Báo cáo: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật Spect/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp một nguồn một đầu dò quy mô phòng thí nghiệm

Đề tài được đặt ra với mục tiêu chính là nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật Spect phục vụ hướng nghiên cứu về hình ảnh hạt nhân của trung tâm ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh Spect/CT.

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT SPECT/ CT TRÊN CƠ SỞ THIẾT BỊ CT CÔNG NGHIỆP MỘT NGUỒN - MỘT ĐẦU DỊ QUY MƠ PHỊNG THÍ NGHIỆM PHẠM VĂN ĐẠO, ĐẶNG NGUYÊN TUẤN, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, BÙI TRỌNG DUY, PHAN QUỐC MINH Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân Cơng nghiệp 13 Đinh Tiên Hồng, Đà Lạt, Lâm Đồng E-mail: office@canti.vn Tóm tắt: Đề tài “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT sở thiết bị CT cơng nghiệp nguồn – đầu dị quy mơ phịng thí nghiệm” nghiên cứu tiếp sau đề tài “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị CT cơng nghiệp loại nguồn – đầu dị quy mơ phịng thí nghiệm” Đề tài đặt với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu hình ảnh hạt nhân Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân cơng nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT Với mức độ kinh phí đề tài, sản phẩm đề tài đặt cấu hình thiết bị SPECT (2 đầu dò) kết hợp CT (1 nguồn - đầu dị) chụp ảnh SPECT/CT trạng thái tĩnh Hình ảnh SPECT/CT tái tạo phương pháp Chiếu ngược có lọc (FBP), Đại số (ART) Tối đa hóa kỳ vọng (EM) Hình ảnh SPECT hiệu chỉnh hấp thụ thông qua hệ số hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT ứng dụng với thuật toán Đại số (ART) Keywords: SPECT/CT, SPECT, chuẩn đốn hình ảnh I GIỚI THIỆU Kỹ thuật SPECT/CT kết hợp hai kỹ thuật tái tạo hình ảnh SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) CT (Computed Tomography) Do đặc tính ưu việt kỹ thuật nên chúng nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi y học mà cịn ngành khác cơng nghiệp, sinh học, nghiên cứu khoa học … Mỗi kỹ thuật có ưu điểm riêng mục đích sử dụng khác nhau, CT cung cấp hình ảnh cấu trúc bên thể theo mật độ SPECT cung cấp hình ảnh phân bố hoạt độ chất đánh dấu phóng xạ bên đối tượng, vật thể Trong chuẩn đoán điều trị ung thư, kỹ thuật SPECT/CT giúp xác định xác vị trí giải phẫu (từ hình ảnh CT) tổn thương chức (từ hình ảnh SPECT) Trong lĩnh vực cơng nghiệp nghiên cứu khoa học – kỹ thuật khác, chụp cắt lớp hình ảnh sử dụng công cụ khảo sát không phá hủy tiên tiến Kỹ thuật giúp đo đạc phân bố mật độ vật chất bên vật thể khảo sát phân bố pha bên thiết bị, đối tượng đa pha mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị, đối tượng II NGUYÊN LÝ CHUNG Phương pháp chụp ảnh cắt lớp cho phép xác định phân bố mật độ vật chất phân bố hoạt độ phóng xạ mặt cắt vật thể dựa tính tốn tập số liệu phép đo phóng xạ Giả sử chia lát cắt vật thể thành nhiều đơn vị vật chất với kích thước định Khi chùm tia photon quét qua lớp vật chất (ngang dọc) xuyên qua đơn vị vật chất Tín hiệu truyền qua đơn vị vật chất khác có độ suy giảm tuyến tính khác Hình 1: Nguyên lý chụp cắt lớp điện toán CT, SPECT nhau, tuỳ thuộc vào góc quay, độ lớn góc nhìn mặt phẳng qt khoảng cách tới đầu dị Các tín hiệu thu với góc quay khác mặt phẳng tương ứng Các tín hiệu sở để tái tạo hình ảnh máy tính thơng qua phần mềm hỗ trợ thuật toán ma trận Đối với CT Xét trường hợp chùm xạ có cường độ ban đầu I0 cường độ chùm xạ sau qua đối tượng sau:  f ( x , y ) ds I  I 0e  (1) Với s quãng đường chùm xạ qua đối tượng vi trí có hệ số hấp thụ f(x,y) Tổng tia (ray sum) t1 cho công thức:  I  P (t1 )   f ( x, y )ds   ln    I0  ( ,t1 ) line (2) Dữ liệu hình chiếu vật thể ghi nhận góc θ : P (t )   f ( x, y ) (3) với ℜ toán tử biến đổi ℜadon Để tái tạo hình ảnh, ta cần phép biến đổi ℜadon ngược sau: f ( x, y )   1 P (t ) (4) Hình 2: Vật thể f(x,y) hình chiếu P(t 1) góc xoay  Hình ảnh tái tạo tập hợp giá trị f(x,y, giá trị thu từ áp dụng thuật toán tái tạo hình ảnh với tập hợp số liệu đo P (t ) quanh đối tượng Đối với SPECT Hình mô tả mặt cắt đối tượng với phân bố chất đánh dấu phóng xạ bên Giả sử điểm đo, nguồn phát phóng xạ nguồn điểm lý tưởng số đếm đo đầu dò tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ điểm phát phóng xạ Nếu khe hở chuẩn trực đầu dò lý tưởng (rất hẹp, sâu), đầu dị ghi nhận xạ phát dọc theo khe R1R2 Quá trình tương tự trình ghi nhận cường độ xạ kỹ thuật CT, số đếm ghi nhận điểm đo gọi tổng tia (ray sum) Bằng kết hợp nhiều tổng tia đo góc xoay , ta thu số liệu hình chiếu Biến đổi ℜadon ngược số liệu hình chiếu để tái tạo lại phân bố phóng xạ bên đối tượng khảo sát Hình : Trong SPECT, phân bố chất phóng xạ đo đạc đầu dò chuẩn trực Trong thực tế chùm xạ phát từ vị trí phát xạ bị hấp thụ tán xạ đường đến đầu dị nên hình chiếu PAS θ (t) thấp so với hình chiếu lý tưởng Pθ(t), suy giảm phụ thuộc chủ yếu vào mật độ vật chất nguồn phát đầu dò xạ Mức độ hấp thụ định tính hệ số truyền qua TF(t’,s’,) phần xạ truyền qua độ dày có hệ số hấp thụ khơng đồng góc xoay  Hệ số tính tốn sau:  TF (t , , s , ,  )  exp      f t , s )ds  , s , , , (5)  Với f(t’,s’) phân bố hệ số hấp thụ tuyến tính theo vị trí Biểu thức (5) xác chùm xạ đơn không bị ảnh hưởng tán xạ Một phương pháp hiệu chỉnh hấp thụ phổ biến phương pháp Chang Phương pháp thực cách xác định hệ số hiệu chỉnh C(x’, y’) cho vị trí (x’,y’) hình ảnh SPECT biểu thức sau: Hình 4: Sự ảnh hưởng hấp thụ đến hình ảnh SPECT 1 C(x , y )   M , , M  TF (t , s , i )  i 1  , 1 , (6) Với M số góc chiếu i Tuy nhiên, đề tài thực hiệu chỉnh hệ số hấp thụ tuyến tính hình ảnh CT theo phương pháp sau: Tương tự mơ hình hình 2, detector đặt để ghi nhận xạ truyền dọc  theo đường thẳng AB theo hướng vector đơn vị s Góc quay thực đoạn [0, ] khoảng [0, ), tương ứng với số i chạy từ đến M Giả sử Cjk ~ C(x,y) fjk ~ f(x,y) giá trị hoạt độ nguồn giá trị suy giảm pixel thứ k thuộc tia thứ j, qj tổng số pixel tia thứ j Công thức biến đổi ℜadon trường hợp SPECT tính sau: qj P t   C ( j , k )    k  C exp k 1  jk   l1 f jl ds jl .ds jk   (7) Phương pháp tái tạo hiệu chỉnh hình ảnh SPECT thuật tốn đại số (ART) thực sau:  Bước 1: Ước đốn giá trị Cjk_old (ban đầu)  Bước 2: Tính tổng cường độ phóng xạ đo detector có giá trị ước đốn Cjk_old và giá trị suy giảm f pixel thuộc tia thứ j: qj   k  P t    C jk _ old exp   f jl s jl .s jk k 1   l 1   (8) Bước 3: Tính phân bố nguồn dựa công thức tái tạo đại số C zjk1_ new  C zjk _ old   PAS t   P t  qj W W jk (9) jk k 1  Bước 4: C jkz _ old  C zjk1_ new Với λ Wjk hệ số hồi phục trọng số đóng góp pixel thứ k tia thứ j Các bước thực từ tất hình chiếu Do đó, giá trị pixel tính hiệu chỉnh qua giá trị suy giảm f hình chiếu Như vậy, phương pháp tái tạo ảnh CT xác định phân bố mật độ vật chất, phương pháp tái tạo ảnh SPECT xác định hoạt độ phóng xạ phân bố vật thể thông qua giá trị hình chiếu đo đạc xung quanh vật thể Về nguyên lý, phương pháp tái tạo ảnh CT SPECT tương tự thuật toán, khác cách xử lý hình học cho phương pháp III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Cấu hình thiết bị Với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu hình ảnh hạt nhân Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT, dựa thiết bị CT cấu hình nguồn – đầu dị đề tài cấp sở năm 2008, sản phẩm đề tài theo thuyết minh kỳ vọng sau: Cấu hình CT: - Nguồn phóng xạ: Cs-137, hoạt độ 20 Hình 5: Cấu hình CT với nguồn – đầu dị 50mCi - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (1 detector) - Kích thước hình ảnh tối đa: 256 x 256 pixel - Đường kính vật thể tối đa: 600 mm - Dải mật độ: – 7.8g/cm3 - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: Cấu hình SPECT: Được sử dụng chung phần cứng khí với cấu hình CT (chỉ cần xoay góc 1800), cấu hình SPECT (đo vật thể tồn 360 0) khơng cần nguồn phóng xạ, thay vào detector khác cho phép thiết bị cần xoay 1800 dựng ảnh SPECT bên đối tượng - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (2 detector) - Kích thước hình ảnh tối đa: 64 x 64pixel - Đường kính vật thể tối đa: 300mm - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: Hình 6: Cấu hình SPECT với đầu dò Phần mềm tái tạo ảnh: Phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT hỗ trợ thuật tốn tái tạo ảnh: Chiếu ngược có lọc (FBP), Tái tạo đại số (ART), Thống kê (tối đa hóa kỳ vọng – EM) thuật tốn xử lý hình ảnh khác, có khả hiệu chỉnh hấp thụ hình ảnh SPECT Kết thực nghiệm a Thí nghiệm Thử nghiệm chụp ảnh SPECT/CT thực phantom với cấu trúc hình Bên có ống PVC nhỏ hơn, độ dày hai ống PVC nhỏ mm Kết Phantom chụp cắt lớp CT với nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi Có 64 hình chiếu 121 phép đo/ hình chiếu, bước dịch chuyển 1mm/ phép đo, góc xoay 2.8150/ hình chiếu (viết tắt: 64x121, 1mm, 2.8150) Hình Hình 7: Phantom thử nghiệm SPECT/CT 8(a) bên hình ảnh CT tái tạo phantom Sau kết thúc việc chụp ảnh CT, 200Ci hòa tan 100 ml nước rót đầy vào hai ống nhựa PVC nhỏ Sau chụp ảnh SPECT phantom với phép đo (64x121, 1mm, 2.8150) với đầu dị Hình ảnh SPECT sau tái tạo thuật toán ART hiệu chỉnh hấp thụ giá trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT (hình ảnh CT SPECT phải định dạng kích thước nhau) - hình 8(b) (c) Hình biểu diễn hình ảnh SPECT/CT Hình 8: (a) Hình ảnh CT tái tạo thuật tốn ART, (b) (c) Hình ảnh SPECT trước sau hiệu chỉnh hấp thụ Hình 9: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT hiệu chỉnh hấp thụ b Thí nghiệm Thử nghiệm thứ hai thực với phantom mô mẫu lõi dầu khí, cấu tạo phantom bao gồm ống hình trụ nhựa ABS đường kính ngồi 200mm, dày 10mm, bên chứa đá granite kích thước ~ cm phân bố khơng có thứ tự Nước rót vào ống nhựa để lấp đầy khe hở viên đá granite Tổng thể tích nước chiếm chỗ khoảng 150ml Kết Phantom chụp cắt lớp CT với nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi Thực phép đo (128x256, 1mm, 1.40) Hình 10(a) hình ảnh CT tái tạo phantom Sau kết thúc việc chụp ảnh CT, 1mCi đồng vị I-131 với thể tích 10 ml bơm vào nước chứa ống nhựa Do nước có sẵn ống đồng vị phóng xạ đưa vào sau nên khơng có q trình pha trộn tốt nước có sẵn dung dịch phóng xạ thêm vào, phóng xạ có phân bố khơng đồng nước chiếm chỗ ống nhựa ABS chứa đá granite Phantom sau chụp ảnh SPECT với phép đo (128x256, 1mm, 1.40) với đầu dị Hình ảnh SPECT sau tái tạo thuật tốn EM hiệu chỉnh hấp thụ giá trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT Hình 10(b) hình 10(c) hình ảnh SPECT tái tạo thuật toán EM trước sau hiệu chỉnh hấp thụ Hình 11 biểu diễn hình ảnh kết hợp SPECT/CT Hình 10: (a) Hình ảnh CT tái tạo thuật toán EM, (b) (c) Hình ảnh SPECT trước sau hiệu chỉnh hấp thụ Hình 11: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT hiệu chỉnh hấp thụ IV KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp sở “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT sở thiết bị CT công nghiệp nguồn – đầu dị quy mơ phịng thí nghiệm” tiếp cận ứng dụng kỹ thuật SPECT việc xác định phân bố chất đánh dấu bên vật thể Đề tài tiếp cận số kỹ thuật hiệu chỉnh hình ảnh SPECT việc hiệu chỉnh hấp thụ, yếu tố ảnh hưởng đến độ trung thực hình ảnh SPECT Thông thường, thiết bị SPECT tiên tiến y tế có hai khối đầu dị với 40 – 60 phần tử khối, số thiết bị SPECT công nghiệp sử dụng đến 48 đầu dị để chụp hình ảnh SPECT thời gian ngắn Với hai đầu dò, thời gian chụp cắt lớp SPECT lên đến 10 cho hình ảnh với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu hình ảnh hạt nhân Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân cơng nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT, kết đề tài khẳng định khả nắm bắt làm chủ kỹ thuật khả phát triển ứng dụng để phục vụ cho đối tượng toán cụ thể phục vụ nghiên cứu sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Industrial Process Tomography, IAEA – TECDOC – 1589, May 2008 [2] Clinical Applications of SPECT/CT: New Hybrid Nuclear Medicine Imaging System, IAEA – TECDOC – 1597, August 2008 [3] Emssion Tomography – The Fumdamental of PET and SPECT, Miles N Wernick, Elsevier, 2004 [4] SPECT/CT Physical Principles and Attenuation Correction, James A Patton, J Nucl Med Technol 2008; 36:1–10 [5] Báo cáo đề tài CS/10/06-01: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT sở thiết bị CT công nghiệp nguồn – detector quy mơ phịng thí nghiệm RESEARCH FOR DEVELOPING CT/SPECT TECHNQUE UTILIZING THE LAB-SCALED OF INDUSTRIAL ONE SOURCE – ONE DECTECTOR CT SYSTEM PHAM VAN DAO, DANG NGUYEN TUAN, DANG NGUYEN THE DUY, BUI TRONG DUY, PHAN QUOC MINH Center for Applications of Nuclear Technique in Industry 13 Dinh Tien Hoang, Da Lat, Lam Dong E-mail: office@canti.vn Abstract: The “Research for developing CT/SPECT technique utilizing the lab-scaled of industrial one source – one detector CT system” is the continued project following the “Design and fabrication of a lab-scaled of industrial one source – one detector CT system” The main aim of this project is to approach the SPECT technique for the development of the imaging technique research in the Centre for Applications of nuclear technique in industry (CANTI); fabricate and set up a hardware configuration; develop the image reconstruction software for CT/SPECT Since the project budget is limited, the main product of this project is an associated hardware configuration of SPECT and CT (2 detector for SPECT and one source – one detector for CT) which can be taken SPECT/CT image in static condition The SPECT/CT images can be reconstructed either by Filtered back projection (FBP) or Algebraic reconstruction technique (ART) or Expectation Maximization (EM) algorithms Keywords: SPECT/CT, SPECT, Diagnostic imaging 10 ... ảnh SPECT /CT với SPECT hiệu chỉnh hấp thụ IV KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp sở ? ?Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT /CT sở thiết bị CT công nghiệp nguồn – đầu dị quy. .. Correction, James A Patton, J Nucl Med Technol 2008; 36:1–10 [5] Báo cáo đề tài CS/10/06-01: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT /CT sở thiết bị CT công nghiệp nguồn – detector quy mơ phịng thí nghiệm. .. tạo ảnh CT SPECT tương tự thuật toán, khác cách xử lý hình học cho phương pháp III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Cấu hình thiết bị Với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu hình