báo cáo nhập môn nghành vật lý y khoa

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT </b>

<b> </b>

<b> BÁO CÁO NHẬP MÔN NGHÀNH VẬT LÝ Y KHOA Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Tất Thắng Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Sỹ Hào 20227471</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

Lời nói đầu:... 3

<b>1. Giới thiệu:... 4</b>

<b>2. Các loại hệ máy ảnh Compton:...9</b>

2.1. Máy ảnh Compton dựa trên máy dò Si/CdTe...9

2.2. Máy ảnh Compton dựa trên máy dò Ge:...11

2.3. Máy ảnh Compton dựa trên chất nhấp nháy...13

2.4. Máy ảnh Compton theo dõi điện tử...15

2.5. Máy ảnh Compton khác...16

<b>3. Ứng dụng của Camera Compton...17</b>

3.1. Quan sát thiên văn...17

3.2. Chẩn đốn hình ảnh trong y tế:...18

3.3. Theo dõi phạm vi chùm tia trong xạ trị hạt:...21

3.4. Đo lường môi trường...23

3.5. Các ứng dụng khác...24

<b>4. Phương pháp tái tạo hình ảnh cho hình ảnh Compton...24</b>

4.1. Phương pháp chiếu ngược đơn giản...24

4.2. Các phương pháp chiếu ngược được lọc...25

4.3. Phương pháp tối đa hóa kỳ vọng...26

4.4. Phương pháp tập hợp nguồn gốc ngẫu nhiên...28

<b>5. Triển vọng trong tương lai:...29</b>

<b>6. Vai trò của ngành Vật lý y khoa:...31</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Sự phát triển và ứng dụng của hệ máy ảnh Compton

<b>Lời nói đầu:</b>

Từ trước đến nay, y học ln là một lĩnh vực được quan tâm nhiều. Hiện nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày càng nhiều thiết bị vật tư đang được áp dụng để cảithiện sức khoẻ cho con người. Trong số đó, máy ảnh Compton đang được nghiên cứu mộtcách chuyên sâu và ngày càng được sử dụng rộng rãi với những ưu điểm riêng của nó. Bản báo cáo này cung cấp cho người đọc một góc nhìn tổng quan về hệ máy ảnh Compton. Sự ra đời, quá trình phát triển của hệ máy ảnh trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế. Bản báo cáo được nhóm chúng em tham khảo từ bài báo:

Development and Applications of Compton Camera—A Review. Của nhóm các tác giả: Raj Kumar Parajuli, Makoto Sakai, Ramila Parajuli và Mutsumi Tashiro. Đường link truy cập: s22197374 .

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>1. Giới thiệu:</b>

Khái niệm về Compton camera ban đầu được đề xuất bởi Schonfelder vào năm 1973. Sau đó, máy ảnh Compton đã được thử nghiệm cho các ứng dụng đa dạng, đặc biệt là trong vật lý thiên văn năng lượng cao (như các thành phần của kính viễn vọng và vệ tinh) cũng như cho các phép đo bức xạ môi trường, chẳng hạn như phát hiện của các nguyên tố phóng xạ trong đất và ngồi trời. Máy ảnh Compton là một máy dị tia γ sử dụng nguyên lý tán xạ Compton để tái tạo quỹ đạo bức xạ γ. Tương tác tia γ với vật liệu có thể được giải thích bằng ba cơ chế chính: hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp. Trong sựhấp thụ quang điện, một photon được hấp thụ bởi một electron nguyên tử, dẫn đến sự giải phóng các electron khỏi quỹ đạo của nguyên tử. Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của các photon tới bởi các electron của môi trường tán xạ và chiếm ưu thế, đặc biệt, trong dải năng lượng từ vài chục keV đến vài MeV. Nguyên lý hoạt động của hệ máy ảnh Comptondựa trên hiệu ứng tán xạ Compton, một hiện tượng của vật lý hạt nhân, một tia γ kết hợp với một điện tử tự do trong vật liệu để tạo ra một tia γ với năng lượng thấp hơn và một điện tử phát xạ. Quá trình này được gọi là hiệu ứng rơi tự do hoặc nhiễu Compton. Hệ máy ảnh Compton bao gồm một mạch đo lường với nhiều cảm biến, chiếu bằng tia γ và chụp lại chuỗi dữ liệu. Các cảm biến hấp thụ các tia γ, cho phép đo lường đồng thời vị trí, hướng và năng lượng của tia γ. Quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện bởi một phần mềm đặc biệt, cho phép tạo ra hình ảnh 3D từ các dữ liệu thu thập được.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Trong quá trình tạo cặp, một photon được biến đổi thành một cặp electron-positron. Hiệntượng tạo cặp chiếm ưu thế ở mức năng lượng > 10 MeV. Hiệu ứng Compton, chiếm ưuthế trong dải năng lượng rộng, như trong <b>Hình 1</b>,

<b>Hình 1. Năng lượng tại đó hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp chiếm ưu thế</b>

so với số nguyên tử (Z) của chất hấp thụ.

Một trong những thiết bị phát hiện tia γ nhiều triển vọng nhất—máy ảnh Compton—đạtđược độ nhạy cao bằng xóa nền, như đã được chứng minh bởi kính viễn vọng chụp ảnhCompton (COMPTEL) trên vệ tinh của Đài thiên văn tia γ Compton (CGRO). Trong cơchế tán xạ Compton, tia γ tới truyền một phần năng lượng của nó cho một electron và bịtán xạ theo một góc nhất định so với hướng ban đầu của nó. Năng lượng mà photontruyền trong quá trình tán xạ được chuyển thành động năng của electron thứ cấp. Do đó,nguồn tia γ tới có thể được xác định dựa trên thơng tin tán xạ Compton được ghi lại trongbộ dò của máy ảnh Compton. Một máy ảnh Compton cơ bản bao gồm hai loại máy dòphụ: bộ phân tán và bộ hấp thụ. <b>Hình 2</b> hiển thị một sơ đồ của máy ảnh Compton cơ bản.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>Hình 2. Sơ đồ minh họa máy ảnh Compton chung ( trái ); Các nón compton của mỗi sự</b>

kiện được xếp chồng lên nhau để định vị nguồn tia γ ( <b>bên phải</b> ).

Nguồn tia γ tới được xác định bằng cách đánh giá các tương tác liên tiếp của các photontới với bộ tán xạ và bộ hấp thụ. Tia γ do một nguồn riêng lẻ phát ra trải qua tán xạCompton trong bộ tán xạ và sau đó được hấp thụ bởi bộ hấp thụ. Những sự kiện tán xạ vàhấp thụ này được gọi chung là sự kiện Compton . Các hình nón, được hình thành bởi góctán xạ Compton và vị trí tương tác trong bộ tán xạ, được tích lũy lại với nhau để định vịnguồn tia γ. Nếu chúng ta giả sử rằng tia γ tới tạo ra một năng lượng E <small>1</small> trong bộ tán xạCompton và năng lượng còn lại E <small>2</small> trong bộ hấp thụ, thì tổng năng lượng tới, được biểuthị bằng E<small>trong</small> , được thể hiện bằng các phương trình sau:

E <small>vào</small> = E <small>1</small> + E <small>2</small>

Góc tán xạ được tính như sau:θ

trong đó m <small>e </small> c <small>2</small> là năng lượng khối lượng nghỉ của electron tán xạ. Do đó, ước tínhvị trí tốt và độ phân giải năng lượng là những yêu cầu chính đối với máy ảnh Compton đểgiữ được nền thấp với động học Compton.

Trong lĩnh vực vật lý thiên văn năng lượng cao, việc nghiên cứu các tia γ phân cực, đượctạo ra bởi các hiện tượng năng lượng cao như sự tạo bức xạ synchrotron, bức xạ hãm vàtán xạ Compton, vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức do khơng có máy dị phù hợp có thểphát hiện và đo hiệu quả các tia γ phân cực này. Kể từ khi máy ảnh Compton phát triển,

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

chúng đã nổi lên như những thiết bị có thể phát hiện tia γ phân cực bắt nguồn từ hiệntượng vật lý thiên văn năng lượng cao. Các máy ảnh Compton cũng cung cấp thơng tin vềhình học phát xạ và cấu hình từ trường. Sau khi giới thiệu máy ảnh Compton trong vật lýthiên văn, nhiều kính viễn vọng đã được đề xuất và thử nghiệm để quan sát các hiệntượng thiên thể khác nhau. Một thành tựu khác của máy ảnh Compton trong thiên văn họclà việc phát hiện ra tinh vân Crab vào năm 2011 bởi máy ảnh Compton dựa trên máy dịGe trên hệ thống khinh khí cầu . Hơn nữa, sau thảm họa Nhà máy Hạt nhân FukushimaDaiichi (FDNP) vào năm 2011, các đồng vị phóng xạ phát ra γ (RI), chủ yếulà Cs, Cs và I, đã được giải phóng vào khí quyển và tồn tại trong mơi trường. Một<small>137134131</small>

số RI đã giải phóng này, lượng phát thải và thời gian bán hủy của chúng được liệt kêtrong <b>Bảng 1</b> . Theo đó, cho đến nay, nhiều loại máy ảnh Compton nhẹ và di động có độnhạy cao hơn đã được phát triển để xác định các điểm nóng bức xạ.

<b>Bảng 1. Một số RI thải vào khí quyển trong sự cố hạt nhân Fukushima năm 2011.</b>

Sự thành công vang dội của máy ảnh Compton trong các quan sát vật lý thiên văn đã thúcđẩy ứng dụng tiếp theo của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong hìnhảnh y tế. Todd và cộng sự đã đề xuất máy ảnh Compton như là lựa chọn thay thế phù hợpcho các hệ thống hình ảnh chuẩn trực cơ học được sử dụng trước đây, chẳng hạn như máyảnh Anger và lấy cảm hứng từ điều này, Singh và Doria đã phát triển nguyên mẫu hoạtđộng đầu tiên của máy ảnh Compton cho hình ảnh y tế vào đầu những năm 1980. Trongnhững năm 1980 và 1990, máy ảnh Compton dựa trên chất bán dẫn đã được giới thiệu,dựa trên sơ đồ được đề xuất bởi Singh. Sau đó, vào năm 1993, Martin đã đề xuất một máyảnh tán xạ Compton dạng vòng bao gồm một máy dò Ge (HPGe) có độ tinh khiết cao vàmột dãy các chất nhấp nháy NaI hình trụ. Sau đó, LeBlanc đã thay thế máy dò Ge bằngmáy dò Si pad dạng mảng để phát triển máy ảnh Compton dựa trên máy dò Si Pad, gọi làC-SPRINT, cho các ứng dụng y học hạt nhân. So với hệ thống chụp cắt lớp vi tính phát xạđơn photon (SPECT) được chuẩn trực cơ học, hiệu quả phát hiện tia γ của C-SPRINTđược phát hiện là cao hơn ở mức năng lượng thấp hơn. Năm 1988, Kamae đã đề xuất kháiniệm về một máy ảnh Compton tán xạ nhiều lớp bao gồm các lớp máy dò dải Si mỏng

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

được bao quanh bởi một máy nhấp nháy CsI hình trụ. Dựa trên thiết kế do Kamae và cộngsự đề xuất, Dogan và cộng sự tái tạo hình ảnh được đề xuất bằng cách tán xạ nhiều tiaγ. Năm 2004, Wulf đã phát triển một máy ảnh Compton sử dụng ba lớp máy dị dải Si haimặt (DSSD) và các hình ảnh và phổ được tái tạo được tạo ra bởi các nguồn tia γ Cs<small>137</small>

và Co sử dụng máy ảnh Compton nhiều lớp này, dựa trên báo cáo của Kroeger và cộng<small>57</small>

sự. Năm 2007, Vetter đã phát triển máy ảnh Si/Ge Compton bằng cách kết hợp các tínhnăng vượt trội của máy dị HPGe và DSSD.

Các nghiên cứu được báo cáo này chỉ ra rằng máy ảnh Compton đã được sử dụng tích cựctrong y học, đặc biệt là trong y học hạt nhân và liệu pháp Hadron, trong hai thập kỷqua. Y học hạt nhân, sử dụng các RI phát ra tia γ để nắm bắt thông tin sinh lý của khối u,là một công cụ chẩn đoán quan trọng. Chẩn đoán hạt nhân được thực hiện bằng cách đưacác RI vào bệnh nhân thông qua đường tĩnh mạch và các máy dị xung quanh tích hợp sẽphát hiện các tia γ phát ra từ các khối u để tái tạo lại hình ảnh. Do đó, để thu được thơngtin chính xác về sự phân bố của các bộ theo dõi RI này, cần có các máy dị tia γ có độchính xác cao. SPECT là một trong những kỹ thuật hình ảnh y tế thường được sử dụng,trong đó các nguồn phát đơn photon (tia γ) được phát hiện và sau đó hình ảnh được pháttriển dựa trên các photon được phát hiện. Ngoài ra, chỉ có thể sử dụng các bộ theo dõinăng lượng thấp (~300 keV) trong các hệ thống SPECT chuẩn trực cơ học. Do đó, có nhucầu cao đối với các phương thức hình ảnh SPECT thay thế. Thay vào đó, Carminati đã đềxuất và phát triển một hệ thống SPECT tương thích với hình ảnh cộng hưởng từ (MRI)dựa trên nhân quang silicon (SiPM) đã vượt qua các xét nghiệm hình ảnh lâm sàng sơbộ. Các máy dị được sử dụng trong hệ thống này là Cesium iodua pha tạp Tali CsI(TI)kết hợp với SiPM. Đánh giá sơ bộ cho thấy rằng độ phân giải khơng gian bên ngồi tốthơn 10 mm và do đó được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho SPECT thôngthường. Trên mặt khác, trong thập kỷ qua, máy ảnh Compton, không yêu cầu bộ chuẩntrực cơ học và có thể phát hiện nhiều loại năng lượng tia γ, đã được chú ý như là lựa chọnthay thế khả thi cho máy SPECT chuẩn trực cơ học trong chụp ảnh y tế hạt nhân. hình ảnhđồng thời của nhiều bộ theo dõi RI, mang lại thông tin chi tiết về các tổn thương cũng nhưcho phép xác định tức thời các yếu tố tương ứng với các chức năng cụ thể.

Gần đây, một ứng dụng thú vị của máy ảnh Compton, là theo dõi phạm vi chùm tia hoạtđộng trong liệu pháp Hadron, đã được hiện thực hóa, bởi vì năng lượng của tia γ nhắc thứcấp bắt nguồn từ sự tương tác của chùm tia với các tế bào trong cơ thể bệnh nhân daođộng từ một vài trăm keV đến vài MeV. Việc sử dụng tia γ tức thời để xác minh phạm vilần đầu tiên được đề xuất bởi Jongen và Stichelbaut vào năm 2003 và Min năm 2006.Thông tin phạm vi có thể được trích xuất từ các mẫu quang phổ, thời gian hoặc khônggian của các tia γ tức thời. Có một mối tương quan giữa điểm phát xạ của tia γ và vị trícực đại Bragg. Trong liệu pháp Hadron, việc xác minh phạm vi dừng của các proton hoặcion nặng được chiếu xạ trong cơ thể bệnh nhân là rất quan trọng để giảm thiểu sự không

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

chắc chắn về phạm vi vốn có, điều này được thực hiện bằng cách phát hiện các tia γ tứcthời phát ra. Mặc dù hiệu quả của máy ảnh Compton vượt trội so với máy ảnh Anger,những thách thức như tốc độ đếm thấp, lấy mẫu không đầy đủ và năng lượng photon banđầu chưa biết cản trở việc triển khai hiệu quả các thiết bị mới này trong trị liệu y tế. Dođó, nhiều nghiên cứu khác nhau đang được tiến hành trên toàn thế giới để cải thiện hiệuquả của máy ảnh Compton, thuật tốn hình ảnh, kỹ thuật đo lường và thơng số kỹ thuậtcủa máy dò để xác minh liều lượng theo thời gian thực trong liệu pháp Hadron.

Rất ít tài liệu đánh giá về máy ảnh Compton tồn tại trong tài liệu; những thứ đã được xuấtbản chỉ bao gồm các chủ đề cụ thể (ví dụ: bộ dị được sử dụng trong máy ảnh Comptonhoặc cách sử dụng cụ thể của chúng). Hơn nữa, còn thiếu các bài báo đánh giá hiện tại vềmáy ảnh Compton và các ứng dụng của chúng. Bài viết này sẽ đóng vai trị là nguồn kiến thức về máy ảnh Compton, lịch sử phát triển của chúng, các lĩnh vực ứng dụng chính củachúng và xu hướng trong thuật tốn hình ảnh được sử dụng trong các máy ảnh nhưvậy. Mục đích chính của bài báo này là giới thiệu và giải thích các loại máy ảnh Comptonkhác nhau tùy theo loại máy dò được sử dụng, mục tiêu đo lường và lĩnh vực ứngdụng. Hơn nữa, chi tiết về một số phương pháp tái tạo hình ảnh phổ biến cho máy ảnhCompton, được báo cáo bởi các tác giả khác nhau, đã được trình bày ở đây. Những nhượcđiểm của máy ảnh Compton cũng như các hướng cải tiến trong tương lai.

<b>2. Các loại hệ máy ảnh Compton:</b>

2.1. Máy ảnh Compton dựa trên máy dị Si/CdTe

Nói chung, các máy dị phân tán dựa trên chất bán dẫn được phát triển rộng rãi vì hiệu quảphát hiện cao và độ phân giải năng lượng tuyệt vời của chúng. <b>Bảng 2</b> liệt kê các chất bándẫn được sử dụng phổ biến nhất trong máy dị và tính chất của chúng.

<b>Bảng 2. Tính chất của một số máy dò bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong máy ảnh</b>

Trong số các loại máy dò khác nhau được sử dụng trong máy ảnh Compton, máy dòSi/cadmium Telluride (CdTe) được coi là phù hợp cho các phép đo tia γ. Các máy ảnhSi/CdTe Compton thể hiện độ phân giải năng lượng cao cũng như độ phân giải góc cao,

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

đặc biệt đối với tia γ vài trăm keV. Máy dò Si được đặc trưng bởi năng lượng tuyệt vời vàđộ phân giải không gian do tiết diện hấp thụ quang của Si thấp hơn cũng như độ mở rộngDoppler nhỏ hơn so với các chất bán dẫn khác . Ngược lại, các máy dò CdTe, có mật độcao và số nguyên tử hiệu dụng cao, bao gồm các điốt Schottky có độ phân giải cao, do đóđộ phân giải và hiệu suất năng lượng của chúng tốt hơn so với các máy dò Si. Sự khởi đầucủa thế kỷ 21 được đánh dấu bằng sự phát triển của máy ảnh Si/CdTe Compton, là sảnphẩm kế thừa của COMPTEL, bởi Takahashi. Những máy ảnh này sử dụng nhiều lớpDSSD, máy dò pixel CdTe và mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng tương tự có độ ồnthấp (ASIC) tiên tiến cao. .

<b> Hình 3 Hiển thị các bức ảnh thực tế về (a) chồng DSSD, (b) chồng máy dò CdTe và</b>

(c) máy ảnh Si/CdTe Compton nguyên mẫu.

Trong DSSD, các dải Si loại p và n được pha tạp cao được cấy trực giao để cung cấp cácphép đo tọa độ hai chiều. Trong khi đó, máy dò điểm ảnh CdTe bao gồm indium làm mặtđiện cực chung và mặt điện cực bạch kim còn lại được tạo pixel, trong đó một lớp vàngmỏng. Ban đầu, máy ảnh Si/CdTe Compton được phát triển như một máy dị tia γ mềm vàđược phóng vào quỹ đạo thấp của Trái đất trên vệ tinh Hitomi cho sứ mệnh ASTRO-H,trước đây được gọi là sứ mệnh NeXT, vào năm 2013 với tư cách là người kế nhiệm sứmệnh X-quang Suzaku. Kính thiên văn Si/CdTe Compton có thể hoạt động ở nhiệt độ vừaphải từ 0 đến −20 °C. Sau thảm họa Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi năm2011, do Trận động đất lớn ở phía Đơng Nhật Bản, một máy ảnh Si/CdTe Compton,ASTROCAM, đã được chế tạo để đo mức độ ơ nhiễm phóng xạ (điểm nóng) tại địa điểmxảy ra tai nạn và trong môi trường xung quanh, bao gồm đất xung quanh thực vật và câycối. Máy ảnh bao gồm tám máy dò Si và bốn máy dị CdTe (kích thước: 5 cm × 5 cm vàtrọng lượng: 8–13 kg). Các camera Si/CdTe này thể hiện độ phân giải góc và năng lượngtốt (2,2% ở mức tối đa một nửa (FWHM) và 5°, tương ứng) đối với các photon có nănglượng 662 keV và tốc độ đếm cao 0,16 cps/MBq ở khoảng cách 1m. Các ứng dụng y tếcủa máy ảnh Si/CdTe Compton đã được giới thiệu bởi Sakai, đặc biệt là trong chụp ảnhhạt nhân của các RI khác nhau, tiếp theo là những cải tiến trong thuật tốn chụp ảnhCompton In vivo và hình ảnh con người, ứng dụng của máy ảnh Si/CdTe Compton làthành tựu quan trọng của các thiết bị này trong lĩnh vực hình ảnh y tế hạt nhân.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Bộ tán xạ Si có độ nhạy thấp đối với tia γ năng lượng Cao (vài MeV). Do đó, tính khả thicủa việc sử dụng các máy dị này để phát hiện năng lượng phát xạ tia γ thấp hơn nănglượng được sử dụng trong các ứng dụng giám sát chùm tia khác hiện đang được nghiêncứu. Parajuli và các cộng sự đã sử dụng ASTROCAM để theo dõi phạm vi của chùm tiaC-ion được sử dụng trong xạ trị bằng cách đo tia γ hủy 511-keV và tia γ tức th 718-keV . Shiba và cộng sự đã thực hiện một giám sát in vivo về tia γ hủy diệt phát ra từ mộtcon chuột bị chiếu xạ bởi chùm ion C. Turecek và cộng sự được cho là đã phát triển máyảnh Si/CdTe Compton dựa trên công nghệ Timepix3. Nghiên cứu đã chứng minh lợi íchcủa việc sử dụng cơng nghệ Timepix3 có thể nâng cao độ phân giải và giảm kích thướcmáy ảnh Compton. Máy ảnh Compton đã được sửa đổi với ứng dụng chỉ một bộ dò mộtlớp CdTe và sự kết hợp của bộ dò Timepix3 với hệ thống đọc MiniPIX TPX3 thunhỏ. Đánh giá hiệu suất của máy ảnh đã chứng minh tính khả thi của nó trong việc phânbiệt các nguồn γ nằm ở khoảng cách gần và xa hơn so với máy dị và có thể phân biệt loạinguồn bằng năng lượng của chúng. Tomita và cộng sự đã đề xuất và phát triển thiết bị tạoảnh 4π Compton gắn trên xe dựa trên thiết bị dò CdTe mảng pixel 3D. Vị trí và hoạt độngcủa đơn Cs được ước tính định lượng trong khơng gian voxel 3D ở ba vị trí. Hơn nữa,<small>137</small>

một số nhóm khác đã đánh giá tính khả thi của việc thay thế CdTe bằng cadmium–kẽm–telluride (CZT), chất này thể hiện điện trở suất tương đối cao hơn và do đó dịng điện rị rỉthấp hơn, để phát triển máy ảnh Compton với nhiễu xung quanh bị triệt tiêu.

2.2. Máy ảnh Compton dựa trên máy dò Ge:

Máy dò Ge là lựa chọn thay thế phổ biến cho máy dò Si trong máy ảnh Compton vì cácđặc tính thuận lợi của Ge so với Si; chẳng hạn, HPGe có độ phân giải năng lượng tuyệtvời khoảng 0,2% ở 662 keV. Tuy nhiên, các máy dò dựa trên Ge phải được vận hành ởnhiệt độ rất thấp được điều chỉnh bằng phương pháp đông lạnh. Hơn nữa, tinh chỉnh vềhiệu quả là cần thiết để thực hiện các phép đo bằng máy dò HPGe. Máy dò Ge, chẳng hạnnhư Gammasphere, Euroballs và AGATA, sử dụng các mảng bị nén Compton và kết quảlà thể hiện độ phân giải năng lượng tuyệt vời, hiệu suất cao và tỷ lệ đỉnh trên tổng cao, dođó giảm thiểu hiệu quả các thiếu sót của máy dị NaI. Singh và cộng sự cho thấy rằng hiệusuất tán xạ Compton đơn lẻ của Ge cao hơn hiệu suất của Si, và do đó độ dày của máy dịphía trước phải ở mức tối thiểu (<10 mm) để đạt được độ phân giải khơng gian có thểchấp nhận được. Họ đã thay thế ống chuẩn trực cơ học bằng máy dò Ge 6 mm x 6 mmlàm máy dị phía trước và đo các tia γ phát ra bởi Tc (140 keV) và Nguồn RI Cs (662<small>99m137</small>

keV). Mặc dù độ phân giải kém hơn dự kiến, các máy dò phía trước dựa trên Ge vẫn đượcưa chuộng hơn các máy dò Si trong máy ảnh Compton để chụp ảnh năng lượng photontrong phạm vi rộng 140–511 keV. Máy ảnh HPGe Compton nhạy cảm với vị trí cải tiến,SmartPET (Chụp cắt lớp phát xạ Positron thông minh), được phát triển và đánh giá bởiCooper và Boston và các cộng sự tại Đại học Liverpool. Kích thước máy dị là 60 × 60 ×

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

20 mm , độ phân giải không gian lần lượt là 7,7 và 6,3 mm đối với 511 và 1408 keV, vàcác nguồn phát tia γ được đặt cách máy dò 50 mm. Để khắc phục độ phân giải không giannày, Takeda và cộng sự đã phát triển một máy ảnh Compton lai dựa trên Ge để chụp ảnhnhiều đầu dò. Máy dị này cho thấy độ phân giải khơng gian là 3,2 mm đối với nguồn tia γ834-keV được đặt cách máy ảnh 3,5 cm. Tuy nhiên, hiệu quả giảm theo độ dày của tấmchắn và việc tái tạo hình ảnh phức tạp hơn. Tổ chức nghiên cứu lớn nhất của Nhật Bản,RIKEN, được cho là đã phát triển một máy ảnh Compton dựa trên Ge, cụ thể là chụp ảnhphát xạ tia γ (GREI), để chụp ảnh đồng thời và khơng phá hủy các hạt nhân phóng xạ.Trong máy dị Ge hai mặt này, thể tích hoạt động của bộ phân tán và bộ hấp thụ là 39 ×39 × 10 và 39 × 39 × 20 mm , tương ứng và bước dải là 3 mm cho cả hai máy dò. Hiệu<small>3</small>

quả phát hiện của hệ thống GREI đối với tia γ 662-keV ở khoảng cách 15 mm là khoảng0,01%. Hệ thống GREI sau đó đã được cải thiện bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa cácphần tử máy dò Ge (60–40 mm) và bằng cách tăng tốc độ thu thập dữ liệu (GREI-II). Cáchệ thống GREI và GREI-II được sử dụng để đánh giá và so sánh sự phân bố của các kimloại sinh học, chẳng hạn như Cu và Zn, sử dụng mơ hình chuột. Các nhóm nghiên cứu<small>6465</small>

trong RIKEN đã tiếp tục nỗ lực triển khai GREI trong chẩn đoán lâm sàng để chụp ảnhnhiều quá trình sinh học. Alnaaimi và cộng sự cũng đã phát triển máy ảnh Compton dựatrên Ge (<b>Hình 4</b> ) cho các ứng dụng y tế và đạt được độ phân giải góc là 9,4° ± 0,4° đốivới nguồn phát tia γ 662-keV.

<b>Hình 4. Máy ảnh HPGe Compton được tạo điểm ảnh với cấu hình bộ dò </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.3. Máy ảnh Compton dựa trên chất nhấp nháy

Máy ảnh Compton dựa trên chất nhấp nháy có hiệu quả phát hiện cao, ít tốn kém hơn vàcó thể hoạt động ở nhiệt độ phịng, mặc dù độ phân giải góc của chúng tương đối thấp hơnso với máy ảnh Compton dựa trên chất bán dẫn do độ phân giải vị trí và năng lượngkém. Các chất nhấp nháy phổ biến thường được sử dụng trong máy ảnh Compton là natriiodua pha tạp thallium (NaI(TI)), cesium iodua pha tạp tali (CsI(TI)), cesium iodua phatạp natri (CsI(Na)), gadolinium nhôm gadolinium pha tạp xeri ngọc hồng lựu (Ce:GAGG)và lantan bromua pha tạp xeri (Ce:LaBr ). Các thuộc tính của máy dị nhấp nháy được sử<small>3</small>

<b>dụng trong máy ảnh Compton được liệt kê trong Bảng 3</b>

Thông thường, chất nhấp nháy được sử dụng với ống nhân quang (PM) hoặc điốt quangSi. Với sự phát triển của máy đếm photon đa điểm ảnh (MPPC), là một loại SiPM, cácmáy phát tia nhấp nháy đã trở nên dễ sử dụng hơn như các máy phân tán trong máy ảnhCompton. Nói chung, q trình nhấp nháy xảy ra thơng qua ba bước: kích thích cácelectron, truyền năng lượng của các electron bị kích thích hoặc ion hóa và phát huỳnhquang. Hofstadter và cộng sự phát hiện ra NaI(TI) vào năm 1948 và nó là chất nhấp nháyđược sử dụng rộng rãi nhất cho đến khi các chất nhấp nháy khác được phát hiện. NaI(TI)và CsI(TI) có độ nhạy cao nhưng độ phân giải năng lượng không đủ trong dải năng lượngthấp. Hầu hết các dược phẩm phóng xạ được sử dụng trong chụp ảnh hạt nhân đều phát ratia γ có năng lượng < 250 keV, chẳng hạn như Tc (141 keV), I (159 keV) và In<small>99m123111</small>

(171 và 245 keV), trong đó Tc chiếm hơn 50% chẩn đoán y tế dựa trên RI. Do đó, các<small>99m</small>

máy phát nhấp nháy này khơng phù hợp với máy ảnh Compton được sử dụng trong cácứng dụng y tế, mặc dù chúng vẫn được sử dụng trong các phép đo phóng xạ mơi trường.Ngược lại, tính chất của các chất nhấp nháy Ce:GAGG vượt trội so với các chất nhấpnháy khác vì chúng có thể phát ra các photon Ce với bước sóng 520 nm bắt nguồn từ<small>3+</small>

các chuyển tiếp 5d–4f trong Ce , có mật độ cao và biểu hiện đầu ra ánh sáng cao, thời<small>3+</small>

gian phân rã nhanh, tự bức xạ thấp và độ phân giải năng lượng tốt. Ce:GAGG thể hiệnkhả năng dừng cao và không hút ẩm cũng như không tự phát xạ. Nhu cầu về máy ảnhCompton dựa trên Ce:GAGG đã tăng lên nhanh chóng sau thảm họa hạt nhân Fukushimaở Nhật Bản vào năm 2011 để đo mức độ của các nguyên tố phóng xạ khác nhau từ

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

xa. Kataoka và các cộng sự đã phát triển một máy ảnh Compton di động và cầm tay dựatrên bộ nhấp nháy Ce:GAGG và MPPC với khả năng tương tác sâu (DOI). Máy ảnhCompton nguyên mẫu được hiển thị trong

<b>Hình 5. Ce: GAGG và MPPC dựa trên máy ảnh Compton tiện dụng DOI được phát triển</b>

bởi Kataoka và cộng sự. Ảnh bên trái cho thấy máy ảnh Compton ở dạng nhỏ gọn và hìnhảnh bên phải cho thấy cấu trúc bên trong của nó.

Máy ảnh này, chứa các tấm 50 × 50 mm Ce:GAGG dày 10 mm đóng vai trị vừa là bộ<small>2</small>

tán xạ vừa là bộ quan sát kết hợp với MPPC, ban đầu được sử dụng để phát hiện cácnguyên tố phóng xạ. Máy ảnh có độ phân giải góc nhỏ hơn 10° đối với nguồn và 10 mmđối với cấu hình DOI. Độ phân giải góc của nó, được đo tại FWHM, là khoảng 8° ở 662keV. Kể từ năm 2016, nhóm đã tham gia vào việc tìm kiếm các phương pháp phù hợp đểchế tạo máy ảnh Compton để chụp ảnh tia γ cho các ứng dụng trị liệu hạt. Kenichiro vàcộng sự cũng đã phát triển một máy ảnh Compton, cụ thể là máy ảnh lai Compton–PET,dựa trên các máy dò Ce:GAGG và chứng minh khả năng tạo ảnh đồng thời với cácnguồn I và F RI. Máy ảnh lai Compton–PET bao gồm hai máy ảnh Ce:GAGG<small>13118</small>

Compton đối diện nhau, với đối tượng mục tiêu ở trục trung tâm. Takahashi và cộng sựcũng đã báo cáo về sự phát triển và hiệu suất của thiết bị chụp ảnh Compton đa hướngdựa trên máy nhấp nháy GAGG xếp chồng lên nhau cho mục tiêu đo nhanh bụi phóng xạ,chẳng hạn như trong các vụ tai nạn hạt nhân của thảm họa FDNP. Độ phân giải vị trí bachiều được ước tính bằng máy ảnh Compton nguyên mẫu để đánh giá hiệu suất của mộtsố loại máy phát sáng.

2.4. Camera Compton theo dõi điện tử

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Một máy ảnh Compton điển hình chỉ có thể xác định góc tán xạ và khơng thể tái tạo hoàntoàn quỹ đạo của tia γ được phát hiện. Trong máy ảnh Compton theo dõi điện tử (ETCC),việc theo dõi điện tử giật làm giảm vòng tròn Compton xuống một điểm và có thể đạtđược mức giảm nền đáng kể so với máy ảnh Compton thông thường. Tanaka và cộng sựđã phát triển ETCC đầu tiên có thể phát hiện các electron bay ngược Compton bằng cáchsử dụng máy dị khí buồng chiếu vi thời gian (µ-TPC) dạng khí và một camera nhấp nháynhạy cảm với vị trí bao quanh µ-TPC.

<b>Hình 6. Cấu trúc khái niệm (trái (a) ETCC (b) theo dõi các electron và (c) cấu trúc sơ đồ</b>

của buồng khí micro-pixel) và ảnh thực tế của ETCC (phải) được phát triển bởi Kabuki vàcộng sự

Cho thấy cấu trúc khái niệm (trái) và một bức ảnh thực tế (phải) của ETCC, in lại từKabuki và cộng sự, ETCC này cho phép xác định vị trí ba chiều (3D) của điện tử. So vớicác máy dị khác, máy dị khí cho thấy hiệu suất theo dõi điện tử tốt hơn do giảm nhiềután xạ, mặc dù hiệu quả phát hiện của chúng kém. Muichi và cộng sự đã sử dụng nhiềuloại máy dò khác nhau làm chất hấp thụ, một trong số đó có máy dị phía trước có kíchthước 10 × 10 × 8 cm , TPC (ethane) làm chất phân tán và gadolinium orthosilicate 6 × 6<small>3</small>

× 13 cm (GSO ) mảng nhấp nháy làm chất hấp thụ. Độ phân giải góc của ETCC là 6,6°<small>2</small>

ở 360 keV cho I. Sau đó, độ phân giải góc được cải thiện thành 4,2 ± 0,3° ở 662 keV<small>131</small>

bằng cách thay thế thiết bị nhấp nháy GSO bằng thiết bị nhấp nháy LaBr . Mặc dù hiệu<small>3</small>

quả và độ phân giải không gian của ETCC thấp hơn so với các máy ảnh Compton thơngthường khác, nhưng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao đã bù đắp cho hiệu quả và độ phân giảithấp. Họ cũng báo cáo hình ảnh đồng thời của I và fludeoxyglucose (FDG) được tiêm<small>131</small>

vào chuột. Sau năm 2010, Tanimori và Mizumoto và cộng sự đã phát triển các ETCC cảitiến và đánh giá hiệu suất phát hiện tia γ trong thiên văn và mơi trường của chúng bằngcách thay đổi kích thước TPC và các tham số khí. Tuy nhiên, những nghiên cứu được báocáo này tập trung vào các ứng dụng thiên văn hơn là các ứng dụng hình ảnh y tế hạt nhâncủa ETCC. Để nâng cao hiệu quả phát hiện, nghiên cứu cũng đang được tiến hành để trực

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

quan hóa các vệt điện tử trong các máy dò trạng thái rắn. Hiệu suất của máy ảnh Comptonsẽ được cải thiện rất nhiều nếu có thể hình dung được các vết điện tử trong máy dò chấtbán dẫn hoặc máy dò nhấp nháy Jiaxing và cộng sự cũng đã báo cáo thuật toán theo dõiđiện tử bằng cách sử dụng máy ảnh Compton dựa trên Timepix3, vì Timepix3 có lợi thếlà đo đồng thời thời gian và năng lượng của một sự kiện trong mỗi pixel. Kết quả thínghiệm trình diễn cho thấy sự cải thiện đáng kể độ phân giải góc và tính khả thi của thuậttoán theo dõi điện tử. Yoshihara và cộng sự đã báo cáo sự phát triển của hệ thống hìnhảnh Compton có thể theo dõi các electron giật bằng cách sử dụng kết hợp máy dò điểmảnh silicon trên chất cách điện (SOI) ở chế độ kích hoạt và máy dị gadolinium nhôm galigali (GAGG). Kết quả thực nghiệm cho thấy các sự kiện trùng khớp được phát hiện vớitốc độ tối đa là 1 cps đối với phép đo tia γ 662 keV của cs. Họ nhận xét rằng máy ảnh<small>137</small>

Compton của họ phù hợp để chụp ảnh các hạt nhân phát ra tia γ 100–300 keV.

2.5. Các máy ảnh Compton khác:

Ngồi các máy ảnh Compton nói trên, các máy ảnh Compton khác dựa trên máy dò bándẫn và máy nhấp nháy đang được phát triển. Để chống lại độ nhạy thấp và chi phí cao củamáy ảnh Compton dựa trên Si, Katagiri và cộng sự đã phát triển máy ảnh Compton đahướng dựa trên máy phát sáng nhấp nháy dựa trên máy ảnh Compton canxi florua pha tạpeuropium để theo dõi bức xạ môi trường trong các cơ sở y học hạt nhân. Máy ảnhCompton dựa trên máy nhấp nháy CaF (Eu) này có thể phát hiện các nguồn tia γ phát ra<small>2</small>

năng lượng < 250 keV. Bốn CaF (Eu), mỗi tinh thể có đường kính 2,54 cm, được đặt làm<small>2</small>

đỉnh của bộ hấp thụ và tán xạ có cấu trúc tứ diện. Theo báo cáo, những máy ảnh Comptonnày có thể triệt tiêu hình ảnh ma và chúng thể hiện độ phân giải góc 12° đối với tiaγ Co, cũng như hiệu quả phát hiện tốt hơn. Kasper và cộng sự đã phát triển một máy<small>57</small>

ảnh Compton dựa trên sợi quang nhấp nháy và SiPM. Cả thiết bị tán xạ và thiết bị hấp thụđều bao gồm một sợi mỏng dài làm từ thiết bị nhấp nháy vô cơ mật độ cao (Ce:LYSO,Ce:LuAG và Ce:GAGG) kết hợp với SiPM. Họ đã thử nghiệm tính khả thi của việc sửdụng máy ảnh Compton này để theo dõi chùm tia trong liệu pháp proton và nhận thấyrằng máy ảnh có đèn nhấp nháy Ce:LYSO thể hiện hiệu suất theo dõi chùm tia proton tốt.Barrientos và cộng sự hiện đang nghiên cứu phát triển và cập nhật máy ảnh Compton dựatrên SiPM kết hợp với LaBr <small>3 (MACACO II) để theo dõi chùm tia proton. </small>MACACO II thể hiện độ phân giảinăng lượng 5,6% (FWHM) ở 511 keV và độ phân giải góc 8°. Một máy ảnh phổ biếnkhác của Compton là Polaris J do H3D phát triển. Polf và cộng sự đã đánh giá hiệu suất<small>TM</small>

phát hiện (chụp ảnh) của máy ảnh Compton này, dựa trên máy dò CZT vì mặt cắt tươngtác tia γ cao của chúng đối với tia γ 6 MeV. Polaris J bao gồm bốn giai đoạn và mỗi giaiđoạn bao gồm một hệ thống phát hiện Polaris riêng biệt chứa máy dò CZT 20 × 20 × 15mm Các máy dò CZT được pixel hóa theo mẫu 11 × 11 trên các mặt cực<small>3 . </small>

dương và . Độ phân giải năng lượng của hệ thống Polaris J là 9,7 keV (FWHM) ở 662x y

</div>