TỔNG QUAN
Kỹ thuật và nguyên lý ghi hình PET/CT
1.1.1 Kỹ thuật ghi hình PET/CT
Máy ghi hình positron đầu tiên được phát minh vào những năm 1950 bởi nhà vật lý Brownell và bác sĩ Sweet, nghiên cứu phương pháp chụp xạ hình não bằng Arsenic-74 tại bệnh viện Massachusetts Cuối thập niên 1950, khái niệm chụp hình tái tạo 3 chiều phát xạ và truyền qua được giới thiệu bởi David E Kuhl và Roy Edwards, tạo tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo máy ghi hình PET (Positron Emission Tomography) tại Trường Đại học Pennsylvania.
Vào đầu những năm 1970, máy PET thế hệ đầu tiên ra đời với đầu dò tinh thể NaI(TI) và đã phát triển đến thiết kế tối ưu hiện nay Hiện tại, máy PET sử dụng các khối đầu dò liên tục, tạo thành một vòng tròn đầu dò khép kín Năm 1977, hình ảnh PET đầu tiên được thực hiện, và đến giữa những năm 1980, PET đã trở thành công cụ chẩn đoán quan trọng trong lâm sàng.
Vào năm 1972, Godfrey Hounsfield, một nhà vật lý người Anh, cùng với bác sĩ Allan Cormack, đã phát minh ra máy chụp cắt lớp vi tính (CT scanner) Máy CT đầu tiên được đưa vào ứng dụng lâm sàng vào năm 1974, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực y tế.
Vào năm 1976, máy CT chỉ được sử dụng để chụp sọ não với thời gian chụp một lát cắt kéo dài vài giờ Từ những năm 1980, CT đã được áp dụng rộng rãi trong lâm sàng cho tất cả các bộ phận trong cơ thể, với thời gian chụp nhanh hơn và chất lượng hình ảnh cao hơn Năm 1998, Dr Ron Nutt và Dr David Townsend đã thành công trong việc kết hợp hai hệ thống máy PET và CT, tạo ra hệ thống PET/CT trong dự án hợp tác với Trường Đại học Pittsburgh, được tạp chí Time’s bình chọn là phát minh y khoa của năm 2000 Đến năm 2001, máy PET/CT thương mại đầu tiên ra đời, cho phép bệnh nhân chụp CT và PET đồng thời trên cùng một giường, mang lại hình ảnh kết hợp rõ ràng và xác định vị trí tổn thương chính xác hơn so với từng kỹ thuật riêng biệt.
Hình 1.1 a Sơ đồ máy quét PET / CT đầu tiên b.Hình ảnh kết hợp của CT và
Hệ thống máy PET/CT hiện nay đang ngày càng được cải tiến với chất lượng hình ảnh tốt hơn, thời gian chụp ngắn hơn và thiết kế tiện lợi hơn Các nhà cung cấp hàng đầu thế giới như GE Healthcare, Hitachi Medical, Philips Medical Systems, Siemens Medical Solutions và Tập đoàn Y khoa Toshiba đang góp phần vào sự phát triển này.
Tại Việt Nam, kỹ thuật ghi hình PET/CT được áp dụng trong lâm sàng muộn hơn so với các quốc gia phát triển Máy ghi hình PET/CT đầu tiên được lắp đặt tại Bệnh viện Chợ Rẫy vào năm 2009 Hiện nay, cả nước có khoảng 15 máy PET/CT, chủ yếu tập trung ở các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh.
Minh và Đà Nẵng có nhiều bệnh viện trang bị máy ghi hình PET/CT, bao gồm Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Trung ƣơng Quân đội 108, Bệnh viện Quân y 103, Bệnh viện K, Bệnh viện Ung bướu Hà Nội, Bệnh viện Việt Đức, Bệnh viện VINMEC, Bệnh viện Chợ Rẫy và Bệnh viện Quân y 175 Trong những năm gần đây, kỹ thuật chẩn đoán y học bằng máy PET/CT đã chứng minh tính ưu việt trong chẩn đoán hình ảnh, đóng góp lớn trong việc chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu y học.
1.1.2 Nguyên lý ghi hình PET/CT
Ghi hình PET/CT là một kỹ thuật hiện đại, cho phép chụp và ghi hình đồng thời bằng công nghệ CT và PET trên cùng một hệ thống Phương pháp này giúp tạo ra hình ảnh chính xác và chi tiết, phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh.
Hệ thống máy tính sẽ xử lý và hiệu chỉnh dữ liệu từ CT và hình ảnh PET, tạo ra hình ảnh PET/CT với chất lượng cao hơn Sự kết hợp này tận dụng ưu điểm của cả hai kỹ thuật, giúp hình ảnh chính xác và rõ ràng hơn, cho phép phát hiện tổn thương sớm hơn so với chụp CT và PET riêng biệt Ngoài ra, bức xạ tia X trong chụp cắt lớp CT có năng lượng dưới 150 keV, thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác.
Năng lượng 511 keV được sử dụng trong chụp ảnh kỹ thuật PET, tuy nhiên không có detector nào có thể đồng thời ghi nhận hiệu quả cả photon dưới 150 keV và photon 511 keV Do đó, hệ thống đầu dò của máy PET và máy CT sẽ khác nhau.
Trong kỹ thuật chụp hình CT, chùm bức xạ hãm (tia X) phát ra từ bóng phóng tia X sẽ được chiếu qua tổ chức hoặc bộ phận cần thăm khám Cường độ ban đầu Io từ ống phóng tia X sẽ suy giảm sau khi đi qua cơ quan, theo quy luật hàm số mũ Chùm tia X này mang theo thông tin cấu trúc của bộ phận được chụp.
Chùm bức xạ đi qua cơ thể bệnh nhân được ghi nhận bởi hệ thống đầu dò bức xạ, đặt đối diện với ống phát tia X Hệ thống này, bao gồm bóng phát tia và các detector, có khả năng quay tròn quanh bệnh nhân để tạo ra các CT xoắn ốc Tín hiệu điện thu được từ các detector cung cấp dữ liệu thô về vị trí, sau đó được gửi đến hệ thống xử lý để tạo ra hình ảnh y học Liều bức xạ trong chụp CT cần đủ nhỏ để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân, nhưng cũng phải đủ lớn để thu được hình ảnh rõ nét Để đạt được điều này, hệ detector trong hệ CT phải có hiệu suất ghi nhận cao trong vùng năng lượng tia X được sử dụng.
Hình 1.2 Nguyên lý chụp CT
Nguyên lý ghi hình PET
Kỹ thuật chụp cắt lớp PET, tương tự như SPECT, là một phương pháp ghi hình y học phóng xạ, giúp tạo ra hình ảnh phân bố của các hạt nhân phóng xạ trong cơ thể Để thực hiện, bệnh nhân cần được tiêm một hợp chất đánh dấu có chứa đồng vị phóng xạ, gọi là dược chất phóng xạ Thông thường, thuốc phóng xạ được đưa vào cơ thể qua tiêm tĩnh mạch Các bức xạ hạt nhân phát ra từ thuốc sẽ được hệ thống detector trong thiết bị PET ghi nhận, từ đó tạo ra hình ảnh phân bố của các đồng vị phóng xạ.
Do các bộ phận cần thăm khám nằm sâu trong cơ thể, bức xạ beta hoặc alpha không thể xuyên qua mô để đến detector, nên cần sử dụng các đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma hay bức xạ gamma hủy cặp Trong kỹ thuật chụp cắt lớp PET, bức xạ gamma hủy cặp với năng lượng 511 keV được ghi nhận đồng thời từ một đồng vị trong bộ phận thăm khám Hệ detector sẽ ghi nhận hai bức xạ gamma hủy cặp và tín hiệu điện thu được sẽ được gửi tới hệ thống xử lý ảnh để tạo ra hình ảnh PET Hình ảnh chức năng PET cung cấp thông tin về chuyển hóa các đồng vị đánh dấu, cho thấy những tế bào và mô có sự tăng chuyển hóa, từ đó chỉ ra tổn thương tăng tập trung phóng xạ.
Trong ghi hình PET, bệnh nhân được tiêm một đồng vị phóng xạ β + cùng với chất mang phù hợp Sau một thời gian, các dược chất phóng xạ sẽ tập trung nhiều hơn ở những mô có chuyển hóa cao, cho thấy khả năng hấp thụ mạnh Hạt nhân phóng xạ β + có dư proton và thực hiện quá trình phân rã β +, trong đó một proton biến đổi thành neutron thông qua việc phát ra một hạt positron và một hạt neutrino, theo phương trình phân rã rút gọn.
Thuốc phóng xạ dùng trong PET/CT
Kỹ thuật ghi hình PET hoạt động dựa trên nguyên lý ghi nhận hai bức xạ gamma phát ra từ quá trình hủy cặp positron-electron trong cơ quan được thăm khám Các thuốc phóng xạ thường sử dụng trong kỹ thuật này và PET/CT chứa các đồng vị phóng xạ phân rã β + (positron) Danh sách một số đồng vị phóng xạ được áp dụng trong kỹ thuật ghi hình PET/CT được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 trình bày các đặc tính cơ bản của một số thuốc phóng xạ được sử dụng trong chẩn đoán PET/CT, bao gồm chu kỳ bán rã vật lý, xác suất phân rã, quãng chạy trung bình trong nước và năng lượng trung bình.
Chu kỳ bán rã vật lý (T 1/2 phút)
Quãng chạy trung bình trong nước (mm)
Năng lƣợng trung bình (MeV)
Những đồng vị phóng xạ đƣợc dùng trong kỹ thuật chụp PET/CT phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
1 Chu kỳ bán rã vật lý và chu kỳ bán rã hiệu dụng ngắn: liều hấp thụ mà bệnh nhân phải chịu tỷ lệ với liều phóng xạ ban đầu đƣa vào và tỷ lệ với chu kỳ bán rã hiệu dụng Vì vậy, với lƣợng chất phóng xạ ban đầu đƣa vào xác định, chu kỳ bán rã hiệu dụng nhỏ thì bệnh nhân chịu liều hấp thụ nhỏ.
2 Xác suất phân rã β + càng lớn càng tốt và năng lƣợng phân rã β + nhỏ: Cạnh tranh với quá trình phân rã β + là quá trình chiếm electron quỹ đạo Với cùng hoạt độ phóng xạ, khi xác suất phân rã β + càng lớn, số bức xạ gamma hủy phát ra càng nhiều kết quả với hệ đo cho trước, ảnh PET/CT thu được càng rõ nét Khi năng lượng phân rã nhỏ, động năng trung bình của positron phát ra nhỏ, quãng chạy của positron trong cơ quan thăm khám nhỏ, liều hấp thụ gây ra từ 1 phân rã phát ra nhỏ Kết quả liều bệnh nhân phải chịu nhỏ.
3 Có sẵn hoặc tương đối dễ sản xuất với độ tinh khiết cao: Do yêu cầu chu kỳ bán rã nhỏ, nên trên thực tế không có đồng vị phân rã β + dùng trong chụp PET/CT có sẵn trong tự nhiên Các đồng vị phân rã β + dùng trong chụp PET/CT đều là đồng vị phóng xạ nhân tạo.
4 Dễ dàng tổng hợp thành thuốc phóng xạ.
Từ Bảng 1.1 nhận thấy đồng vị 18 F thỏa mãn đồng thời cả 4 yêu cầu trên.
Tại Việt Nam, thuốc phóng xạ 18F-FDG (FDG) là loại chủ yếu được sử dụng trong ghi hình PET/CT để chẩn đoán các tổn thương Việc lựa chọn loại thuốc phóng xạ phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu ghi hình và loại chuyển hóa tế bào cần phân tích.
Lợi thế của 18 FDG-PET/CT là khả năng phát hiện và phân biệt các tổn thương ác tính với đặc điểm tăng chuyển hóa, trong khi các bệnh lý lành tính thường không bắt giữ hoặc chỉ bắt giữ 18 FDG ở mức thấp Phương pháp này có thể phát hiện bất thường về mặt chuyển hóa trong ung thư di căn, bao gồm cả di căn hạch mà không làm thay đổi kích thước hạch Ngoài ra, 18 FDG-PET còn giúp xác định kết quả hình ảnh dương tính giả trên cắt lớp vi tính Nhờ những ưu điểm này, 18 FDG-PET/CT được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán nhiều loại bệnh ung thư, hỗ trợ đánh giá giai đoạn và theo dõi hiệu quả điều trị xạ trị hoặc hóa trị cho bệnh nhân.
Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa
1.3.1 Một số đại lƣợng đo liều dùng trong y học hạt nhân
Liều chiếu ngoài là liều bức xạ mà cơ thể nhận được từ các nguồn bức xạ bên ngoài Trong quá trình ghi hình PET/CT, tia X phát ra từ đầu bóng tia X của máy CT sẽ tạo ra một liều chiếu ngoài nhất định cho bệnh nhân.
Liều chiếu trong được định nghĩa là liều bức xạ mà cơ thể nhận được từ các chất phóng xạ xâm nhập vào bên trong Trong trường hợp ghi hình PET/CT, liều bức xạ này đến từ tia gamma hủy cặp 511 keV phát ra từ các thuốc phóng xạ được tiêm vào cơ thể người bệnh qua đường tĩnh mạch hoặc hô hấp.
Liều hấp thụ, ký hiệu là D, đƣợc xác định theo công thức sau:
(1.1) trong đó d ε là lƣợng năng lƣợng trung bình bức xạ ion hóa truyền cho khối vât chất đƣợc chiếu xạ có khối lƣợng dm
Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ được gọi là gray (Gy), với 1 Gy tương đương với việc hấp thụ 1 Joule năng lượng (J) trên mỗi kilogram (kg) vật chất.
Trước khi áp dụng hệ đơn vị SI, liều hấp thụ được đo bằng đơn vị Rad Mối quan hệ giữa hai đơn vị Rad và Gy được thể hiện qua công thức: 1 Rad = 10^-2 Gy.
Liều tương đương, trọng số bức xạ
Khi các đối tượng sinh học hấp thụ liều 1Gy từ các tia bức xạ khác nhau, mức độ tổn thương sẽ có sự khác biệt Biến đổi trong cơ thể sinh vật bị chiếu xạ không chỉ phụ thuộc vào liều hấp thụ D mà còn vào bản chất của chùm tia, được đặc trưng bởi hiệu ứng sinh vật tương đối (RBE) Giá trị RBE của từng loại tia được xác định bằng tỷ số giữa liều hấp thụ của tia gamma với năng lượng E = 500keV và liều hấp thụ của tia khảo sát khi gây ra cùng một hiệu ứng sinh học.
RBE (tia khảo sát) = (gây cùng hiệu ứng).
D (rad) tia khảo sát RBE còn đƣợc gọi là trọng số bức xạ của chùm tia, ký hiệu là WR.
Nhƣ vậy, trọng số bức xạ của chùm tia là một đại lƣợng không có thứ nguyên.
Liều hấp thụ tương đương (H) là chỉ số quan trọng giúp đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ khác nhau, cho phép chúng ta so sánh mức độ ảnh hưởng của chúng Công thức tính toán liều hấp thụ tương đương sẽ cung cấp những thông tin cần thiết để hiểu rõ hơn về nguy cơ từ bức xạ.
H = D ×W R là trọng số bức xạ
(1.3) Đơn vị đo liều tương đương trong hệ SI là Sievert (Sv) Ngoài ra đơn vị đo liều tương đương còndùng là rem:1Sv = 100rem
Bảng 1.2 dưới đây trình bày trọng số của các loại bức xạ ion hóa, bao gồm photon, electron, neutron, proton, hạt alpha và một số hạt khác tại các mức năng lượng khác nhau.
W R của một số loại bức xạ ion hóa [2]
Loại và khoảng năng lƣợng bức xạ Trọng số phóng xạ, w
Photon (tất cả năng lƣợng) Electron, muons (tất cả năng lƣợng) Neutron < 10 keV
> 20 MeV Proton, proton giật lùi > 20 MeV Hạt alpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng
Các mô khác nhau trong cơ thể có mức độ nhạy cảm khác nhau đối với bức xạ Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ đối với toàn bộ cơ thể, cần tính toán liều tương đương cho từng mô.
Liều tương đương H T,R do bức xạ ion hóa R gây ra trong một cơ quan hoặc tổ chức T được xác định bằng cách nhân liều hấp thụ tại mô đó với trọng số bức xạ R.
Nếu bức xạ ban đầu gồm những thành phần bức xạ ion hóa R khác nhau thì liều tương đương tại mô
T nhận đƣợc là H T đƣợc xác định theo công thức sau:
L iề u hi ệ u d ụ n g đ ƣ ợ c tí n h th e o c ô n g th ứ c sa u:
T. là liều tương đương mà mô T nhận được,
W T là trọng số của mô
Liều hiệu dụng được định nghĩa là tỷ số giữa mức độ nguy hiểm ngẫu nhiên của cơ quan hoặc tổ chức với mức nguy hiểm toàn thân khi bị chiếu xạ đồng đều Đơn vị đo liều hiệu dụng theo hệ SI là Sievert (Sv), trong khi một số quốc gia vẫn sử dụng đơn vị truyền thống là rem, với 1 Sv tương đương 100 rem.
Trọng số W T của các cơ quan hoặc tổ chức cơ thể
Tủy xương (tủy đỏ) Đại tràng
Các cơ quan còn lại
1.3.2 Chu kỳ bán rã hiệu dụng
Khi chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể con người, hai quá trình chính sẽ diễn ra: quá trình phân rã phóng xạ, được đặc trưng bởi hằng số phân rã vật lý, và quá trình đào thải chất phóng xạ khỏi cơ thể.
Chu kỳ bán rã hiệu dụng (Te) của một đồng vị phóng xạ trong cơ thể là thời gian cần thiết để số lượng hạt nhân phóng xạ giảm đi một nửa so với số lượng ban đầu Sự giảm này có thể xảy ra do quá trình phân rã tự nhiên hoặc do hạt nhân phóng xạ bị bài xuất ra khỏi cơ thể.
- Chu kỳ bán rã vật lý T p
Tại thời điểm ban đầu t0, một nguồn phóng xạ đơn có hoạt độ A0 Sau một khoảng thời gian t, hoạt độ phóng xạ còn lại trong nguồn sẽ giảm xuống.
A(t) = A e −λ p t Trong đó λ p gọi là hằng số phân rã vật lý.
Chu kỳ bán rã vật lý (physical half-life)T p của đồng vị phóng xạ là khoảng thời gian hoạt độ của nguồn giảm đi một nửa.
Chu kỳ bán rã vật lý p
Tính chất vật lý của một đồng vị phóng xạ được thể hiện qua hằng số phân rã vật lý λ p, một yếu tố không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ điều kiện môi trường nào.
- Chu kỳ bán rã sinh học
Chu kỳ bán thải sinh học là khoảng thời gian mà một cơ quan hoặc tổ chức mô loại bỏ một nửa lượng chất phóng xạ đã hấp thụ Mối quan hệ giữa chu kỳ bán thải sinh học và hằng số phân rã sinh học rất quan trọng trong việc hiểu quá trình đào thải chất phóng xạ khỏi cơ thể.
Liều hấp thụ cho bệnh nhân trong chụp PET/CT
Trong quá trình ghi hình chẩn đoán bằng PET/CT, bệnh nhân sẽ tiếp xúc với liều chiếu từ hai nguồn: liều chiếu ngoài từ CT và liều chiếu trong do sử dụng đồng vị phóng xạ của PET.
Do đó, cần thiết phải ứng dụng quy trình chụp thích hợp đối với PET/CT Trong Thông tƣ liên tịch số 13/2014/TTLT-BKHCN-BYT ngày 09 tháng 6 năm 2014 của
Bộ Khoa học và Công Nghệ - Bộ Y tế quy định về bảo đảm an toàn bức xạ trong Y tế có quy định về kiểm soát chiếu xạ y tế.
Bác sĩ điều trị có trách nhiệm đảm bảo an toàn bức xạ cho bệnh nhân, chỉ định chẩn đoán và điều trị bằng bức xạ ion hóa khi lợi ích vượt trội hơn so với tác hại Cần lưu ý đặc biệt khi áp dụng bức xạ ion hóa cho trẻ em, phụ nữ mang thai và những người đang nuôi con dưới 12 tháng Mức chiếu xạ và liều lượng thuốc phóng xạ phải được sử dụng ở mức tối thiểu, nhưng đủ để đạt được mục tiêu khám chữa bệnh theo các chỉ dẫn trong chiếu xạ y tế.
Cơ sở y tế cần tiến hành điều tra và áp dụng biện pháp khắc phục cho các trường hợp chiếu xạ y tế sự cố, nhằm giảm thiểu nguy cơ gây ra liều chiếu xạ vượt quá mức dự kiến trên người bệnh Đồng thời, việc lập hồ sơ lưu giữ các trường hợp này là cần thiết để đảm bảo an toàn và minh bạch trong quy trình điều trị.
Liều chiếu xạ từ chụp CT thay đổi tùy thuộc vào loại hình chụp, vị trí cơ thể và mục đích chụp Đối với PET/CT, CT chỉ nhằm định vị tổn thương cho ghi hình PET, do đó liều xạ thấp hơn nhiều, chỉ khoảng 7mSv cho quét CT toàn thân Tuy nhiên, nếu thực hiện quét CT toàn thân với độ phân giải cao cho mục đích chẩn đoán, liều hiệu dụng có thể tăng lên tới 30mSv.
Liều hiệu dụng khi chụp PET phụ thuộc vào hoạt độ phóng xạ của FDG tiêm cho bệnh nhân, với liều thông thường khoảng 8mSv cho người lớn sử dụng 400 MBq Do có hiệu ứng tích lũy, nên cần hạn chế số lần chụp PET khi không thật sự cần thiết.
Năm 2005, bệnh viện trường Đại học Kinki Nhật Bản đã lắp đặt thiết bị PET/CT với detector LSO, sử dụng liều xạ FDG cho bệnh nhân là 3MBq/kg Liều hiệu dụng ước tính cho bệnh nhân khoảng 10mSv, trong đó có 3 mSv từ PET và 7 mSv từ CT.
Nghiên cứu của Huang B, Law M.W và cộng sự (2009) đã chỉ ra rằng việc chụp PET/CT có thể dẫn đến liều hấp thụ đáng kể cho bệnh nhân, với tổng liều hấp thụ là 19,74 mSv từ CT và 3,89 mSv từ PET Nguy cơ ung thư sau 20 năm tăng 0,231-0,514% ở nữ và 0,163-0,323% ở nam giới Kết luận cho thấy cần có chỉ định hợp lý và biện pháp giảm liều để giảm thiểu nguy cơ này.
THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP
Thiết bị ghi hình PET/CT
Hệ thống ghi hình PET/CT TruFlight Select của PHILIPS được sử dụng tại Bệnh viện Quân y 103 để thực hiện các phép ghi hình và tính toán số liệu Các thông số kỹ thuật của hệ thống này sẽ được trình bày chi tiết trong luận văn.
Công suất đầu ra: 60 kW.
Các giá trị điện áp hoạt động: 90,120,140 kV.
Các giá trị dòng hoạt động : 20-500mA. Độ trữ liệu hiệu dụng: 26 MHU. Độ trữ liệu hiệu dụng Anode 8.0 MHU.
Tốc độ làm mát tối đa: 1608 kHU/min.
Tiêu điểm (IFS): 0.5mm x 1.0 mm (nhỏ),
Vật liệu detector: thể rắn – gồm đa lát hiệu suất cao. Đường kính khoang máy: 70 cm.
Khung quay: tốc độ truyền quang 1.1 Gbps. Độ dày chuẩn trực: 16 x 0.75mm, 16 x 1.5mm, 8 x 3mm, 4 x 4.5mm, và 2 x 0.6mm.
Tải trọng của bàn: 195 kg. Độ dịch bàn xoắn ốc: 0.13 tới 1.5.
Số lát cắt: 16 lát cắt liên tiếp đồng thời.
Vật liệu tinh thể Detector: LYSO.
Cấu trúc detector: dẫn sáng liên tục PIXELAR Đường kính khoang máy: 70 cm.
Cấu tạo máy ghi hình PET/CT
Cấu tạo của máy ghi hình PET/CT là sự kết hợp của 2 hệ thống đó là hệ thống máy CT và hệ thống máy PET Bao gồm:
- Hệ thống bàn bệnh nhân.
- Hệ thống xử lý dữ liệu.
- Hệ thống điều khiển và hiển thị hình ảnh.
Hệ thống máy CT trong PET/CT có cấu trúc tương tự như các máy CT thông thường trên toàn quốc Khi không sử dụng cho chụp PET/CT, nó có thể hoạt động như một máy CT độc lập Cấu tạo cơ bản của hệ thống máy CT bao gồm:
- Hệ thống đầu dò ( Detector).
- Hệ thống động cơ, ray, khung nhằm tạo chuyển động quay cho Bóng phát tia và Detector.
Các khối đầu do đƣợc đặt đối diện với bóng phát tia để thu nhận các tia X Khoang máy CT có đường kính 70 – 80 cm.
Hình 2.2 Cấu tạo bóng phát tia X
Hình 2.3 Cấu tạo hệ thống máy CT[39]
Hệ thống PET bao gồm các khối đầu dò nhấp nháy được sắp xếp thành vòng tròn trong khoang máy PET, có đường kính khoảng 70-80 cm, với khoang máy tại Bệnh viện quân y 103 có đường kính 80 cm Các đầu dò PET có nhiệm vụ chuyển đổi bức xạ thành tín hiệu điện, mang ba thông tin quan trọng: năng lượng photon bị hấp thụ, vị trí trên đầu dò và thời điểm va chạm Những thông tin này rất quan trọng để xử lý và tạo ra hình ảnh PET Chất lượng ảnh PET phụ thuộc vào vật liệu làm đầu dò, thường là tinh thể nhấp nháy dạng rắn, với các đặc tính cụ thể được liệt kê trong Bảng 2.1.
Hình 2.4 Detector trong hệ thống PET/CT
Bảng 2.1: Thông số và đặc tính của các loại tinh thể [16]
Nguyên tử số hiệu dụng (Z)
Thời gian phân rã nhấp nháy (ns)
Hiệu suất phát sáng (KeV)
Hệ số suy giảm tuyến tính với ngăng lƣợng 511 KeV(cm -1 ) Độ phân giải năng lƣợng (% tại đỉnh 511 KeV
Tinh thể nhấp nháy trong máy PET cần có mật độ khối lượng và số nguyên tử cao để đảm bảo hệ số suy giảm năng lượng lớn, từ đó đạt hiệu suất ghi các photon 511 keV tối ưu Chúng cũng phải có thông lượng phát sáng cao, tức là tỷ lệ photon có ích được tạo ra cao hơn so với năng lượng photon bị mất, giúp cải thiện độ phân giải năng lượng và giảm sai số thống kê trong quá trình xác định năng lượng Hơn nữa, tinh thể nhấp nháy cần có thời gian tăng xung đầu ra và thời gian suy giảm xung ngắn, điều này giúp thu hẹp cửa sổ trùng phùng và nâng cao độ phân giải của hệ thống, đồng thời giảm thiểu số đếm trùng phùng ngẫu nhiên.
Một số tinh thể nhấp nháy đƣợc sử dụng trong máy PET là Lutetium
OxyorthoSilicate (LSO), LutetiumYttrium OxyorthoSilicate (LYSO) và Gadolinium OxyorthoSilicate (GSO) là những tinh thể phát sáng cao, có hệ số suy giảm năng lượng lớn và đáp ứng nhanh, góp phần nâng cao chất lượng đếm của detector trong máy PET Tại Bệnh viện 103, máy PET/CT sử dụng đầu dò làm từ tinh thể LYSO, chứa một lượng nhỏ Lu-176, một chất phóng xạ tự nhiên Đầu dò ghi hình PET tiếp nhận tia gamma hủy cặp từ cơ thể bệnh nhân, khi va chạm với tinh thể nhấp nháy, năng lượng sẽ được hấp thụ, khiến electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Quá trình khử kích thích của electron phát ra ánh sáng nhấp nháy (quang photon), số lượng photon này tỷ lệ thuận với năng lượng tia gamma bị hấp thụ Các quang photon sau đó va chạm với lớp quang phát xạ (photocathode) của ống nhân quang PMT, tạo ra quang electron Những electron này được nhân lên bởi dinod, tạo ra tín hiệu điện đủ lớn cho việc xử lý và tái tạo ảnh.
Phương pháp tính liều chiếu
Tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu phụ thuộc vào liều hấp thụ, vì vậy việc xác định liều hấp thụ trong cơ thể bệnh nhân là rất quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bằng bức xạ Quá trình xác định liều hấp thụ không hề đơn giản mà đòi hỏi sự phức tạp và khó khăn Bài luận văn này sẽ trình bày về kỹ thuật ghi hình chụp PET/CT để xác định liều hấp thụ trong cơ thể bệnh nhân.
Trong chụp CT, chùm bức xạ tia X phát ra từ ống phóng, chiếu qua cơ quan thăm khám và đi đến detector ghi nhận, với suất liều tại các điểm trong cơ thể phụ thuộc vào điện áp và dòng phát Để tính toán liều hiệu dụng cho bệnh nhân, cần dựa vào các thông số như điện áp, cường độ dòng, chiều dài vùng quét, hệ số pitch và thời gian quét, mà các thông số này chịu ảnh hưởng lớn từ kỹ thuật quét áp dụng Có hai kỹ thuật quét chính trong chụp CT: quét tuần tự, nơi bàn bệnh nhân di chuyển sau mỗi lần quét hoàn chỉnh một lát cắt, và quét xoắn ốc, nơi bàn bệnh nhân và nguồn phát tia X di chuyển đồng thời.
Điện áp U (kV) nuôi ống phóng càng lớn thì năng lượng trung bình chùm tia X phát ra càng cao, dẫn đến số electron va chạm vào bia trong một đơn vị thời gian tăng lên, từ đó tăng thông lượng chùm bức xạ hãm Suất liều ở lối ra ống phóng tỷ lệ thuận với tích dòng và điện áp, với các máy quét CT thường cung cấp giá trị điện áp từ 50-140 kV Khi điện áp tăng, thông năng và khả năng đâm xuyên của chùm tia cũng tăng, nhưng độ tương phản hình ảnh lại giảm Việc tăng điện áp trong ghi hình thông thường được áp dụng nhằm giảm thời gian chiếu cho bệnh nhân.
Cường độ dòng ống phóng I có thể điều chỉnh từ 10mA đến 800mA, ảnh hưởng trực tiếp đến liều bức xạ và chất lượng hình ảnh Cường độ dòng càng cao, liều bức xạ và chất lượng hình ảnh càng tốt.
Hệ số pitch p là nghịch đảo của hệ số nén, dùng để chỉ mức độ chồng chập giữa các lát cắt khác nhau Nó được tính bằng tỷ số giữa bước dịch chuyển của bàn TF và bề rộng chùm tia N.hcol Công thức xác định hệ số pitch là: p = TF.
Trong đó: TF là bước dịch chuyển của bàn.
N là số lát cắt riêng biệt được ghi nhận đồng thời (tương ứng với số dãy detector của máy). hcol là bề rộng mỗi lát cắt.
Trong kỹ thuật quét tuần tự, giá trị TF được hiểu là khoảng trống giữa các vùng ghi nhận, trong khi đối với quét xoắn ốc, nó thể hiện quãng đường bàn dịch chuyển trong một phép quay 360 độ Giá trị pitch trong quét xoắn ốc ảnh hưởng trực tiếp đến liều bức xạ mà bệnh nhân nhận được; khi giá trị pitch tăng, thời gian chiếu xạ một điểm trong vùng quét sẽ giảm, dẫn đến việc liều bức xạ mà bệnh nhân nhận cũng giảm theo.
Chiều dài vùng quét L là bề rộng vùng cơ thể bệnh nhân được quét trong chẩn đoán Trong kỹ thuật quét tuần tự, L được tính bằng tổng bề rộng chùm tia N.hcol nhân với số lần bàn dịch chuyển, tương ứng với khoảng cách từ lát cắt đầu tiên đến lát cắt cuối cùng Công thức xác định chiều dài vùng quét L trong kỹ thuật này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình chẩn đoán.
Trong kỹ thuật quét xoắn ốc, chiều dài quét L phụ thuộc vào số lần quay ống tia X và tốc độ dịch chuyển của bàn TF Chiều dài này bao gồm chiều dài thực của phần cơ thể được chiếu và các phép quay tại điểm bắt đầu và kết thúc của quá trình quét, được cung cấp từ dữ liệu nội suy Công thức xác định chiều dài vùng quét L sẽ được trình bày cụ thể trong bài viết.
Trong đó : T là tổng thời gian quét; trot là thời gian quay; p là hệ số pitch;
Thời gian chiếu t là khoảng thời gian mà chùm tia X quét qua bệnh nhân trong mỗi phép quay Việc kéo dài thời gian chiếu sẽ làm tăng liều lượng bức xạ mà bệnh nhân nhận được Do đó, các phương pháp như chụp đa lát cắt hoặc sử dụng hệ số pitch lớn được áp dụng để giảm thiểu thời gian chiếu, từ đó hạn chế liều bức xạ cho bệnh nhân.
Giá trị tích của cường độ dòng điện và thời gian chiếu, ký hiệu là Q (đơn vị mAs), thể hiện mối quan hệ tỉ lệ thuận với liều hiệu dụng mà bệnh nhân nhận được khi thực hiện chụp CT.
Trong quá trình chụp CT, tia X được chiếu xạ vào một mặt hoặc lát cắt của cơ thể, nhưng liều tia X không chỉ giới hạn trong bề dày của lát cắt mà còn lan tỏa ra xung quanh do tác động của chùm tia tán xạ Chỉ số liều chụp cắt lớp CTDI (CT dose index) phản ánh tổng liều hấp thụ trong bề dày các lát cắt, bao gồm cả liều do tán xạ CTDI tỷ lệ thuận với cường độ dòng và thời gian quét, và được tính toán theo tổng liều hấp thụ phân bố dọc trục ghi hình z.
Trong đó: D(z) là giá trị của liều hấp thụ trung bình tại một vị trí trên trục z.
N.h col là bề rộng chùm tia dùng để thu thập dữ liệu.
Hinh 2.5 Đồ thị liều đặc trƣng cho một lát cắt có bề dày 10mm
Giá trị CTDI được đo bằng buồng ion hóa trong phantom, với giả định rằng liều giảm tuyến tính từ bề mặt đến tâm phantom Khái niệm liều trung bình CTDI có tính đến trọng số, được gọi là CTDIw CTDIw là sự kết hợp tuyến tính trọng số của giá trị CTDI tại tâm và ngoại biên, được xác định theo công thức [33].
Trong đó: CTDIc là giá trị CTDI tại tâm phantom
CTDIp là giá trị CTDI tại rìa phantom, trong khi CTDIvol được xác định bằng cách tính toán ảnh hưởng của hệ số pitch lên liều cục bộ Quá trình quét tuần tự và quét xoắn ốc tạo ra các khoảng trống giữa các lát cắt, do đó CTDIvol được định nghĩa là CTDIw, có tính đến sự hiệu chỉnh của hệ số pitch và được tính theo công thức [33].
CTDIvol là chỉ số đo lường liều trung bình mà bệnh nhân nhận được trong một thể tích khảo sát cụ thể, được tính bằng đơn vị mGy Hiện nay, các máy CT thế hệ mới hiển thị giá trị CTDIvol trên màn hình trong quá trình quét Để xác định tổng liều hấp thụ cho một lần chụp CT, khái niệm tích số liều chiều dài (DLP) được sử dụng, với đơn vị tính là mGy.cm DLP được tính bằng cách nhân CTDIvol của một lát cắt với tổng chiều dài quét L.
Việc tính toán liều hiệu dụng trong kỹ thuật chụp CT không thể thực hiện trực tiếp bằng thiết bị đo, mà cần dựa vào các thông số CTDI và DLP Liều hiệu dụng được xác định thông qua hệ số chuyển đổi trung bình k, với công thức tính toán cụ thể.
Trong đó hệ số chuyển đổi trung bình k có đơn vị là (mSv/mGy.cm)
Chương trình tính liều OLINDA
Sự phát minh hiện tượng phóng xạ của Becquerel vào năm 1896 đã khởi đầu cho việc ứng dụng chất phóng xạ trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là Y học hạt nhân Kể từ đó, phương pháp tính liều trong Y học hạt nhân cũng được phát triển, dẫn đến sự ra đời của nhiều phần mềm tính toán liều như MIRDOSE, OLINDA, MABDOSE và DOSE 3D.
OLINDA, viết tắt của "Organ Level INternal Dose Assessment", là một chương trình được phát triển vào năm 2003 bởi Michael G Stabin và các cộng sự tại Đại học Vanderbilt, Tennessee, Hoa Kỳ, nhằm tính toán liều chiếu ở mức độ cơ quan Chương trình này kế thừa từ các phần mềm tính liều trước đó như MIRDOSE 1.
Chương trình tính liều MIRDOSE, bao gồm các phiên bản MIRDOSE 2 (1984) và MIRDOSE 3 (1994), đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) cấp chứng nhận Chương trình này được sử dụng để tính toán liều lượng thuốc một cách chính xác và hiệu quả.
Giá liều bức xạ trong các thử nghiệm lâm sàng cho thuốc phóng xạ mới cần được xác định, đồng thời phải tính toán an toàn bức xạ cho các loại thuốc đang sử dụng Điều này cũng áp dụng trong giảng dạy và một số mục đích khác.
OLINDA là một phần mềm tính liều đơn giản, tiện lợi và nhanh chóng, được khuyến cáo bởi FDA Phần mềm này dựa trên công thức MIRD và mô hình người giả chuẩn Cristy/Eckerman, giúp người dùng thực hiện tính toán một cách hiệu quả OLINDA tích hợp hơn 600 nhân phóng xạ từ 97 nguyên tố, phục vụ tối ưu cho việc tính toán liều.
Giao diện chính của chương trình OLINDA bao gồm:
- Nucleide input form: Chọn nhân phóng xạ.
- Models input form: Chọn mô hình tính
- Kinectic input form: Nhập thời gian lưu trú vào cơ quan nguồn
- Help form: Hướng dẫn cách sử dụng chương trình
- DFs: Tính hệ số chuyển đổi liều/
- Save case: Lưu các file dữ liệu với cas.
- Retrieve Case: gọi lại các dữ liệu đã lưu
- About OLINDA: Giới thiệu về OLINDA.
Hình 2.9 Giao diện chính của phần mềm tính liều OLINDA
Để tính liều trong phần mềm OLINDA, bạn cần thực hiện các bước sau: Bước 1, chọn nhân phóng xạ cần tính từ bảng thư viện của chương trình; Bước 2, chọn mô hình phantom phù hợp, bao gồm người trưởng thành nam, nữ hoặc trẻ em.
Nhập các thông số sinh động học dữ liệu phóng xạ đã được tính toán trước, bao gồm thời gian tồn lưu thuốc phóng xạ (àCi-giờ/àCi hoặc MBq-giờ/MBq).
B4: Trở lại giao diện chính nhấp DOSES để hiện thị kết quả tính liều
Phương pháp thực nghiệm
2.5.1 Quy trình ghi hình PET/CT
Quá trình ghi hình bệnh nhân PET/CT là một quy trình phức tạp, đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng cả về thiết bị và nhân lực Sơ đồ dưới đây mô tả quy trình ghi hình toàn thân cho bệnh nhân sử dụng thuốc phóng xạ FDG, phục vụ cho nghiên cứu y khoa.
Hình 2.10 Quy trình ghi hình toàn thân PET/CT
2.5.2 Kiểm chuẩn hệ thống ghi hình PET/CT
Hệ thống PET/CT là một công nghệ tiên tiến và phức tạp, yêu cầu quy trình kiểm chuẩn nghiêm ngặt để đảm bảo độ chính xác trong việc ghi nhận dữ liệu bệnh nhân Trước khi đưa vào sử dụng, hệ thống này phải trải qua các bước kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Kiểm chuẩn máy ghi hình PET/CT
Chia liều và tiêm thuốc phóng xạ FDG
Ghi hình PET/CT lần I (≥ 60 phút sau tiêm)
Ghi hình PET/CT lần II( ≥ 200 phút sau tiêm)
Ghi hình PET/CT lần III( ≥ 300 phút sau tiêm)
PET/CT là sự kết hợp của hai hệ thống là CT và PET, do đó việc đảm bảo chất lượng máy trước khi sử dụng cần thực hiện qua hai bước quan trọng: kiểm tra chất lượng của hệ thống CT và hệ thống PET.
Trang bị để kiểm chuẩn bao gồm:
Buồng chia liều là khu vực chuyên dụng cho việc chia và đo liều Trong buồng này, hệ thống đo liều sử dụng phần mềm Isomed 1010 để thực hiện các phép đo chính xác, cùng với vành chữ U hỗ trợ quá trình chia liều hiệu quả.
Hình 2.11 Hệ thống đo liều sử dụng phần mềm Isomed.
Hình 2.12 Vành chữ U và các container chì.
- Hệ thống phantom và giá đỡ để kiểm chuẩn CT.
- Phantom dạng giá đỡ để kiểm chuẩn PET.
- Phantom hình trụ được đổ đầy nước cất, thể tích ~ 9239 ml dùng để kiểm chuẩn giá trị SUV.
- Hệ thống máy ghi hình PET/CT
- Các kim tiêm y tế, dung tích 5 ml.
- Nguồn phóng xạ FDG hoặc 18 F Hoạt độ 2,0 mCi
- Nguồn phúng xạ Na-22 Hoạt độ 100 à Ci
Hình 2.13 Hệ thống phantom và giá đỡ phantom dùng để kiểm tra CT.
Phantom nước Phantom nguồn Na-22
Hình 2.14 Phantom dùng để kiểm chuẩn hệ thống PET.
Tất cả các quy trình kiểm tra và thực hiện kỹ thuật ghi hình PET/CT được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ ổn định từ 20 - 22º C và độ ẩm tương đối từ 40 - 60%, đáp ứng tiêu chuẩn phòng của nhà sản xuất, với nhiệt độ từ 19 - 22º C và độ ẩm từ 30 - 60%.
Kết quả kiểm tra CT
IQ check là quy trình kiểm tra nhanh chất lượng hình ảnh CT, bao gồm bốn chỉ số quan trọng: giá trị trung bình CT, sự đồng nhất CT, độ nhiễu ảnh CT và mức độ tương phản thấp của ảnh CT.
Hinh 2.15 Kết quả kiểm tra CT_ IQ chek.
Theo hình ảnh trên thì các chỉ số kiểm tra đều cho kêt quả thỏa mãn tiêu chuẩn.
Kết quả kiểm tra CT_Daily cho thấy:
Thông số Giá trị tiêu chuẩn nhà sản xuất
Giá trị thực tế đo đƣợc
Giá trị hấp thu của vít cấy Teflon 890 ± 50 904
Nhƣ vậy kết quả kiểm tra cho thấy các giá trị đo đƣợc đều trong giới hạn của nhà sản xuất đƣa ra.
Hình 2.16 Kết quả kiểm tra CT_Daily
Kết quả kiểm tra PET
Hệ thống PET hàng ngày đều có chế độ chạy tự động để kiểm tra hoạt động của thiết bị Tuy nhiên, trước mỗi lần chụp PET, các kỹ sư vẫn cần thực hiện quy trình kiểm tra PET để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của kết quả.
Hàng ngày, việc kiểm tra chất lượng (QC) được thực hiện bằng nguồn phóng xạ Na-22, trong khi cứ hai tháng một lần, cần tiến hành kiểm chuẩn giá trị SUV của hệ thống bằng nguồn phóng xạ FDG-18, được mua từ Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 Dưới đây là kết quả kiểm tra chất lượng PET hàng ngày và giá trị SUV đo được.
Hình 2.17 Kết quả kiểm tra PET_ Daily QC
Hình 2.18 Kết quả kiểm chuẩn SUV
Hệ thống PET sử dụng chương trình PET Daily QC, một công cụ bán tự động, để thực hiện hiệu chuẩn và kiểm soát chất lượng thử nghiệm Kết quả kiểm tra cho thấy PET_daily QC đạt kết quả SUCCESS, chứng tỏ hệ thống hiệu chuẩn đã thành công Đối với giá trị SUV, đây là dữ liệu thể hiện hoạt độ phóng xạ, theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, giá trị SUV trung bình phải bằng 1 với sai số cho phép ± 10% Do đó, giá trị SUV kiểm tra đều nằm trong tiêu chuẩn cho phép.
Giá trị SUVmean thực tế Độ chính xác (%)
2.5.3 Chuẩn bị bệnh nhân và ghi hình PET/CT
Bệnh nhân thực hiện ghi hình PET/CT trong nghiên cứu là những bệnh nhân phải phù hợp với tiêu chuẩn sau:
- Bệnh nhân đƣợc bác sĩ chỉ định chụp PET/CT toàn thân để chẩn đoán và theo dõi bệnh lý ung thƣ.
- Bệnh nhân đồng ý tham gia vào nghiên cứu.
Trong nghiên cứu này, học viên đã chọn 03 bệnh nhân đáp ứng tiêu chuẩn, bao gồm 02 bệnh nhân nam và 01 bệnh nhân nữ.
Bệnh nhân Giới tính Cân nặng Chẩn đoán Liều tiêm
Bệnh nhân 1 Nam 64 Kg K dạ dày 355MBq
Bệnh nhân 2 Nữ 57 Kg U lympho 300MBq
Bệnh nhân 3 Nam 60 Kg U lympho 315MBq
Chuẩn bị bệnh nhân và tiêm thuốc 18 F-FDG.
- Bệnh nhân đƣợc yêu cầu nhịn đói và hạn chế vận động, tối thiểu 4-6 giờ trước ngày ghi hình.
Để đảm bảo sự hấp thụ chính xác của thuốc FDG theo đặc điểm sinh lý của các cơ quan và tổ chức mô, mức đường huyết của bệnh nhân cần phải kiểm tra và duy trì dưới 8,3 mmol/L.
- Bệnh nhân đƣợc nằm nghỉ ngơi trong phòng ánh sáng mờ, hạn chế nói chuyện, đi lại.
Bệnh nhân được tiêm tĩnh mạch thuốc phóng xạ 18 F-FDG với liều lượng 0,14mCi/kg (khoảng 5,18 MBq/kg) Sau khi tiêm, bệnh nhân cần nghỉ ngơi từ 45-60 phút và uống từ 0,5-1 lít nước để hỗ trợ quá trình hấp thụ.
- Bệnh nhân đƣợc ghi hình PET/CT lần thứ nhất.
Bệnh nhân cần nghỉ ngơi và chuẩn bị cho các lần ghi hình tiếp theo, trong đó có thể uống nước và ăn dặm thực phẩm ít đường.
Thực hiện ghi hình và lấy số liệu
Các bước thực hiện ghi hình và lấy số liệu sẽ được tiến hành theo trình tự sau:
- Bệnh nhân đƣợc đƣa lên bàn chụp và đƣợc tiến hành chụp CT_surview và CT_toàn thân.
- Tiến hành thu thập thông số CTDI, DLP, Time, Điện áp và Dòng điện và tính toán liều hiệu dụng đối với chiếu ngoài.
- Sau đó bệnh nhân sẽ đƣợc ghi hình PET tại 3 thời điểm t1, t2 và t3 sau tiêm
- Vẽ ROI xác định SUVmean theo từng lát cắt của 10 cơ quan nghiên cứu.
- Tính toán phần trăm hoạt độ tích lũy %ID tại 3 thời điểm từ giá trị SUVmean.
- Tính toán chu kỳ bán rã hiệu dụng và chu kỳ bán rã sinh học từ %ID.
- Tính hoạt độ tích luỹ A( r S , T D ) cho các cơ quan nguồn từ hàm làm khớp.
- Tính thời gian tồn lưu thuốc phóng xạ τ S
- Sử dụng chương trình OLINDA để xác định hệ số liều hiệu dụng toàn thân đối với liều chiếu trong.