Bài viết Quy trình ứng dụng dữ liệu chuyển đổi Hounsfield unit (HU) sang Relative electron density (RED) cho việc tính toán liều điều trị được thực hiện để mô tả các setup hệ đo, phương pháp phân tích số liệu qua đó có bộ dữ liệu chuyển đổi giữa HU sang ED để ứng dụng trong việc tính toán liều điều trị cho bệnh nhân.
Trang 1QUY TRÌNH ỨNG DỤNG DỮ LIỆU CHUYỂN ĐỔI HOUNSFIELD UNIT (HU) SANG RELATIVE ELECTRON DENSITY (RED)
CHO VIỆC TÍNH TOÁN LIỀU ĐIỀU TRỊ
Hoàng Hữu Thái 1 , Nguyễn Thị Hoài 1 , Bảo Lâm 2
TÓM TẮT 70
Mục đích: Tạo file dữ liệu chuyển đổi mật
độ làm cơ sở để tính toán liều lượng trong phần
mềm tính toán liều Monaco 5.51 của hãng
Elekta
Đối tượng và phương pháp: Phantom mật
độ của hãng Sun Nuclear được quét trên máy CT
mô phỏng Somatom Confidence của hãng
Siemens Sử dụng ba chương trình chụp ở ba
vùng giải phẫu: vùng đầu – cổ, vùng ngực và
vùng bụng – chậu Trên mỗi vùng giải phẫu dùng
bốn cao áp để chụp gồm: 80kVp, 100kVp,
120kVp, 140kVp Sử dụng phần mềm Syngo
Acquisition của hãng Siemens để xử lý và thu
thập số liệu
Kết quả: Giá trị HU của các vật liệu gắn trên
phantom đối với các chương trình chụp ở vùng
đầu – cổ (bảng 1), vùng ngực (bảng 2) và vùng
bụng – chậu (bảng 3) Giá trị HU đo được của
các vật liệu khi chụp bằng cao áp 80kVp lớn nhất
rồi giảm dần và giá trị HU thấp nhất được ghi
nhận đối với cao áp 140kVp Dựa vào đồ thị 1,
bảng 1, 2, 3 có thể thấy rằng: đối với các vật liệu
có ED nhỏ hơn 1 (tương đương mô mềm) thì sự
khác nhau của các giá trị HU với các cao áp ít
hơn, gần như là bằng nhau Tuy nhiên đối với các
vật liệu có ED lớn hơn 1 thì có thể thấy sự khác
1
Khoa Xạ Trị, Bệnh viện E
2
Công ty Elekta, Hà Nội
Chịu trách nhiệm chính: Hoàng Hữu Thái
Email: hoanghuuthai159@gmail.com
Ngày nhận bài: 09/9/2022
Ngày phản biện: 30/9/2022
Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2022
biệt giữa các cao áp với nhau, cao nhất đối với 80kVp và thấp nhất đối với 140kVp Tại cao áp 120kVp, giá trị HU trung bình của các vật liệu gắn trên phantom mật độ CT to ED của ba vùng giải phẫu có thể thấy rằng ở các vật liệu có giá trị
ED nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì có giá trị HU đo được lớn nhất ở vùng ngực và thấp nhất ở vùng đầu – cổ Ví dụ như vật liệu Lung LN-450 (ED = 0.44) đối với vùng ngực là -479.50 và giá trị HU đối với vùng đầu – cổ là -558.60 Tuy nhiên, đối với các vật liệu có giá trị ED lớn hơn 1 thì giá trị
HU đo được ở vùng bụng – chậu là lớn nhất, giảm dần đối với vùng đầu – cổ và thấp nhất ở vùng ngực Ví dụ như vật liệu CaCO3 50% (ED
= 1.46) ở vùng bụng – chậu đối với cao áp 120kVp có giá trị HU đo được bằng 1084.50 còn
ở vùng ngực thì giá trị HU bằng 760.60
Kết luận: Dữ liệu chuyển đổi giữa
Hounsfield Unit (HU) sang Relative Electron Density (RED) rất quan trọng đối với việc tính toán liều lượng Do đó, các cơ sở nên tự quét phantom mật độ CT to ED, tạo file dữ liệu chuyển đổi cho riêng cơ sở mình nhằm giảm sai
số tính toán, đạt kết quả điều trị tối ưu nhất cho bệnh nhân
Từ khóa: CT to ED, HU, RED
SUMMARY THE APPLICATION OF THE HOUNSFIELD UNIT (HU) TO RELATIVE ELECTRON DENSITY (RED) DATA FOR THE CALCULATION OF TREATMENT
DOSE
Trang 2Purpose: To study and establish a Dose
calculation using Elekta Monaco planning
system, v5.51 based on Electron Density
conversion
Materials and methods: Siemens Somatom
Confidence CT simulator was used to scan the
density phantom from Sun Nuclear Utilize three
RT protocols for the head-neck, thoracic, and
abdominal-pelvic regions of the body Four high
voltages were employed for imaging on each
anatomical area: 80kVp, 100kVp, 120kVp, and
140kVp Processing and gathering data using
Syngo Acquisition software from Siemens
Result: HU values for phantom-mounted
RODs in the head-neck region (table 1), thoracic
region (table 2), and abdomen-pelvis region
(table 3) The measured HU value of the
materials was highest when imaged with 80kVp
and gradually decreased, with the lowest HU
value recorded for 140kVp Based on graph 1,
table 1, 2, and 3, it is clear that: for materials
with ED less than 1 (soft tissue equivalent), the
HU difference at voltage is less, nearly equal
However, for materials with an ED greater than
1, there is a difference in high voltages, with the
highest being 80kVp and the lowest being
140kVp At 120kVp, the average HU value of
materials attached to the CT to ED density
phantom of the three anatomical regions can be
seen that there is a HU value in materials with an
ED value less than or equal to 1 The largest
measurement was taken in the chest area, and the
smallest in the head and neck area For instance,
the HU value for the head-neck area is -558.60
and the Lung material LN-450 (ED = 0.44) for
the chest area is -479.50 The HU value
measured in the abdomen-pelvis region is the
largest for materials with an ED value greater
than 1, declining for the head-neck region, and
being the lowest in the thorax region For
instance, the observed HU value at 50% CaCO3
material (ED = 1.46) in the belly and pelvis for 120kVp is 1084.50, while the HU value for the chest region is 760.60
Conclusion: Conversion data from Hounsfield Unit (HU) to Relative Electron Density (RED) is required for dose calculations
As a result, facilities should scan CT to ED density phantom on their own, create their own converted data file, and achieve optimal treatment results for patients
Keywords: CT to ED, HU, RED
I MỞ ĐẦU
Ngày nay, các máy gia tốc tuyến tính được sử dụng nhiều trong xạ trị Để điều trị được bệnh nhân trên máy gia tốc thì cần phải chụp mô phỏng bệnh nhân trên máy CT mô phỏng, sau đó lập kế hoạch xạ trị bệnh nhân trên hệ thống TPS (Treatment Planning System) Một trong những yếu tố có vai trò quan trọng nhất đối với hệ thống lập kế hoạch xạ trị đó là dữ liệu chuyển đổi giữa
HU (Hounsfield Unit) sang ED (Electron Density)[1] Với mỗi phần mềm tính liều thì lại yêu cầu những cơ sở dữ liệu riêng Ví dụ như đối phần mềm Monaco của hãng Elekta thì cần dữ liệu chuyển đổi giữa HU sang ED, còn phần mềm Eclipse của hãng Varian lại
sử dụng dữ liệu chuyển đổi giữa HU sang PD (Physical Density) để tính liều Trong các thư viện của phần mềm thường có các bộ dữ liệu mẫu – là bộ dữ liệu được đo đạc trên một
số máy CT mô phỏng tại nhà máy Tuy nhiên, để tính toán liều chính xác nhất thì chúng ta cần phải đo đạc phantom mật độ trên máy CT mô phỏng tại cơ sở của mình Tháng 6 năm 2021, Khoa Xạ trị – Bệnh viện E Trung ương được thành lập và được trang bị máy CT – mô phỏng Somatom Confidence của hãng Simences – CHLB Đức[2] Đây là hệ thống CT chuyên dụng
Trang 3cho mô phỏng xạ trị với các cải tiến mới so
với hệ thống CT thông thường[2] Nghiên
cứu này được thực hiện để mô tả các setup
hệ đo, phương pháp phân tích số liệu qua đó
có bộ dữ liệu chuyển đổi giữa HU sang ED
để ứng dụng trong việc tính toán liều điều trị
cho bệnh nhân
II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu trên hai
đối tượng chính là máy CT – mô phỏng
Somatom Confidence (hình 1) và phần mềm
lập kế hoạch Monaco phiên bản 5.51.10
(hình 2) sử dụng phantom mật độ của hãng Sun Nuclear (hình 3)[3]
Máy CT – mô phỏng Somatom Confidence được hãng Siemens thiết kế dành riêng cho mô phỏng xạ trị với các đặc điểm như là máy CT 20 dãy, đường kính gantry là 78cm lớn hơn đáng kể so với các máy CT thông thường Với tính năng tự hiệu chỉnh mAs dựa theo ảnh tomogram giúp giảm tối
đa liều chiếu lên bệnh nhân Ngoài ra, với một dải cao áp từ 80 đến 140kV phù hợp với nhiều chương trình chụp khác nhau đối với từng vùng giải phẫu khác nhau[2]
Hình 1 Máy CT – mô phỏng Somatom Confidence tại Khoa Xạ trị - Bệnh viện E
Phần mềm lập kế hoạch xạ trị Monaco phiên bản 5.51.10 của hãng Elekta là một hệ thống mạnh mẽ Sử dụng ba thuật toán tính liều cho photon là Pencil Beam, Collapsed Cone, Monte Carlo và thuật toán eMonte Carlo cho electron
Trang 4Hình 2 Giao diện làm việc của phần mềm tính liều Monaco phiên bản 5.51.10
Phantom mật độ được sử dụng trong nghiên cứu này là phantom của hãng Sun Nuclear (hình 3)
Hình 3 Phantom mật độ của hãng Sun Nuclear
Phantom này được thiết kế theo hình khối elip mô phỏng cơ thể người Có tổng cộng 16 vật liệu được chèn vào phantom với vật liệu khác nhau Chi tiết về tên, PD, ED của các vật liệu được thể hiện chi tiết trong hình 4 bên dưới
Trang 5Hình 4 Giá trị ED, PD của các vật liệu của phantom mật độ[3]
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu này được thực hiện thông qua ba bước chính, theo sơ đồ hình 5 bên dưới
Hình 5 Sơ đồ các bước thực hiện nghiên cứu
Phantom mật độ được thiết lập trên bàn CT mô phỏng, căn chỉnh theo laser 3 hướng của
gantry (hình 6)
Hình 6 Thiết lập hệ đo phantom mật độ trên máy CT mô phỏng
Trang 6Với chương trình quét trên ba vùng: vùng
đầu – cổ, vùng ngực và vùng bụng chậu sử
dụng dải kV từ 80 – 100 – 120 – 140kVp Độ
dày mỗi lát cắt CT là 0.3mm Hình ảnh sau
khi chụp được đánh giá các giá trị HU trên
máy CT với các ROI (Region of Interest)
đường kính 2cm Đối với mỗi vật liệu, ghi
nhận giá trị HU trung bình ở 3 slide trung
tâm liên tiếp nhau (hình 7)
Tác giả sử dụng ROI 2cm để đọc giá trị
HU vì với các thể tích càng lớn càng có sự
sai lệch giá trị trung bình Theo phần mềm
Monaco, giá trị mặc định để đọc chỉ số HU
trong các thể tích là ROI 2.5cm Giá trị ROI
có thể thay đổi tuy nhiên khi sử dụng giá trị 2,5cm trong các lần đọc tại các slice khác nhau, tác giả nhận thấy độ chênh lệch không lớn Khi chọn giá trị ROI 2cm (nhỏ hơn) và 3cm (lớn hơn), tác giả nhận thấy có sự thay đổi lớn khi di chuyển và đọc giá trị trung bình ở các slide khác nhau, thậm chí slice liền kề
Ghi nhận giá trị HU cả các vùng giải phẫu, với mỗi vùng ghi nhận giá trị HU ở bốn dải kVp gồm: 80kVp, 100kVp, 120kVp
và 140kVp Ghi nhận và xử lý đánh giá số liệu trên phần mềm Syngo Acquisition của hãng Siemens
Hình 7 Ghi nhận giá trị HU trên màn hình máy CT mô phỏng
III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 Kết quả
3.1.1 Kết quả giá trị HU của các thanh vật liệu đối với đối với các vùng giải phẫu
Giá trị HU của các thanh vật liệu gắn trên phantom chụp trên ba vùng giải phẫu: vùng đầu – cổ, vùng ngực và vùng bụng chậu với các cao áp: 80kVp, 100kVp, 120kVp và 140kVp được thể hiện trong đồ thị 1 (vùng đầu – cổ) và bảng 1, 2, 3
Trang 7Đồ thị 1 Giá trị HU của các vật liệu gắn trên phantom vùng đầu – cổ
Bảng 1 Giá trị HU của các vật liệu gắn trên phantom vùng đầu – cổ
STT Robs/Materials RED 80kV 100kV 120kV 140kV
3 Air 1(inside phantom) 0.01 -1018.9 -1020.6 -1021.0 -1021.2
13 HE Coritcal Bone 1.78 1921.9 1597.1 1300.4 1299.7
14 Air 2 (outside phantom) 0.001 -1009.2 -1009.3 -1009.5 -1009.5
Bảng 2 Giá trị HU của các thanh vật liệu gắn trên phantom vùng ngực
STT Robs/Materials RED 80kV 100kV 120kV 140kV
3 Air 1(inside phantom) 0.01 -893.0 -902.3 -900.4 -906.6
Trang 86 HE Breast 50:50 0.97 -40.9 -36.2 -35.5 -10.7
10 Lung LN-450 0.44 -475.8 -479.6 -479.5 -484.0
13 HE Coritcal Bone 1.78 1691.2 1288.4 1232.3 1146.1
14 Air 2 (outside phantom) 0.001 -989.2 -994.5 -995.7 -996.9
Phantom mật độ có 14 vật liệu với dải
ED từ không khí phía ngoài phantom (ED =
0.001) cho đến các vật liệu tương đương các
vật liệu lớn hơn xương như HE Coritcal
Bone (ED = 1.78) Bảng 1, 2 và 3 trình bày
về giá trị HU trung bình của các thanh vật
liệu gắn trên phantom ct to ed của 3 vùng
giải phẫu: vùng đầu – cổ (bảng 1), vùng ngực
(bảng 2) và vùng bụng – chậu (bảng 3) Giá
trị HU đo được của các thanh vật liệu khi
chụp bằng cao áp 80kVp sẽ lớn nhất rồi giảm
dần và giá trị HU thấp nhất được ghi nhận
đối với cao áp 140kVp Dựa vào đồ thị 1 có thể thấy rằng: đối với các vật liệu có RED nhỏ hơn 1 thì sự khác nhau của các giá trị
HU với các cao áp ít hơn, gần như là bằng nhau Tuy nhiên đối với các vật liệu có RED lớn hơn 1 thì có thể thấy sự khác biệt giữa các cao áp với nhau, cao nhất đối với 80kVp
và thấp nhất đối với 140kVp Ví dụ như đối với vật liệu HE Coritcal Bone (RED = 1.78)
ở vùng đầu – cổ thì giá trị HU ở cao áp 80kVp = 1921.9 còn ở cao áp 140kVp thì
HU = 1299.7
Bảng 3 Giá trị HU của các vật liệu gắn trên phantom vùng bụng – chậu
STT Robs/Materials RED 80kV 100kV 120kV 140kV
3 Air 1(inside phantom) 0.01 -969.9 -970.5 -974.9 -980.4
10 Lung LN-450 0.44 -509.5 -509.5 -515.2 -519.5
13 HE Coritcal Bone 1.78 1766.8 1759.9 1479.8 1206.2
14 Air 2 (outside phantom) 0.001 -1000.9 -990.9 -996.2 -997.3
Trang 93.1.2 Kết quả giá trị HU của các vùng
giải phẫu tại cao áp 120 kVp
Giá trị HU của các thanh vật liệu gắn trên
phantom của ba vùng giải phẫu đo tại 120kV
được thể hiện trong bảng 4 và đồ thị 4
Bảng 4 trình bày về giá trị HU trung bình
của các vật liệu gắn trên phantom mật độ của
ba vùng giải phẫu: vùng đầu - cổ, vùng ngực
và vùng bụng – chậu tại cao áp 120kVp Dựa
vào bảng 4 và đồ thị 4 có thể thấy rằng ở các
thanh vật liệu có giá trị ED nhỏ hơn hoặc
bằng 1 thì có giá trị HU đo được lớn nhất ở
vùng ngực và thấp nhất ở vùng đầu – cổ Ví
dự như vật liệu Lung LN-450 (ED = 0.44) đối với vùng ngực là -479.50 và giá trị HU đối với vùng đầu – cổ là -558.60 Tuy nhiên, đối với các thanh vật liệu có giá trị ED lớn hơn 1 thì giá trị HU đo được ở vùng bụng – chậu là lớn nhất, giảm dần đối với vùng đầu – cổ và thấp nhất ở vùng ngực Ví dụ như thanh vật liệu CaCO3 50% (ED = 1.46) ở vùng bụng – chậu đối với cao áp 120kVp có giá trị HU đo được bằng 1084.50 còn ở vùng ngực thì giá trị HU bằng 760.60
Đồ thị 4 Giá trị HU của các vật liệu gắn trên phantom của các vùng giải phẫu tại cao áp 120kVp Bảng 4 Giá trị HU của các vật liệu gắn trên phantom của các vùng giải phẫu tại cao
áp 120kVp
STT Rods – Materials RED Vùng đầu – cổ Vùng ngực Vùng bụng – chậu
1 Air 1 (inside
Trang 108 HE Liver 1.05 67.37 58.93 67.87
12 HE Coritcal Bone 1.78 1400.43 1232.27 1759.87
3.2 Bàn luận
Hiện nay, các máy CT – mô phỏng được
thiết kế để tối ưu quá trình chụp sao cho chất
lượng hình ảnh tốt nhất Nghiên cứu của
Zhen J Wang cùng các cộng sự năm 2018[4]
chỉ ra rằng hình ảnh khi kết hợp với các chất
cản quang thì chất lượng ảnh chụp ở 80 kVp
tăng khoảng 80% so với 140kVp Các chẩn
đoán ở cao áp thấp có lợi thế như giảm liều
chiếu xạ cho bệnh nhân, giảm lượng chất cản
quang tiêm vào cơ thể đồng thời giảm một số
hiện tượng như rối loạn nhịp giả[5] Một số
nghiên cứu khác của tác giả Sahani cùng các
cộng sự năm 2007[6] và tác giả Wintermark
cùng các cộng sự năm 2000[7] cho kết quả
khi dùng cao áp thấp để chụp ảnh sẽ gia tăng
sự tương phản trong các trường hợp lâm sàng
như CT mạch máu của người cho thận, CT
tưới máu Tuy nhiên, hạn chế của ảnh chụp
khi dùng cao áp thấp là dẫn đến nhiễu ảnh
tăng do đầu ra tia X của nguồn tương đối
thấp và cũng làm tăng sự suy giảm tia X của
bệnh nhân Điều này cũng là một vấn đề
đáng quan tâm Các cao áp thấp phù hợp với
các cấu trúc mô tuy nhiên với những cấu trúc
có mật độ cao như xương hoặc sỏi thận khi
dung cao áp cao sẽ cho độ tương phản cao
hơn[8][9] Do đó, việc sử dụng kết hợp các
cao áp thấp và cao trong chẩn đoán nhằm
mục đích tận dụng các điểm mạnh của từng
cài đặt sao cho hình ảnh nhận được là tối ưu
nhất
Khoa Xạ trị – Bệnh viện E hiện nay là
đơn vị non trẻ, mới được thành lập nên đang
có sự hạn chế về nguồn nhân lực cũng như
sự phối hợp giữa các thành viên kỹ sư và kỹ
thuật viên trong e-kíp nên hiện tại đang sử dụng các protocol được tạo sẵn ở cao áp 120kVp bởi hãng Siemens Đây cũng chính
là lý do tôi so sánh giá trị HU của ba vùng giải phẫu tại cao áp 120kVp (bảng 4) Trong tương lai gần chúng tôi sẽ cố gắng xây dựng bốn chương trình ở bốn cao áp này để áp dụng chụp mô phỏng cho các bệnh nhân, qua
đó tạo sự thống nhất giữa kỹ sư và kỹ thuật viên tại khoa
Bên cạnh đó, với ý nghĩa thực tiễn của đề tài, tác giả hướng đến tiếp tục phát triển đề tài Thực hiện tính toán liều trên phần mềm Monaco, sử dụng 4 dải cao áp vào các vùng tương ứng: vùng đầu cổ, vùng ngực, vùng bụng chậu để so sánh sự khác biệt Đồng thời, sử dụng cùng một giải cao áp vào ba vùng giải phẫu để tìm sự khác nhau về liều hấp thụ tại các mô mật độ cao và thấp vì đường CT to ED chủ yếu khác nhau ở đầu và cuối
Ngoài ra, hiện nay tại Việt Nam, các trung tâm ung thư chủ yếu chỉ được trang bị phantom CT to ED thường, không mua thêm các lõi khác như Titanium vì chi phí rất cao, thậm chí một số cơ sở còn không được trang
bị Tác giả rất mong muốn trong tương lai có thể đề xuất mua thêm lõi Titanium có giá trị RED là 3, 7 để mở rộng đường CT to ED vì phần mềm Monaco hỗ trợ thuật toán Monte Carlo với giá trị RED lên đến 15 Đây cũng
là một hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài Đối với một số cơ sở không có điều kiện
đo dữ liệu chuyển đổi giữa HU và ED mà sử dụng bộ dữ liệu mẫu có sẵn trong phần mềm lập kế hoạch xạ trị (TPS) thì có thể sẽ gặp