Báo cáo: 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

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT SPECT/ CT TRÊN<br /> CƠ SỞ THIẾT BỊ CT CÔNG NGHIỆP MỘT NGUỒN - MỘT ĐẦU DÒ<br /> QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM<br /> PHẠM VĂN ĐẠO, ĐẶNG NGUYÊN TUẤN, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY,<br /> BÙI TRỌNG DUY, PHAN QUỐC MINH<br /> Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật Hạt nhân trong Công nghiệp. 13 Đinh Tiên Hoàng, Đà Lạt, Lâm Đồng.<br /> E-mail: office@canti.vn<br /> <br /> Tóm tắt: Đề tài “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp<br /> một nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí nghiệm” là nghiên cứu tiếp sau đề tài “Nghiên cứu chế<br /> tạo thử nghiệm thiết bị CT công nghiệp loại 1 nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí nghiệm”. Đề<br /> tài được đặt ra với mục tiêu chính là nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT phục vụ hướng nghiên<br /> cứu về hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây<br /> dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT. Với mức độ và kinh phí của đề<br /> tài, sản phẩm của đề tài được đặt ra là một cấu hình thiết bị SPECT (2 đầu dò) kết hợp CT (1<br /> nguồn - 1 đầu dò) có thể chụp ảnh SPECT/CT ở trạng thái tĩnh. Hình ảnh SPECT/CT được tái tạo<br /> bằng 3 phương pháp là Chiếu ngược có lọc (FBP), Đại số (ART) và Tối đa hóa kỳ vọng (EM).<br /> Hình ảnh SPECT được hiệu chỉnh hấp thụ thông qua hệ số hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT<br /> được ứng dụng với thuật toán Đại số (ART).<br /> <br /> Keywords: SPECT/CT, SPECT, chuẩn đoán hình ảnh<br /> <br /> I. GIỚI THIỆU<br /> Kỹ thuật SPECT/CT là sự kết hợp giữa hai kỹ thuật tái tạo hình ảnh SPECT (Single<br /> Photon Emission Computed Tomography) và CT (Computed Tomography). Do những đặc tính<br /> ưu việt của kỹ thuật này nên chúng đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi không những<br /> trong y học mà còn trong các ngành khác như công nghiệp, sinh học, nghiên cứu khoa học …<br /> Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm riêng và mục đích sử dụng khác nhau, trong khi CT cung cấp<br /> hình ảnh về cấu trúc bên trong của cơ thể theo mật độ thì SPECT cung cấp hình ảnh về sự phân<br /> bố hoạt độ của chất đánh dấu phóng xạ bên trong đối tượng, vật thể.<br /> Trong chuẩn đoán và điều trị ung thư, kỹ thuật SPECT/CT giúp xác định chính xác vị trí<br /> giải phẫu (từ hình ảnh CT) các tổn thương chức năng (từ hình ảnh SPECT). Trong lĩnh vực công<br /> nghiệp cũng như trong nghiên cứu khoa học – kỹ thuật khác, chụp cắt lớp hình ảnh được sử dụng<br /> như là một công cụ khảo sát không phá hủy tiên tiến. Kỹ thuật này giúp đo đạc phân bố mật độ<br /> vật chất bên trong vật thể cũng như khảo sát phân bố các pha bên trong các thiết bị, đối tượng đa<br /> pha mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị, đối tượng đó.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> II. NGUYÊN LÝ CHUNG<br /> Phương pháp chụp ảnh cắt lớp cho<br /> phép xác định phân bố mật độ vật chất hoặc<br /> phân bố hoạt độ phóng xạ trong mặt cắt của<br /> vật thể dựa trên tính toán tập số liệu các<br /> phép đo phóng xạ.<br /> Giả sử chia một lát cắt vật thể thành<br /> nhiều đơn vị vật chất với kích thước nhất<br /> định. Khi chùm tia photon quét qua lớp vật<br /> chất đó (ngang hoặc dọc) thì nó sẽ lần lượt<br /> xuyên qua các đơn vị vật chất. Tín hiệu<br /> truyền qua mỗi đơn vị vật chất sẽ khác<br /> nhau do có độ suy giảm tuyến tính khác Hình 1: Nguyên lý của chụp cắt lớp điện toán CT,<br /> nhau, tuỳ thuộc vào góc quay, độ lớn của SPECT<br /> góc nhìn trong mặt phẳng quét và khoảng<br /> cách của nó tới đầu dò. Các tín hiệu thu được với các góc quay khác nhau trong mặt phẳng tương<br /> ứng. Các tín hiệu này là cơ sở để tái tạo hình ảnh trên máy tính thông qua phần mềm được hỗ trợ<br /> các thuật toán về ma trận.<br /> <br /> Đối với CT<br /> Xét trường hợp một chùm bức xạ có<br /> cường độ ban đầu I0 thì cường độ chùm bức<br /> xạ sau khi đi qua đối tượng như sau:<br /> I  I 0e <br />  f ( x , y ) ds<br /> (1)<br /> Với s là quãng đường chùm bức xạ đi<br /> qua trong đối tượng tại vi trí có hệ số hấp thụ<br /> f(x,y). Tổng tia (ray sum) tại t1 được cho bởi<br /> công thức:<br />  I <br /> P (t1 )   f ( x, y )ds   ln  <br /> ( ,t1 ) line  I0 <br /> (2)<br /> Dữ liệu hình chiếu của vật thể ghi nhận<br /> tại góc θ :<br /> P (t )   f ( x, y ) (3)<br /> với ℜ là toán tử biến đổi ℜadon.<br /> Để tái tạo hình ảnh, ta cần một phép<br /> biến đổi ℜadon ngược như sau:<br /> f ( x, y )   1 P (t ) (4) Hình 2: Vật thể f(x,y) và hình chiếu của nó P(t 1)<br /> tại góc xoay <br /> <br /> <br /> 2<br />  Hình ảnh tái tạo là tập hợp các giá trị của f(x,y, các giá trị này thu được từ áp dụng thuật<br /> toán tái tạo hình ảnh với tập hợp các số liệu đo P (t ) quanh đối tượng.<br /> <br /> Đối với SPECT<br /> Hình 3 mô tả một mặt cắt của đối<br /> tượng với một phân bố chất đánh dấu<br /> phóng xạ bên trong. Giả sử tại mỗi điểm<br /> đo, nguồn phát phóng xạ là một nguồn<br /> điểm lý tưởng thì số đếm đo được tại đầu<br /> dò tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của<br /> điểm phát phóng xạ đó. Nếu khe hở chuẩn<br /> trực của đầu dò là lý tưởng (rất hẹp, sâu),<br /> thì đầu dò chỉ ghi nhận được bức xạ phát ra<br /> dọc theo khe R1R2. Quá trình này tương tự<br /> như quá trình ghi nhận cường độ bức xạ<br /> trong kỹ thuật CT, và số đếm ghi nhận tại<br /> mỗi điểm đo cũng được gọi là một tổng tia<br /> (ray sum). Bằng kết hợp nhiều tổng tia đo<br /> được trên cùng một góc xoay , ta thu được<br /> Hình 3 : Trong SPECT, phân bố của chất phóng xạ<br /> số liệu hình chiếu. Biến đổi ℜadon ngược<br /> được đo đạc bằng đầu dò chuẩn trực<br /> bộ số liệu hình chiếu để tái tạo lại phân bố<br /> phóng xạ bên trong đối tượng khảo sát.<br /> Trong thực tế chùm bức xạ phát ra từ vị trí phát xạ bị hấp thụ và tán xạ trên đường đi của<br /> nó đến đầu dò nên hình chiếu PAS θ (t) sẽ thấp hơn so với hình chiếu lý tưởng Pθ(t), sự suy giảm<br /> này phụ thuộc chủ yếu vào mật độ vật chất giữa nguồn phát và đầu dò bức xạ. Mức độ hấp thụ có<br /> thể định tính bằng một hệ số truyền qua TF(t’,s’,) là một phần của các bức xạ truyền qua một độ<br /> dày có hệ số hấp thụ không đồng nhất tại góc xoay<br /> . Hệ số này được tính toán như sau:<br /> <br />  <br /> TF (t , , s , ,  )  exp   f t , s )ds <br /> , , ,<br /> (5)<br />  s ,<br /> <br /> Với f(t’,s’) là phân bố của hệ số hấp thụ<br /> tuyến tính theo vị trí. Biểu thức (5) chỉ chính xác đối<br /> với một chùm bức xạ đơn năng và không bị ảnh<br /> hưởng của tán xạ.<br /> Một phương pháp hiệu chỉnh hấp thụ phổ<br /> biến hiện nay là phương pháp của Chang. Phương<br /> pháp này được thực hiện bằng cách xác định hệ số<br /> hiệu chỉnh C(x’, y’) cho từng vị trí (x’,y’) trong hình<br /> ảnh SPECT bằng biểu thức sau: Hình 4: Sự ảnh hưởng của hấp thụ đến<br /> hình ảnh SPECT<br /> <br /> <br /> <br /> 3<br />  M 1<br /> , , 1 , , <br /> C(x , y )  <br /> M<br /> <br /> i 1<br /> TF (t , s , i )<br /> <br /> (6)<br /> <br /> Với M là số góc chiếu i.<br /> Tuy nhiên, trong đề tài thực hiện hiệu chỉnh hệ số hấp thụ tuyến tính trên hình ảnh CT<br /> theo phương pháp sau:<br /> Tương tự như mô hình của hình 2, khi detector được đặt để ghi nhận bức xạ truyền dọc<br /> <br /> theo đường thẳng AB theo hướng của vector đơn vị s . Góc quay được thực hiện trong đoạn [0,<br /> ] hoặc trong khoảng [0, 2 ), tương ứng với chỉ số i chạy từ 1 đến M.<br /> 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<br /> tại pixel thứ k thuộc tia thứ j, qj là tổng số pixel trên tia thứ j. Công thức biến đổi ℜadon trong<br /> trường hợp SPECT được tính như sau:<br /> qj<br />   k <br /> P t   C ( j , k )  k 1  jk   l1 f jl .ds jl .ds jk<br /> C . exp (7)<br />  <br /> Phương pháp tái tạo và hiệu chỉnh hình ảnh SPECT bằng thuật toán đại số (ART) được<br /> thực hiện như sau:<br />  Bước 1: Ước đoán giá trị Cjk_old (ban đầu)<br />  Bước 2: Tính tổng cường độ phóng xạ đo được tại detector khi có các giá trị ước<br /> đoán Cjk_old và và giá trị suy giảm f của các pixel thuộc tia thứ j:<br /> qj<br />   k <br /> P t    C jk _ old . exp   f jl .s jl .s jk (8)<br /> k 1   l 1 <br />  Bước 3: Tính phân bố nguồn dựa trên công thức tái tạo đại số<br /> PAS t   P t <br /> C zjk1_ new  C zjk _ old  . qj<br /> .W jk (9)<br /> 2<br /> W<br /> k 1<br /> jk<br /> <br /> <br /> <br />  Bước 4: C jkz _ old  C zjk1_ new<br /> <br /> Với λ và Wjk lần lượt là hệ số hồi phục và trọng số đóng góp của pixel thứ k trên tia thứ j.<br /> Các bước trên được thực hiện tuần tự từ trên tất cả các hình chiếu. Do đó, mỗi giá trị<br /> pixel được tính và hiệu chỉnh qua các giá trị suy giảm f đối với từng hình chiếu.<br /> Như vậy, phương pháp tái tạo ảnh CT là sự xác định phân bố mật độ vật chất, trong khi<br /> phương pháp tái tạo ảnh SPECT là xác định hoạt độ phóng xạ phân bố trong vật thể thông qua<br /> các giá trị hình chiếu đo đạc xung quanh vật thể. Về nguyên lý, phương pháp tái tạo ảnh CT và<br /> SPECT tương tự nhau về thuật toán, chỉ khác nhau về cách xử lý hình học cho mỗi phương pháp.<br /> <br /> <br /> <br /> 4<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> 1. Cấu hình thiết bị<br /> Với mục tiêu nghiên cứu tiếp cận kỹ<br /> thuật SPECT phục vụ hướng nghiên cứu về<br /> hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ<br /> thuật hạt nhân trong công nghiệp, xây dựng cấu<br /> hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh<br /> SPECT, dựa trên thiết bị CT cấu hình 1 nguồn<br /> – 1 đầu dò của đề tài cấp cơ sở năm 2008, sản<br /> phẩm của đề tài theo thuyết minh được kỳ vọng<br /> như sau:<br /> <br /> Cấu hình CT:<br /> - Nguồn phóng xạ: Cs-137, hoạt độ 20 -<br /> 50mCi Hình 5: Cấu hình CT với 1 nguồn – 1 đầu dò<br /> - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (1<br /> detector)<br /> - Kích thước hình ảnh tối đa: 256 x 256 pixel<br /> - Đường kính vật thể tối đa: 600 mm<br /> - Dải mật độ: 0 – 7.8g/cm3<br /> - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: 3 giờ<br /> <br /> Cấu hình SPECT:<br /> Được sử dụng chung phần cứng cơ khí<br /> với cấu hình CT (chỉ cần xoay một góc 1800),<br /> cấu hình SPECT (đo vật thể trên toàn bộ 360 0)<br /> không cần nguồn phóng xạ, thay vào đó là một<br /> detector khác cho phép thiết bị chỉ cần xoay 1800<br /> là có thể dựng ảnh SPECT bên trong đối tượng.<br /> - Dectector NaI(Tl) kích thước 1,5 x 1,5 inch (2<br /> detector)<br /> - Kích thước hình ảnh tối đa: 64 x 64pixel<br /> - Đường kính vật thể tối đa: 300mm<br /> - Tốc độ chụp/lát cắt/vật thể lớn nhất: 6 giờ<br /> Hình 6: Cấu hình SPECT với 2 đầu dò<br /> Phần mềm tái tạo ảnh:<br /> Phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT/CT được hỗ trợ các thuật toán tái tạo ảnh: Chiếu<br /> ngược có lọc (FBP), Tái tạo đại số (ART), Thống kê (tối đa hóa kỳ vọng – EM) và các thuật toán<br /> xử lý hình ảnh khác, có khả năng hiệu chỉnh hấp thụ trên hình ảnh SPECT<br /> <br /> 5<br />  2. Kết quả thực nghiệm<br /> <br /> a. Thí nghiệm 1<br /> Thử nghiệm chụp ảnh SPECT/CT đầu<br /> tiên được thực hiện trên một phantom với cấu<br /> trúc như hình 7. Bên trong có 2 ống PVC nhỏ<br /> hơn, độ dày của hai ống PVC nhỏ là 2 mm<br /> <br /> Kết quả<br /> Phantom được chụp cắt lớp CT với<br /> nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi. Có 64 hình<br /> chiếu và 121 phép đo/ hình chiếu, bước dịch<br /> chuyển 1mm/ phép đo, góc xoay 2.8150/ hình<br /> chiếu (viết tắt: 64x121, 1mm, 2.8150). Hình Hình 7: Phantom thử nghiệm SPECT/CT<br /> 8(a) bên dưới là hình ảnh CT tái tạo của<br /> phantom.<br /> Sau khi kết thúc việc chụp ảnh CT, 200Ci hòa tan trong 100 ml nước được rót đầy vào<br /> hai ống nhựa PVC nhỏ. Sau đó chụp ảnh SPECT của phantom với phép đo (64x121, 1mm,<br /> 2.8150) với mỗi đầu dò. Hình ảnh SPECT sau khi tái tạo bằng thuật toán ART và được hiệu<br /> chỉnh hấp thụ bằng các giá trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT (hình ảnh CT và SPECT phải<br /> được định dạng kích thước bằng nhau) - hình 8(b) (c). Hình 9 biểu diễn hình ảnh SPECT/CT.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8: (a) Hình ảnh CT tái tạo bằng thuật toán ART, (b) và (c) Hình ảnh SPECT<br /> trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br />  Hình 9: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT đã được hiệu chỉnh hấp thụ.<br /> <br /> b. Thí nghiệm 2<br /> Thử nghiệm thứ hai được thực hiện với một phantom mô phỏng mẫu lõi trong dầu khí,<br /> cấu tạo của phantom bao gồm một ống hình trụ bằng nhựa ABS đường kính ngoài 200mm, dày<br /> 10mm, bên trong chứa đá granite kích thước 2 ~ 3 cm phân bố không có thứ tự. Nước được rót<br /> vào trong ống nhựa để lấp đầy các khe hở giữa các viên đá granite. Tổng thể tích nước chiếm chỗ<br /> khoảng 150ml.<br /> <br /> Kết quả<br /> Phantom được chụp cắt lớp CT với nguồn Cs-137 hoạt độ 20mCi. Thực hiện phép đo<br /> (128x256, 1mm, 1.40). Hình 10(a) là hình ảnh CT tái tạo của phantom.<br /> Sau khi kết thúc việc chụp ảnh CT, 1mCi đồng vị I-131 với thể tích 10 ml đã được bơm<br /> vào nước chứa trong ống nhựa. Do nước đã có sẵn trong ống và đồng vị phóng xạ được đưa vào<br /> sau nên sẽ không có một quá trình pha trộn tốt giữa nước có sẵn và dung dịch phóng xạ thêm<br /> vào, phóng xạ sẽ có phân bố không đồng đều trong nước chiếm chỗ trong ống nhựa ABS chứa đá<br /> granite. Phantom sau đó được chụp ảnh SPECT với phép đo (128x256, 1mm, 1.40) với mỗi đầu<br /> dò. Hình ảnh SPECT sau khi tái tạo bằng thuật toán EM thì được hiệu chỉnh hấp thụ bằng các giá<br /> trị hấp thụ tuyến tính từ hình ảnh CT. Hình 10(b) và hình 10(c) là hình ảnh SPECT tái tạo bằng<br /> thuật toán EM trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ. Hình 11 biểu diễn hình ảnh kết hợp<br /> SPECT/CT.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10: (a) Hình ảnh CT tái tạo bằng thuật toán EM, (b) và (c) Hình ảnh SPECT<br /> trước và sau khi hiệu chỉnh hấp thụ<br /> <br /> 7<br />  Hình 11: Hình ảnh SPECT/CT với SPECT đã được hiệu chỉnh hấp thụ<br /> <br /> <br /> IV. KẾT LUẬN<br /> <br /> Đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp cơ sở “Nghiên cứu phát triển kỹ<br /> thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp một nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng thí<br /> nghiệm” đã tiếp cận và ứng dụng được kỹ thuật SPECT trong việc xác định phân bố chất đánh<br /> dấu bên trong vật thể. Đề tài cũng đã tiếp cận được một trong số các kỹ thuật hiệu chỉnh hình ảnh<br /> SPECT bằng việc hiệu chỉnh hấp thụ, là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến độ trung thực<br /> của hình ảnh SPECT.<br /> Thông thường, thiết bị SPECT tiên tiến trong y tế có hai khối đầu dò với 40 – 60 phần tử<br /> mỗi khối, một số thiết bị SPECT công nghiệp sử dụng đến 48 đầu dò để có thể chụp được hình<br /> ảnh SPECT trong thời gian ngắn nhất. Với chỉ hai đầu dò, thời gian chụp cắt lớp SPECT có thể<br /> lên đến 10 giờ cho một hình ảnh nhưng với mục tiêu là nghiên cứu tiếp cận kỹ thuật SPECT<br /> phục vụ hướng nghiên cứu về hình ảnh hạt nhân của Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân<br /> trong công nghiệp, xây dựng cấu hình thiết bị và phần mềm tái tạo hình ảnh SPECT, kết quả đề<br /> tài đã khẳng định khả năng nắm bắt và làm chủ kỹ thuật cũng như khả năng phát triển ứng dụng<br /> để phục vụ cho những đối tượng và bài toán cụ thể phục vụ nghiên cứu và sản xuất.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Industrial Process Tomography, IAEA – TECDOC – 1589, May 2008<br /> [2] Clinical Applications of SPECT/CT: New Hybrid Nuclear Medicine Imaging System, IAEA –<br /> TECDOC – 1597, August 2008<br /> [3] Emssion Tomography – The Fumdamental of PET and SPECT, Miles N. Wernick, Elsevier, 2004<br /> [4] SPECT/CT Physical Principles and Attenuation Correction, James A. Patton, J Nucl Med Technol<br /> 2008; 36:1–10.<br /> [5] Báo cáo đề tài CS/10/06-01: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật SPECT/CT trên cơ sở thiết bị CT công<br /> nghiệp một nguồn – một detector quy mô phòng thí nghiệm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 9<br /> RESEARCH FOR DEVELOPING CT/SPECT TECHNQUE UTILIZING<br /> THE LAB-SCALED OF INDUSTRIAL ONE SOURCE – ONE<br /> DECTECTOR CT SYSTEM.<br /> <br /> PHAM VAN DAO, DANG NGUYEN TUAN, DANG NGUYEN THE DUY, BUI TRONG<br /> DUY, PHAN QUOC MINH<br /> Center for Applications of Nuclear Technique in Industry. 13 Dinh Tien Hoang, Da Lat, Lam Dong.<br /> E-mail: office@canti.vn<br /> <br /> Abstract: The “Research for developing CT/SPECT technique utilizing the lab-scaled of industrial<br /> one source – one detector CT system” is the continued project following the “Design and<br /> fabrication of a lab-scaled of industrial one source – one detector CT system”. The main aim of this<br /> project is to approach the SPECT technique for the development of the imaging technique research<br /> in the Centre for Applications of nuclear technique in industry (CANTI); fabricate and set up a<br /> hardware configuration; develop the image reconstruction software for CT/SPECT. Since the<br /> project budget is limited, the main product of this project is an associated hardware configuration<br /> of SPECT and CT (2 detector for SPECT and one source – one detector for CT) which can be taken<br /> SPECT/CT image in static condition. The SPECT/CT images can be reconstructed either by<br /> Filtered back projection (FBP) or Algebraic reconstruction technique (ART) or Expectation<br /> Maximization (EM) algorithms.<br /> <br /> Keywords: SPECT/CT, SPECT, Diagnostic imaging<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br />