Nguyên lý tạo hình ảnh PET/MR

KS. Phạm Anh Tuấn, GS. Mai Trọng Khoa, PGS. Trần Đình Hà, KS. Trần Văn Thống, KS. Phạm Thị Len và Cộng sự

                     Trung tâm Y học hat nhân và Ung bươu –Bệnh viện Bạch Mai

Từ khi có các ý tưởng ghép PET với MR đến ngày nay là một chặng đường khá dài. Hệ thống ghép PET/MR đang nhanh chóng trở thành các thiết bị chẩn đoán hiện đại. Bài viết này giới thiệu về nguyên lý hệ thống PET/MR, sự đa dạng của các mẫu thiết kế hiện nay, các giải pháp kỹ thuật của đầu dò PET. Bài viết cũng đề cập đến cải tiến của đầu dò PET, kỹ thuật hiệu chỉnh đang được ứng dụng trong máy PET/MR.

Hình ảnh phân tử/ giải phẫu đa phương thức: PET/MR

Với hình ảnh Y học Hạt nhân PET, các quá trình sinh học có thể được kiểm soát và ghi nhận ở mức độ phân tử. Nhưng nhu cầu ngày càng tăng trong việc đẩy lùi hạn chế của hình ảnh phân tử/giải phẫu đa phương thức ngày nay đã xuất hiện các hình ảnh ghép PET/MR. Sự kết hợp của hai hình ảnh PET và MR trong một máy duy nhất cũng giống như sự kết hợp của hai hình ảnh PET và CT trên một máy đã được thương mại hóa cách đây 10 năm. Hai kỹ thuật quét đồng thời sẽ giảm thời gian chụp, giảm thiểu các lỗi chụp và đặc biệt hình ảnh chồng chập sẽ hỗ trợ cho nhau trong việc chẩn đoán bệnh của bệnh nhân.

Tiến triển từ PET/CT tới PET/MR

So với hình ảnh CT, hình ảnh MR có những ưu điểm hơn hẳn: hình ảnh giải phẫu MR với độ tương phản mô mềm cao hơn mà không cần nhận thêm liều bức xạ từ CT. Một ưu điểm khác của MR là nó có thể đánh giá chức năng một số cơ quan. Tuy nhiên, độ nhạy của MR vẫn còn thua xa độ nhạy của PET (độ nhạy của PET là 10212 mol / L, độ nhạy của MR là 1025 mol / L). PET vẫn là một thành phần thiết yếu nhất của hình ảnh phân tử.

Hình ảnh tổn thương thành vòm phải (tăng hấp thu FDG-mũi tên đỏ) xâm lấn nền sọ được chụp tại máy PET/CT của Trung tâm Y học hạt nhân và Ung bướu - Bệnh viện Bạch Mai

Đối với các chỉ định MR, người ta căn cứ vào các giao thức (protocol) cho: tưới máu, khuyếch tán và quang phổ để phát hiện chuyển hóa. Sự kết hợp hình ảnh chức năng của PET và MR sẽ bổ trợ cho nhau trong nhiều trường hợp, ví dụ, chẩn đoán quá trình bệnh và chức năng não

Sự kết hợp MR và PET lần đầu tiên được thực hiện trên các máy riêng biệt, sau đó các hình ảnh được chồng ghép cơ học lên nhau. Sự chồng ghép này phù hợp cho não nhưng với các cơ quan khác có nhiều khó khăn do sai số của dịch chuyển. Việc sử dụng một thiết bị duy nhất để thực hiện cả hai kỹ thuật chụp làm cho việc chồng ghép hình ảnh trở nên dễ dàng hơn. Ý tưởng thiết bị PET/MR đã sớm được nảy sinh và mô tả trước khi có thiết kế thực của PET/CT.

Mặc dù đã có 2 thập kỷ nghiên cứu liên tục về PET/MR, nhưng đến nay chỉ một số ít các hệ thống hiện có sẵn trên thị trường. Khó khăn kỹ thuật khi các phương thức hoạt động của PET và MR tác động lẫn nhau làm cho việc kết hợp 2 phương thức trở lên cực kỳ phức tạp. Nó đòi hỏi một thiết kế cẩn thận cho cả hai phương thức hoạt động đúng hiệu suất và đạt được sự tương tự như khi chúng hoạt động độc lập.

Trong hệ thống PET/MR, 2 phương thức có tác động lẫn nhau làm giảm chất lượng hình ảnh. Các xung của sóng vô tuyến có tần số radio (RF) của MR ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử của PET, và ngược lại, các thành phần PET cũng có thể làm méo mó trường điện từ của MR. Chất lượng hình ảnh PET là thách thức lớn nhất đối với hệ thống PET/MR bởi vì hiệu chỉnh bản đồ về độ suy giảm cường độ bức xạ rất khó khăn khi ghép cùng với MR. Chính phần cứng của MR và các vật liệu dày đặc khác làm giảm đáng kể tín hiệu của các bức xạ

Nguyên lý của PET/MR

Kể từ khi phát triển nguyên mẫu đầu tiên vào năm 1997, có nhiều phương pháp khác nhau đã được thực hiện để có dữ liệu PET và MR trên một hệ thống duy nhất. Các hệ thống được phân loại là: hệ thống có hình ảnh thu được tuần tự hoặc hệ thống có hình ảnh đồng thời. Hai hệ thống PET/MR thương mại đã được giới thiệu với thiết kế tổng thể khác nhau hoàn toàn:

-         Hệ thống thu nhận PET và MR đồng thời, khung máy (gantry) quét MR rộng với đầu dò diot quang (APD) hoạt động trong chế độ thác (buồng ion hóa hoạt động theo chế độ thác xảy ra khi các điện tử được tạo ra ồ ạt, không thể kiểm soát dưới điện trường lớn).

Hệ thống máy PET và MR tích hợp để quét đồng thời

-         Hệ thống thứ hai là một hệ thống tuần tự, được xây dựng bằng cách sử dụng 2 máy quét cùng tiêu chuẩn với giường ở giữa. Máy quét PET này chứa các ống nhân quang (PMT) và có lớp che chắn cho phần tinh thể nhấp nháy.

 

Hệ thống máy PET và MR được tích hợp để quét tuần tự

Cải tiến trong cấu tạo đầu dò PET

Từ khi bắt đầu phát triển PET, ống nhân quang PMT đã được sử dụng để ghi nhận bức xạ thứ cấp tạo ra ánh sáng nhấp nháy từ các tinh thể ở dầu dò. Tuy nhiên, PMT cũng rất nhạy đối với các từ trường nên chúng không thể được sử dụng bên trong máy quét MR. Từ trường của trái đất cũng có ảnh hưởng đến PMT, nhưng cường độ từ trường của trái đất thấp nên có thể che chắn được bằng cách phủ kính bên ngoài PMT. Từ trường tĩnh của máy cộng hưởng từ MR có cường độ mạnh hơn rất nhiều, nên việc che chắn chỉ khả thi ở một khoảng cách nhất định.

Nếu PET sử dụng ống nhân quang loại PMT (photomultiplier tube) hoạt động đồng thời với MR thì khoảng 90% photon ánh sáng nhấp nháy bị mất đi do từ trường của MR. Với sự thiếu hụt này, độ phân giải năng lượng bị suy giảm đáng kể.

Hình ảnh mô phỏng mặt cắt gantry của PET/MR sử dụng diot quang tuyết lở (APD) thay cho các ống nhân quang (PMT)

Người ta đã sử dụng diot quang tuyết lở APD (avalanche photodiode) thay thế PMT vì chúng không bị ảnh hưởng bởi các từ trường. Khoảng 10 năm trước, các mảng Geiger - APD (G-APD) đầu tiên đã được nghiên cứu để phát hiện mức sóng ánh sáng yếu trong vật lý năng lượng cao. Một photon ánh sáng đơn lẻ có thể kích hoạt tạo thác ion tự duy trì, còn được gọi là phóng điện Geiger, tương tự như hoạt động của các ống Geiger-Müller. Các mảng G-APD có hệ số khuếch đại tương đương với các PMT, do đó chúng thường được gọi là các bộ nhân quang silic (SiPM).

Hình ảnh mô phỏng 3D gantry máy PET/MR tích hợp. (a) Mô phỏng bộ phận PET được đặt đồng tâm trong máy quét MR. (b)Hình ảnh modul PET. (c) Hình ảnh các mảng diot quang tuyết lở (APD) và bộ tiền khuyếch đại được tích hợp

Tín hiệu được tạo ra bởi một G-APD duy nhất không mang thông tin về năng lượng hoặc số lượng của các hạt đến. Để phân biệt số lượng hạt tới, SiPM cần bao gồm một mạng lưới các G-APD nhỏ ( còn gọi là các tế bào) ở mật độ 100 - 10.000 G-APD/ mm2. Tất cả các tế bào riêng lẻ được kết nối song song và tín hiệu của chúng được tổ hợp lại. Số lượng tế bào trên diện tích bề mặt làm tăng phạm vi hoạt động của đầu dò, đầu ra của nó có thể cung cấp thông tin về số lượng photon đến

Trong các tín hiệu đầu ra của SiPM có nhiễu được gọi là số lượng tối. Những tín hiệu này được tạo ra bởi chính đầu dò do nhiễu giữa các tế bào APD, chúng được tạo ra do nhiệt, được là nhiễu xuyên âm. Số lượng tối tăng theo hệ số khoảng 2 cho mỗi 8⁰C. Mặc dù nhược điểm của SiPM là chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ nhưng nó rất thích hợp trong máy MR vì nó đáp ứng chuyển đổi nhanh với các xung vô tuyến tần số radio (RF). Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ có tầm quan trọng đặc biệt đối với các đầu dò SiPM trong PET/MR.

Các thành phần PET phải làm từ các vật liệu có độ nhạy từ thấp. Hầu hết các mạch tích hợp đều đáp ứng yêu cầu này, nhưng các thành phần như điện trở, cuộn cảm ứng, tụ điện hoặc đầu nối phải được trang bị các đầu cực không có từ tính để giảm hiện tượng giả (arrtifact) như xảo ảnh hoặc nhiễu ảnh).

Các tia bức xạ phát ra từ bệnh nhân đương nhiên sẽ có những tia nằm ngoài trường nhìn (FOV) của đầu dò đồng thời xảy ra các hiện tượng tán xạ và sự kiện ngẫu nhiên (tạo ra giả trùng phùng). Vì vậy, cần che chắn tia gamma để giảm các tác động này bằng các vật liệu có số khối lớn (như chì) nhưng các vật liệu đó lại phải có độ dẫn điện thấp để không tạo ra dòng điện cảm ứng xoáy (Fuco) và có độ nhạy từ thấp để có một từ trường đồng nhất. Vật liệu có những đặc tính này là chính là bột chì và vonfram kết hợp với epoxy.

Cải tiến cấu tạo của MR

Trong hệ thống PET/MR, phần lớn các cải tiến được thực hiện trên phần cứng của PET để có thể thu nhận được hình ảnh trong trường từ mạnh và xung vô tuyến. Ngược lại, phần cứng của MR không có nhiều thay đổi.

Các hệ thống PET/MR này thường bao gồm một máy quét MR độc lập có cấu tạo và lắp đặt theo mẫu thương mại kết hợp với một hệ thống PET được cải tiến. Các phần cứng của PET được đưa vào phải đảm bảo không làm mất tính đồng nhất của từ trường. Các phần cứng PET thường được thêm vào gantry của MR sẽ làm giảm kích thước đường kính gantry (Ví dụ hệ thống mMR của Siemens có đường kính trong của gantry 70cm, nhưng khi phần cứng PET được đặt vào đã làm giảm đường kính trong của gantry xuống 60cm).

Hình ảnh mô phỏng hệ thống PET/MR phát triển từ máy cộng hưởng từ mMR của Siemens (nguồn: www.healthcare.siemens.com)

Cuộn dây Gradient và cuộn dây RF là thành phần thiết yếu của hệ thống MR. Trong các hệ thống tích hợp PET/MR, sự chuyển đổi nhanh chóng của các cuộn dây gradient tạo ra nhiệt khi chúng được cấp năng lượng. Nhiệt sinh ra có thể làm tăng nhiệt độ trên phần cứng của PET, đặc biệt SiPM phụ thuộc vào nhiệt độ rất nhiều. Vì vậy hệ thống PET/MR yêu cầu phải kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ.

Cải tiến trong hiệu chỉnh độ suy giảm cường độ bức xạ và hiệu chỉnh chuyển động

Các cuộn dây dù có được thiết kế và được đặt trong FOV của PET tối ưu vẫn sẽ làm suy giảm cường độ bức xạ. Để định lượng chính xác, các bản đồ về độ suy giảm đó của các cuộn dây thành phần trong FOV cần được tính toán và sử dụng trong quá trình tái tạo hình ảnh.

Các hệ thống PET/MR ngoài việc hiệu chỉnh độ suy giảm cường độ bức xạ, còn phải tính toán để hiệu chỉnh chuyển động bởi vì các artifacts do chuyển động ảnh hưởng lớn đến độ phân giải của hệ thống PET. Ngoài các dịch chuyển cố định thì các dịch chuyển của bệnh nhân có thể giảm thông qua sự hợp tác của bệnh nhân hoặc dùng thiết bị định vị khi cần xác định chuyển động của tim và hệ hô hấp bằng kỹ thuật gating.

Kết luận

Sau hơn một thập kỷ phát triển liên tục, tập trung chủ yếu vào cải tiến đầu dò PET và tích hợp phần cứng của máy quét PET vào hệ thống MR, máy PET/MR gần đây đã nhanh chóng được sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng. Mặc dù đã có nhiều thách thức kỹ thuật, PET / MR đã trở thành với một công nghệ đáng tin cậy có thể cung cấp hình ảnh chức năng PET, khả năng chụp ảnh MR với hình ảnh giải phẫu với độ phân giải cao, độ tương phản mô mềm tuyệt vời.

Các ống nhân quang silic (G-APD) bán dẫn mới, nhỏ gọn này có sẽ thay thế các ống nhân quang (PMT) thông thường được sử dụng trong các hệ thống PET/CT. Do đó, sự phát triển của công nghệ PET/MR đang bắt đầu một thế hệ máy quét ghép (tích hợp) mới.

Ngoài những thay đổi về phần cứng, hệ thống PET/MR đã có những phát triển mới trong các phương pháp hiệu chỉnh hình ảnh theo sự suy giảm cường độ bức xạ và chuyển động.

 Nguồn tham khảo:

Jonathan A. Disselhorst, Ilja Bezrukov, Armin Kolb, Christoph Parl and Bernd J.Pichler. Principle of PET/MR Imaging. J nucl Med. May 12, 2014.

IAEA – Safety Reports Series No.58. Radiation Protection in newer medical imaging techniques: PET/CT

GS.Mai Trọng Khoa. Ứng dụng kỹ thuật PET/CT trong ung thư.

Các website: www.Jnm.snmjournals.org; www.aapm.org; www.icru.org