Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng máy pet thông qua phần mềm geant4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TUẤN ANH

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET
THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4
KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN

2015
Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET
THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. PHAN VIỆT CƯƠNG

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình,
chu đáo với tinh thần khoa học và trách nhiệm cao của Thầy/Cô trong khoa Kĩ thuật
Hạt Nhân và Vật lý môi trường của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Tơi xin gửi
lời biết ơn chân thành và kính trọng nhất đến:
TS. Phan Việt Cương không chỉ là Thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình
hướng dẫn, động viên và truyền đạt kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa
học. Bên cạnh đó, Thầy đã tạo những điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn.
Tơi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến TS. Trần Kim Tuấn và các Thầy/Cô
trong trong khoa Kĩ thuật Hạt Nhân và Vật lý môi trường của trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận
văn. Tôi cũng cũng bày tỏ tấm lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy/Cơ đã truyền đạt
kiến thức trong q trình học, Phịng Sau Đại Học, khoa Kĩ thuật Hạt Nhân và Vật
lý môi trường của trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và
giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Cảm ơn bạn bè của tôi đã động viên tôi.
Cuối cùng, con xin gửi lời biết ơn chân thành tới ba mẹ, gia đình đã tạo điều
kiện thuận lợi nhất để con thực hiện việc học và làm luận văn tốt nhất.

1


LỜI CAM ĐOAN

Tôi học viên: Nguyễn Tuấn Anh. Mã số học viên: CB150035
Xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này thực hiện một cách nghiêm túc
và trung thực. Các số liệu tính tốn và mơ phỏng của tơi hồn tồn trung thực khơng
sao chép từ bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.

NGƯỜI CAM ĐOAN

NGUYỄN TUẤN ANH

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................6
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................8
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY PET .........................................................13
1. Giới thiệu về máy PET. ....................................................................................13
2. Lịch sử của máy ghi hình PET/CT trên thế giới và tình hình ở nước ta ..........13
3. Những dược chất phóng xạ sử dụng cho máy PET/CT ....................................14
4. Nguyên lý ghi hình của máy PET ....................................................................16
5. Cấu tạo của hệ thống máy PET/CT ..................................................................18
5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CT ..................................................20
a. Cấu tạo máy phát tia X .....................................................................................20
b. Nguyên lý hoạt động: .......................................................................................21
5.2

Cấu tạo của hệ thống máy PET ...................................................................22

5.2.1 Cấu tạo và chức năng khối xử lý tín hiệu trùng phùng ...............................23
5.2.1.1 Hệ Detector ghi nhận tín hiệu ....................................................................25
5.2.1.2. Hệ khuếch đại tín hiệu: ............................................................................26
5.2.1.3 Hệ xác định năng lượng ............................................................................27
5.2.1.4 Hệ xác định vị trí và thời gian ..................................................................27
5.2.1.5 Mạch trùng phùng .....................................................................................28
5.2.2 Khối biến đổi tín hiệu ADC.........................................................................29
5.2.3 Cơ chế xây dựng ảnh trong hệ thống máy PET/CT ......................................30

3


CHƢƠNG II. CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ TRONG MÁY PET KHI MÔ
PHỎNG THÔNG QUA CÔNG CỤ GEANT4 .....................................................32
1. Giới thiệu về chương trình GEANT4 ...............................................................32
2. Cấu trúc chương trình Geant 4. .........................................................................33
3. Cách thức xây dựng một ứng dụng trong GEANT4 ........................................35
3.1.

Hàm main ....................................................................................................35

3.2 Xây dựng hệ detector trong Geant 4 ...............................................................36
3.3. Mơ tả các q trình vật lý trong Geant 4. .......................................................36
3.4 Q trình tạo một event mơ phỏng trong Geant4. ...........................................36
4. Mô phỏng cấu trúc hệ detector trong máy PET bằng chương trình GEANT4 36
4.1 Mơ phỏng cấu trúc hệ detector: ........................................................................36
4.2 Mơ phỏng các q trình vật lý ..........................................................................39
4.2.1 Q trình phân rã của 18F .............................................................................39
4.2.2 Mơ phỏng tương tác của 18F với vật chất ....................................................39
4.2.3 Hiệu ứng quang điện . ...................................................................................41

4.2.4 Tán xạ Compton ..........................................................................................42
4.3 Tạo Event cho chương trình mơ phỏng. ...........................................................45
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ...............................................................47
1. Hình dạng và cấu trúc của hệ detector trong máy PET. ...................................47
2. Khảo sát đánh giá quãng chạy và phổ năng lượng của positron trong phantom. .
.....................................................................................................................49
3. Phổ năng lượng ghi nhận và nhận xét. .............................................................52
4. Dạng phổ thời gian các photon đến detector. ...................................................53

4


5. Dạng phổ năng lượng và thời gian khi 2 cặp detector đối xứng xét trùng
phùng. ....................................................................................................................54
6. Kết quả khảo sát sự thay đổi của vị trí nguồn đặt hạt nhân 18F ảnh hưởng đến
kết quả trùng phùng. ..............................................................................................57
6.1.

Phổ năng lượng được ghi nhận ....................................................................58

6.2.

Phổ thời gian được ghi nhận ........................................................................60

6.3.

Khảo sát kết quả trùng phùng của từng vị trí. .............................................63

7. Khảo sát sự thay đổi kích thước của phantom ảnh hưởng đến kết quả trùng
phùng. ....................................................................................................................68

7.1.

Phổ năng lượng ghi nhận khi thay đổi bán kính phantom ...........................69

7.2.

Phổ năng lượng ghi nhận khi thay đổi bán kính phantom ...........................71

7.3.

Kết quả trùng phùng khi thay đổi bán kính phantom ..................................72

KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................79

5


DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Tiếng Anh

18F-FDG

Fluorine-18-2-Fluoro-2-DeoxyGlucose

BGO

Bismuth germanium oxide

GSO

Gadolinium Oxyorthosilicate

CT

Computed Tomography

LSO

Lutetium Oxyorthosilicate

NaI

Sodium Iodide

PET

Positron Emission Tomography

ADC:

Analog To Digital Converter

CPU:

Central Prosessing Unit

SPECT/CT:

Positron Emission Tomography /Computed Tomography

GEANT4

Geometry and Tracking

Kí hiệu

Tiếng việt

YHHN

Y học hạt nhân

DCPX

Dược chất phóng xạ

LOR

Sự trùng phùng ghi được

6


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1: Các loại dược chất sử dụng trong máy PET/CT ......................................15
Bảng 1. 2: Đặc tính kĩ thuật của tinh thể nhấp nháy .................................................26

Bảng 2. 1: Bảng tính chất của Positron phát ra một số nhân phóng xạ sử dụng trong
máy PET. ...................................................................................................................39
Bảng 3. 1: Kết quả mô phỏng quãng chạy và năng lượng của positron ...................51
Bảng 3. 2: Thông số lý thuyết của một số positron sử dụng trong máy PET ...........51
Bảng 3. 3: Kết quả số sự kiện trùng phùng và hiệu suất trùng phùng ghi nhận được
khi thay đổi bán kính của phantom: ..........................................................................77

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Nguyên lý ghi hình của máy PET ............................................................16
Hình 1. 2: Sơ đồ minh họa quá trình phân rã + của 18F trong mơi trường và sự hủy
cặp positron/electron để hình thành 2 tia gamma 511 keV. ......................................17
Hình 1. 3: Các đường nối sự kiện trùng phùng .........................................................17
Hình 1. 4: Hệ thống thiết bị ghi hình của máy PET ..................................................18
Hình 1. 5: Hình ảnh kết hợp PET/CT .......................................................................19
Hình 1. 6: Sơ đồ khối máy PET/CT ..........................................................................20
Hình 1. 7: Cấu tạo của máy CT .................................................................................20
Hình 1. 8: Quá trình hoạt động của máy CT .............................................................22
Hình 1. 9: Sơ đồ khối quá trình hoạt động của máy PET .........................................22
Hình 1. 10: Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu của máy PET............................................24
Hình 1. 11: Năng luợng photon tương tác với tinh thể nhấp nháy............................25
Hình 1. 12: Nguyên lý hoạt động của hệ khuếch đại tín hiệu ...................................27
Hình 1. 13: Q trình thu nhận tín hiệu trùng phùng ................................................28
Hình 1. 14: Hình ảnh các photon ngược chiều chuyển động trong mơi trường vật
chất. ...........................................................................................................................28
Hình 1. 15: Sơ đồ khối mạch biến đổi tín hiệu ADC ................................................29
Hình 1. 16: Hành ảnh sau khi chụp PET/CT.............................................................31

Hình 2. 1: Sơ đồ kết nối giữa các lớp trong geant 4 .................................................34
Hình 2. 2: Hình ảnh cấu trúc của hệ detector ............................................................37

Hình 3. 1: Cấu trục hệ detector trong hệ thống máy PET .........................................47
Hình 3. 2: Hình ảnh 3D cấu hình hệ detector được mơ phỏng .................................48
Hình 3. 3: Cấu hình hệ detector và phantom.............................................................49
Hình 3. 5: Quãng chạy của positron trong phantom nước ........................................50
Hình 3. 6: Phổ năng lượng của positron....................................................................50

8


Hình 3. 7: Hình ảnh ghi nhận của hệ detector ...........................................................52
Hình 3. 8: Phổ năng lượng của photon ghi nhận được ở detector 0 và detector 16 ..53
Hình 3. 9: Thời gian photon đi đến detector 0 và detector 16 ..................................54
Hình 3. 10: Phổ năng lượng trùng phùng detector 0 và detector 16 .........................55
Hình 3. 11: Dạng phổ trùng phùng về thời gian detector 0 và detector 16 ...............56
Hình 3. 12: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ nhất ...............................58
Hình 3. 13: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ hai .................................59
Hình 3. 14: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ ba ..................................60
Hình 3. 15: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ nhất ...................................61
Hình 3. 16: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ hai .....................................62
Hình 3. 17: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ ba ......................................62
Hình 3. 18: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ nhất ......................................63
Hình 3. 19: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ nhất ..................................64
Hình 3. 20: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ hai ........................................65
Hình 3. 21: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ hai ....................................65
Hình 3. 22: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ ba. ........................................66
Hình 3. 23: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ ba .....................................67

Hình 3. 24: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 6 cm ........................69
Hình 3. 25: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 8 cm ........................70
Hình 3. 26: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 10 cm ......................70
Hình 3. 27: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 6 cm ............................71
Hình 3. 28: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 8 cm ............................71
Hình 3. 29: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 10 cm ..........................72
Hình 3. 30: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 6 cm .................73
Hình 3. 31: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 6 cm .....................73
Hình 3. 32: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 8 cm .................74
Hình 3. 33: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 8 cm .....................75
Hình 3. 34: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 10 cm ...............76
Hình 3. 35: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 10 cm ...................76

9


MỞ ĐẦU
Kể từ khi ra đời cho đến hiện nay, các ứng dụng của phương pháp chụp cắt
lớp positron (Positron Emission Tomograpgy – PET) đã trải qua lịch sử phát triển
trên 30 năm. Từ giữa những năm 1970, PET bắt đầu được sử dụng nghiên cứu trong
các bệnh thần kinh và tim mạch. Hơn một thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu nhận
thấy PET cịn là một cơng cụ chẩn đốn rất có giá trị trong ung thư. Khác với các
phương pháp chẩn đốn hình ảnh cấu trúc, giải phẫu như chụp cắt lớp vi tính
(Computed Tomography – CT) hay cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging MRI), PET ghi lại hình ảnh định tính và định lượng q trình sinh - bệnh lý và
chuyển hóa của các bệnh lý thơng qua dược chất phóng xạ (DCPX) được đánh dấu.
Về nguyên lý, bất cứ đồng vị phóng xạ (ĐVPX) nào có khả năng phát positron đều
có thể dùng làm chất đánh dấu trong chụp hình PET. Sự kết hợp giữa PET và CT
trong cùng một hệ thống PET/CT cho phép khai thác tối ưu các lợi thế của PET là
xác định hoạt tính chuyển hóa của tổ chức kết hợp với các thơng tin xác định vị trí,
biến đổi cấu trúc của tổn thương trên hình ảnh CT. Nhờ các tiến bộ không ngừng về

công nghệ sản sinh ra các thế hệ PET/CT mới, sự phát triển liên tục các DCPX
được sử dụng trong nghiên cứu và lâm sàng đã ngày càng góp phần khẳng định vai
trị quan trọng của phương pháp này trong y học hiện đại [1].
Nước ta hiện nay mới có một vài máy PET được nhập nguyên chiếc từ nước
ngoài về để sử dụng trong việc chụp hình và chuẩn đốn bệnh cho con người như
tại: Khoa Y học Hạt nhân - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Bệnh viện Bạch
Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy TPHCM, Khoa chuẩn đốn hình ảnh - Bệnh viện Việt Đức
[2]. Do đó, tất cả các thiết bị này hiện nay việc bảo dưỡng bảo trì vẫn cịn phụ thuộc
vào các hãng sản xuất thiết bị đó. Thiết bị chụp xạ hình cắt lớp Positron PET trên
tồn quốc vẫn chưa có một cơ sở nào nghiên cứu và chế tạo chúng. Các nghiên cứu
về công nghệ cũng như các mô phỏng về máy PET ở nước ta hiện nay còn rất hạn
chế. Vì vậy nhu cầu đặt ra hiện nay cần từng bước nghiên cứu về công nghệ máy

10


PET để từng bước tự chủ về bảo trì bảo dưỡng máy, cũng như chế tạo ra được hệ
thống máy PET tại Việt Nam.
Để nghiên cứu phát triển máy PET thì mơ phỏng q trình hoạt động của máy
PET để đánh giá hoàn thiện máy PET là việc làm cần thiết khi thiết kế và chế tạo
máy PET. Trên thế giới hiện nay người ta đã mô phỏng hệ thống máy PET dự trên
công cụ GATE được thực hiện bởi “Laboratory of Functional Imaging, U678
INSERM, Paris, France” kết quả sau khi mơ phỏng PET của phịng thí nghiệm này
là đưa ra cấu hình của máy PET, số sự kiện trùng phùng, hệ thống detector ghi nhận
được và hình ảnh được tái tạo lại từ các sự kiện trùng phùng. GATE là một công cụ
được phát triển dựa trên nền tảng của Geant4. GATE là một cơng cụ có bản quyền
và cần trả kinh phí khi muốn sử dụng.
Từ những nhu cầu và tình hình thực tế ở Việt Nam thì bài luận văn này
hướng tới việc tìm hiểu cấu trúc và cấu tạo của hệ thống PET từ những kiến thức về
máy PET này sẽ tiến hành mô phỏng hiệu suất ghi nhận tín hiệu trùng phùng của

máy PET. Từ code mơ phỏng ghi nhận tín hiệu trùng phùng này sẽ khảo sát, đánh
giá hiệu suất trùng phùng của hệ detector trong máy PET khi hạt nhân phóng xạ
nằm ở các vị trí khác nhau trong phantom và hiệu suất trùng phùng khi kích thước
của phantom thay đổi. Code mơ phỏng được xây dựng dựa trên công cụ Geant4,
công cụ được phát triển bởi Cơ quan nghiên cứu Vật lý hạt nhân Châu Âu (CERN)
đây là cơng cụ lập trình hướng đối tượng. Công cụ Geant4 đã được ứng dụng thực
hiện rất nhiều mô phỏng về các hệ thống máy trong YHHN, cũng như các ngành
năng lượng khác như ngành hàng khơng vũ trụ. Geant4 là một cơng cụ có mã nguồn
mở nên có thể dễ dàng cài đặt và sử dụng. Vì những lợi ích và dễ dàng sử dụng nên
tôi chọn công cụ Geant4 là công cụ để mô phỏng trong bài luận văn này.
Để tạo ra code mơ phỏng ghi nhận tín hiệu trùng phùng thơng qua cơng cụ
Geant4 thì ta cần làm những nội dung chính sau:
+ Mơ phỏng cấu hình hệ detector máy PET sử dụng để ghi nhận tín hiệu.
+ Mơ phỏng hạt nhân phóng xạ và phantom trong máy PET.

11


+ Mơ phỏng q trình vật lý xảy ra trong PET.
+ Tạo code sử lý các tín hiệu đã ghi nhận được đưa ra phổ năng lượng, phổ
thời gian và tín hiệu trùng phùng ghi nhận được.
Code mơ phỏng trong bài luận văn này có thể được sử dụng trong tương lai
để mơ phỏng tối ưu hố hệ PET nhằm phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo hệ PET
trong thời gian tới tại Việt Nam.
Nội dung của khóa luận “Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng máy PET thông
qua công cụ GEANT4” bao gồm 3 chương:
Chương 1- Tổng quan về máy PET: Trong chương này chúng tôi sẽ giới
thiệu về máy PET lịch sử hình thành máy PET và Nguyên lý hoạt động và cấu trúc
của máy PET
Chương 2 – Các quá trình vật lý trong máy PET khi mô phỏng thông qua

công cụ Geant4: Trong chương này chúng tơi sẽ giới thiệu về chương trình
GEANT4, đưa ra cấu hình mơ phỏng của hệ detector, cấu hình của phantom nước,
thơng số của hạt nhân phóng xạ 18F và các quá trình vật lý xảy ra trong khi ghi nhận
của hệ detector.
Chương 3 – Kết quả mô phỏng: Trong chương này chúng tôi sẽ đưa ra kết
quả mô phỏng của hệ detector trong máy PET. Đánh giá phổ năng lượng, phổ thời
gian ghi nhận được khi chạy chương trình mơ phỏng.

12


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY PET
1.

Giới thiệu về máy PET.
Thiết bị PET (Positron Emission Tomograpgy) có vai trị rất quan trọng trong

phát hiện khối u ung thư cũng như theo dõi đánh giá kết quả của các phương pháp
điều trị. PET vừa cho hình ảnh giải phẫu vừa cho hình ảnh chức năng chuyển hóa
của khối u. Ngun tắc cơ bản của ghi hình khối u bằng PET là cần phải có cơ chế
tập trung DCPX một cách đặc hiệu dựa trên cơ sở những khác biệt về sinh lý học
hoặc chuyển hóa giữa khối u và tổ chức lành. Kể từ khi ra đời cho đến hiện nay, các
ứng dụng của phương pháp chụp cắt lớp positron (Positron Emission Tomograpgy –
PET) đã trải qua lịch sử phát triển trên 30 năm. Hiện nay thiết bị chụp xạ hình cắt
lớp Positron nói chung bao gồm cả PET và MicroPET được dùng khá phổ biến ở
các nước trên thế giới. Các thiết bị này được trang bị cho các cơ sở nghiên cứu sản
xuất đồng vị phóng xạ, các bệnh viện nghiên cứu và chuẩn đốn bằng đồng vị
phóng xạ.
2.

Lịch sử của máy ghi hình PET/CT trên thế giới và tình hình ở nƣớc ta
Vào thập niên 1970, Tatsuo Ido làm việc tại phịng thí nghiệm quốc gia

Brookhaven (Brookhaven National Laboratory) lần đầu tiên mơ tả thành cơng q
trình

tổng

hợp

thuốc

phóng

xạ

18F-FDG

(Fluorine-18-2-Fluoro-2-

DeoxyGlucose)[3].
Tháng 8 năm 1976, Giáo sư Abass Alavi đã tiêm thử nghiệm thuốc phóng xạ
trên cho hai người tình nguyện tại trường đại học Pennsylvania. Và sau đó, phương
pháp ghi hình cắt lớp positron (PET) được giới thiệu rộng rãi đến cộng đồng y tế
như là một phương pháp ghi hình phóng xạ mới với độ an toàn cao và liều bức xạ
thấp. Tại thời điểm đó, PET được xem như là một phương pháp nghiên cứu mới,
mở ra cánh cửa cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu và tìm hiểu q trình
chuyển hóa sinh học của các tổn thương trong cơ thể bệnh nhân. Giai đoạn từ 1970
đến những năm cuối thế kỷ 20, lần lượt các thế hệ máy PET ra đời, khởi đầu là máy
PET 2 mặt phằng đầu dò tinh thể NaI(TI) cho đến thiết kế hoàn chỉnh tối ưu hiện tại

13


là máy PET với các khối đầu dị bố trí liên tục với nhau tạo thành một hình trụ các
đầu dị để ghi nhận tín hiệu photon [4].
Máy ghi hình PET được ứng dụng nhiều trong chẩn đốn hình ảnh, nhất là
trong lĩnh vực ung bướu, PET giúp chẩn đoán và theo dõi bệnh lý ung thư. Tuy
nhiên, thời gian này kỹ thuật ghi hình PET cịn rất phức tạp, do đó phương pháp ghi
hình PET trong thời gian này được ứng dụng chủ yếu tại các nước phát triển, nơi có
nền y khoa tiến bộ.
Năm 1998 máy ghi hình kết hợp PET/CT đầu tiên được phát minh bởi Dr.
Ron Nutt và Dr. David Townsend trong dự án hợp tác với trường đại học
Pittsburgh. Thiết bị này được tạp chí Time’s (Time’s Magazine) bình chọn là phát
minh y khoa của năm 2000. Tiếp sau đó, năm 2001 một lần nữa được bình chọn là
sản phẩm của năm.
Ngày nay, kỹ thuật ghi hình PET/CT được nhiều quốc gia sử dụng vì những
ưu điểm của nó trong việc chẩn đốn và theo dõi các bệnh lý ung thư, thần kinh và
tim mạch. Số liệu thống kê vào năm 2009 cho thấy, có khoảng 2000 máy PET/CT
được lắp mới tại Mỹ, trong khi số máy tại Châu âu vào khoảng 350 máy.
Ở nước ta kỹ thuật ghi hình PET/CT được đưa vào ứng dụng lâm sàng chậm
hơn so với các nước phát triển. Cụ thể bệnh nhân PET/CT được ghi hình lần đầu
của Việt Nam là ngày 04/03/2009 tại đơn vị PET/CT và Cyclotron - bệnh viện Chợ
Rẫy. Tính đến tháng 12/2012, cả nước có 6 máy PET/CT tập trung tại 02 thành phố
lớn là Hà Nội và Hồ Chí Minh. Tại Hà Nội, các bệnh viện có trang bị máy ghi hình
PET/CT là: bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Quân y 108 và bệnh viện Việt Đức và
tại Thành phố Hồ Chí Minh là: bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện 115 và bệnh viện
Quân y 175.
3. Những dƣợc chất phóng xạ sử dụng cho máy PET/CT
Dược chất phóng xạ sử dụng trong máy PET/CT được tạo bởi đồng vị phóng

xạ phát positron làm chất đánh dấu gắn với các chất hoá sinh và các phân tử thuốc.
Dược chất phóng xạ có thể là các đồng vị phóng xạ 15O2 hoặc là hợp chất của đồng

14


vị phóng xạ và các nguyên tố bền khác

13

NH3,

11

C-Acetate,

18

F-FDG.. Có nhiều

phương tiện để sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong ghi hình y học hạt nhân và
PET/CT như máy gia tốc thẳng (Linac), máy gia tốc vòng (Cyclotron) hay lò phản
ứng hạt nhân (nuclear reactor). Tuy nhiên, phổ biến và tiện lợi nhất hiện nay là máy
Cyclotron, sử dụng kỹ thuật gia tốc chùm ion âm. Ưu điểm của các máy Cyclotron
là chúng cho hiệu suất sản xuất đồng vị cao, chùm tia hội tụ tốt và phông bức xạ tàn
dư thấp. Ở nước ta hiện nay có 5 trung tâm có trang bị máy Cyclotron đó là, bệnh
viện quân y 108 (Hà Nội), bệnh viện Việt Đức/Viện kỹ thuật hạt nhân (Hà Nội),
bệnh viện Chợ Rẫy (TPHCM), Bệnh viện đa khoa Đà Năng và trung tâm xạ Hà
Nội.
Bảng 1. 1: Các loại dược chất sử dụng trong máy PET/CT

Hiện nay, bốn DCPX dùng trong PET chính thức cơng nhận bởi FDA: Na18F
cho hình ảnh xương,

82

RbCl để đánh giá tới máu cơ tim trong khu vực trong việc

chuẩn đoán và nội địa hóa của nhồi máu cơ tim,

18

FDG để xác định các vùng

chuyển hóa bất thường glucose và các bệnh ác tính nguyên phát và di căn và 13NH3
để đánh giá lưu lượng máu cơ tim. 18FDG hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất.

15


4. Nguyên lý ghi hình của máy PET
PET dựa trên nguyên lý sử dụng các DCPX (đồng vị phóng xạ phát bức xạ
positron gắn với hợp chất đánh dấu) tập trung vào các mô trong cơ thể cần khảo sát
theo cơ chế chuyển hóa, hoạt động chức năng. Q trình trao đổi chất, chuyển hóa,
tổng hợp protein ở khối u tăng cao hơn so với tổ chức lành, do đó việc vận chuyển
và kết hợp nhiều acid amin trong tổ chức ung thư sẽ tăng lên so với tổ chức bình
thường, nên 11C-methionine và 11C-tyrosine được sử dụng để ghi hình các khối u
ung thư bằng PET. Các tế bào khối u cũng có nhu cầu sử dụng glucose tăng cao hơn
tổ chức bình thường nên có thể dùng 18F gắn glucose (FDG) để ghi hình khối u ung
thư bằng PET.

Hình 1. 1: Nguyên lý ghi hình của máy PET
Một hệ thống ghi hình PET đơn giản được minh họa trong hình dưới đây với
nguyên lý làm việc như sau: Khi positron được tạo ra sẽ kết hợp với một electron để
hình thành một ngun tử gọi là “positronium” có thời gian sống rất ngắn 10-10
giây rồi sau đó xảy ra hiện tượng hủy cặp (positron – electron annihilation). Quá

16


trình hủy cặp positron-electron sẽ đồng thời sinh ra hai photon theo hướng ngược
nhau 1800 và mỗi photon sẽ có năng lượng đúng bằng năng lượng nghỉ của
positron/electron là 511 keV do định luật bảo toàn năng lượng toàn phần và định
luật bảo tồn động lượng.

Hình 1. 2: Sơ đồ minh họa quá trình phân rã + của 18F trong mơi trường và sự hủy
cặp positron/electron để hình thành 2 tia gamma 511 keV.
Một cặp photon sinh ra từ sự hủy positron di chuyển theo 2 chiều trái ngược
nhau được phát hiện bởi 2 detector đặt trong vòng detector. Vòng detector này được
lắp đặt các cặp detector để ghi nhận đồng thời nhiều cặp photon được tạo ra từ bất
kỳ vị trí nào trên đối tượng cần chụp hình. Một cặp photon như vậy gọi là một cặp
trùng phùng (coincidence).

Hình 1. 3: Các đường nối sự kiện trùng phùng

17


Mỗi sự kiện trùng phùng được gắn với một LOR xác định. Mỗi một lần máy
PET bênh nhân chụp máy PET thì có đến hàng triệu sự kiện trùng phùng. Nếu một

máy PET có n đầu dị trên một vịng trịn thì số sự kiện trùng phùng tối đa mà các
cặp đầu dò đối diện nhau trên cùng vòng tròn là

n2
. Một sự kiện trùng phùng thì có
2

thể được ghi nhận ở 2 đầu dò ở 2 vòng tròn khác nhau. Các dữ liệu trùng phùng
được lưu trữ trong các sinogram. Thơng tin trong sinogram sẽ được chuyển đổi
thành hình ảnh nhờ phần mềm tái tạo ảnh chuyên dụng. Máy PET tại cùng một thời
điểm có thể ghi nhận hàng triệu dữ liệu như vậy, tạo nên hình ảnh phân bố phóng xạ
trong khơng gian của tổ chức, cơ quan trong cơ thể.

Hình 1. 4: Hệ thống thiết bị ghi hình của máy PET
5.

Cấu tạo của hệ thống máy PET/CT
Hiện nay để tăng hiệu quả chẩn đốn hình ảnh người ta kết hợp giữa máy

PET và máy CT. Về hoạt động, chức năng chụp CT là chùm photon được tạo ra từ
bên ngoài bằng ống phát tia X, xuyên qua cơ thể bệnh nhân và được ghi nhận bởi
đầu dò phía đối diện nguồn tia X. Khi đó Máy CT cho hình ảnh cấu trúc giải phẫu

18


rõ nét của các cơ quan, định vị chính xác kết hợp với hình ảnh chức năng, chuyển
hóa ở mức độ tế bào, mức độ phân tử của ảnh PET. Do vậy, PET/CT có khả năng
phát hiện tổn thương và các biến đổi bất thường trong cơ thể ở những giai đoạn rất
sớm sự hình thành, phát triển và di căn của các khối u. Các kết quả ghi bằng máy

PET/CT góp phần nâng cao chất lượng chẩn đốn và điều trị ung thư, đặc biệt là
đánh giá được đáp ứng của bệnh sau mỗi đợt điều trị, giúp bác sỹ lựa chọn phác đồ
tối ưu đảm bảo hiệu quả điều trị cao nhất cho bệnh nhân

Hình 1. 5: Hình ảnh kết hợp PET/CT

19


Hình 1. 6: Sơ đồ khối máy PET/CT
5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CT
a. Cấu tạo máy phát tia X

Hình 1. 7: Cấu tạo của máy CT

20


Máy CT gồm các bộ phận chính sau:
T: Tube là bóng phát tia X. Bóng phát tia X này cho độ mỏng của chùm tia và
cường độ chùm tia chuẩn hơn so với các bóng phát tia X của máy chụp X quang.
D: Detectors là hệ thống đầu đầu đo các tia X sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân.
Có chức năng: Ghi nhận độ hấp thụ của các chùm tia X quang phát ra từ bóng phát
tia X. Số lượng và chất lượng của hệ đầu đô này ảnh hưởng rất nhiều đến hình ảnh
đủa ra của máy CT.
R: là một hệ thống gồm ray, động cơ, khung…. Chức năng: tạo chuyển động quay
cho bóng phái tia X và hệ thống detector để có thể chụp được tất cả các vị trí của bộ
phận cơ thể bệnh nhân.
Hệ thống bàn: Gồm mạch điều khiển, động cơ bước, bàn cho bệnh nhân nằm.
Chức năng: Giúp bệnh nhân có thể dịch chuyển cao thấp, lui tiến theo chế độ điều

khiển của hệ thống máy tính.
Hệ thống điều khiển và hiển thị hình ảnh: Nhìn vẻ ngồi nó giống như một hệ thống
máy tính thơng thường. Tại đây người các lệnh điều khiển cho máy được thực hiện
hoàn toàn bằng phần mềm trên một hệ điều hành. Các tín hiệu hình ảnh và quản lí
thơng tin bệnh nhân cũng được xử lí tại đây.
Máy rửa phim: Hoạt động như một máy rửa phim số thông thường
b.

Nguyên lý hoạt động:
Chùm tia X sẽ được phát ra từ bóng phát, chùm tia X này sẽ đi xuyên qua cơ

thể bệnh nhân cần chụp và đến hệ detectors ở đối diện, hệ detector này sử dụng các
đầu dị bán dẫn cho phép lượng hóa sự suy giảm của tia X sau khi đi qua cơ thể. Độ
nhạy của hệ đầu dò trên cao hơn rất nhiều so với phim X- quang. Hệ thống máy
tính sẽ biến đổi các thơng tin được lượng hóa này thành hình ảnh. Cơ quan hay tổ
chức cơ thể nào có mức độ cản tia nhiều như: Xương, sỏi, vơi hóa… sẽ có màu
trắng đục và ngược lại nếu cản ít thì hình ảnh cho ra sẽ có màu tối.

21


Hình 1. 8: Quá trình hoạt động của máy CT
5.2 Cấu tạo của hệ thống máy PET
Sơ đồ tổng quát của một máy PET được sử dụng tại bệnh viện:

Hình 1. 9: Sơ đồ khối quá trình hoạt động của máy PET

22

Các khối chính của một máy PET:
- Khối xử lý tín hiệu trùng phùng: Ghi nhận các tín hiệu trùng phùng phát ra từ
bệnh nhân
- ADC: Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
- Motor và điều khiển bằng tay: Điều khiển bệnh nhân lên xuống vào ra và quay
hệ detector.
- Máy tính và hiển thị: Máy tính có tốc độ xử lý nhanh, ổ cứng với dung lượng
lớn, bộ nhớ có dung lượng lớn hơn để xử lý tái tạo hình ảnh, hiển thị kết quả với
hình ảnh có độ phân giải và chất lượng màu sắc cao hơn.
- Phần mềm trong máy PET thực hiện các chức năng sau:
+ Thu nhận dữ liệu, xử lý ảnh, cho phép ghi hình các cơ quan, xử lý hình ảnh, lưu
trữ, in, truyền ảnh qua internet.
+ Phần mềm ghi hình tim mạch: có cổng điện tim và khơng có cổng điện tim, tái tạo
ảnh 3 chiều. Có thể ghi hình tĩnh, ghi hình động, ghi hình cắt lớp, ghi hình bể máu
(blood pool) đánh giá chức năng tim.
+ Có chức năng ghi hình phổi, ghi hình tuyến giáp, phần mềm ghi hình thận, ganđường mật, ghi hình não...
+ Xử lý kết quả: phương pháp xử lý kết quả của máy PET tương tự máy gamma
camera, ngoài ra trong máy PET này cịn có thêm phần mềm để tái tạo hình ảnh. Để
sử dụng phần mềm này người sử dụng phải có kinh nghiệm lựa chọn các tham số
khi xử lý kết quả (tần số cắt bỏ, hệ số hiệu chỉnh sự suy giảm khi bức xạ đi qua bề
dày khác nhau...) để có được hình ảnh trung thực của cơ quan cần nghiên cứu.
5.2.1 Cấu tạo và chức năng khối xử lý tín hiệu trùng phùng
Nhiêm vụ của khối xử lý tín hiệu trùng phùng ghi nhận các tín hiệu trùng
phùng phát ra từ bệnh nhân nằm trong dãy năng lượng cho phép và định vị được tọa
độ của nơi phát ra bức xạ photon. Bức xạ phát ra tương tác với các mơ cơ thể nên có

23