Nghiên cứu phát triển kỹ thuật spect CT trên cơ sở thiết bị CT công nghiệp

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:

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 I
0
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 t
1
được cho bởi
công thức:











0
),(
1
ln),()(
1
I
I
dsyxftP
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

(t
1
)
tại góc xoay



Hình
1
:

Nguyên
lý c
ủa 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 R
1
R
2
. 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 P
AS

θ
(t) sẽ thấp hơn so với hình chiếu lý tưởng P
θ
(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 b
ố của chất phóng

x
ạ
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
i
stTF
M
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  được thực hiện trong đoạn [0,
] hoặc trong khoảng [0, 2), tương ứng với chỉ số i chạy từ 1 đến M.
Giả sử C
jk
~ C(x,y) và f
jk
~ 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, q
j
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 C
jk_old
(ban đầu)

 Bước 2: Tính tổng cường độ phóng xạ đo được tại detector khi có các giá trị ước
đoán C
jk_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

   
jk
q
k
jk
ttAS
z
oldjk
z
newjk
W
W
PP
CC
j

1
2
_
1
_








(9)
 Bước 4:
1
__


z
newjk
z
oldjk
CC

Với λ và W
jk
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/cm
3

- 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 180
0
),
cấu hình SPECT (đo vật thể trên toàn bộ 360
0
)
không cần nguồn phóng xạ, thay vào đó là một
detector khác cho phép thiết bị chỉ cần xoay 180
0

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
:
C
ấu h
ình CT v
ới 1 nguồn
–

1 đ
ầu d
ò


Hình 6: Cấu hình SPECT với 2 đầu dò

6
H

ình
7:

Phantom
th
ử 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 2.815
0
/ hình
chiếu (viết tắt: 64x121, 1mm, 2.815
0
). 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,
2.815
0

) 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 ả
nh
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, 1.4
0
). 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, 1.4
0
) 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 t
ạo bằng thuật toán EM
, (b) và (c) Hình
ảnh SPECT
trư
ớc v
à sau khi hi
ệu 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 đ
ã
đư
ợc 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:

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