3.1.1 Nguyên lý cơ bản
Bức xạ synchrotron là bức xạ có tính độ chuẩn trực cao với lượng bức xạ cực kỳ lớn, được phát ra từ các electron chuyển động với vận tốc lớn khi bị đổi hướng dưới tác động của trường điện từ. Nguồn bức xạ (Koch el al 1983) là một máy gia tốc tròn mang năng lượng lớn, nó giống như một vành dự trữ lớn gồm có ống xả tròn được uốn cong bởi từ trường dọc theo chu vi (Hình 3.1). Electron được đưa vào vành dự trữ sau khi được gia tốc trên đường thẳng đến năng lượng cỡ vài MeV. Khi được gia tốc tròn, các electron có thể được gia tốc hơn nữa để đạt mức năng lượng cao hơn bởi điện trường ở tần số radio (RF – radio frequence), được đặt vào đoạn thẳng giữa các phần từ trường uốn. Sau khi đạt đến năng lượng cần thiết, các electron bị ép chuyển động theo đường tròn dưới tác động của từ trường uốn. Sau mỗi vòng quay, chúng sẽ mất đi một phần năng lượng do phát ra bức xạ synchrotron theo hình nón hẹp theo hướng chuyển động của chúng. Năng lượng bị mất sẽ đươc bù lại khi chúng đi qua các khoang RF. Vành dự trữ bao gồm các từ trường uốn cùng với với các nam châm điều tiêu là lệch tiêu (mạch bốn cực - quadrupoles), các thiết bị được chèn vào (máy đo sóng - undulator) và các khoang RF (hình 3.1).
Fig. 3.1. Schematic view of a storage ring where the main elements like bending magnets (main dipoles), focusing and de-focusing magnets (quadrupoles), insertion devices (undulators) and RF cavities are visible (image adapted from (Mobilio and Balerna 2003), based on Eriksson 1988).
Bức xạ synchtron có thể phát ra các mức năng lượng từ hồng ngoại đến ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím, đến các vùng phổ điện trường của tia X mềm và cứng, nó còn sở hữu nhiều đặc trưng rất có giá trị trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc bên ngoài của vật chất ở mức độ nguyên tử và phân tử. Các tính chất cơ bản của bức xạ synchrotron (Molibo and Barlerna 2003) phụ thuộc vào các đặc trưng sau của vòng dự trữ: (a) cường độ cao; (b) phổ trải dài và liên tục; (c) góc chuẩn trực hẹp; (d) phân cực cao; (e) cấu trúc xung theo thời gian; (f) độ chói cao của nguồn tùy thuộc vào thiết diện nhỏ của tia electron và độ chuẩn trực cao của bức xạ; (g) môi trường chân không và độ ổn định cao của chùm tia; (h) tất cả đặc tính liên quan đến số lượng được ước lượng bằng việc áp dụng của phương pháp khí động lực học cổ điển đến chuyển động tương đối của các hạt mang điện tích.
Sự bức xạ của từ trường uốn là dạng đầu tiên của ánh sáng synchrotron được ứng dụng trong thực tế, khi nó được tự động phát ra bởi máy gia tốc electron. Thế hệ thứ ba của máy gia tốc synchrotron có thể đạt được độ sáng lạ thường nhờ sử dụng các undulator (máy hiện sóng) (Margaritondo et al 2003). Trường điện từ được xen kẽ dọc theo chiều dài của undulator. Electron đi qua
kết cấu theo chu kỳ của các nam châm phải trải qua một quá trình dao động và phát ra năng lượng. Sự sản sinh ra bức xạ trong undulator rất mạnh và tập trung trong ở một dải phổ năng lượng hẹp. Đồng thời nó cũng chuẩn trực trên trục quỹ đạo của electron.
Fig. 3.2. Undulator emission (figure adapted from Holst 2005). The static field, seen by the electrons moving at relativistic speed, looks like an electromagnetic wave, whose wavelength is the period λu of the magnet array shrunk to λu/γ by the relativistic Lorentz contraction. The electron oscillating under the influence of the undulator emits synchrotron light. Seen from laboratory frame, the wavelength of this emission is again Doppler-shifted, becoming ≈ λu/2γ2 (Margaritondo et al 2003).
3.1.2 Synchrotron facilities
Thành công của nguồn bức xạ synchrotron X-quang thế hệ thứ ba cho phép sản sinh các tia x-quang đơn sắc với luồng photon lớn. Độ sáng có thể đạt được gấp khoảng 1012 lần so với bóng X-quang thường quy, đây là ưu điểm lớn nhất của nguồn bức xạ synchrotron.
Nguồn sáng lớn nhất của bức xạ synchrotron thế hệ thứ ba là European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) ở Grenoble, France, Advance of Photon Source (APS) gần Chicago, Hoa Kì, và Spring 8 ở Nhật Bản. Danh sách các trung tâm nghiên cứu trên toàn thế giới làm ra các thiết bị synchrotron, bao gồm cả Swiss Light Source đặt tại Paul Scherrer Institude (PSI) ở Thụy Sĩ và Ellettra Sincrotron Trieste ở Italy. Mới đây, có hơn 30 nơi thử nhiệm trên 27 beamline (Hình 3.3).
Fig. 3.3. Schematic representation of beamlines at Elettra Synchrtotron facility (image from ELLETRA
webpage: http://www.elettra.trieste.it/lightsources/elettra/beamlines.html).
Beamline SYRMEP (Synchrotron Radiation for Medical Physic) được thiết kế bởi Sincrotron Thieste, liên kết với đại học Trieste và INFN, dành riêng cho việc nghiên cứu chẩn đoán X-quang trong y học.
Beamline được cung cấp ở khoảng cách 23m từ nguồn, đơn sắc, các tia X-quang với diện tích cực đại khoảng 160 x 5mm2 . Hình 3.4 cho thấy sơ đồ của beamline. Máy đơn sắc bao phủ toàn bộ các góc chấp nhận được của beamline, dựa trên một cặp tinh thể Si (111) với cấu hình Bragg. Tập hợp các tinh thể được trang bị với độ chính xác cao chuyển động để tạo một góc Bragg và căn chỉnh để tạo một góc thích hợp so với mặt tinh thể thứ hai. Đầu ra cố định của tia không phụ thuộc vào năng lượng được chọn được đưa tới tinh thể thứ hai với góc phản xạ khoảng 3o . Tia đi ra song song với tia tới và cách một khoảng 20mm. Mức năng lượng cần thiết là từ 8-35keV. Bản chất của việc năng lượng bị chuyển hóa của tia đơn năng từ 10-4 giảm còn 4x10-3 là do sự phân kì của tia.
Bộ phận đặt trước máy đơn sắc là một cửa sổ beri (Be) 2mm, phân tách ra chân không siêu cao (ultra-high vacuum) của vành từ beamline và loại đi những thành phần tần số thấp của bức xạ theo đó là hệ thống các khe cho phép
lựa chọn các tia có kích thước và hình dáng với độ chính xác đến micro mét. Cửa số Be 0.5mm thứ hai đặt sau máy đơn sắc và phân tách các thành phần chân không của beamline từ các phần còn lại. Hệ thống các khe thứ hai sử dụng để định hình tia và chặn những bức xạ phân tán từ những thành phần trước của beamline. Cuối cùng là hệ thống ngăn ion hóa đồng nhất đo cường độ của bức xạ cùng hệ thống cửa sập an toàn được sử dụng để kiểm soát độ chiếu xạ trong suốt thí nghiệm.
Fig. 3.4. Schematic drawing of the beamline optics (image redrawn from INFN
webpage: http://w3.ts.infn.it/experiments/syrmep/ebeamline.html).
Chùm tia sau đó được đưa vào phòng thí nghiệm. Hệ thống mô tơ cho mẫu vật và giám sát chuyển động được điều chỉnh vào hai bàn quang học. Để thu được hình ảnh hai chiều, vật thể được quét qua chùm tia trong khi các hình ảnh cắt lớp nó được xoay theo các bước gián đoạn. Dòng đặc trưng đo được ở mẫu vật vào khoảng 17keV, ở 2GeV với chùm tia lưu trữ 300mA thì vào khoảng 1.6x108 ph/mm2 . Kỹ thuật tạo ảnh bằng beamline SYRMEP được sử dụng cho chụp X-quang hấp thụ thường quy, tạo ảnh tương phản pha và các nghiên cứu bao gồm chụp nhũ ảnh, y học X-quang, đo liều lượng x-quang, vật liệu y học và vật liệu composite.
Beamline SYRMEP được lựa chọn để thu thập dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu của luận án này quan tâm đến chụp nhũ ảnh ba chiều với tia đơn
sắc, các đặc trưng và quy trình cụ thể sẽ được mô tả chi tiết hơn ở chương 6.
3.2 TIA X-QUANG ĐƠN SẮC VÀ ĐA SẮC TRONG TẠO ẢNH SINH HỌC: ỨNG DỤNG TRONG TẠO ẢNH TUYẾN VÚ
Hiện nay trong lĩnh vực tạo ảnh X-quang sinh học, quy trình chẩn đoán được thực hiện bằng việc sử dụng chùm tia X đa sắc. Nhiều nỗ lực hướng đến việc lựa chọn vật liệu làm anode cho bóng X-quang, điện áp của bóng, tối ưu hóa phổ cho từng ứng dụng khác nhau bao gồm cả chụp nhũ ảnh (Thilander- Klang et al 1997, Dance et al 2000b, Berhardt et al 2006) và gần đây là giới thiệu về ứng dụng lâm sàng của BT (Zhao et al 2005, Glick and Gong 2006).
Độ tương phản của hình ảnh X-quang trong y tế chịu ảnh hưởng bởi nguồn bức xạ.Với mỗi đối tượng được nghiên cứu sẽ ứng với một nguồn năng lượng tối ưu. Năng lượng cao thường sẽ làm giảm độ tương phản trong khi năng lượng thấp sẽ có ít xác suất đến được đầu dò và thường bị hấp thụ bởi vật thể. Vì thế, các phổ của các tia X đa sắc thường bao gồm một dải các năng lượng không được tối ưu. Vấn đề này dẫn tới việc tìm ra nguồn tia X đơn sắc và các nghiên cứu so sánh giữa các tia đơn sắc và đa sắc ứng dụng cho chụp X- quang.
Hai ưu điểm của tia đơn sắc theo mô tả của McKinley (McKinley el at 2004, McKinley et al 2005) là:
- Tăng khả năng phân tách các mô với hệ số suy giảm tương đương với sự phân tách tối đa giữa các giá trị suy giảm tuyến tính ở mọi dE cùng với năng lượng cao phi tuyến phụ thuộc vào hệ số suy giảm. - Tiềm năng giảm liều xạ trị đến bệnh nhân trong khi chất lượng hình
ảnh được giữ nguyên, thâm chí còn có thể tăng lên.
Đặc biệt trong trường hợp chụp nhũ ảnh, khi mà sự khác biệt giữa các mô bình thường và các mô ung thư trong sự hấp thụ tia X rất khó nhận biết và đặc biệt quan trọng là tối ưu hóa mối quan hệ giữa chất lượng và liều xạ trị. Mặc dù lọc K-edge và việc tốt ưu hóa các thông số và phổ của ống X-quang
được biết là có thể giảm liều xạ trị đặc trưng (Thilander-Klang et al 1997, Dance et al 2000b, Bernhardt et al 2006), việc cân nhắc số lượng photon năng lượng thấp còn lại và bộ lọc bị giới hạn bởi tốc độ dòng thấp (Muller et al 2011). Nghiên cứu trong mảng chụp nhũ ảnh cho thấy việc sử dụng các tia đơn sắc trong khoảng từ 16keV đến 24 keV có thể làm tăng chất lượng ảnh so với chụp X-quang vú thường quy với cùng điều kiện, thậm chí với liệu xạ trị thấp hơn (Burattini et al 1994, Burattini et al 1995, Arfelli et al 1995, Moeckli et al 2000, Baldelli et al 2005, Diekmann et al 2004, Yoon et al 2012). Trong nghiên cứu bao gồm cả mẫu vật lẫn mô hình tuyến vú, Burattini và cộng sự đưa ra báo báo về việc nâng cao chất lượng hình ảnh với tia đơn sắc từ 17keV đến 18keV so sánh với đơn vị chụp x-quang vú thường quy, trong khi giữ nguyên liều xạ trị (Burattini et al 1994, Burattini et al 1995). Moeckli cũng thực hiện so sánh tương tự sử dụng đối tượng thử (Moeckli et al 2000) trong khi Arfelli trong năm 2005 báo cáo việc thiết kế các tia đơn sắc dành cho tạo ảnh tuyến vú ở Elettra Synchrotron (Arfelli et al 1995). Hệ thống được thiết kế bao gồm khả năng thực hiện của chụp nhũ ảnh hai chiều và ba chiều (Arfelli et al 1995, Arfelli et al 1996, Arfelli et al 1998b, Pani et al 2004, Chen et al 2010).
Các cách tiếp cận có thể khai thác ưu điểm của tia đơn sắc và trong cùng thời gian có thể thích hợp trong các hệ thống lâm sàng sử dụng các tia gần đơn sắc cho ứng dụng chụp nhũ ảnh và nhũ ảnh cắt lớp cũng có những báo cáo cụ
thể (Hoheisel et al
2005, Hoheisel et al 2006, Gambaccini et al 2001, Mckinley et al 2004, Mckinley et al 2005). Kết quả giả lập và thí nghiệm thu được cũng rất hứa hẹn (Mckinley et al 2004, Mckinley et al 2005). Trong các nghiên cứu này, các phổ tia gần đơn sắc thu được bởi bộ lọc cerium (Z=58, ρ=6.770g/cm3 of thickness 0.2, 0.5 and 0.7mm (Santoku America, Inc., Tolleston, AZ) được thêm vào trong bộ trực chuẩn đã được tùy chỉnh. Cửa sập của bộ trực chuẩn được đóng đến mức có thể để giảm thiểu các tán xạ thu được với tia hẹp và bộ trực chuẩn được gắn vào vonfram Rad-94 (Varian Medical Systems, Salt Lake City, UT) của bóng X-quang.
Các nghiên cứu khác so sánh về tia đơn sắc và đa sắc cho chụp nhũ ảnh, bao gồm việc sử dụng kỹ thuật Monte Carlo và các mẫu vật đồng nhất giả lại
các mô mỡ ở tuyến vú phủ các khoang của một vài vật liệu như PMMA, mô tuyến vú và nước (Fitousi et al 2000) hay mẫu vật mềm hình người (Mulller et al 2011). Các nghiên cứu trên cho thấy độ tương phản được cải thiện và các nhiễu đặc trưng của hình ảnh thu được với tia đơn sắc so với phổ đa sắc, Nghiên cứu đầu tiên (Fitousi et al 2012) bao gồm một số phổ đa sắc thu được, trong khi nghiên cứu thứ hai (Muller et al 2011), so sánh giả lập tạo các ảnh chụp X-quang vú sử dụng phổ Mo/Mo 28kVp với ảnh chụp X-quang vú sử dụng các tia gần đơn sắc và cả các thông tin về liều lắng lại.
Một số nghiên cứu trên đây chỉ ra tiềm năng của việc sử dụng các tia đơn sắc với BT và phác thảo kỹ lưỡng những điều cần thiết khi nghiên cứu lĩnh vực này. Nhìn chung, liều trị xạ tuyến vú thông thường cho BT cũng tương tự như chụp nhũ ảnh hai chiều trong khoảng 0.6 đến 0.4 mGy (Feng and Sechopoulos 2012, Poplack et al 2007, Dobbins 2009). Liều trị xạ phụ thuộc không chỉ vào bản thân nghiên cứu mà còn phụ thuộc vào nghiên cứu chụp nhũ ảnh ba chiều có được kết hợp với chụp nhũ ảnh hai chiều hay không. Như công nghệ sàng lọc, giảm thiểu liều xạ trị là cần thiết cho BT mà không làm giảm, thậm chí làm tăng chất lượng hình ảnh luôn là điều đáng mong ước.
Thiết lập cận lâm sàng dành cho BT với Synchrotron được hoàn thành tại Elettra và sử dụng trong một số báo cáo nghiên cứu trước (Bliznakova et al 2010a, Malliori et al 2012) và sẽ được phân tích trong chương 6. Trong tất cả các trường hợp, mẫu vật được đặt ở nơi mà sẽ di chuyển dọc theo mỗi hình ảnh thu được và xoay để thu được hình ảnh ở mỗi góc cụ thể. Elettra Synchrotron đã từng làm việc với bức xạ synchrotron trong chụp nhũ ảnh trong nhiều năm. Một phần hiệu ứng hấp thụ và hiệu ứng pha trong tạo ảnh tuyến vú được nghiên cứu mở rộng (Arfelli et al 1998a, Arfelli et al 2000, Tromba et al 2011). Ngày nay, tại beamline SYRMEP ở Elettra, chương trình bức xạ synchrotron lâm sàng trong chụp nhũ ảnh được triển khai (Dreossi et al 2008, Castelli et al 2011, Quai et al 2013, Longo et al 2014). Thử nhiệm lâm sàng được bắt đầu từ năm 2006 với mục đích ban đầu xác định với các trường hợp nghi ngờ: những phụ nữ phải chụp X-quang vú thường quy với những chẩn đoán không rõ ràng sẽ được đề nghị khả năng sẽ trải qua chụp X-quang vú với bức xạ synchrotron. Ban đầu chỉ có hệ thống chiếu phim được sử dụng, sau đó hệ thống máy tính
chụp X-quang được đưa vào thử nghiêm lâm sàng (Quai et al 2003). Để phục vụ riêng cho mục đích của chương trình, trong phòng bệnh, bệnh nhân được nằm sấp trên một hệ thống hỗ trợ chuyển động với độ chính xác cao, bao gồm một lỗ mở đặc biệt dành cho vú với kích thước và hình dạng của lỗ mở, rất chắc chắn theo giải phẫu ngực (hình 3.5). Tấm nén vú đặt dưới lỗ. Hệ thống chuyển dộng được trang bị với ba cơ chế: ngang để điều chỉnh, dọc để quét, và xoay quay trục vuông góc với chùm tia để chiếu vú chéo (Abrami et al 2005). Thiết lập này có thể ứng dụng cho BT. Vận tốc quét có thể chọn đến 4cm/s. Sự hấp thụ và pha tương phản hình ảnh có thể thu được. Thay vì lưới chắn tia tán xạ sử dụng trong x-quang vú thường quy, hệ thống có những lỗ được căn chỉnh thẳng hàng với chùm tia đặt trước máy dò.
(a) (b)
Fig. 3.5. (a) The patient room of SYRMEP facility at Elettra Synchrotron Laboratory, Trieste (Italy). In particular the Synchrotron mammography setup is presented: the movable support, the breast compression system, the position of detector and exposimeter (image from Fedon et al 2014) (b) Upper view of the
patient support (image from Rigon 2008, Proc. of the ICFA Workshop on Compton Sources for X/gamma Rays: Physics and Applications, Alghero, Italy).
Tuy nhiên, việc thực hiện chẩn đoán thông thường với bức xạ synchrotron có thể rất phức tạp và đắt tiền. Việc giới hạn các nhân tố cần thiết cũng có thể làm giảm chất lượng và những chuyển động lạ gây ra bởi việc tuyến vú chuyển động khi bàn được quay. Việc lấy hình ảnh trình chiếu mất vài giây; do dó để lấy tập hợp 11-15 tấm mất khoảng 3-4 phút. Những vấn đề về thời gian để lấy