Xây dựng thuật toán tái tạo ảnh trong thời gian thực cho hệ thiết bị xạ hình Compton Camera

Bài viết tập trung vào việc xây dựng thuật toán tái tạo hình ảnh của kỹ thuật Compton Camera, dữ liệu đầu vào thu được thông qua phương pháp mô phỏng Monte-Carlo sẽ không được tình bày chi tiết trong bài báo này.

JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 101-107 Xây dựng thuật toán tái tạo ảnh thời gian thực cho hệ thiết bị xạ hình Compton Camera Development of Image Reconstruction Algorithm in Realtime for Compton Camera Systems Bùi Ngọc Hà*, Trần Thùy Dương, Nguyễn Đức Kiên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam * Email: ha.buingoc@hust.edu.vn Tóm tắt Compton Camera kỹ thuật xạ hình sử dụng nguyên lý tương tác tán xạ Compton để tái tạo hình ảnh phân bố nguồn xạ Compton Camera kỹ thuật xạ hình chiều, có độ nhạy cao, góc nhìn rộng dải lượng chụp cao nhiều so với kỹ thuật xạ hình truyền qua Ngồi ra, kỹ thuật xạ hình Compton Camera khơng sử dụng hệ chuẩn trực khí nên có kích thước nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng di động, kiểm sốt an ninh, dị tìm nguồn xạ ứng dụng y tế Trong báo này, nhóm tác giả xây dựng thuật tốn tái tạo hình ảnh cho thiết bị xạ hình Compton Camera sử dụng liệu từ mô Monte Carlo Chất lượng hình ảnh thơng số thuật tốn đánh giá chi tiết nhằm xác định khả ứng dụng thực tế Từ khóa: Compton Camera, kỹ thuật xạ hình, tái tạo hình ảnh, mơ Monte Carlo Abstract Compton Camera is a imaging technique that uses the principle of Compton scattering interaction to reproduce the distribution image of the radiation source Compton Camera is a 3-D imaging technique, which has a high sensitivity, wide viewing angle and a range of shooting energy that is much higher than the transmissive imaging technique In addition, the Compton Camera imaging technique does not use a mechanical collimation system, so it is compact in size, suitable for mobile applications, security control, radiation source detection and medical applications In this paper, the authors built an image reconstruction algorithm for Compton Camera imaging equipment using data from Monte Carlo simulation The image quality and the parameters of the algorithm will be evaluated in detail to determine the practical applicability Keywords: Compton Camera, image reconstruction, radiography, Monte Carlo simulation Mở đầu* ghi nhận mà không cần phải tiến hành phép quét xung quanh đối tượng Chính ưu điểm mà Compton Camera ứng dụng nhiều thực tế như: xác định vị trí ngơi xạ vũ trụ; quản lý chất thải từ nhà máy điện hạt nhân, theo dõi nguồn phóng xạ với độ nhạy cao nhận diện vị trí nguồn xạ khơng gian chiều [2] Bên cạnh đó, Compton Camera ứng dụng y tế, thay cho Gamma camera truyền qua kỹ thuật chụp hình cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT) sử dụng để giám sát liều trình xạ trị [3-6] Kể từ tia X phát lần vào năm 1895, kỹ thuật xạ hình có bước phát triển vượt bậc ứng dụng chẩn đốn, kiểm tra y tế lẫn cơng nghiệp Compton Camera kỹ thuật xạ hình phát triển năm 1970 Singh cộng [1], với mục đích dùng để xác định vị trí ngơi xạ, kỹ thuật phát triển ứng dụng công nghiệp y tế Compton Camera sử dụng tính chất phân bố lượng theo góc tán xạ Compton nhằm xác định hướng tới tia xạ từ xây dựng hình ảnh Ưu điểm Compton Camera so với kỹ thuật chụp ảnh xạ truyền qua thơng thường có trường nhìn rộng, có khả quan sát rộng lên tới gần 180o, có khả ghi đo lượng cao lên tới cỡ 10MeV Bản chất tán xạ Compton cho biết thông tin hướng tới chùm tia xạ từ khơng cần phải sử dụng cấu định hướng chùm tia, điều tạo ưu nâng cao độ nhạy cho Compton Camera Ngồi ra, Compton Camera cịn cho biết vị trí khơng gian chiều nguồn xạ Tại Việt Nam nay, có khoảng 4000 sở sử dụng thiết bị nguồn xạ, với số lượng lớn, ứng dụng Y tế Cơng nghiệp Do đó, việc quan trắc kiểm sốt nguồn phóng xạ toán cấp thiết Kỹ thuật xạ hình Compton Camera với ưu điểm trình bày giúp giải tốn quan trắc, kiểm sốt, cảnh báo, tìm nguồn xạ Việt Nam Tuy nhiên, năm qua, kỹ thuật xạ hình Compton Camera chưa nhóm nghiên cứu nước quan tâm nghiên cứu phát triển cấu hình hệ phức tạp, u cầu cao độ xác hình học địi hỏi đầu tư khơng nhỏ vào việc xây dựng thuật toán, chương ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.17 Received: February 24, 2020; accepted: August 31, 2020 101 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 101-107 trình tái tạo hình ảnh cho hệ Nhận thấy cần thiết kỹ thuật xạ hình Compton Camera Việt Nam, nhóm tác giả bắt đầu nghiên cứu hệ thiết bị xạ hình vài năm gần Trong báo nhóm tác giả trình bày kết bước đầu việc nghiên cứu hệ Compton Camera thơng qua việc xây dựng thành cơng chương trình tái tạo hình ảnh cho hệ sử dụng thuật tốn chiếu ngược hình nón, tự xây dựng ma trận Euler sử dụng cho phép quay mặt nón tắc trước chiếu ngược Bài báo tập trung vào việc xây dựng thuật toán tái tạo hình ảnh kỹ thuật Compton Camera, liệu đầu vào thu thông qua phương pháp mô Monte-Carlo khơng tình bày chi tiết báo Tấm tán xạ hấp thụ ma trận đầu dị có khả ghi nhận vị trí tương tác, từ giúp ta xác định hướng tia tán xạ Vị trí (phân bố) nguồn phóng xạ giao điểm mặt nón nhận điểm tương tác tán xạ làm đỉnh nón đường sinh đường tạo với tia tán xạ góc θ tính tốn từ cơng thức (1) 2.2 Thuật tốn tái tạo hình ảnh Compton Camera Có nhiều phương pháp sử dụng để tái tạo hình ảnh thu nhận từ hệ Compton Camera phương pháp chiếu ngược hình nón, phương pháp cực đại hóa kỳ vọng (Expection Maximization – EM), phương pháp chiếu ngược có lọc, phương pháp lặp đại số Trong báo này, nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu xây dựng chương trình tái tạo ảnh dựa thuật tốn chiếu ngược hình nón Đây phương pháp đơn giản, khơng địi hỏi q cao cấu hình thiết bị đặc biệt tái tạo hình ảnh thời gian thực, áp dụng cho thiết bị thực tế chế tạo sau Phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên lý hệ Compton Camera Tán xạ Compton tương tác tia xạ tới với lớp điện tử ngun tử, xạ khơng bị hấp thụ hết mà truyền phần lượng cho điện tử lùi Tia gamma tán xạ có lượng nhỏ tia tới bị lệch góc so với phương tia tới Nếu xác định vị trí tán xạ Compton, đồng thời ghi nhận vị trí lượng tia tán xạ, ta xác định hướng tia tới Đây nguyên lý kỹ thuật Compton Camera Hình Minh họa trình chiếu ngược hình nón Bản chất phương pháp khơng gian chứa nguồn xạ (chưa biết) phân đoạn thành thể tích nhỏ (voxel) Từ cặp điểm tương tác phù hợp tán xạ hấp thụ ta tính hướng tia tán xạ góc tán xạ (θ) Từ điểm tương tác tán xạ, hình nón dựng (chiếu ngược) với đỉnh nón điểm tương tác, trục nón hướng tán xạ đường sinh đường hợp với góc tán xạ góc θ Giao điểm tất mặt nón mơ tả vị trí phân bố nguồn phóng xạ không gian khai báo minh họa hình Hình ảnh Compton Camera thu hình ảnh chứa tiết diện mặt nón với mặt phẳng ảnh không gian ảnh chiều, vị trí nguồn vị trí có số lượng đường tiết diện giao cắt lớn, tương ứng với cường độ mức xám lớn Sử dụng kỹ thuật cắt ngưỡng ta thu hình ảnh thực tế nguồn phóng xạ xác định vị trí nguồn Hình Sơ đồ nguyên lý hệ Compton Camera Hình trình bày sơ đồ nguyên lý hệ Compton Camera Thông thường, hệ bao gồm hai ma trận đầu dị có khả ghi nhận lượng vị trí tương tác Tấm S tán xạ, có bề dày đủ mỏng cho có tương tác tán xạ xảy Tấm A hấp thụ có bề dảy đủ lớn sau cho hấp thụ hồn toàn xạ tán xạ từ tán xạ S Bằng cách ghi nhận đồng thời hai lượng hấp thụ vị trí tương tác hai hấp thụ tán xạ ta xác định lượng xạ tới E=E1+E2, đồng thời góc tia tán xạ xác định sau: 1  cos    m0 c     E E2  Giả sử tán xạ hấp thụ vng góc với trục z hệ trục tọa độ oxyz, tán xạ nằm vị trí z = z1, khoảng cách hai đầu dò d giả (1) 102 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 101-107 Bắt đầu Kích thước vùng không gian quan sát Vol(X,Y,Z) Nhập ma trận Euler: ME Đọc số lượng kiện N từ file kết mô S i