zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5 trình bày các kết quả tính toán để thiết kế tối ưu cấu hình chuẩn trực bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Code MCNP5 được sử dụng để xây dựng cấu hình mô phỏng bao gồm mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8mm; vật mẫu có đường kính 50 mm cách mảng đầu dò 200 mm, giữa phantom và mảng đầu dò là bộ chuẩn trực lỗ kim bằng chì dày 10 mm với đường kính và chiều cao kênh được thay đổi phục vụ cho việc khảo sát.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5

Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHUẨN TRỰC LỖ KIM THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP PHÁT XẠ ĐỘNG VẬT NHỎ BẰNG CODE MÔ PHỎNG MCNP5 PINHOLE COLLIMATOR DESIGN FOR SMALL ANIMAL SINGLE PHOTON EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY USING MCNP5 SIMULATION CODE NGUYỄN NGỌC NHẬT ANH, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, NGUYỄN THANH CHÂU Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp Số 01 - DT 723 - Phường 12 - Đà Lạt - Lâm Đồng Email: anhnnn@canti.vn Tóm tắt: Thiết bị chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ được thiết kế có độ phân giải cao hơn nhiều so với thiết bị SPECT lâm sàng dựa vào hệ thống đầu dò nhạy vị trí kích thước nhỏ và chuẩn trực dạng lỗ kim. Báo cáo này trình bày các kết quả tính toán để thiết kế tối ưu cấu hình chuẩn trực bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Code MCNP5 được sử dụng để xây dựng cấu hình mô phỏng bao gồm mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8mm; vật mẫu có đường kính 50 mm cách mảng đầu dò 200 mm, giữa phantom và mảng đầu dò là bộ chuẩn trực lỗ kim bằng chì dày 10 mm với đường kính và chiều cao kênh được thay đổi phục vụ cho việc khảo sát. Dựa vào các kết quả thu được sau khi tiến hành chạy mô phỏng, để đảm bảo độ phân giải không gian tối thiểu là 1.5 mm, độ nhạy tối thiểu là 0.2 cps/µCi tại khoảng cách 200mm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt 70% giá trị tối đa theo yêu cầu thiết kế thì khoảng tối ưu của đường kính lỗ kim từ 0.6 mm đến 0.75 mm, chiều dài kênh lỗ kim từ 4 mm đến 8 mm. Các kết quả thể hiện rằng khoảng tối ưu của đường kính và chiều dài kênh có thể được sử dụng cho thiết kế thiết bị mẫu SPECT. Từ khóa: Phương pháp Monte Carlo, chuẩn trực lỗ kim, SPECT động vật nhỏ, độ phân giải không gian, độ nhạy. Abstract: The small animal Single Photon Emission Computed Tomography (small animal SPECT) equipment is designed with a spatial resolution higher than clinical SPECT by using a small size position sensitive detector system and pinhole collimator. This report presents the results of calculation to find the optimal parameters of the pinhole collimator including pinhole diameter and channel height by using Monte Carlo simulation. The MCNP5 code was used to build the simulation configuration including a position sensitive NaI(Tl) array detector of size 50x50x8mm, the 50mm diameter phantom placed at a distance of 200mm from the array detector and 10 mm thickness lead pinhole collimator between the phantom and the detector with variable diameter and channel height for investigating. The results showed that to ensure a minimum spatial resolution of 1.5 mm, minimum sensitivity of 0.2 cps/µCi at a distance of 200mm, and the signal to noise ratio about 70% of maximum value according to design requirements, the optimal range of the pinhole diameter is around 0.6mm to 0.75mm, the channel length is from 4mm to 8mm. The determined parameters of pinhole will be used for design of the SPECT prototype device. Keywords: Monte Carlo method, pinhole collimator, mini-SPECT, spatial resolution, sensitivity. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ dựa trên thiết bị chụp cắt lớp SPECT sử dụng chuẩn trực lỗ kim (pinhole) và mảng đầu dò NaI(Tl) có sử dụng các mảng ống nhân quang nhạy vị trí (PSPMT) [1-4]. Đặc biệt là chuẩn trực lỗ kim trong thiết bị SPECT có thể giúp cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hữu dụng cho việc đánh giá vị trí và phân bố mật độ chất đánh dấu phóng xạ bên trong các mẫu động vật nhỏ. Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra kích thước tối ưu của đường kính và chiều dài kênh dẫn của chuẩn trực lỗ kim sao cho hình ảnh SPECT đạt được có độ phân giải không gian và độ nhạy đầu dò tối ưu nhất bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để phục vụ đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu mini- SPECT ứng dụng trên mẫu chuột phục vụ nghiên cứu y khoa”, mã số ĐTCB.04/20/TTUDKTHN. Code MCNP5 được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số thiết kế chuẩn trực lỗ kim trong thiết bị mẫu mini-SPECT lên độ phân giải không gian và độ nhạy. 2. NỘI DUNG 2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1.1. Cấu hình mô phỏng trong MCNP5 Cấu hình thí nghiệm mô phỏng bằng MCNP5 được thiết kế như Hình 1 nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim lên độ phân giải không gian và độ nhạy, với khoảng cách từ tâm nguồn Technetium-99m (Tc-99m) có năng lượng 140 keV [1] đến bề mặt mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) 453
Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và các lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others là 200 mm, giữa nguồn và mảng đầu dò bố trí một bộ chuẩn trực lỗ kim. Trong đó mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8 mm được chia thành ô mạng 64x64 ô. Khi khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ nhạy thì nguồn Tc-99m hình cầu có đường kính 10 mm đặt ngay tâm của phatom hình cầu vật liệu tương đương với mô động vật sống có đường kính 50 mm được sử dụng [1], và khi khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ phân giải không gian thì nguồn điểm Tc-99m được sử dụng thay thế cho nguồn cầu và phantom nói trên [1]. Hình 1. Cấu hình mô phỏng chuẩn trực lỗ kim bằng MCNP Cấu hình chuẩn trực lỗ kim cần khảo sát bằng mô phỏng MCNP5 được thể hiện như trong Hình 2, trong đó để khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế của pinhole đến độ phân giải không gian thì đường kính lỗ kim D được thay đổi từ 0.5 mm đến 2 mm và chiều dài kênh H được thay đổi từ 0 mm (cạnh pinhole dạng lưỡi dao) đến 10 mm (cạnh pinhole dạng đáy thuyền). Khi thay đổi hai thông số trên thì góc mở  cũng phải thay đổi sao cho có thể bao phủ hết kích thước phantom và mảng đầu dò. Hình 2. Cấu hình mô phỏng pinhole với đường kính pinhole D, chiều dài kênh H, góc mở  2.1.2. Phương pháp xác định phạm vi đường kính tối ưu của pinhole Để xác định khoảng tối ưu của đường kính pinhole thì cần phải khảo sát sự thay đổi của độ phân giải và độ nhạy theo đường kính pinhole bằng cách sử dụng lần lượt nguồn điểm Tc-99m cho độ phân giải không gian và nguồn Tc-99m hình cầu cho độ nhạy trong cấu hình mô phỏng MCNP5 như đã nói ở phần trên [1]. Sau đó ứng với mỗi chiều dài kênh từ 0mm đến 6mm ta sẽ thay đổi đường kính pinhole lần lượt từ 0.5mm đến 2mm với mỗi bước 0.25mm trong cấu hình mô phỏng. Sau khi kết thúc quá trình chạy mô phỏng, đường cong tradeoff biễu diễn sự thay đổi của độ phân giải không gian và độ nhạy theo đường kính pinhole được xác định. Trong nghiên cứu này đường kính pinhole phải nằm trong khoảng mà độ phân giải không gian tối thiểu bằng 1.5 mm và độ nhạy tối thiểu bằng 0.2 cps/µCi theo như yêu cầu thiết kế thiết bị mẫu mini-SPECT động vật nhỏ trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu mini-SPECT ứng dụng trên mẫu chuột phục vụ nghiên cứu y khoa”, mã số ĐTCB.04/20/TTUDKTHN. 454
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 2.1.3. Phương pháp xác định phạm vi tối ưu chiều dài kênh dẫn của pinhole Để xác định khoảng tối ưu của chiều dài kênh dẫn của pinhole cần phải khảo sát sự thay đổi của độ nhạy và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) theo chiều dài pinhole [1] bằng cách sử dụng nguồn Tc-99m hình cầu, và để đảm bảo độ nhạy tối thiểu là 0.2 cps/µCi và độ phân giải không gian tối thiểu bằng 1.5 mm thì giá trị đường kính pinhole tối ưu đã xác định ở mục trên sẽ được sử dụng, khi đó ta sẽ thay đổi chiều dài kênh từ 0 mm đến 10 mm theo từng bước 2 mm ứng với đường kính tối ưu này trong cấu hình mô phỏng MCNP5. Chiều dài kênh phải nằm trong khoảng mà độ nhạy tối thiểu là 0.2 cps/µCi và ở 70% giá trị SNR lớn nhất trong đường cong SNR. Với Ptotal là tổng tín hiệu được mô phỏng thì giá trị SNR được tính như sau: SRN = Ptotal /Noise (1) 2.1.4. Mô phỏng cấu hình mini-SPECT động vật nhỏ dựa trên kích thước chuẩn trực lỗ kim tối ưu Sau khi xác định được kích thước tối ưu của chuẩn trực lỗ kim qua hai phương pháp trên, cấu hình thiết bị mẫu mini – SPECT sử dụng chuẩn trực lỗ kim có kích thước tối ưu được mô phỏng bằng MCNP5 với mục đích tạo ra một bộ số liệu mô phỏng phục vụ cho việc xây dựng phương pháp tái tạo hình ảnh SPECT. Mẫu phantom có vật liệu tương đương mô động vật sống, đường kính 30mm, bên trong có 3 nguồn Tc-99m hình cầu, đường kính 4mm được bố trí thành một đường chéo như mô tả trong hình 3. Hình 3. Phantom được sử dụng trong cấu hình mô phỏng mini-SPECT sử dụng chuẩn trực có kích thước lỗ kim tối ưu 2.2. Kết quả mô phỏng tính toán tìm kích thước tối ưu cho chuẩn trực lỗ kim 2.2.1. Kết quả xác định phạm vi đường kính tối ưu của chuẩn trực lỗ kim Hình 4. Đường cong tradeoff khi chiều dài kênh Hình 5. Đường cong tradeoff khi chiều dài kênh bằng bằng 0 mm 2 mm 455
Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và các lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others Hình 6. Đường cong tradeoff khi chiều dài kênh Hình 7. Đường cong tradeoff khi chiều dài kênh bằng bằng 4 mm 6 mm Các kết quả mô phỏng được thể hiện trong các đường cong tradeoff từ Hình 4 đến 7. Trong đó để đạt được độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm và độ nhạy tối thiếu 0.2 cps/µCi thì phạm vi tối ưu của đường kính pinhole ứng với các chiều dài kênh từ 0 đến 6mm là từ 0.6mm đến 0.75mm. 2.2.2. Xác định phạm vi tối ưu chiều dài kênh dẫn của chuẩn trực lỗ kim Như đã xác định phạm vi tối ưu của đường kính pinhole từ 0.6 mm đến 0.75 mm ở trên. Để đảm bảo độ nhạy tối thiểu là 0.2 cps/µCi và độ phân giải không gian tối thiểu 1.5 mm thì đường kính 0.75 mm được sử dụng cố định trong khi thay đổi chiều dài kênh trong cấu hình mô phỏng. Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 8 và 9, trong đó để đạt độ nhạy tối thiểu 0.2 cps/µCi thì chiều dài kênh tối đa là 8 mm, và để đạt mức 70% SNR cực đại thì chiều dài kênh tối thiểu là 4 mm. Hình 8. Đường cong độ nhạy thay đổi theo chiều dài kênh tại đường kính lỗ kim 0.75mm Hình 9. Đường cong tỷ số tín hiệu trên nhiễu 456
Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 2.2.3. Hình chiếu và hình ảnh tái tạo SPECT từ số liệu mô phỏng Hình 10 là cấu hình mô phỏng MCNP với mẫu phantom như mô tả ở hình 9, chuẩn trực lỗ kim có đường kính 0.75mm, chiều dài kênh 4mm. Hình chiếu của một lát cắt, hình chiếu của một góc chiếu (planar imaging) và hình ảnh SPECT 3D của mẫu phatom tại một quan sát được được trình bày trong hình 11. Hình 10. Mô phỏng MCNP cấu hình SPECT với kích thước chuẩn trực tối ưu. Hình 11. Hình chiếu của 1 lát cắt, hình chiếu của 1 góc chiếu (planar imaging) và kết quả tái tạo ảnh SPECT 3D mẫu phantom tại một góc quan sát. 2.3. Bàn luận Mặc dù khác nhau về cấu hình mô phỏng nhưng các kết quả trong nghiên cứu này tương đồng với các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác khi đường kính lỗ kim (pinhole) tăng lên thì độ phân giải không gian và độ nhạy đều tăng lên và ngược lại như thể hiện trong Hình 4 đến Hình 7. Trong khi đó độ nhạy suy giảm khi tăng chiều dài kênh dẫn như thể hiện trong Hình 8, tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt đến mức bão hòa tại giá trị cực đại như thể hiện tại Hình 9. Điều đó cho thấy các thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim có ảnh hưởng lớn đến độ phân giải không gian và độ nhạy. Từ các kết quả trên có thể xác định khoảng tối ưu của đường kính từ 0.6mm đến 0.75mm, chiều dài kênh của chuẩn trực lỗ kim từ 4mm đến 8mm để đạt độ nhạy đạt tối thiểu là 0.2 cps/µCi và độ phân giải không gian tối thiểu là 1.5mm theo yêu cầu của đề tài. Kết quả tái tạo ảnh SPECT từ bộ số liệu mô phỏng theo các thông số nêu trên cho chất lượng tốt, có độ phân giài không gian cao, nhiễu không đáng kể. 3. KẾT LUẬN Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải không gian và độ nhạy khi thay đổi thông số thiết kế của chuẩn trực pinhole đã được khảo sát đánh giá bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo nhằm mục đích tính toán, thiết kế, phát triển cấu hình chuẩn trực lỗ kim tối ưu cho thiết bị mẫu mini-SPECT ứng dụng trên động vật nhỏ. 457
Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và các lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others Các kết quả mô phỏng thu được ở trên có thể áp dụng trong việc thiết kế cấu hình thiết bị mẫu mini – SPECT hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu phát triển các phương pháp thuật toán tái tạo ảnh SPECT, đồng thời làm cơ sở cho việc chế tạo thiết bị mẫu mini – SPECT thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tae Yong Song, Yong Choi, “Optimization of Pinhole Collimator for Small Animal SPECT Using Monte Carlo Simulation”, IEEE TRANSACTION ON NUCLEAR SCIENCE, VOL 50, JUNE 2003. [2] S. E. Strand, “Small animal imaging with pinhole single photon emission computed tomography”, Cancer, vol 73, pp. 981-4, 1994. [3] D. A. Weber, M. Ivanovic, “Pinhole SPECT: An approach to in vivo high resolution SPECT imaging in small laboratory animals”, J. Nucl. Medicine, vol 35, pp. 342-8, 1994. [4] K. Ogawa, T. Kawade, K. Nakamura, “Ultra high resolution pinhole SPECT for small animal study”, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol 45, pp 3122-6, 1998. 458

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.