Nghiên cứu phương pháp tái tạo hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ sử dụng chuẩn trực dạng pinhole

Bài viết Nghiên cứu phương pháp tái tạo hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ sử dụng chuẩn trực dạng pinhole trình bày phương pháp tính toán ma trận ảnh từ tia chiếu và xác định chùm tia chiếu từ ma trận ảnh.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu phương pháp tái tạo hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ sử dụng chuẩn trực dạng pinhole Tiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và các lĩnh vực khác Section D2: Application of nuclear techniques in industries and others NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO HÌNH ẢNH CHỤP CẮT LỚP PHÁT XẠ ĐỘNG VẬT NHỎ SỬ DỤNG CHUẨN TRỰC DẠNG PINHOLE STUDIES OF IMAGE RECONSTRUCTON METHODS FOR SMALL ANIMAL SINGLE PHOTON EMMISION COMPUTED TOMOGRAPHY USING PINHOLE COLLIMATOR NGUYỄN THANH CHÂU, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, NGUYỄN NGỌC NHẬT ANH Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp Số 01 - DT 723 - Phường 12 - Đà Lạt - Lâm Đồng chaunt@canti.vn Tóm tắt: Để phát triển phương pháp và xây dựng phần mềm tái tạo hình ảnh cho thiết bị chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ sử dụng chuẩn trực pinhole cần có những nghiên cứu khác nhau về hình học và thuật toán tái tạo hình ảnh. Hình học tái tạo là yếu tố đầu tiên quyết định đến chất lượng hình ảnh, sự sai lệch về hình học dù nhỏ cũng sẽ gây nhiễu và làm suy giảm chất lượng hình ảnh tái tạo. Báo cáo này trình bày phương pháp tính toán ma trận ảnh từ tia chiếu và xác định chùm tia chiếu từ ma trận ảnh. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc bỏ qua sự tính toán đóng góp của tia chiếu và mỗi phần tử ma trận ảnh sẽ gây ra nhiễu cũng như bóng ma hình ảnh làm giảm đáng kể chất lượng hình ảnh tái tạo. Các phương pháp khắc phục như tính trọng số đóng góp hoặc độ dài tia chiếu trong từng điểm ảnh làm tăng khối lượng tính toán rất lớn trong khi đó phương pháp nội suy là giải pháp hợp lý để đảm bảo hiệu quả cũng như chất lượng hình ảnh. Hình ảnh tái tạo dựa trên phương pháp tính hình học và các thuật toán cơ bản như chiếu ngược có lọc (FBP), tối đa hóa kỳ vọng (EM) cũng được trình bày trong báo cáo này. Từ khóa: SPECT động vật nhỏ, chuẩn trực pinhole, FBP, EM. Abstract: In order to develop methods and build software for image reconstruction for pinhole small animal Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) systems, it is necessary to have different researches about geometrical configuration and imaging reconstruction algorithms. Geometrical configuration is the first factor that determines the image quality, even small geometrical deviations will cause noise and reduce the quality of the reconstructed image. This report presents the methods of establishing the image matrix from projected ray and determine the ray sum from the image matrix. The results of research show that ignoring the contribution of the projected ray on each element of image matrix will cause noise as well as image ghosting form, significantly reducing the quality of the reconstructed image. Remedial methods such as calculating weights factor or beam lengths in each pixel will increase the computational volume while interpolation method is a reasonable solution to ensure the computational efficiency as well as the quality of image. Reconstructed images based on geometric calculation methods and basic algorithms such as filtered back projection (FBP), expectation maximization (EM) are also presented in this report. Keywords: small animal SPECT, pinhole, FBP, EM. 1. MỞ ĐẦU Chụp cắt lớp điện toán photon đơn năng phát xạ (tiếng Anh: Single Photon Emission Computed Tompgraphy, viết tắt: SPECT) được ứng dụng trong y tế và nhiều ngành khoa học khác. Trong những năm gần đây việc phát triển các cấu hình SPECT ứng dụng để nghiên cứu về phân bố phóng xạ đánh dấu trong động vật nhỏ đang rất được chú trọng. Đặc biệt là cấu hình miniSPECT chuẩn trực lỗ kim (pinhole) giúp cung cấp rõ hơn hình ảnh 3D có độ phân giải cao hữu dụng cho việc đánh giá vị trí và phân bố mật độ chất đánh dấu phóng xạ bên trong các mẫu động vật nhỏ, thông qua sự đo đạc đủ dữ liệu phóng xạ xung quanh mẫu đo và quá trình tái tạo hình ảnh. Nghiên cứu này là một phần công việc của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu chế tạo thiết bị mẫu mini- SPECT ứng dụng trên mẫu chuột phục vụ nghiên cứu y khoa”, mã số ĐTCB.04/20/TTUDKTHN đang được Trung tâm Ứng dụng Kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp chủ trì thực hiện với các nội dung: xây dựng phương pháp tái tạo ảnh SPECT chuẩn trực pinhole, xây dựng phần mềm tái tạo hình ảnh, thử nghiệm trên các số liệu mô phỏng MCNP làm cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị trên thực tế. 2. NỘI DUNG 2.1 Đối tượng, phương pháp và kết quả 2.1.1 Cấu hình hình học pinhole 2D 378 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Cấu hình hình học pinhole 3D sẽ được xây dựng cơ bản từ cấu hình hình học 2D. Nhìn chung bản chất cấu hình hình học pinhole 2D trong xây dựng phần mềm là mối liên hệ của 1 điểm ảnh trong tọa độ xOy với toạ độ LO’γ. Bản chất của hình học pinhole 2D chính là hình học quạt tuy nhiên cần biến đổi nhiều yếu tố trong công thức để phù hợp. Xét cấu hình chùm phân kỳ như hình 1 với pixel (r,ϴ)(x,y) (đơn vị pixel, thuộc hệ tọa độ pixel xOy), R là khoảng cách từ điểm pin- hole đến tâm hệ đo, (x, y) là tọa độ điểm ảnh, γ là góc mở của chùm phân kỳ tại điểm đang xét, β là góc chiếu, L (đơn vị pixel) là khoảng cách từ điểm pinhole đến pixel đang xét. Hình 1. Hình học quạt Xét hệ trục tọa độ xOy và mOn ta có mối liên hệ: x = x1 + x2  x = m.sinα – n.cosα  x = m.sin(90 - β) – n.cos(90 - β)  x= m.cosβ – n.sinβ (1.1) Và y = y1 + y2  y = m.sinβ + n.cosβ ...