2.2.1.Các khái niệm tính liều cơ bản
2.2.1.1. Liều chiếu
Liều chiếu của tia X và tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng không khí ở điều kiện chuẩn [1]
Liều chiếu cho biết khả năng ion hóa không khí của tia X. Đơn vị của liều chiếu là Roentgen (R). 1 R = 0,000258 C/kg.
2.2.1.2. Liều hấp thụ
Liều hấp thụ mô tả lượng năng lượng bị hấp thụ trên một đơn vị khối lượng tại các vị trí bị chiếu xạ. Đơn vị là gray (Gy) hoặc rad.
1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 100 erg/kg
1 Gy = 100 rad
Liều hấp thụ cho biết năng lượng ion hóa bị hấp thụ tại tâm của một vùng thể tích nhỏ bị chiếu xạ, nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường hấp thụ. Do đó, năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng sẽ phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và phụ thuộc vào số nguyên tử có trong một đơn vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ [1]
2.2.1.3. Liều tương đương
Liều tương đương là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ r, nhân với trọng số bức xạ Wr tương ứng của bức xạ r [1]
Đơn vị của liều tương đương là Sievert (Sv) hoặc rem.
Nếu như xem các mô và cơ quan đều nhận một liều hấp thụ như nhau thì liều tương đương được dùng để đánh giá rủi ro do các bức xạ bên ngoài xuyên qua toàn
33
bộ cơ thể. Để đánh giá tác động sinh học khác nhau của các loại bức xạ, người ta đưa ra đại lượng trọng số bức xạ Wr.
Nếu có nhiều loại bức xạ chiếu vào mô thì liều tương đương được lấy bằng tổng tất cả liều tương đương của các loại bức xạ đó.
r r T r T W D H . , (2.9) Trong đó, HT là liều tương đương được hấp thụ bởi mô hoặc cơ quan T. DT,r là liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T. Wr là trọng số bức xạ đối với bức xạ r.
Bảng 2.3: Trọng số bức xạ của một số bức xạ cơ bản [1]
Loại bức xạ Trọng số bức xạ, Wr
Photon 1
Electron và muon 1
Neutron năng lượng <10 keV 5
10 keV - 100 keV 100 keV - 2 MeV 2 MeV - 20 MeV 20 MeV 10 20 10 5
Proton giật lùi với năng lượng >2MeV 5
Hạt alpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng 20
2.2.1.4. Liều hiệu dụng
Được tính bằng tổng liều tương đương của từng mô nhân với trọng số mô tương ứng, tính cho tất cả các mô và cơ quan trong cơ thể, được xác định theo công thức sau:
wT HT
E .
(2.10) Trong đó, HT là liều tương đương của mô T, WT là trọng số mô của mô T. Tổng được lấy cho tất cả các mô và cơ quan trong cơ thể. Các mô và cơ quan xác định được dùng trong đánh giá liều hiệu dụng và giá trị trọng số mô của chúng được cho trong bảng 2.4. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
34
Đơn vị của liều tương đương là joule trên kilogram (J/kg) và được gọi là sievert (Sv). 1 J/kg = 1 Sv.
Bảng 2.4: Trọng số mô của một số cơ quan [1]
Tổ chức mô hoặc cơ quan Trọng số mô, WT WT
Tuỷ sống (đỏ), ruột kết, phổi, dạ dày, vú, các mô còn lại
0,12 0,72
Cơ quan sinh dục 0,08 0,08
Bàng quang, thực quản, gan, tuyến giáp 0,04 0,16
Bề mặt xương, não, tuyến nước bọt, da 0,01 0,04
Tổng cộng 1
2.2.2.Các thông số liều CT cụ thể: CTDI và DLP 2.2.2.1. Liều hấp thụ trung bình trong một lát cắt 2.2.2.1. Liều hấp thụ trung bình trong một lát cắt
Trong một lần chụp CT, một mặt hoặc lát cắt của cơ thể được chiếu xạ. Tuy nhiên, liều tia X gây nên cho cơ thể không giới hạn trong bề dày của một lát cắt mà mở rộng ra bên ngoài bề dày này do ảnh hưởng của chùm tia tán xạ. Chỉ số liều chụp cắt lớp CTDI (CT dose index) là tổng liều hấp thụ trong phạm vi bề dày các lát cắt và đóng góp liều do tán xạ xung quanh chùm tia gây ra.
35
Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn liều cho một lát cắt có độ rộng 10 mm. Phần liều do tán
xạ gây nên xung quanh lát cắt được tô sọc màu đỏ được cộng dồn vào diện tích bên trong bề dày lát cắt được tô sọc màu xanh.
Theo định nghĩa toán học, CTDI được tính bằng tổng liều hấp thụ phân bố dọc trục ghi hình z và được xác định bằng công thức [2] :
D z dz h N CTDI col ) ( . 1 (2.11) Trong đó: D(z) là giá trị của liều hấp thụ trung bình tại một vị trí trên trục z.
N là số lát cắt.
Hcol là bề rộng của một lát cắt.
N.hcol là bề rộng danh định của chùm tia được dùng để thu thập dữ liệu. Có nhiều cách khác nhau để tính toán CTDI. Một trong số đó là xem xét sự khác biệt giữa các liều hấp thụ ở phía ngoài và các bộ phận phía trong của cơ thể bệnh nhân bằng một tổng trọng số của các giá trị CTDI. Công thức cho CTDI trọng số (CTDIw) đối với sự chênh lệch giữa phía trong và phía ngoài cơ thể này là[12] :
p c w CTDI CTDI CTDI 3 2 3 1 (2.12) Trong đó: CTDIc là giá trị CTDI tại tâm của phantom.
36
Quá trình quét CT bao gồm nhiều lát cắt tuần tự trong một vòng quét. Vì lý do này mà vận tốc di chuyển của giường bệnh phải được xem xét. Nếu giường di chuyển chậm, chùm X-ray sẽ có sự chồng chập lên nhau (hình 2.9). Hệ số pitch p được định nghĩa là nghịch đảo của hệ số nén (packing factor) được dùng để chỉ mức độ chồng chập của các lát cắt khác nhau.
Hình 2.8: Sự chồng chập của chùm tia X được xác định dọc theo trục z [12]
Nếu giường bệnh di chuyển nhanh (pitch = 1) thì không có sự chồng chập tia X. Nếu giường bệnh di chuyển chậm (pitch = 0,8) thì các chùm tia X chồng lên nhau 20% [12]
Quá trình quét xoắn ốc và quét tuần tự làm xuất hiện những khoảng trống giữa các lát cắt hoặc các lát cắt chồng chập lên nhau. Do đó, CTDIvol được định nghĩa như là CTDIw có tính đến sự hiệu chỉnh của hệ số pitch, và tính bằng công thức:
p CTDI
CTDIvol w (2.13) CTDIvol mô tả liều trung bình cho bệnh nhân trong thể tích khảo sát cụ thể, đơn vị là mGy. CTDIvol được dùng để tính toán sự biến thiên của liều chiếu dọc trục z khi hệ số pitch khác 1 [2]
37
2.2.2.2. Tích liều chiều dài DLP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để tính tổng liều hấp thụ đối với một lần ghi hình CT hoàn chỉnh người ta đưa ra khái niệm liều có tên là tích số liều chiều dài DLP (Dose length product), đơn vị là mGy.cm. DLP được tính bằng cách nhân CTDIvol của một lát cắt với tổng chiều dài quét L.
L CTDI
DLP vol. (2.14)
Hình 2.9: Minh họa tổng chiều dài quét L trong tính tích liều chiều dài DLP [12] 2.2.3.Liều hiệu dụng trong CT.
Theo như định nghĩa ban đầu thì liều hiệu dụng được định nghĩa là trọng số trung bình của liều tương đương HT đối với các mô và cơ quan xác định.
wT HT
E . (2.15) Liều hiệu dụng không được đo trực tiếp bằng các phantom mà nó được ước lượng bằng nhiều cách khác nhau thông qua hệ số chuyển đổi. Một cách ước lượng thô liều hiệu dụng E đó là nhân DLP (Dose Length Product) với hệ số chuyển đổi trung bình k được cho trong bảng 2.5.
38
Bảng 2.5: Giá trị hệ số chuyển đổi k ứng với các vùng cơ thể theo độ tuổi (mSv/(mGy.cm)).
Vùng cơ thể Hệ số chuyển đổi (mSv/(mGy.cm))
0 tuổi 1 tuổi 5 tuổi 10 tuổi trưởng thành
Đầu cổ 0,013 0,0085 0,0057 0,0042 0,0031 Đầu 0,011 0,0067 0,004 0,0032 0,0021 Cổ 0,017 0,012 0,011 0,0079 0,0059 Ngực 0,039 0,026 0,018 0,013 0,014 Bụng chậu 0,049 0,03 0,02 0,015 0,015 Thân 0,044 0,028 0,19 0,014 0,015
Như vậy, chỉ cần lấy số liệu DLP nhân với hệ số chuyển đổi k từ bảng 2.5, chúng ta có thể tính được liều hiệu dụng cho vùng cơ thể bị chiếu xạ.
39
CHƯƠNG 3.THỰC NGHIỆM
Nội dung của chương này là tiến hành một số đo đạt thực nghiệm trên hình nộm giả người (phantom) để đánh giá chất lượng hình ảnh PET/CT và liều bức xạ khi thông số chụp hình CT được thay đổi với các mức điện áp cao thế khác nhau.
3.1. Thiết bị
Các thiết bị để tiến hành làm thực nghiệm thu thập dữ liệu gồm có: Hình nộm giả người (Nema IEC Body Phantom)
Máy đo hoạt độ phóng xạ (Capintec 25 PET)
Máy ghi hình PET/CT (Biograph 64 True Point w. True V) Dụng cụ pha chế liều, kim tiêm, xi lanh,…
3.1.1.Hình nộm giả người
Hình nộm dùng trong thực nghiệm này là NEMA IEC Body Phantom, với
các thông số cụ thể được cho trong bảng 3.1, và hình ảnh minh hoạ, hình 3.1. Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của phantom: NEMA IEC Body
Model ETC/IEC Body
Chiều dài bên trong 194 mm
Chiều dài toàn bộ 216 mm
Đường kính các quả cầu 37 mm, 28 mm, 22 mm, 17
mm, 13 mm và 10 mm Khoảng cách từ mặt dưới quả cầu đến đáy
phantom 100 mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thể tích của toàn bộ quả cầu (Torso) ~ 10 L
Bề dày của các quả cầu 1 mm
Kích thước của thanh hình trụ bên trong quả cầu
Đường kính trong 51 mm
Đường kính ngoài 44,5 mm
Chiều dài 203 mm
40
Các quả cầu nhỏ của phantom trong thực nghiệm này sẽ đóng vai trò là các điểm nóng (hot spot), tượng trưng cho các tổn thương là các khối hấp thu mạnh thuốc phóng xạ trong thực tế.
Hình 3.1: Hình nộm giả người (Phantom NEMA IEC Body) được dùng trong khóa
luận này để làm thực nghiệm thu thập số liệu đánh giá chất lượng hình ảnh PET/CT và liều bức xạ. Nguồn: bệnh viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh.
Và thể tích của các điểm nóng được cho cụ thể trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Thể tích của các quả cầu bên trong phantom: NEMA IEC Body
Quả cầu 37 mm 26,52 ml Quả cầu 28 mm 11,49 ml Quả cầu 22 mm 5,57 ml Quả cầu 17 mm 2,57 ml Quả cầu 13 mm 1,15 ml Quả cầu 10 mm 0,52 ml Thể tích tổng 45,25 ml
3.1.2.Máy đo hoạt độ phóng xạ (Capintec 25 PET)
Máy đo hoạt độ phóng xạ Capintec 25CRC PET được kiểm chuẩn định kỳ, với độ chính xác (accuracy) nằm trong giới hạn cho phép là 10%.
41
Hình 3.2: Máy đo liều CRC 25 PET.
3.1.3.Máy ghi hình PET/CT (Biograph 64 True Point w. True V)
Máy ghi hình PET/CT trong thực nghiệm này có các thông số kỹ thuật như cho trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Đặc điểm của máy PET/CT Biograph 64 True Point with TrueV
Đặc điểm kỹ thuật
Hệ PET/CT
Hãng sản xuất Siemens
Dòng máy Biograph 64 True Point with TrueV
Thời gian ghi hình PET/CT toàn thân 15 – 20 phút (3 phút/vị trí gường)
Máy PET
Dòng máy Biograph True Point with TrueV
Tinh thể đầu dò (PET detector) LSO Trường nhìn FOV (Field of view)
theo trục ghi hình 21,6 cm
Chế độ ghi hình 3 chiều (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đường kính thân máy (Bore) 70 cm
Máy CT
Dòng máy Sensation 64
Số lát cắt CT 64
Tốc độ vòng quay 0,33 giây/64 lát cắt CT Đường kính thân máy (Bore) 70 cm
42
3.1.4.Dụng cụ pha chế liều, kim tiêm, xi lanh,…
Một số dụng cụ khác gồm:
Chậu nước, dung tích 15 lít để trộn đều đồng vị phóng xạ. Xi lanh, kim tiêm để đưa đồng vị phóng xạ vào các quả cầu.
3.2. Chuẩn bị thực nghiệm
Để tạo ra sự tương phản hình ảnh hấp thu thuốc phóng xạ FDG giữa phần Torso, được xem là phông nền và các quả cầu tượng trưng cho các khối hấp thu mạnh FDG, gọi là điểm nóng, thì trong thí nghiệm này nồng độ phóng xạ (Concentration) được tính toán theo tỷ lệ sau:
Nồng độ phóng xạ trong Torso (phông) là 0,1315 Ci/ml. Nồng độ phóng xạ trong các quả cầu (tín hiệu) là 2,652 Ci/ml. Tỷ số tín hiệu/phông (Signal to Noise Ratio, SNR) = 20,17 lần.
Khi đã có nồng độ phóng xạ thì ta lần lượt đưa vào hình nộm (Torso) và các quả cầu với thể tích tương ứng như đã cho trong bảng 3.1 và 3.2.
Hình 3.3: Hình ảnh minh hoạ giai đoạn tiêm thuốc phóng xạ vào phantom và các
quả cầu.
Phantom sau khi đã chuẩn bị sẽ được đưa lên máy ghi hình PET/CT, với các thông số cao thế chụp CT được thay đổi lần lượt là 80 kV, 100 kV, 120 kV và 140 kV. Trong đó thông số chụp thường qui hàng ngày được thực hiện tại đơn vị PET- CT và Cyclotron, Bệnh viện Chợ Rẫy là 120 kV, còn trong nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng hình ảnh PET/CT của khóa luận này, thông số cao thế CT sẽ được thay đổi lần lượt như đã đề cập bên trên. Cụ thể, như trình bày trong bảng 3.4.
43
Bảng 3.4: Thông số chụp CT và PET
Thông số chụp CT
Cao thế 80 kV, 100 kV, 120 kV và 140 kV
Dòng hiệu dụng 170 mAs
Thời gian ghi hình 5,63 s
Bề dày lát cắt 5,0 mm
Thông số chụp PET
Liều tiêm 1,435 mCi
Thuật toán tái tạo Vòng lặp
Bộ lọc tái tạo Gaussian
Độ phân giải FWHM tại 1 cm 2,0 mm
Vị trí đặt phantom sao cho tâm của phantom trùng với tâm của trường chụp CT và PET như minh hoạ trong hình 3.4.
Hình 3.4: Bố trí phantom trên bàn ghi hình, các đường laser màu đỏ dùng để cân (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
chỉnh vị trí trung tâm của phantom sao cho trùng với trường chụp của khoang máy CT và khoang máy PET.
3.3. Kết quả thực nghiệm
Mục tiêu của thực nghiệm là đánh giá chất lượng hình ảnh PET/CT và liều bức xạ thay đổi theo thông số chụp CT. Trong đó việc đánh giá chất lượng hình ảnh sẽ được thực hiện qua hai phương pháp là trực quan và đánh giá qua giá trị phân tích bán định lượng SUV (Standardized Uptake Value) đã được chuẩn hoá. Và việc
44
đánh giá liều bức xạ sẽ được thực hiện thông qua chỉ số CTDIVOL và chỉ số độ dài DLP.
3.3.1.Chất lượng hình ảnh theo thông số chụp
Hình ảnh thu được trên máy ghi hình PET/CT sau đó được hiển thị và phân tích bằng phần mềm đọc ảnh chuyên dụng True D. Kết quả thu được ứng với các thông số chụp CT khác nhau, lần lượt được trình bày trong các hình minh hoạ sau:
3.3.1.1. Hình ảnh PET/CT 80 kV
(A) ảnh CT (axial) (B) Ảnh PET (axial)
(C) Ảnh kết hợp PET/CT (axial) (D) Ảnh CT (coronal)
Hình 3.5: Hình ảnh PET/CT với thông số 80 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và
coronal cho thấy tín hiệu nhiễu cao thể hiện qua độ mịn (Smooth) của hình ảnh, ngoài ra còn khó phân biệt các quả cầu theo hướng coronal (mũi tên màu đỏ).
45
3.3.1.2. Hình ảnh PET/CT 100 kV
(A) ảnh CT (axial) (B) Ảnh PET (axial)
(C) Ảnh kết hợp PET/CT (axial) (D) Ảnh CT (coronal)
Hình 3.6: Hình ảnh PET/CT với thông số 100 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và
coronal cho thấy tín hiệu nhiễu đã giảm đi thể hiện qua độ mịn của hình ảnh so với ảnh 80 kV, và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng đã cải thiện hơn so với 80 kV.
46
3.3.1.3. Hình ảnh PET/CT 120 kV
(A) ảnh CT (axial) (B) Ảnh PET (axial)
(C) Ảnh kết hợp PET/CT (axial) (D) Ảnh CT (coronal)
Hình 3.7: Hình ảnh PET/CT với thông số 120 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và
coronal cho thấy tín hiệu nhiễu đã giảm đi thể hiện qua độ mịn của hình ảnh so với ảnh 80 kV, và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng đã cải thiện hơn so với 80 kV.
47
3.3.1.4. Hình ảnh PET/CT 140 kV
(A) ảnh CT (axial) (B) Ảnh PET (axial)
(C) Ảnh kết hợp PET/CT (axial) (D) Ảnh CT (coronal)
Hình 3.8: Hình ảnh PET/CT với thông số 140 kV; (A, D) ảnh CT theo trục axial và
coronal cho thấy tín hiệu rất rõ nét, có thể xác định được bề dày của các quả cầu. Tín hiệu nhiễu giảm, làm cho hình ảnh có độ mịn rất cao; và trên ảnh (D) các quả cầu trên ảnh coronal (mũi tên màu đỏ) cũng rõ nét. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3.2.Giá trị phân tích bán định lượng SUV
Trong đánh giá định lượng hình ảnh chuyển hoá PET/CT thì giá trị hấp thu chuẩn hoá SUV là công cụ phổ biến nhất được các nhà chuyên môn sử dụng trong phân tích hình ảnh. SUV là một tham số không có thứ nguyên, nó thể hiện mức độ hấp thu thuốc phóng xạ trên từng phần thể tích của vật thể cần quan tâm (trong thực nghiệm này là hình nộm, trong thực tế là cơ thể bệnh nhân). Ví dụ, với một thể tích