HẠT NHÂN 2015 Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4 Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHAN VIỆT CƯƠNG Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực luận văn, nhận nhiều giúp đỡ tận tình, chu đáo với tinh thần khoa học trách nhiệm cao Thầy/Cô khoa Kĩ thuật Hạt Nhân Vật lý môi trường trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành kính trọng đến: TS Phan Việt Cương không Thầy hướng dẫn khoa học tận tình hướng dẫn, động viên truyền đạt kinh nghiệm quý báu nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, Thầy tạo điều kiện tốt để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến TS Trần Kim Tuấn Thầy/Cô trong khoa Kĩ thuật Hạt Nhân Vật lý môi trường trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến q Thầy/Cơ truyền đạt kiến thức q trình học, Phòng Sau Đại Học, khoa Kĩ thuật Hạt Nhân Vật lý môi trường trường Đại Học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian thực luận văn Cảm ơn bạn bè động viên Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn chân thành tới ba mẹ, gia đình tạo điều kiện thuận lợi để thực việc học làm luận văn tốt LỜI CAM ĐOAN Tôi học viên: Nguyễn Tuấn Anh Mã số học viên: CB150035 Xin cam đoan toàn nội dung luận văn thực cách nghiêm túc trung thực Các số liệu tính tốn mơ tơi hồn tồn trung thực khơng chép từ cơng trình nghiên cứu khác NGƯỜI CAM ĐOAN NGUYỄN TUẤN ANH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY PET 13 Giới thiệu máy PET 13 Lịch sử máy ghi hình PET/CT giới tình hình nước ta 13 Những dược chất phóng xạ sử dụng cho máy PET/CT 14 Nguyên lý ghi hình máy PET 16 Cấu tạo hệ thống máy PET/CT 18 5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động máy CT 20 a Cấu tạo máy phát tia X .20 b Nguyên lý hoạt động: .21 5.2 Cấu tạo hệ thống máy PET 22 5.2.1 Cấu tạo chức khối xử lý tín hiệu trùng phùng .23 5.2.1.1 Hệ Detector ghi nhận tín hiệu 25 5.2.1.2 Hệ khuếch đại tín hiệu: 26 5.2.1.3 Hệ xác định lượng 27 5.2.1.4 Hệ xác định vị trí thời gian 27 5.2.1.5 Mạch trùng phùng .28 5.2.2 Khối biến đổi tín hiệu ADC .29 5.2.3 Cơ chế xây dựng ảnh hệ thống máy PET/CT 30 CHƢƠNG II CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ TRONG MÁY PET KHI MÔ PHỎNG THÔNG QUA CÔNG CỤ GEANT4 .32 Giới thiệu chương trình GEANT4 .32 Cấu trúc chương trình Geant .33 Cách thức xây dựng ứng dụng GEANT4 35 3.1 Hàm main 35 3.2 Xây dựng hệ detector Geant .36 3.3 Mô tả trình vật lý Geant 36 3.4 Quá trình tạo event mô Geant4 .36 Mô cấu trúc hệ detector máy PET chương trình GEANT4 36 4.1 Mơ cấu trúc hệ detector: 36 4.2 Mơ q trình vật lý 39 4.2.1 Quá trình phân rã 18F .39 4.2.2 Mô tương tác 18F với vật chất 39 4.2.3 Hiệu ứng quang điện 41 4.2.4 Tán xạ Compton 42 4.3 Tạo Event cho chương trình mơ .45 CHƢƠNG III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .47 Hình dạng cấu trúc hệ detector máy PET .47 Khảo sát đánh giá quãng chạy phổ lượng positron phantom 49 Phổ lượng ghi nhận nhận xét 52 Dạng phổ thời gian photon đến detector .53 Dạng phổ lượng thời gian cặp detector đối xứng xét trùng phùng 54 Kết khảo sát thay đổi vị trí nguồn đặt hạt nhân 18F ảnh hưởng đến kết trùng phùng 57 6.1 Phổ lượng ghi nhận 58 6.2 Phổ thời gian ghi nhận 60 6.3 Khảo sát kết trùng phùng vị trí 63 Khảo sát thay đổi kích thước phantom ảnh hưởng đến kết trùng phùng 68 7.1 Phổ lượng ghi nhận thay đổi bán kính phantom 69 7.2 Phổ lượng ghi nhận thay đổi bán kính phantom 71 7.3 Kết trùng phùng thay đổi bán kính phantom 72 KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh 18F-FDG Fluorine-18-2-Fluoro-2-DeoxyGlucose BGO Bismuth germanium oxide GSO Gadolinium Oxyorthosilicate CT Computed Tomography LSO Lutetium Oxyorthosilicate NaI Sodium Iodide PET Positron Emission Tomography ADC: Analog To Digital Converter CPU: Central Prosessing Unit SPECT/CT: Positron Emission Tomography /Computed Tomography GEANT4 Geometry and Tracking Kí hiệu Tiếng việt YHHN Y học hạt nhân DCPX Dược chất phóng xạ LOR Sự trùng phùng ghi DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các loại dược chất sử dụng máy PET/CT 15 Bảng 2: Đặc tính kĩ thuật tinh thể nhấp nháy 26 Bảng 1: Bảng tính chất Positron phát số nhân phóng xạ sử dụng máy PET .39 Bảng 1: Kết mô quãng chạy lượng positron 51 Bảng 2: Thông số lý thuyết số positron sử dụng máy PET 51 Bảng 3: Kết số kiện trùng phùng hiệu suất trùng phùng ghi nhận thay đổi bán kính phantom: 77 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Nguyên lý ghi hình máy PET 16 Hình 2: Sơ đồ minh họa trình phân rã + 18F môi trường hủy cặp positron/electron để hình thành tia gamma 511 keV 17 Hình 3: Các đường nối kiện trùng phùng 17 Hình 4: Hệ thống thiết bị ghi hình máy PET 18 Hình 5: Hình ảnh kết hợp PET/CT .19 Hình 6: Sơ đồ khối máy PET/CT 20 Hình 7: Cấu tạo máy CT 20 Hình 8: Quá trình hoạt động máy CT .22 Hình 9: Sơ đồ khối trình hoạt động máy PET 22 Hình 10: Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu máy PET 24 Hình 11: Năng luợng photon tương tác với tinh thể nhấp nháy 25 Hình 12: Nguyên lý hoạt động hệ khuếch đại tín hiệu 27 Hình 13: Q trình thu nhận tín hiệu trùng phùng 28 Hình 14: Hình ảnh photon ngược chiều chuyển động mơi trường vật chất .28 Hình 15: Sơ đồ khối mạch biến đổi tín hiệu ADC 29 Hình 16: Hành ảnh sau chụp PET/CT 31 Hình 1: Sơ đồ kết nối lớp geant 34 Hình 2: Hình ảnh cấu trúc hệ detector 37 Hình 1: Cấu trục hệ detector hệ thống máy PET 47 Hình 2: Hình ảnh 3D cấu hình hệ detector mơ 48 Hình 3: Cấu hình hệ detector phantom 49 Hình 5: Quãng chạy positron phantom nước 50 Hình 6: Phổ lượng positron 50 Khi cho 109 hạt nhân 18 F vào khảo sát phát đồng theo khối cầu số cặp photon mang lượng 511 keV tạo hướng đến cặp detector detector 16 tính theo cơng thức (14): P 109 0, 062 = 3,1.106 kiện 4 0,3 Hiệu suất trùng phùng tính cơng thức (15), ta tính hiệu suất trùng phùng trường hợp là: 2,6% Tại vị trí thứ ba nguồn phát có tọa độ là: x0 = -4 cm, y0 = -4 cm, z0 = 2.5 cm Hình 21: Phổ lượng trùng phùng vị trí thứ ba 66 Hình 22: Phổ trùng phùng theo thời gian vị trí thứ ba Số hạt ghi nhận trùng phùng phép đo thứ mô : 2194 kiện trùng phùng Khi cho 109 hạt nhân 18 F vào khảo sát phát đồng theo khối cầu số cặp photon mang lượng 511 keV tạo hướng đến cặp detector detector 16 tính theo cơng thức (14): P 109 0, 062 = 2,5.106 kiện 4 0,34 Hiệu suất trùng phùng tính cơng thức (15), ta tính hiệu suất trùng phùng trường hợp là: 0,0878% Nhận xét: Hiệu suất trùng phùng hạt từ cặp photon 511keV tạo đến số photon lại ghi nhận cỡ 1% hầu hết cạc photon bị loại bỏ hấp thụ quang điện tán xạ Compton Do kết mô phù hợp với lý thuyết vật lý xảy máy PET 67 Với vị trí nguồn mà 18 F tập trung khác cho hiệu suất trùng phùng khác Với vị trí nguồn gần vị trí trung tâm nghĩa hiệu khoảng cách nguồn đến cặp detector trùng phùng nhỏ hiệu suất trùng phung cặp detector ghi nhận cao Khảo sát thay đổi kích thƣớc phantom ảnh hƣởng đến kết trùng phùng Trong trình chụp chiếu cho bệnh nhân sử dụng máy PET thể bệnh nhân có kích thước khác Với bệnh nhân có kích thước khác ảnh hưởng đến kết trùng phùng mà máy PET ghi nhận đánh giá kết mô Để tiến hành khảo sát chúng tơi thực phép đo phổ lượng, phổ thời gian kết trùng phùng với cấu hình hệ detector sau: Với kích thước tinh thể detector 6cmx6cmx3cm vị trí hạt nhân phóng xạ nằm phantom có tọa độ x0 = cm, y0 = cm, z0 = 2.5 cm Phantom mơ có dạng hình trụ có chiều cao 10 cm Bán kính tăng dần với phép đo bán kính cm, bán kính cm bán kính 10 cm 68 7.1 Phổ lƣợng ghi nhận thay đổi bán kính phantom Khảo sát phổ lượng ghi nhận cặp detector trùng phùng detector detector số 16 bán kính phantom nước Hình 23: Phổ lượng chưa trùng phùng bán kính cm 69 Hình 24: Phổ lượng chưa trùng phùng bán kính cm Hình 25: Phổ lượng chưa trùng phùng bán kính 10 cm Nhận xét: Với kết phổ lượng bán kính phantom cho dạng phổ lượng tương đồng Trong phổ lượng ghi nhận đỉnh phổ 511 keV số lượng photon đến detector lớn detector 16 Kết luận thay đổi kích thước phantom khơng ảnh hưởng nhiều đến phổ lượng chúng đến hệ detector ghi nhận máy PET 70 7.2 Phổ lƣợng ghi nhận thay đổi bán kính phantom Khảo sát phổ thời gian ghi nhận cặp detector trùng phùng detector detector số 16 bán kính phantom nước Hình 26: Phổ thời gian chưa trùng phùng bán kính cm Hình 27: Phổ thời gian chưa trùng phùng bán kính cm 71 Hình 28: Phổ thời gian chưa trùng phùng bán kính 10 cm Nhận xét: Với kết phổ thời gian bán kính phantom cho dạng phổ thời gian tương đồng Trong phổ thời gian phép đo cho kết thời gian đến detector nhỏ thời gian đến detector 16 hạt nhân phóng xạ đặt gần detector Kết luận thay đổi kích thước phantom khơng ảnh hưởng nhiều đến phổ lượng chúng đến hệ detector ghi nhận máy PET 7.3 Kết trùng phùng thay đổi bán kính phantom Khảo sát phổ trùng phùng ghi nhận cặp detector trùng phùng detector detector số 16 vị trí phantom nước Xét kết trùng phùng phantom bán kính phantom cm 72 Hình 29: Phổ lượng trùng phùng phantom có bán kính cm Hình 30: Phổ thời gian trùng phùng phantom có bán kính cm Kết hợp kết trùng phùng theo thời gian lượng số hạt ghi nhận trùng phùng phantom bán kính 10 cm mơ : 2570 kiện trùng phùng 73 Khi cho 109 hạt nhân 18 F vào khảo sát phát đồng theo khối cầu số cặp photon mang lượng 511 keV tạo hướng đến cặp detector detector 16 tính theo cơng thức (14), ta tính số photon 511keV ban đầu tạo hướng đến cặp detector xét trùng 109 phùng hệ là: P  0, 062 = 2,5.106 kiện 4 0,34 Hiệu suất trùng phùng tính cơng thức (15), ta tính hiệu suất trùng phùng trường hợp là:0,1028% Xét kết trùng phùng phantom bán kính phantom cm Hình 31: Phổ lượng trùng phùng phantom có bán kính cm 74 Hình 32: Phổ thời gian trùng phùng phantom có bán kính cm Kết hợp kết trùng phùng theo thơi gian lượng số hạt ghi nhận trùng phùng phantom bán kính 10 cm mơ : 2130 kiện trùng phùng Khi cho 109 hạt nhân 18 F vào khảo sát phát đồng theo khối cầu số cặp photon mang lượng 511 keV tạo hướng đến cặp detector detector tính theo cơng thức (14), ta tính số photon 511keV ban đầu tạo hướng đến cặp detector xét trùng phùng hệ là: P  109 0, 062 = 2,5.106 kiện 4 0,342 Hiệu suất trùng phùng tính cơng thức (15), ta tính hiệu suất trùng phùng trường hợp là: 0,0852% Xét kết trùng phùng phantom bán kính phantom 10 cm 75 Hình 33: Phổ lượng trùng phùng phantom có bán kính 10 cm Hình 34: Phổ thời gian trùng phùng phantom có bán kính 10 cm Kết hợp kết trùng phùng theo thời gian lượng số hạt ghi nhận trùng phùng phantom bán kính 10 cm mô : 1350 kiện trùng phùng 76 Khi cho 109 hạt nhân 18 F vào khảo sát phát đồng theo khối cầu số cặp photon mang lượng 511 keV tạo hướng đến cặp detector detector 16 P  109 0, 062 = 2,5.106 kiện 4 0,34 Hiệu suất trùng phùng tính cơng thức (15), ta tính hiệu suất trùng phùng trường hợp là: 0,054% Bảng 3: Kết số kiện trùng phùng hiệu suất trùng phùng ghi nhận thay đổi bán kính phantom: STT Bán kính phantom (cm) Sự kiện trùng phùng Hiệu suất trùng phùng 2570 0,1028 2130 0,0852 10 1350 0,0540 Nhận xét: Khi bán kính phantom tăng lên làm cho photon chuyển động môi trường vật chất nhiều dó hiệu suất gây hiệu ứng quang điện tán xạ Compton tăng lên số kiện trùng phùng đến cặp detector giảm Trong khảo sát hiệu suất trùng phùng giảm tăng dần bán kính phantom 77 KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn này, cấu trúc máy PET sử dụng Y học hạt nhân, Mô họat động hệ thống detector ghi nhận máy PET dựa chương trình Geant Việc thực mô luận văn bao gồm: Mô lên cấu trúc hệ detector hệ thống máy PET bao gồm vòng vòng chứa 32 detector, Khảo sát đánh giá lượng ghi nhận photon đến hệ detector, Khảo sát thời gian photon đến detector Tìm tín hiệu trùng phùng cặp detector đối xứng Khảo sát đánh giá thay đổi vị trí nguồn phát ảnh hưởng đến hiệu suất trùng phùng hệ detector ghi nhận Khảo sát đánh giá thay đổi kích thước phantom ảnh hưởng đến hiệu suất trùng phùng hệ detector ghi nhận Để tìm hiểu nghiên cứu hệ thống máy PET thật khó khăn Bởi có tài liệu tìm hiểu sâu công việc máy PET sử dụng YHHN Thật vậy, Phần lớn kiến thức đề tài viết nên từ báo, giản riêng lẻ, việc tập hợp thành nội dung thống khó khăn Nên nội dung nghiên cứu chưa thực sâu để phana tích cụ thể công nghệ máy PET Tuy nhiên hi vọng góp phần vào vào tìm hiểu hoạt động vào hệ thống máy PET phục vụ nhu cầp tiếp cận thông tin điều mẻ Việt Nam Kiến nghị  Trong luận văn, sử dụng chương trình mơ Geant4, phần mềm mơ có độ tin cậy cao, với tiềm to lớn, ứng dụng nhiều lĩnh vực Việc sử dụng chương trình mơ Geant4 đề tài thuận lợi việc khảo sát ảnh hưởng độ phân giải lên phổ lượng, đồng + Hướng nghiên cứu tiếp theo: Xây dựng lên chương trình mơ tồn hệ thống PET/CT phục vụ cho việc thiết kế chế tạo hệ thống máy PET tương lai 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ y tế (2010), Hướng dẫn quy trình kỹ thuật sử dụng hệ thống PET PET/CT, Quyết định 3401/2010/QĐ-BYT, Nguyễn Đơng Sơn (2009), Giáo trình Vật lý Hạt nhân Ứng dụng Y tế AAPM Task Group 108 (2006), PET and PET/CT Shielding Requirements,Medical Physics Vol 33, No.1 Brain M Methe (2003), Shielding Design for a PET Imaging Suite: A Case Study,Operational radiation safety Fiona O Roberts (2005), Radiation Dose to PET Technologists and Strategies to Lower Occupational Exposure, J Nucl Technol 33, pp 44-47 Chatziioannou AF PET scanners dedicated to molecular imaging of small animal models Mol Imaging Biol 2002; 4:47–63 Tai YC, Ruangma A, Rowland D, et al Performance evaluation of the microPET focus: a third-generation microPET scanner dedicated to animal imaging J Nucl Med 2005; 46:455–463 Knoess C, Siegel S, Smith A, et al Performance evaluation of the microPET R4 PET scanner for rodents Eur J Nucl Med Mol Imaging 2003; 30:737–747 C M Pepin, P.Bérard, and R Lecomte, “Comparison of LSO LGSO and MLS scintillators,” in Proc 2001 IEEE Nuclear Science Symp./Medical Imaging Conf Rec., vol 1, San Diego, CA, Nov 2001, pp 124–128 10 A Saoudi, C Pepin, C Pépin, D Houde, and R Lecomte, “Scintillation light emission studies of LSO scintillators,” IEEE Trans Nucl Sci., vol 46, pp 1925– 1928, 1999 79 11 R Lecomte, C Pepin, D Rouleau, H Dautet, R J McIntyre, D Sween, and P Webb, “Investigation of GSO, LSO and YSO scintillators using reverse avalanche photodiodes,” IEEE Trans Nucl Sci., vol 45, pp 478–482, 1998 12 R Lecomte, C Pepin, D Rouleau, H Dautet, R J McIntyre, D McSween, and P Webb, “Radiation detection measurements with new „buried junction‟ silicon avalanche photodiode,” Nucl Instrum Methods Phys Res A, pp 92–102, 1999 13 J S Huber, W W Moses, M S Andreaco, M Loope, C L Melcher, and R Nutt, “Geometry and surface treatment dependence of the light collection from LSO crystals,” Nucl Instrum Methods Phys Res A, vol 437, pp 374–380, 1999 80 ... tạo hệ PET thời gian tới Việt Nam Nội dung khóa luận ? ?Nghiên cứu cấu trúc mô máy PET thông qua công cụ GEANT4? ?? bao gồm chương: Chương 1- Tổng quan máy PET: Trong chương giới thiệu máy PET lịch...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4 Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN... thành máy PET Nguyên lý hoạt động cấu trúc máy PET Chương – Các trình vật lý máy PET mô thông qua công cụ Geant4: Trong chương giới thiệu chương trình GEANT4, đưa cấu hình mơ hệ detector, cấu hình