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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
Hình 3.3: Hình phantom mẫu 10 vật chất: (a) hình ảnh phantom mẫu, (b) hình CT của phantom mẫu được vẽ bằng MATLAB, (c) hình phantom mẫu sau khi chuyển
đổi từ số CT về mật độ vật chất, (d) hình phantom mẫu sau khi chuyển đổi từ mật
Các loại vật chất được sử dụng trong phantom được trình bày trong Hình 3.3 bao gồm: nước (1.0g/cm3), phổi (hít vào) (0.295g/cm3), phổi (thở ra) (0.495g/cm3), vú (0.991g/cm3), xương (1.609g/cm3), xương sụn (1.161g/cm3), gan (1.071g/cm3), cơ (1.062g/cm3), mỡ (0.967g/cm3) và titan (4.507g/cm3) (tùy chọn).
Sau khi tiến hành chuyển đổi, tác giảđã sử dụng bộ cơng cụ Data Cursor của Matlab để kiểm tra các điểm ảnh trên hình ảnh đã chuyển đổi và nhận thấy rằng hình ảnh được chuyển đổi đã phân biệt tương đối rõ các vùng vật chất trên ảnh CT. Tuy nhiên với các vật chất gan và cơ, do cĩ mật độ quá gần với mật độ của nước,
điều này cĩ thể dễ dàng nhận thấy trên cả hình CT (Hình 3.3b) lẫn hình ảnh mật độ
sau khi chuyển đổi (Hình 3.3c). Do đĩ, sau khi chuyển đổi sang vật chất, các hốc của gan và cơ khơng được đồng nhất lắm do bị lẫn các pixel của nước vào. Tuy nhiên ảnh hưởng này khơng đáng kể vì thành phần vật chất của các chất này là gần giống nhau. Nhìn chung, chương trình đã cho kết quả phù hợp tốt với hình ảnh ban
đầu.
Từ thành cơng đĩ, tác giảđã tiến hành kiểm tra trực tiếp lên bộ hình ảnh CT
được lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy. Hình 3.4 là hình ảnh thể hiện quá trình và kết quả
chuyển đổi của chương trình CODIM. Chương trình cũng phân biệt rõ xương và các thành phần vật chất khác. Kết quả khá phù hợp với hình ảnh CT ban đầu.
Từ đĩ, tác giả tiến hành xây dựng giao diện, tạo phantom CT và tiến hành mơ phỏng trên chương trình MCNP5. Cơ sở dữ liệu bao gồm 10 loại vật chất như
trong Bảng 3.2 được đưa vào MCNP5 và được mã hĩa kí hiệu từ 1 đến 10 (với 0 là kí hiệu mặc định cho chân khơng). Chương trình CODIM sẽ tạo ra một phantom hình hộp cĩ kích thước tương ứng với kích thước các lát cắt thu được từ CT, kích thước của các voxel cũng tương ứng với kích thước các pixel trong hình chụp CT. Các kí hiệu vật chất sẽđược đưa vào input file theo thứ tự các pixel tương ứng trong bộ dữ liệu CT. Ngồi ra, chương trình DICOM sẽ gom các pixel cĩ cùng vật chất nằm cạnh nhau lại thành một nhĩm để giảm kích thước của input file MCNP5.
Hình 3.4: Hình CT não người được lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy (a) hình CT được vẽ
bằng phần mềm chuyên dụng MRIcro, (b) hình ảnh CT được vẽ bằng MATLAB, (c) hình ảnh CT sau khi chuyển đổi CT về mật độ vật chất, (d) hình ảnh CT sau khi chuyển đổi từ mật độ vật chất về vật chất.
3.2.3. Thiết kế giao diện
Mục đích của tác giả là nhằm thiết kế một chương trình kết hợp giữa file DICOM với chương trình Monte Carlo MCNP5 để tính tốn phân bố liều, dựđốn trường chiếu của máy gia tốc tuyến tính cho phù hợp với từng trường hợp cụ thể.
ðồng thời, chương trình cũng cĩ thể giúp cho người dùng quan sát hình ảnh CT, xây dựng phantom người trực tiếp từ bộ file CT của bệnh nhân và xử lý output của MCNP5 sau khi tiến hành mơ phỏng. Do đĩ, chương trình được thiết kế bao gồm 3 giao diện chính: giao diện chính của chương trình và 2 giao diện chức năng.
3.2.3.1 Giao diện chính của chương trình
Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM
Giao diện bao gồm phần hình ảnh giúp người sử dụng phần nào cĩ thể hình dung được mục đích của chương trình và chủ yếu xoay quanh 5 button chính:
• CONVERT: giúp người dùng tiếp cận với giao diện chức năng 1, nhằm quan sát hình ảnh CT, lựa chọn folder cần xem và chuyển đổi.
• ISODOSE: nhằm liên kết với giao diện chức năng 2 là phần xử lý output (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
của MCNP5.
• INFORMATION: liên kết đến giao diện thơng tin của chương trình.
• HELP: liên kết đến file hướng dẫn sử dụng chương trình
3.2.3.2 Giao diện chức năng CONVERT_VIEW
Nhưđã nĩi ở trên, đây là phần kết hợp quan sát và chuyển đổi hình ảnh đến MCNP5 và trình bày một số thơng tin cần thiết cho người dùng cĩ thể sử dụng trong việc thiết lập input file cho MCNP5.
Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW.
Giao diện bao gồm 4 phần: thanh cơng cụ, danh mục, hình ảnh, button điều khiển chương trình.
• Thanh cơng cụ: giúp người dùng tiếp cận với hình ảnh CT một cách hiệu quả hơn.
+ Cơng cụ hỗ trợ hình ảnh của MATLAB:
giúp người sử dụng cĩ thơng tin về số CT và vị trí trong hình ảnh khi click chuột lên hình.
đây là cơng cụ quen thuộc cĩ chức năng phĩng to và thu nhỏ hình ảnh cần quan sát.
+ Cơng cụ xây dựng của chương trình:
Color Map: thang màu( bao gồm 13 thang màu lựa
chọn: JET, HSV, HOT, GRAY,….
Light : thanh trượt điều chỉnh độ sáng.
• Danh mục :
+ Files List: danh mục liệt kê các file trong folder lựa chọn. Lựa chọn file trong danh mục và click dấu mũi tên lên xuống trong bàn phím để quan sát hình ảnh chứa trong folder.
+ Header List: danh mục liệt kê thơng tin header của hình ảnh CT.
• Hình ảnh: giúp người dùng quan sát hình ảnh CT.
• Button: bao gồm 4 button.
+ Folder Selection: lựa chọn folder chứa file CT.
+ Text Convert: cĩ tác dụng tập hợp, sắp xếp các file định dạng DICOM khác nhau cĩ trong folder lựa chọn và chuyển đổi thành file input riêng cho từng định dạng DICOM chẳng hạn như định dạng : *.dcm,* .ct,* .img, …
+ Hide: lựa chọn chế độ ẩn cho các thành phần khơng quan trọng trong header CT.
+ Show All: chỉ ra tất cả các thành phần trong danh mục header CT.
3.2.3.3 Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL
ðây là giao diện xử lý file MESHTAL sau khi mơ phỏng tính liều cho phantom CT vừa mới được thiết lập bằng chương trình MCNP5.
Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL
Nhằm mục đích tính phân bố liều lên phantom CT, chương trình được thiết kế cho mơ phỏng lập kế hoạch điều trị với tối đa 3 hướng chiếu khác nhau và cĩ thể điều chỉnh chất lượng chùm tia sao cho phù hợp lên bệnh nhân.
Các thành phần chính của giao diện bao gồm:
• Bộ cơng cụ MATLAB cho xử lý hình ảnh: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ giúp người sử dụng cĩ thơng tin về vị trí quan tâm trên hình ảnh CT khi click chuột lên hình.
+ thang màu, bảng phân bố màu sắc trên đường contour.
+ đây là cơng cụ quen thuộc cĩ chức năng phĩng to và thu nhỏ
• Phần thơng tin header (CT HEADER INFORMATION): phần thơng tin này cĩ tác dụng thơng báo cho người sử dụng biết thơng tin của bệnh nhân (tên, tuổi, giới tính và vị trí slice thiết lập), đơn vị chụp cắt lớp.
• Phần thơng tin đường đồng liều (ISODOSE INFORMATION): phân bố bảng
màu thơng báo khu vực và chất lượng đường liều trong khu vực chiếu.
• Phần thơng tin chùm tia (BEAM INFORMATION): đây là thành phần quan
trọng của giao diện, khu vực cần điền các thơng tin. Trước tiên, lựa chọn thư
mục chứa file nguồn ảnh CT và file meshtal, sau đĩ điền đầy đủ thơng tin và tiến hành vẽ.
• Phần button:
+ Plot: bắt chương trình thi hành vẽ sau khi điền đúng các thơng tin. Khi phần thơng tin chùm tia điền sai thơng tin file thì lập tức button plot sẽ nhắc nhở người sử dụng điền cho đúng (chẳn hạn: khi điền sai thơng tin ở phần name file 1 thì chữ “Plot” được thay bằng “Text1Error” và chương trình khơng thi hành lệnh plot,… )
+ Convert Directory: lựa chọn thư mục chứa file nguồn CT và file meshtal.
CHƯƠNG 4
MƠ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH
BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 VÀ CODIM