Nghiên cứu phát triển kỹ thuật spect/ ct trên cơ sở thiết bị ct công nghiệp một nguồn - Một đầu dò quy mô phòng thí nghiệm

1 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT SPECT/ CT TRÊN CƠ SỞ THIẾT BỊ CT CÔNG NGHIỆP MỘT NGUỒN - MỘT ĐẦU DÒ QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM PHẠM VĂN ĐẠO, ĐẶNG NGUYÊN TUẤN, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, BÙI TRỌNG DUY, PHAN QUỐC MINH Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp. 13 Đinh Tiên Hoàng, Đà Lạt, Lâm Đồng. E-mail: office@canti.vn Tóm tắt: Đề tài “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp một nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí nghiệm” là nghiên cứu tiếp sau đề tài “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị CT công nghiệp loại 1 nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí nghiệm”. Đề tài được đặt ra với mục tiêu chính là nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu về hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT. Với mức độ và kinh phí của đề tài, sản phẩm của đề tài được đặt ra là một cấu hình thiết bị SPECT (2 đầu dò) kết hợp CT (1 nguồn - 1 đầu dò) có thể chụp ảnh SPECT/CT ở trạng thái tĩnh. Hình ảnh SPECT/CT được tái tạo bằng 3 phương pháp là Chiếu ngược có lọc (FBP), Đại số (ART) và Tối đa hóa kỳ vọng (EM). Hình ảnh SPECT được hiệu chỉnh hấp thụ thông qua hệ số hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT được ứng dụng với thuật toán Đại số (ART). Keywords: SPECT/CT, SPECT, chuẩn đoán hình ảnh I. GIỚI THIỆU Kỹ thuật SPECT/CT là sự kết hợp giữa hai kỹ thuật tái tạo hình ảnh SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) và CT (Computed Tomography). Do những đặc tính ưu việt của kỹ thuật này nên chúng đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi không những trong y học mà còn trong các ngành khác như công nghiệp, sinh học, nghiên cứu khoa học Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm riêng và mục đích sử dụng khác nhau, trong khi CT cung cấp hình ảnh về cấu trúc bên trong của cơ thể theo mật độ thì SPECT cung cấp hình ảnh về sự phân bố hoạt độ của chất đánh dấu phóng xạ bên trong đối tượng, vật thể. Trong chuẩn đoán và điều trị ung thư, kỹ thuật SPECT/CT giúp xác định chính xác vị trí giải phẫu (từ hình ảnh CT) các tổn thương chức năng (từ hình ảnh SPECT). Trong lĩnh vực công nghiệp cũng như trong nghiên cứu khoa học – kỹ thuật khác, chụp cắt lớp hình ảnh được sử dụng như là một công cụ khảo sát không phá hủy tiên tiến. Kỹ thuật này giúp đo đạc phân bố mật độ vật chất bên trong vật thể cũng như khảo sát phân bố các pha bên trong các thiết bị, đối tượng đa pha mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị, đối tượng đó. 2 II. NGUYÊN LÝ CHUNG Phương pháp chụp ảnh cắt lớp cho phép xác định phân bố mật độ vật chất hoặc phân bố hoạt độ phóng xạ trong mặt cắt của vật thể dựa trên tính toán tập số liệu các phép đo phóng xạ. Giả sử chia một lát cắt vật thể thành nhiều đơn vị vật chất với kích thước nhất định. Khi chùm tia photon quét qua lớp vật chất đó (ngang hoặc dọc) thì nó sẽ lần lượt xuyên qua các đơn vị vật chất. Tín hiệu truyền qua mỗi đơn vị vật chất sẽ khác nhau do có độ suy giảm tuyến tính khác nhau, tuỳ thuộc vào góc quay, độ lớn của góc nhìn trong mặt phẳng quét và khoảng cách của nó tới đầu dò. Các tín hiệu thu được với các góc quay khác nhau trong mặt phẳng tương ứng. Các tín hiệu này là cơ sở để tái tạo hình ảnh trên máy tính thông qua phần mềm được hỗ trợ các thuật toán về ma trận. Đối với CT Xét trường hợp một chùm bức xạ có cường độ ban đầu I0 thì cường độ chùm bức xạ sau khi đi qua đối tượng như sau:   dsyxf eII ),( 0 (1) Với s là quãng đường chùm bức xạ đi qua trong đối tượng tại vi trí có hệ số hấp thụ f(x,y). Tổng tia (ray sum) tại t1 được cho bởi công thức:         0),( 1 ln),()( 1 I IdsyxftP linet  (2) Dữ liệu hình chiếu của vật thể ghi nhận tại góc θ :  ),()( yxftP  (3) với ℜ là toán tử biến đổi ℜadon. Để tái tạo hình ảnh, ta cần một phép biến đổi ℜadon ngược như sau:  )(),( 1 tPyxf  (4) Hình 2: Vật thể f(x,y) và hình chiếu của nó P(t1) tại góc xoay  Hình 1: Nguyên lý của chụp cắt lớp điện toán CT, SPECT 3 Hình ảnh tái tạo là tập hợp các giá trị của f(x,y, các giá trị này thu được từ áp dụng thuật toán tái tạo hình ảnh với tập hợp các số liệu đo )(tP quanh đối tượng. Đối với SPECT Hình 3 mô tả một mặt cắt của đối tượng với một phân bố chất đánh dấu phóng xạ bên trong. Giả sử tại mỗi điểm đo, nguồn phát phóng xạ là một nguồn điểm lý tưởng thì số đếm đo được tại đầu dò tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của điểm phát phóng xạ đó. Nếu khe hở chuẩn trực của đầu dò là lý tưởng (rất hẹp, sâu), thì đầu dò chỉ ghi nhận được bức xạ phát ra dọc theo khe R1R2. Quá trình này tương tự như quá trình ghi nhận cường độ bức xạ trong kỹ thuật CT, và số đếm ghi nhận tại mỗi điểm đo cũng được gọi là một tổng tia (ray sum). Bằng kết hợp nhiều tổng tia đo được trên cùng một góc xoay , ta thu được số liệu hình chiếu. Biến đổi ℜadon ngược bộ số liệu hình chiếu để tái tạo lại phân bố phóng xạ bên trong đối tượng khảo sát. Trong thực tế chùm bức xạ phát ra từ vị trí phát xạ bị hấp thụ và tán xạ trên đường đi của nó đến đầu dò nên hình chiếu PAS θ (t) sẽ thấp hơn so với hình chiếu lý tưởng Pθ(t), sự suy giảm này phụ thuộc chủ yếu vào mật độ vật chất giữa nguồn phát và đầu dò bức xạ. Mức độ hấp thụ có thể định tính bằng một hệ số truyền qua TF(t’,s’,) là một phần của các bức xạ truyền qua một độ dày có hệ số hấp thụ không đồng nhất tại góc xoay . Hệ số này được tính toán như sau:            , ,,,,, ),exp),,( s dsstfstTF  (5) Với f(t’,s’) là phân bố của hệ số hấp thụ tuyến tính theo vị trí. Biểu thức (5) chỉ chính xác đối với một chùm bức xạ đơn năng và không bị ảnh hưởng của tán xạ. Một phương pháp hiệu chỉnh hấp thụ phổ biến hiện nay là phương pháp của Chang. Phương pháp này được thực hiện bằng cách xác định hệ số hiệu chỉnh C(x’, y’) cho từng vị trí (x’,y’) trong hình ảnh SPECT bằng biểu thức sau: Hình 3 : Trong SPECT, phân bố của chất phóng xạ được đo đạc bằng đầu dò chuẩn trực Hình 4: Sự ảnh hưởng của hấp thụ đến hình ảnh SPECT 4 1 1 ,,,, ),,(1),(           M i istTFM yxC  (6) Với M là số góc chiếu i. Tuy nhiên, trong đề tài thực hiện hiệu chỉnh hệ số hấp thụ tuyến tính trên hình ảnh CT theo phương pháp sau: Tương tự như mô hình của hình 2, khi detector được đặt để ghi nhận bức xạ truyền dọc theo đường thẳng AB theo hướng của vector đơn vị s . Góc quay ߠ được thực hiện trong đoạn [0, ߨ] hoặc trong khoảng [0, 2ߨ), tương ứng với chỉ số i chạy từ 1 đến M. Giả sử Cjk ~ C(x,y) và fjk ~ f(x,y) lần lượt là giá trị hoạt độ của nguồn và giá trị suy giảm tại pixel thứ k thuộc tia thứ j, qj là tổng số pixel trên tia thứ j. Công thức biến đổi ℜadon trong trường hợp SPECT được tính như sau:     jk q k k l jljljkt dsdsfCkjCP j ..exp.),( 1 1                    (7) Phương pháp tái tạo và hiệu chỉnh hình ảnh SPECT bằng thuật toán đại số (ART) được thực hiện như sau:  Bước 1: Ước đoán giá trị Cjk_old (ban đầu)  Bước 2: Tính tổng cường độ phóng xạ đo được tại detector khi có các giá trị ước đoán Cjk_old và và giá trị suy giảm f của các pixel thuộc tia thứ j:   jk q k k l jljloldjkt ssfCP j                  ..exp. 1 1 _ (8)  Bước 3: Tính phân bố nguồn dựa trên công thức tái tạo đại số     jkq k jk ttASz oldjk z newjk W W PP CC j .. 1 2 _ 1 _      (9)  Bước 4: 1__  z newjk z oldjk CC Với λ và Wjk lần lượt là hệ số hồi phục và trọng số đóng góp của pixel thứ k trên tia thứ j. Các bước trên được thực hiện tuần tự từ trên tất cả các hình chiếu. Do đó, mỗi giá trị pixel được tính và hiệu chỉnh qua các giá trị suy giảm f đối với từng hình chiếu. Như vậy, phương pháp tái tạo ảnh CT là sự xác định phân bố mật độ vật chất, trong khi phương pháp tái tạo ảnh SPECT là xác định hoạt độ phóng xạ phân bố trong vật thể thông qua các giá trị hình chiếu đo đạc xung quanh vật thể. Về nguyên lý, phương pháp tái tạo ảnh CT và SPECT tương tự nhau về thuật toán, chỉ khác nhau về cách xử lý hình học cho mỗi phương pháp. 5 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Cấu hình thiết bị Với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu về hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT, dựa trên thiết bị CT cấu hình 1 nguồn – 1 đầu dò của đề tài cấp cơ sở năm 2008, sản phẩm của đề tài theo thuyết minh được kỳ vọng như sau: Cấu hình CT: - Nguồn phóng xạ: Cs-137, hoạt độ 20 - 50mCi - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (1 detector) - Kích thước hình ảnh tối đa: 256 x 256 pixel - Đường kính vật thể tối đa: 600 mm - Dải mật độ: 0 – 7.8g/cm3 - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: 3 giờ Cấu hình SPECT: Được sử dụng chung phần cứng cơ khí với cấu hình CT (chỉ cần xoay một góc 1800), cấu hình SPECT (đo vật thể trên toàn bộ 3600) không cần nguồn phóng xạ, thay vào đó là một detector khác cho phép thiết bị chỉ cần xoay 1800 là có thể dựng ảnh SPECT bên trong đối tượng. - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (2 detector) - Kích thước hình ảnh tối đa: 64 x 64pixel - Đường kính vật thể tối đa: 300mm - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: 6 giờ Phần mềm tái tạo ảnh: Phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT được hỗ trợ các thuật toán tái tạo ảnh: Chiếu ngược có lọc (FBP), Tái tạo đại số (ART), Thống kê (tối đa hóa kỳ vọng – EM) và các thuật toán xử lý hình ảnh khác, có khả năng hiệu chỉnh hấp thụ trên hình ảnh SPECT Hình 5: Cấu hình CT với 1 nguồn – 1 đầu dò Hình 6: Cấu hình SPECT với 2 đầu dò 6 Hình 7: Phantom thử nghiệm SPECT/CT 2. Kết quả thực nghiệm a. Thí nghiệm 1 Thử nghiệm chụp ảnh SPECT/CT đầu tiên được thực hiện trên một phantom với cấu trúc như hình 7. Bên trong có 2 ống PVC nhỏ hơn, độ dày của hai ống PVC nhỏ là 2 mm Kết quả Phantom được chụp cắt lớp CT với nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi. Có 64 hình chiếu và 121 phép đo/ hình chiếu, bước dịch chuyển 1mm/ phép đo, góc xoay 2.8150/ hình chiếu (viết tắt: 64x121, 1mm, 2.8150). Hình 8(a) bên dưới là hình ảnh CT tái tạo của phantom. Sau khi kết thúc việc chụp ảnh CT, 200Ci hòa tan trong 100 ml nước được rót đầy vào hai ống nhựa PVC nhỏ. Sau đó chụp ảnh SPECT của phantom với phép đo (64x121, 1mm, 2.8150) với mỗi đầu dò. Hình ảnh SPECT sau khi tái tạo bằng thuật toán ART và được hiệu chỉnh hấp thụ bằng các giá trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT (hình ảnh CT và SPECT phải được định dạng kích thước bằng nhau) - hình 8(b) (c). Hình 9 biểu diễn hình ảnh SPECT/CT. Hình 8: (a) Hình ảnh CT tái tạo bằng thuật toán ART, (b) và (c) Hình ảnh SPECT trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ 7 b. Thí nghiệm 2 Thử nghiệm thứ hai được thực hiện với một phantom mô phỏng mẫu lõi trong dầu khí, cấu tạo của phantom bao gồm một ống hình trụ bằng nhựa ABS đường kính ngoài 200mm, dày 10mm, bên trong chứa đá granite kích thước 2 ~ 3 cm phân bố không có thứ tự. Nước được rót vào trong ống nhựa để lấp đầy các khe hở giữa các viên đá granite. Tổng thể tích nước chiếm chỗ khoảng 150ml. Kết quả Phantom được chụp cắt lớp CT với nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi. Thực hiện phép đo (128x256, 1mm, 1.40). Hình 10(a) là hình ảnh CT tái tạo của phantom. Sau khi kết thúc việc chụp ảnh CT, 1mCi đồng vị I-131 với thể tích 10 ml đã được bơm vào nước chứa trong ống nhựa. Do nước đã có sẵn trong ống và đồng vị phóng xạ được đưa vào sau nên sẽ không có một quá trình pha trộn tốt giữa nước có sẵn và dung dịch phóng xạ thêm vào, phóng xạ sẽ có phân bố không đồng đều trong nước chiếm chỗ trong ống nhựa ABS chứa đá granite. Phantom sau đó được chụp ảnh SPECT với phép đo (128x256, 1mm, 1.40) với mỗi đầu dò. Hình ảnh SPECT sau khi tái tạo bằng thuật toán EM thì được hiệu chỉnh hấp thụ bằng các giá trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT. Hình 10(b) và hình 10(c) là hình ảnh SPECT tái tạo bằng thuật toán EM trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ. Hình 11 biểu diễn hình ảnh kết hợp SPECT/CT. Hình 9: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT đã được hiệu chỉnh hấp thụ. Hình 10: (a) Hình ảnh CT tái tạo bằng thuật toán EM, (b) và (c) Hình ảnh SPECT trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ 8 IV. KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp cơ sở “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp một nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí nghiệm” đã tiếp cận và ứng dụng được kỹ thuật SPECT trong việc xác định phân bố chất đánh dấu bên trong vật thể. Đề tài cũng đã tiếp cận được một trong số các kỹ thuật hiệu chỉnh hình ảnh SPECT bằng việc hiệu chỉnh hấp thụ, là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến độ trung thực của hình ảnh SPECT. Thông thường, thiết bị SPECT tiên tiến trong y tế có hai khối đầu dò với 40 – 60 phần tử mỗi khối, một số thiết bị SPECT công nghiệp sử dụng đến 48 đầu dò để có thể chụp được hình ảnh SPECT trong thời gian ngắn nhất. Với chỉ hai đầu dò, thời gian chụp cắt lớp SPECT có thể lên đến 10 giờ cho một hình ảnh nhưng với mục tiêu là nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu về hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT, kết quả đề tài đã khẳng định khả năng nắm bắt và làm chủ kỹ thuật cũng như khả năng phát triển ứng dụng để phục vụ cho những đối tượng và bài toán cụ thể phục vụ nghiên cứu và sản xuất. Hình 11: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT đã được hiệu chỉnh hấp thụ 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Industrial Process Tomography, IAEA – TECDOC – 1589, May 2008 [2] Clinical Applications of SPECT/CT: New Hybrid Nuclear Medicine Imaging System, IAEA – TECDOC – 1597, August 2008 [3] Emssion Tomography – The Fumdamental of PET and SPECT, Miles N. Wernick, Elsevier, 2004 [4] SPECT/CT Physical Principles and Attenuation Correction, James A. Patton, J Nucl Med Technol 2008; 36:1–10. [5] Báo cáo đề tài CS/10/06-01: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp một nguồn – một detector quy mô phòng thí nghiệm 10 RESEARCH FOR DEVELOPING CT/SPECT TECHNQUE UTILIZING THE LAB-SCALED OF INDUSTRIAL ONE SOURCE – ONE DECTECTOR CT SYSTEM. PHAM VAN DAO, DANG NGUYEN TUAN, DANG NGUYEN THE DUY, BUI TRONG DUY, PHAN QUOC MINH Center for Applications of Nuclear Technique in Industry. 13 Dinh Tien Hoang, Da Lat, Lam Dong. E-mail: office@canti.vn Abstract: The “Research for developing CT/SPECT technique utilizing the lab-scaled of industrial one source – one detector CT system” is the continued project following the “Design and fabrication of a lab-scaled of industrial one source – one detector CT system”. The main aim of this project is to approach the SPECT technique for the development of the imaging technique research in the Centre for Applications of nuclear technique in industry (CANTI); fabricate and set up a hardware configuration; develop the image reconstruction software for CT/SPECT. Since the project budget is limited, the main product of this project is an associated hardware configuration of SPECT and CT (2 detector for SPECT and one source – one detector for CT) which can be taken SPECT/CT image in static condition. The SPECT/CT images can be reconstructed either by Filtered back projection (FBP) or Algebraic reconstruction technique (ART) or Expectation Maximization (EM) algorithms. Keywords: SPECT/CT, SPECT, Diagnostic imaging