Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5

Bài viết Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5 trình bày các kết quả tính toán để thiết kế tối ưu cấu hình chuẩn trực bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Code MCNP5 được sử dụng để xây dựng cấu hình mô phỏng bao gồm mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8mm; vật mẫu có đường kính 50 mm cách mảng đầu dò 200 mm, giữa phantom và mảng đầu dò là bộ chuẩn trực lỗ kim bằng chì dày 10 mm với đường kính và chiều cao kênh được thay đổi phục vụ cho việc khảo sát.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán thiết kế cấu hình chuẩn trực lỗ kim thiết bị chụp cắt lớp phát xạ động vật nhỏ bằng code mô phỏng MCNP5 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 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẤU HÌNH CHUẨN TRỰC LỖ KIM THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP PHÁT XẠ ĐỘNG VẬT NHỎ BẰNG CODE MÔ PHỎNG MCNP5 PINHOLE COLLIMATOR DESIGN FOR SMALL ANIMAL SINGLE PHOTON EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY USING MCNP5 SIMULATION CODE NGUYỄN NGỌC NHẬT ANH, ĐẶNG NGUYỄN THẾ DUY, NGUYỄN THANH CHÂU Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp Số 01 - DT 723 - Phường 12 - Đà Lạt - Lâm Đồng Email: anhnnn@canti.vn Tóm tắt: Thiết bị chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ được thiết kế có độ phân giải cao hơn nhiều so với thiết bị SPECT lâm sàng dựa vào hệ thống đầu dò nhạy vị trí kích thước nhỏ và chuẩn trực dạng lỗ kim. Báo cáo này trình bày các kết quả tính toán để thiết kế tối ưu cấu hình chuẩn trực bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Code MCNP5 được sử dụng để xây dựng cấu hình mô phỏng bao gồm mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8mm; vật mẫu có đường kính 50 mm cách mảng đầu dò 200 mm, giữa phantom và mảng đầu dò là bộ chuẩn trực lỗ kim bằng chì dày 10 mm với đường kính và chiều cao kênh được thay đổi phục vụ cho việc khảo sát. Dựa vào các kết quả thu được sau khi tiến hành chạy mô phỏng, để đảm bảo độ phân giải không gian tối thiểu là 1.5 mm, độ nhạy tối thiểu là 0.2 cps/µCi tại khoảng cách 200mm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt 70% giá trị tối đa theo yêu cầu thiết kế thì khoảng tối ưu của đường kính lỗ kim từ 0.6 mm đến 0.75 mm, chiều dài kênh lỗ kim từ 4 mm đến 8 mm. Các kết quả thể hiện rằng khoảng tối ưu của đường kính và chiều dài kênh có thể được sử dụng cho thiết kế thiết bị mẫu SPECT. Từ khóa: Phương pháp Monte Carlo, chuẩn trực lỗ kim, SPECT động vật nhỏ, độ phân giải không gian, độ nhạy. Abstract: The small animal Single Photon Emission Computed Tomography (small animal SPECT) equipment is designed with a spatial resolution higher than clinical SPECT by using a small size position sensitive detector system and pinhole collimator. This report presents the results of calculation to find the optimal parameters of the pinhole collimator including pinhole diameter and channel height by using Monte Carlo simulation. The MCNP5 code was used to build the simulation configuration including a position sensitive NaI(Tl) array detector of size 50x50x8mm, the 50mm diameter phantom placed at a distance of 200mm from the array detector and 10 mm thickness lead pinhole collimator between the phantom and the detector with variable diameter and channel height for investigating. The results showed that to ensure a minimum spatial resolution of 1.5 mm, minimum sensitivity of 0.2 cps/µCi at a distance of 200mm, and the signal to noise ratio about 70% of maximum value according to design requirements, the optimal range of the pinhole diameter is around 0.6mm to 0.75mm, the channel length is from 4mm to 8mm. The determined parameters of pinhole will be used for design of the SPECT prototype device. Keywords: Monte Carlo method, pinhole collimator, mini-SPECT, spatial resolution, sensitivity. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu về hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ (SPECT) động vật nhỏ dựa trên thiết bị chụp cắt lớp SPECT sử dụng chuẩn trực lỗ kim (pinhole) và mảng đầu dò NaI(Tl) có sử dụng các mảng ống nhân quang nhạy vị trí (PSPMT) [1-4]. Đặc biệt là chuẩn trực lỗ kim trong thiết bị SPECT có thể giúp cung cấp hình ảnh 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. Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra kích thước tối ưu của đường kính và chiều dài kênh dẫn của chuẩn trực lỗ kim sao cho hình ảnh SPECT đạt được có độ phân giải không gian và độ nhạy đầu dò tối ưu nhất bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để phục vụ đề tài “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. Code MCNP5 được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số thiết kế chuẩn trực lỗ kim trong thiết bị mẫu mini-SPECT lên độ phân giải không gian và độ nhạy. 2. NỘI DUNG 2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1.1. Cấu hình mô phỏng trong MCNP5 Cấu hình thí nghiệm mô phỏng bằng MCNP5 được thiết kế như Hình 1 nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim lên độ phân giải không gian và độ nhạy, với khoảng cách từ tâm nguồn Technetium-99m (Tc-99m) có năng lượng 140 keV [1] đến bề mặt mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) 453 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 là 200 mm, giữa nguồn và mảng đầu dò bố trí một bộ chuẩn trực lỗ kim. Trong đó mảng đầu dò nhạy vị trí NaI(Tl) có kích thước 50x50x8 mm được chia thành ô mạng 64x64 ô. Khi khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ nhạy thì nguồn Tc-99m hình cầu có đường kính 10 mm đặt ngay tâm của phatom hình cầu vật liệu tương đương với mô động vật sống có đường kính 50 mm được sử dụng [1], và khi khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế chuẩn trực lỗ kim đến độ phân giải không gian thì nguồn điểm Tc-99m được sử dụng thay thế cho nguồn cầu và phantom nói trên [1]. Hình 1. Cấu hình mô phỏng chuẩn trực lỗ kim bằng MCNP Cấu hình chuẩn trực lỗ kim cần khảo sát bằng mô phỏng MCNP5 được thể hiện như trong Hình 2, trong đó để khảo sát sự ảnh hưởng của thông số thiết kế của pinhole đến độ phân giải không gian thì đường kính lỗ kim D được thay đổi từ 0.5 mm đến 2 mm và ...