ðầu máy gia tốc là một trong những thành phần quan trọng nhất của máy gia tốc. Nĩ chứa đựng những thành phần mà cĩ ảnh hưởng đến chất lượng, hình dáng, cùng với khả năng định vị và theo dõi chùm photon và electron trong quá trình điều trị.
Hình 2.4: ðầu điều trị máy gia tốc tuyến tính
Chùm electron được phát ra từ súng electron được gia tốc trong ống dẫn sĩng
đạt đến một mức năng lượng và hình thành dạng chùm tia hình nĩn hẹp qua hệ
thống vận chuyển chùm electron đến đầu điều trị máy gia tốc, ở đây chùm electron và photon điều trị được tạo ra. Các thành phần quan trọng trong đầu máy gia tốc hiện đại bao gồm:
1. Các bia X-ray cĩ thể ra vào;
2. Bộ lọc phẳng và phơi phân tán electron (cũng được xem như tấm lọc phân tán); 3. Các collimator thứ cấp và sơ cấp; 4. Cặp buồng ion hĩa; 5. Dụng cụđo xạ và đèn xác định trường chiếu; 6. Thành phần khơng bắt buộc (nêm); 7. Collimator đa lá (MLC) (tùy chọn).
Chùm photon điều trị được tạo ra với sự kết hợp bia và bộ lọc phẳng. Chùm electron phát ra từ súng electron được gia tốc đến một mức năng lượng xác
X, ở đây một phần nhỏ (khoảng 10%) năng lượng chùm tia chuyển thành chùm tia X thơng qua hiện tượng bức xạ hãm. Cường độ chùm tia X tạo ra trong bia chủ yếu cĩ hình dạng hình nĩn hẹp và được làm phẳng thơng qua bộ lọc phẳng.
Chùm electron điều trị được tạo ra bằng cách rút lại bia. Chùm tia electron hình nĩn hẹp được cho qua bộ lọc phẳng, phơi tán xạ hoặc bộ lệch và máy quét từ
tính để bao phủ tồn bộ kích thước trường chiếu cần thiết cho điều trị bằng chùm electron. Các collimator cũng được sử dụng để định dạng chùm electron.
Chuẩn chùm photon trong máy gia tốc y khoa hiện đại bao gồm 3 bộ phận collimator: collimator sơ cấp, collimator di động xác định chùm thứ cấp và collimator đa lá.
+ Collimator sơ cấp hạn chế kích thước trường cực đại đối với xạ trị chùm tia X.
+ Collimator thứ cấp cĩ tác dụng xác định kích thước trường điều trị. Collimator này bao gồm 2 bộ ngàm độc lập: bộ ngàm dưới và bộ ngàm trên, chúng cĩ tác dụng giới hạn chùm tia để tạo thành trường chiếu hình chữ nhật hoặc hình vuơng với kích thước cực đại 40 × 40 cm2 tại điểm
đồng tâm máy gia tốc (100 cm cách bia X-ray).
+ Bộ collimator đa lá (multileaf collimator - MLC) là thành phần mới được thêm vào kĩ thuật phân bố liều máy gia tốc. MLC cho phép tạo ra những trường bức xạ cĩ hình dạng khơng đều một cách chính xác từ những cặp lá collimator được kết hợp chặc chẽ, mỗi lá được điều khiển bằng 1 motor nhỏ. Việc xây dựng hệ thống MLC chính xác địi hỏi các kĩ thuật quan trọng. Hiện nay là mơ hình MLC kết hợp 120 lá (60 cặp) bao phủ chùm bức xạ 40 × 40 cm2 và được máy tính điều khiển motor và chu vi của collimator.
Hệ thống theo dõi liều trong máy gia tốc y khoa được thực hiện dựa vào các buồng ion hĩa bao lấy chùm electron và photon trong quá trình điều trị bằng máy gia tốc tuyến tính. Các buồng đo được sử dụng để theo dõi cơng suất chùm tia (liều bệnh nhân) một cách liên tục trong suốt quá trình điều trị. Thêm vào đĩ buồng đo
cũng cịn được sử dụng cho việc quan sát bán kính và độ bằng phẳng cũng như tính
đối xứng và năng lượng của chùm tia. Với sự an tồn của bệnh nhân, hệ thống đo lường bức xạ gia tốc thường bao gồm 2 buồng ion hĩa được bịt kín tách biệt hồn tồn khơng phụ thuộc vào cơng suất của nhà cung cấp và dữ liệu thiết bị đo điện áp cực thấp. Nếu buồng sơ cấp hỏng trong quá trình điều trị bệnh nhân thì buồng thứ
cấp sẽ xác định bức xạ, thơng thường thì liều được cộng thêm chỉ vài phần trăm so với liều quy định đã được cơng bố.
2.4. CẤU HÌNH MÁY GIA TỐC HIỆN ðẠI [15]
Tại các mức năng lượng electron cỡ megavolt, các photon được tạo ra theo hiệu ứng bremsstrahlung trong bia tia X đạt đến giá trị xác định và phát ra theo hướng của chùm electron đập vào bia. Tất nhiên cĩ sự liên quan giữa các ống dẫn sĩng gia tốc với bệnh nhân trong các cấu hình điều trị đồng tâm.
Trong cấu hình đơn giản và thơng thường nhất, như minh họa ở Hình 2.5, súng electron và bia tia X được xếp thẳng hàng trực tiếp với đường đồng tâm của máy gia tốc để tránh phải dùng hệ thống vận chuyển chùm tia. Chùm photon thẳng suốt từđầu đến cuối được tạo ra và nguồn tần số vơ tuyến cùng được gắn trong dàn quay.
Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc đồng tâm cĩ súng phát electron, ống dẫn sĩng và bia tia X thẳng hàng
Tuy nhiên, vì lý do thực tếđường đồng tâm của máy gia tốc tuyến tính khơng vượt quá 130cm phía trên sàn phịng điều trị và khoảng cách từ nguồn tới tâm khối u trên trục thường là 100cm. Như vậy rõ ràng là trong cấu hình này chiều dài của
ống dẫn sĩng gia tốc bị giới hạn ở 30cm, tương ứng động năng electron là 4 đến 6 MeV. Thực vậy, các máy gia tốc tuyến tính đơn giản nhất cĩ mức năng lượng 4 đến 6 MeV với súng điện từ và bia cố định được gắn vào ống dẫn sĩng gia tốc, do đĩ khơng địi hỏi sự vận chuyển và đưa ra sựđiều trị bằng electron.
Ống dẫn sĩng gia tốc đối với các mức năng lượng electron trung bình (8 đến 15 MeV) và cao (15 đến 30 MeV) hiển nhiên sẽ rất dài nếu gần đường đồng tâm trực tiếp, bởi vậy chúng được đặt hoặc trong dàn quay song song với trục quay của dàng quay (Hình 2.6), hoặc trong khung đỡ dàn quay (Hình 2.7). Sau đĩ, một hệ
thống vận chuyển chùm tia được sử dụng để dẫn chùm electron từống dẫn sĩng gia tốc tới bia tia S. Nguồn tần số vơ tuyến trong hai cấu hình này được gắn trong khung đỡ dàn quay.
CHƯƠNG 3
HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT NỐI HÌNH ẢNH DICOM VỚI MCNP5
3.1. GIỚI THIỆU VỀẢNH DICOM 3.1.1. Khái niệm 3.1.1. Khái niệm
DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) là tiêu chuẩn về
cách thức hiển thị hình ảnh số và giao tiếp trong y khoa, được sáng lập bởi Hiệp hội các nhà sản xuất điện tử quốc gia (National Electrical Manufaturer’s Association – NEMA) kết hợp với Hiệp hội ngành Chẩn đốn hình ảnh Hoa Kì (American College of Radiology – ACR) nhằm hỗ trợ cho việc phân phối và đánh giá các hình
ảnh y khoa như các lớp cắt CT, MRI và siêu âm.
3.1.2. Cấu trúc ảnh DICOM
Một tập tin hình ảnh DICOM khơng chỉ chứa đựng thơng tin về các thơng số
cơ bản của một hình ảnh thơng thường (phần dữ liệu hình ảnh) như thang màu, kích thước, dữ liệu pixel, … mà cịn mang nhiều thơng tin chi tiết về nguồn gốc của ảnh (nằm trong phần header hình ảnh) chẳng hạn như thơng tin về đơn vị chụp ảnh CT, tên tuổi bệnh nhân, hình thức chụp cặt lớp, bộ phận chụp … Các thơng tin về hình
ảnh được tích hợp vào trong file DICOM sẽ giúp cho hình ảnh khơng bao giờ bị thất lạc thơng tin khi truyền tải. ðây là ưu thế này của ảnh DICOM so với các định dạng
ảnh phân tích thơng thường khác (bao gồm một tập tin chứa các dữ liệu của ảnh và chứa các thơng tin của ảnh ở một tập tin khác). Với cấu trúc như thế sẽ giúp cho ảnh DICOM cĩ nhiều thuận lợi hơn trong giao tiếp giữa nơi này với nơi khác (giao tiếp giữa các bệnh viện với nhau trên tồn thế giới…).
Chỉ với một ảnh DICOM đơn giản, chúng ta cĩ thể thu được rất nhiều thơng tin cần thiết để phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu của nhiều lĩnh vực riêng. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, ta chỉ tập trung nghiên cứu một số các thơng tin
3.1.2.1 Phần kích thước ảnh (Width, Height, Rows, Columns,PixelSpacing,…)
ðây là thơng tin quan trọng trong việc chuyển đổi ma trận dữ liệu ảnh sang input file MCNP5. Tùy theo bộ phận chụp hay chếđộ chụp, người kỹ thuật viên sẽ
lựa chọn kích thước hình ảnh phù hợp để thu được những hình ảnh thể hiện rõ nét nhất. Kích thước hình ảnh của một ảnh DICOM hiện nay là 512 × 512 pixel, nhưng tùy thuộc vào một số điều kiện khách quan mà hình ảnh cĩ thể cĩ kích thước khác hơn: 256 × 256 pixel hoặc 128 × 128 pixel chẳng hạn.
3.1.2.2 Thang màu (Colortype)
• Grayscale (Thang xám):
ðây là thang màu tiêu biểu cho tất cả các hình ảnh y khoa. Hầu hết các hình
ảnh y khoa chẩn đốn từ X-quang thường, siêu âm cho tới CT, MRI, X-quang số đều dựa trên thang xám làm nền tảng để thể hiện các hơ hấp chụp với cường độ
sáng tối tương ứng.
Khi cần khảo sát một cách tổng quát (X-quang tổng quát, siêu âm tổng quát, CT tổng quát…), hình ảnh với thang độ xám đã trở nên rất phổ biến và trở thành một chuẩn qui ước quốc tế về hình ảnh chẩn đốn.
• Truecolor RGB (Thang màu đỏ- lục- lam)
ðây là thang màu được áp dụng khi cần đánh giá quá trình trao đổi chất hoặc khảo sát hoạt động của các cơ quan một cách tỉ mỉ hơn. Nĩi chung, hình ảnh thang màu cĩ khuynh hướng phục vụ chẩn đốn chức năng nhiều hơn trong khi hình ảnh với thang xám thơng thường hướng về chẩn đốn cấu trúc.
3.1.2.3 Thang độ sáng/ tương phản (Window Center/Window Width)
Bất cứ ai khi nghiên cứu về ảnh y khoa đều quan tâm đến vấn đề độ sáng và
độ tương phản của ảnh được quyết định bởi hai thơng số ‘window center’ và ‘window width’. Giá trị của cặp thơng số này mang ý nghĩa rất quan trọng đối với các đầu quét trong các máy X-quang, CT, PET và cũng tương tựđối với MRI.
3.2. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH CODIM
CODIM (COnvert DIcom to MCNP5) là chương trình được thiết kế trên nền MATLAB7.8.0 (R2009a) nhằm liên kết tập tin dữ liệu hình ảnh DICOM với
chương trình MCNP5. Chương trình cĩ chức năng chuyển đổi các tập tin dữ liệu hình ảnh DICOM thành input file MCNP5, xử lí output file MCNP5 và thiết lập các
đường phân bố liều lên dữ liệu hình ảnh DICOM sau khi tiến hành mơ phỏng MCNP5 thu được kết quả.
3.2.1. Phương thức hoạt động của chương trình CODIM
Nhiệm vụ của chương trình CODIM là nhằm hỗ trợ cho việc tính liều hấp thụ trong voxel phantom được tạo thành từ các ảnh DICOM (trong trường hợp này cụ thể là các file CT). Các voxel phantom được hình thành trong khơng gian 3 chiều nhờ vào việc xử lý một tập hợp các hình ảnh CT 2 chiều được chụp từ bệnh nhân. Hình 3.1 trình bày nguyên lý hoạt động của chương trình CODIM. Các bước tiến hành bao gồm:
• ðọc các thơng tin từ tập hợp các file DICOM (bao gồm thơng tin header và pixel).
• Kết hợp các file CT 2 chiều rời rạc thành khối 3 chiều.
• Chuyển đổi các số CT của từng pixel sang thành dạng vật chất và mật độ
tương ứng.
• Xây dựng input file cho chương trình MCNP5 sử dụng voxel phantom với số liệu vật chất và mật độ thu được.
• Chạy chương trình MCNP5 và thu được kết quả dưới dạng output file MESHTAL là các ma trận hai chiều ứng với vị trí từng lát cắt của các file CT.
• Chuyển đổi các ma trận MESHTAL trở lại dạng file DICOM. Trong trường hợp chiếu cùng lúc với nhiều hướng chiếu khác nhau thì mỗi trường chiếu được mơ phỏng riêng lẻ sau đĩ sẽ được kết hợp lại và chuyển thành file dạng DICOM.
• Hiển thị kết hợp cảảnh CT (dưới dạng grayscale) và các đường đẳng liều (dưới dạng RGB) thu được ở trên.
Hình 3.1: Sơđồ mơ tả hoạt động của chương trình CODIM
3.2.2. Quy trình chuyển đổi
3.2.2.1 Giai đoạn 1: Chuyển đổi ảnh CT về vật chất và mật độ vật chất tương ứng Khi tính tốn mơ phỏng, chương trình MCNP5 quan tâm đến các thơng số
như hình học, vị trí và thành phần cấu tạo hĩa học của các khối vật thể được đưa vào. Trong khi đĩ hình ảnh CT được cấu tạo từ các dữ liệu hình ảnh, dữ liệu này là các số CT được xây dựng dựa trên các đơn vị Hounsfield (Hounsfield Unit – HU). Các số CT cĩ mối liên hệ gần như tuyến tính với mật độ vật chất thơng qua giản đồ
Hounsfield. Do đĩ, để xây dựng input file cho chương trình MCNP, điều trước tiên là phải đọc hình ảnh CT và chuyển đổi dữ liệu hình ảnh CT về dạng mật độ vật chất.
Bảng 3.1 trình bày mối liên hệ giữa số CT và mật độ vật chất. Trong đĩ quy
ước lấy giá trị -1000 tương ứng với mật độ 0g/cm3 (khơng khí) và giá trị 0 tương
ứng với mật độ 1g/cm3 (nước). Cơng thức tính giá trị HU đối với vật chất X cĩ hệ
số suy giảm tuyến tính µX là
HU = (µX – µH2O) / µH2O × 1000 (3.1)
trong đĩ µH2O là hệ số suy giảm tuyến tính của nước.
Bộ dữ liệu DICOM
CODIM
Output file Input file
MCNP5
Thơng tin header Thơng tin isodose Thơng tin pixel
Khoảng giá trị của số CT là từ -5000 đến 5000, tuy nhiên trong thực tế ứng dụng thì số CT thường nằm trong khoảng từ -1000 đến 2000.
Bảng 3.1: Bảng liên hệ giữa số CT (đơn vị Hounsfield) với mật độ vật chất Số CT (Hounsfield – H) Mật độ vật chất (g/cm3) -5000 0.0 -1000 0.0 -400 0.602 -150 0.924 100 1.075 300 1.145 2000 1.856 4927 3.379 Hình 3.2: Giản đồ thể hiện mối liên hệ giữa số CT (H) và mật độ vật chất Giá trị mật độ vật chất tại từng pixel thu được thơng qua việc nội suy tuyến tính giữa hai giá trị trong Bảng 3.1 gần nhất phía trái và phải của số CT ở pixel đĩ.
3.2.2.2 Giai đoạn 2: Chuyển đổi mật độ vật chất về vật chất
Theo GEANT4, chúng ta cĩ bảng chuyển đổi mật độ vật chất về các thành phần vật chất tương ứng như Bảng 3.2. Từ mật độ vật chất thu được ở trên, chúng ta
định nghĩa 10 loại vật chất với các thành phần như trong Bảng 3.2, các loại vật chất
được đánh số từ 1 tới 10 theo thứ tự như trong bảng.
Bảng 3.2: Bảng liên hệ giữa mật độ vật chất với vật chất Mật độ (g/cm3) Vật chất Thành phần [0.000 , 0.207 ) Khơng khí N(0.7); O(0.3) [0.207 , 0.481) Phổi (hít vào) H(0.103); C(0.105); N(0.031); O(0.749); Na(0.002); P(0.002); S(0.003); Cl(0.002); K(0.003) [0.481 , 0.919) Phổi (thở ra) H(0.103); C(0.105); N(0.031); O(0.278); Na(0.001); P(0.002); S(0.003); Cl(0.002); K(0.003) [0.919 , 0.979) Chất béo (mỡ) H(0.114); C(0.598); N(0.007); O(0.749); Na(0.002); S(0.001); Cl(0.001) [0.979 , 1.004) Vú H(0.109); C(0.506); N(0.023); O(0.358); Na(0.001); P(0.001); S(0.001); Cl(0.001) [1.004 , 1.043) Nước H(0.112); O(0.888) [1.043 , 1.109) Gan H(0.102); C(0.139); N(0.030); O(0.716); Na(0.002); P(0.003); S(0.003); Cl(0.002); K(0.003) [1.109 , 1.113) Cơ H(0.102); C(0.143); N(0.034); O(0.710); Na(0.001); P(0.002); S(0.003); Cl(0.001); K(0.004) [1.113 , 1.496) Xương sụn H(0.085); C(0.404); N(0.058); O(0.367); Na(0.001); Mg(0.001); P(0.034); S(0.002); K(0.001); Ca(0.044); Fe(0.001) [1.496 , 1.654] Xương H(0.056); C(0.235); N(0.050); O(0.434); Na(0.001); Mg(0.001); P(0.072); S(0.003); Cl(0.001); K(0.001); Ca(0.146)
3.2.2.3 Giai đoạn 3: Giai đoạn kiểm tra trên phantom mẫu
Sau khi hai giai đoạn trên đã hồn thành chúng tơi đã tiến hành thử lại trên phantom mẫu 10 loại vật chất (CIRS Model 062). Phantom này được thiết kế với chiều cao 270mm và bề ngang 330mm (Hình 3.3). Các hốc trong phantom được sắp xếp thành hai vịng với bán kính 60mm và 115.3mm. Mỗi vịng cĩ 8 hốc được đặt cách đều nhau và một hốc nằm ở trung tâm.