Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng máy PET thông qua phần mềm geant4

Trên thế giới hiện nay người ta đã mô phỏng hệ thống máy PET dự trên công cụ GATE được thực hiện bởi “Laboratory of Functional Imaging, U678 INSERM, Paris, France” kết quả sau khi mô phỏ

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET

THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG MÁY PET

THÔNG QUA PHẦN MỀM GEANT4

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN VIỆT CƯƠNG

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình, chu đáo với tinh thần khoa học và trách nhiệm cao của Thầy/Cô trong khoa Kĩ thuật Hạt Nhân và Vật lý môi trường của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành và kính trọng nhất đến:

TS Phan Việt Cương không chỉ là Thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình hướng dẫn, động viên và truyền đạt kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, Thầy đã tạo những điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến TS Trần Kim Tuấn và các Thầy/Cô trong trong khoa Kĩ thuật Hạt Nhân và Vật lý môi trường của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn Tôi cũng cũng bày tỏ tấm lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy/Cô đã truyền đạt kiến thức trong quá trình học, Phòng Sau Đại Học, khoa Kĩ thuật Hạt Nhân và Vật

lý môi trường của trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Cảm ơn bạn bè của tôi đã động viên tôi

Cuối cùng, con xin gửi lời biết ơn chân thành tới ba mẹ, gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để con thực hiện việc học và làm luận văn tốt nhất

LỜI CAM ĐOAN

Tôi học viên: Nguyễn Tuấn Anh Mã số học viên: CB150035

Xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này thực hiện một cách nghiêm túc

và trung thực Các số liệu tính toán và mô phỏng của tôi hoàn toàn trung thực không

sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

NGƯỜI CAM ĐOAN

NGUYỄN TUẤN ANH

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY PET 13

1 Giới thiệu về máy PET 13

2 Lịch sử của máy ghi hình PET/CT trên thế giới và tình hình ở nước ta 13

3 Những dược chất phóng xạ sử dụng cho máy PET/CT 14

4 Nguyên lý ghi hình của máy PET 16

5 Cấu tạo của hệ thống máy PET/CT 18

5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CT 20

a Cấu tạo máy phát tia X 20

b Nguyên lý hoạt động: 21

5.2 Cấu tạo của hệ thống máy PET 22

5.2.1 Cấu tạo và chức năng khối xử lý tín hiệu trùng phùng 23

5.2.1.1 Hệ Detector ghi nhận tín hiệu 25

5.2.1.2 Hệ khuếch đại tín hiệu: 26

5.2.1.3 Hệ xác định năng lượng 27

5.2.1.4 Hệ xác định vị trí và thời gian 27

5.2.1.5 Mạch trùng phùng 28

5.2.2 Khối biến đổi tín hiệu ADC 29

5.2.3 Cơ chế xây dựng ảnh trong hệ thống máy PET/CT 30

CHƯƠNG II CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ TRONG MÁY PET KHI MÔ

PHỎNG THÔNG QUA CÔNG CỤ GEANT4 32

1 Giới thiệu về chương trình GEANT4 32

2 Cấu trúc chương trình Geant 4 33

3 Cách thức xây dựng một ứng dụng trong GEANT4 35

3.1 Hàm main 35

3.2 Xây dựng hệ detector trong Geant 4 36

3.3 Mô tả các quá trình vật lý trong Geant 4 36

3.4 Quá trình tạo một event mô phỏng trong Geant4 36

4 Mô phỏng cấu trúc hệ detector trong máy PET bằng chương trình GEANT4 36 4.1 Mô phỏng cấu trúc hệ detector: 36

4.2 Mô phỏng các quá trình vật lý 39

4.2.1 Quá trình phân rã của 18F 39

4.2.2 Mô phỏng tương tác của 18F với vật chất 39

4.2.3 Hiệu ứng quang điện 41

4.2.4 Tán xạ Compton 42

4.3 Tạo Event cho chương trình mô phỏng 45

CHƯƠNG III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47

1 Hình dạng và cấu trúc của hệ detector trong máy PET 47

2 Khảo sát đánh giá quãng chạy và phổ năng lượng của positron trong phantom

49

3 Phổ năng lượng ghi nhận và nhận xét 52

4 Dạng phổ thời gian các photon đến detector 53

5 Dạng phổ năng lượng và thời gian khi 2 cặp detector đối xứng xét trùng

phùng 54

6 Kết quả khảo sát sự thay đổi của vị trí nguồn đặt hạt nhân 18F ảnh hưởng đến kết quả trùng phùng 57

6.1 Phổ năng lượng được ghi nhận 58

6.2 Phổ thời gian được ghi nhận 60

6.3 Khảo sát kết quả trùng phùng của từng vị trí 63

7 Khảo sát sự thay đổi kích thước của phantom ảnh hưởng đến kết quả trùng phùng 68

7.1 Phổ năng lượng ghi nhận khi thay đổi bán kính phantom 69

7.2 Phổ năng lượng ghi nhận khi thay đổi bán kính phantom 71

7.3 Kết quả trùng phùng khi thay đổi bán kính phantom 72

KẾT LUÂN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÝ KIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

18F-FDG Fluorine-18-2-Fluoro-2-DeoxyGlucose

GSO Gadolinium Oxyorthosilicate

LSO Lutetium Oxyorthosilicate

PET Positron Emission Tomography

ADC: Analog To Digital Converter

CPU: Central Prosessing Unit

SPECT/CT: Positron Emission Tomography /Computed Tomography GEANT4 Geometry and Tracking

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Nguyên lý ghi hình của máy PET 16

Hình 1 2: Sơ đồ minh họa quá trình phân rã + của 18F trong môi trường và sự hủy cặp positron/electron để hình thành 2 tia gamma 511 keV 17

Hình 1 3: Các đường nối sự kiện trùng phùng 17

Hình 1 4: Hệ thống thiết bị ghi hình của máy PET 18

Hình 1 5: Hình ảnh kết hợp PET/CT 19

Hình 1 6: Sơ đồ khối máy PET/CT 20

Hình 1 7: Cấu tạo của máy CT 20

Hình 1 8: Quá trình hoạt động của máy CT 22

Hình 1 9: Sơ đồ khối quá trình hoạt động của máy PET 22

Hình 1 10: Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu của máy PET 24

Hình 1 11: Năng luợng photon tương tác với tinh thể nhấp nháy 25

Hình 1 12: Nguyên lý hoạt động của hệ khuếch đại tín hiệu 27

Hình 1 13: Quá trình thu nhận tín hiệu trùng phùng 28

Hình 1 14: Hình ảnh các photon ngược chiều chuyển động trong môi trường vật chất 28

Hình 1 15: Sơ đồ khối mạch biến đổi tín hiệu ADC 29

Hình 1 16: Hành ảnh sau khi chụp PET/CT 31

Hình 2 1: Sơ đồ kết nối giữa các lớp trong geant 4 34

Hình 2 2: Hình ảnh cấu trúc của hệ detector 37

Hình 3 1: Cấu trục hệ detector trong hệ thống máy PET 47

Hình 3 2: Hình ảnh 3D cấu hình hệ detector được mô phỏng 48

Hình 3 3: Cấu hình hệ detector và phantom 49

Hình 3 5: Quãng chạy của positron trong phantom nước 50

Hình 3 6: Phổ năng lượng của positron 50

Hình 3 7: Hình ảnh ghi nhận của hệ detector 52

Hình 3 8: Phổ năng lượng của photon ghi nhận được ở detector 0 và detector 16 53

Hình 3 9: Thời gian photon đi đến detector 0 và detector 16 54

Hình 3 10: Phổ năng lượng trùng phùng detector 0 và detector 16 55

Hình 3 11: Dạng phổ trùng phùng về thời gian detector 0 và detector 16 56

Hình 3 12: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ nhất 58

Hình 3 13: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ hai 59

Hình 3 14: Phổ năng lượng của cặp detector tại vị trí thứ ba 60

Hình 3 15: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ nhất 61

Hình 3 16: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ hai 62

Hình 3 17: Phổ thời gian của cặp detector tại vị trí thứ ba 62

Hình 3 18: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ nhất 63

Hình 3 19: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ nhất 64

Hình 3 20: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ hai 65

Hình 3 21: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ hai 65

Hình 3 22: Phổ năng lượng trùng phùng tại vị trí thứ ba 66

Hình 3 23: Phổ trùng phùng theo thời gian tại vị trí thứ ba 67

Hình 3 24: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 6 cm 69

Hình 3 25: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 8 cm 70

Hình 3 26: Phổ năng lượng khi chưa trùng phùng ở bán kính 10 cm 70

Hình 3 27: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 6 cm 71

Hình 3 28: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 8 cm 71

Hình 3 29: Phổ thời gian khi chưa trùng phùng ở bán kính 10 cm 72

Hình 3 30: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 6 cm 73

Hình 3 31: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 6 cm 73

Hình 3 32: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 8 cm 74

Hình 3 33: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 8 cm 75

Hình 3 34: Phổ năng lượng trùng phùng tại phantom có bán kính 10 cm 76

Hình 3 35: Phổ thời gian trùng phùng tại phantom có bán kính 10 cm 76

MỞ ĐẦU

Kể từ khi ra đời cho đến hiện nay, các ứng dụng của phương pháp chụp cắt lớp positron (Positron Emission Tomograpgy – PET) đã trải qua lịch sử phát triển trên 30 năm Từ giữa những năm 1970, PET bắt đầu được sử dụng nghiên cứu trong các bệnh thần kinh và tim mạch Hơn một thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu nhận thấy PET còn là một công cụ chẩn đoán rất có giá trị trong ung thư Khác với các phương pháp chẩn đoán hình ảnh cấu trúc, giải phẫu như chụp cắt lớp vi tính (Computed Tomography – CT) hay cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging - MRI), PET ghi lại hình ảnh định tính và định lượng quá trình sinh - bệnh lý và chuyển hóa của các bệnh lý thông qua dược chất phóng xạ (DCPX) được đánh dấu

Về nguyên lý, bất cứ đồng vị phóng xạ (ĐVPX) nào có khả năng phát positron đều

có thể dùng làm chất đánh dấu trong chụp hình PET Sự kết hợp giữa PET và CT trong cùng một hệ thống PET/CT cho phép khai thác tối ưu các lợi thế của PET là xác định hoạt tính chuyển hóa của tổ chức kết hợp với các thông tin xác định vị trí, biến đổi cấu trúc của tổn thương trên hình ảnh CT Nhờ các tiến bộ không ngừng về công nghệ sản sinh ra các thế hệ PET/CT mới, sự phát triển liên tục các DCPX được sử dụng trong nghiên cứu và lâm sàng đã ngày càng góp phần khẳng định vai trò quan trọng của phương pháp này trong y học hiện đại[1]

Nước ta hiện nay mới có một vài máy PET được nhập nguyên chiếc từ nước ngoài về để sử dụng trong việc chụp hình và chuẩn đoán bệnh cho con người như tại: Khoa Y học Hạt nhân - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy TPHCM, Khoa chuẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Việt Đức [2] Do đó, tất cả các thiết bị này hiện nay việc bảo dưỡng bảo trì vẫn còn phụ thuộc vào các hãng sản xuất thiết bị đó Thiết bị chụp xạ hình cắt lớp Positron PET trên toàn quốc vẫn chưa có một cơ sở nào nghiên cứu và chế tạo chúng Các nghiên cứu

về công nghệ cũng như các mô phỏng về máy PET ở nước ta hiện nay còn rất hạn chế Vì vậy nhu cầu đặt ra hiện nay cần từng bước nghiên cứu về công nghệ máy

PET để từng bước tự chủ về bảo trì bảo dưỡng máy, cũng như chế tạo ra được hệ thống máy PET tại Việt Nam

Để nghiên cứu phát triển máy PET thì mô phỏng quá trình hoạt động của máy PET để đánh giá hoàn thiện máy PET là việc làm cần thiết khi thiết kế và chế tạo máy PET Trên thế giới hiện nay người ta đã mô phỏng hệ thống máy PET dự trên công cụ GATE được thực hiện bởi “Laboratory of Functional Imaging, U678 INSERM, Paris, France” kết quả sau khi mô phỏng PET của phòng thí nghiệm này

là đưa ra cấu hình của máy PET, số sự kiện trùng phùng, hệ thống detector ghi nhận được và hình ảnh được tái tạo lại từ các sự kiện trùng phùng GATE là một công cụ được phát triển dựa trên nền tảng của Geant4 GATE là một công cụ có bản quyền

và cần trả kinh phí khi muốn sử dụng

Từ những nhu cầu và tình hình thực tế ở Việt Nam thì bài luận văn này hướng tới việc tìm hiểu cấu trúc và cấu tạo của hệ thống PET từ những kiến thức về máy PET này sẽ tiến hành mô phỏng hiệu suất ghi nhận tín hiệu trùng phùng của máy PET Từ code mô phỏng ghi nhận tín hiệu trùng phùng này sẽ khảo sát, đánh giá hiệu suất trùng phùng của hệ detector trong máy PET khi hạt nhân phóng xạ nằm ở các vị trí khác nhau trong phantom và hiệu suất trùng phùng khi kích thước của phantom thay đổi Code mô phỏng được xây dựng dựa trên công cụ Geant4, công cụ được phát triển bởi Cơ quan nghiên cứu Vật lý hạt nhân Châu Âu (CERN) đây là công cụ lập trình hướng đối tượng Công cụ Geant4 đã được ứng dụng thực hiện rất nhiều mô phỏng về các hệ thống máy trong YHHN, cũng như các ngành năng lượng khác như ngành hàng không vũ trụ Geant4 là một công cụ có mã nguồn

mở nên có thể dễ dàng cài đặt và sử dụng Vì những lợi ích và dễ dàng sử dụng nên tôi chọn công cụ Geant4 là công cụ để mô phỏng trong bài luận văn này

Để tạo ra code mô phỏng ghi nhận tín hiệu trùng phùng thông qua công cụ Geant4 thì ta cần làm những nội dung chính sau:

+ Mô phỏng cấu hình hệ detector máy PET sử dụng để ghi nhận tín hiệu + Mô phỏng hạt nhân phóng xạ và phantom trong máy PET

+ Mô phỏng quá trình vật lý xảy ra trong PET

+ Tạo code sử lý các tín hiệu đã ghi nhận được đưa ra phổ năng lượng, phổ thời gian và tín hiệu trùng phùng ghi nhận được

Code mô phỏng trong bài luận văn này có thể được sử dụng trong tương lai

để mô phỏng tối ưu hoá hệ PET nhằm phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo hệ PET trong thời gian tới tại Việt Nam

Nội dung của khóa luận “Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng máy PET thông qua công cụ GEANT4” bao gồm 3 chương:

Chương 1- Tổng quan về máy PET: Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu về máy PET lịch sử hình thành máy PET và Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của máy PET

Chương 2 – Các quá trình vật lý trong máy PET khi mô phỏng thông qua công cụ Geant4: Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu về chương trình GEANT4, đưa ra cấu hình mô phỏng của hệ detector, cấu hình của phantom nước, thông số của hạt nhân phóng xạ 18F và các quá trình vật lý xảy ra trong khi ghi nhận của hệ detector

Chương 3 – Kết quả mô phỏng: Trong chương này chúng tôi sẽ đưa ra kết quả mô phỏng của hệ detector trong máy PET Đánh giá phổ năng lượng, phổ thời gian ghi nhận được khi chạy chương trình mô phỏng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY PET

1 Giới thiệu về máy PET

Thiết bị PET (Positron Emission Tomograpgy) có vai trò rất quan trọng trong phát hiện khối u ung thư cũng như theo dõi đánh giá kết quả của các phương pháp điều trị PET vừa cho hình ảnh giải phẫu vừa cho hình ảnh chức năng chuyển hóa của khối u Nguyên tắc cơ bản của ghi hình khối u bằng PET là cần phải có cơ chế tập trung DCPX một cách đặc hiệu dựa trên cơ sở những khác biệt về sinh lý học hoặc chuyển hóa giữa khối u và tổ chức lành Kể từ khi ra đời cho đến hiện nay, các ứng dụng của phương pháp chụp cắt lớp positron (Positron Emission Tomograpgy – PET) đã trải qua lịch sử phát triển trên 30 năm Hiện nay thiết bị chụp xạ hình cắt lớp Positron nói chung bao gồm cả PET và MicroPET được dùng khá phổ biến ở các nước trên thế giới Các thiết bị này được trang bị cho các cơ sở nghiên cứu sản xuất đồng vị phóng xạ, các bệnh viện nghiên cứu và chuẩn đoán bằng đồng vị phóng xạ

2 Lịch sử của máy ghi hình PET/CT trên thế giới và tình hình ở nước ta

Vào thập niên 1970, Tatsuo Ido làm việc tại phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Brookhaven National Laboratory) lần đầu tiên mô tả thành công quá trình tổng hợp thuốc phóng xạ 18F-FDG (Fluorine-18-2-Fluoro-2-DeoxyGlucose)[3]

Tháng 8 năm 1976, Giáo sư Abass Alavi đã tiêm thử nghiệm thuốc phóng xạ trên cho hai người tình nguyện tại trường đại học Pennsylvania Và sau đó, phương pháp ghi hình cắt lớp positron (PET) được giới thiệu rộng rãi đến cộng đồng y tế như là một phương pháp ghi hình phóng xạ mới với độ an toàn cao và liều bức xạ thấp Tại thời điểm đó, PET được xem như là một phương pháp nghiên cứu mới,

mở ra cánh cửa cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu và tìm hiểu quá trình chuyển hóa sinh học của các tổn thương trong cơ thể bệnh nhân Giai đoạn từ 1970 đến những năm cuối thế kỷ 20, lần lượt các thế hệ máy PET ra đời, khởi đầu là máy

là máy PET với các khối đầu dò bố trí liên tục với nhau tạo thành một hình trụ các đầu dò để ghi nhận tín hiệu photon [4]

Máy ghi hình PET được ứng dụng nhiều trong chẩn đoán hình ảnh, nhất là trong lĩnh vực ung bướu, PET giúp chẩn đoán và theo dõi bệnh lý ung thư Tuy nhiên, thời gian này kỹ thuật ghi hình PET còn rất phức tạp, do đó phương pháp ghi hình PET trong thời gian này được ứng dụng chủ yếu tại các nước phát triển, nơi có nền y khoa tiến bộ

Năm 1998 máy ghi hình kết hợp PET/CT đầu tiên được phát minh bởi Dr Ron Nutt và Dr David Townsend trong dự án hợp tác với trường đại học Pittsburgh Thiết bị này được tạp chí Time’s (Time’s Magazine) bình chọn là phát minh y khoa của năm 2000 Tiếp sau đó, năm 2001 một lần nữa được bình chọn là sản phẩm của năm

Ngày nay, kỹ thuật ghi hình PET/CT được nhiều quốc gia sử dụng vì những

ưu điểm của nó trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý ung thư, thần kinh và tim mạch Số liệu thống kê vào năm 2009 cho thấy, có khoảng 2000 máy PET/CT được lắp mới tại Mỹ, trong khi số máy tại Châu âu vào khoảng 350 máy

Ở nước ta kỹ thuật ghi hình PET/CT được đưa vào ứng dụng lâm sàng chậm hơn so với các nước phát triển Cụ thể bệnh nhân PET/CT được ghi hình lần đầu của Việt Nam là ngày 04/03/2009 tại đơn vị PET/CT và Cyclotron - bệnh viện Chợ Rẫy Tính đến tháng 12/2012, cả nước có 6 máy PET/CT tập trung tại 02 thành phố lớn là Hà Nội và Hồ Chí Minh Tại Hà Nội, các bệnh viện có trang bị máy ghi hình PET/CT là: bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Quân y 108 và bệnh viện Việt Đức và tại Thành phố Hồ Chí Minh là: bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện 115 và bệnh viện Quân y 175

3 Những dƣợc chất phóng xạ sử dụng cho máy PET/CT

Dược chất phóng xạ sử dụng trong máy PET/CT được tạo bởi đồng vị phóng

xạ phát positron làm chất đánh dấu gắn với các chất hoá sinh và các phân tử thuốc Dược chất phóng xạ có thể là các đồng vị phóng xạ 15

O2 hoặc là hợp chất của đồng

vị phóng xạ và các nguyên tố bền khác 13NH3, 11C-Acetate, 18F-FDG Có nhiều phương tiện để sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong ghi hình y học hạt nhân và PET/CT như máy gia tốc thẳng (Linac), máy gia tốc vòng (Cyclotron) hay lò phản ứng hạt nhân (nuclear reactor) Tuy nhiên, phổ biến và tiện lợi nhất hiện nay là máy Cyclotron, sử dụng kỹ thuật gia tốc chùm ion âm Ưu điểm của các máy Cyclotron

là chúng cho hiệu suất sản xuất đồng vị cao, chùm tia hội tụ tốt và phông bức xạ tàn

dư thấp Ở nước ta hiện nay có 5 trung tâm có trang bị máy Cyclotron đó là, bệnh viện quân y 108 (Hà Nội), bệnh viện Việt Đức/Viện kỹ thuật hạt nhân (Hà Nội), bệnh viện Chợ Rẫy (TPHCM), Bệnh viện đa khoa Đà Năng và trung tâm xạ Hà Nội

Bảng 1 1: Các loại dược chất sử dụng trong máy PET/CT

Hiện nay, bốn DCPX dùng trong PET chính thức công nhận bởi FDA: Na18F cho hình ảnh xương, 82RbCl để đánh giá tới máu cơ tim trong khu vực trong việc chuẩn đoán và nội địa hóa của nhồi máu cơ tim, 18FDG để xác định các vùng chuyển hóa bất thường glucose và các bệnh ác tính nguyên phát và di căn và 13NH3

để đánh giá lưu lượng máu cơ tim 18

FDG hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất

4 Nguyên lý ghi hình của máy PET

PET dựa trên nguyên lý sử dụng các DCPX (đồng vị phóng xạ phát bức xạ positron gắn với hợp chất đánh dấu) tập trung vào các mô trong cơ thể cần khảo sát theo cơ chế chuyển hóa, hoạt động chức năng Quá trình trao đổi chất, chuyển hóa, tổng hợp protein ở khối u tăng cao hơn so với tổ chức lành, do đó việc vận chuyển

và kết hợp nhiều acid amin trong tổ chức ung thư sẽ tăng lên so với tổ chức bình thường, nên 11C-methionine và 11C-tyrosine được sử dụng để ghi hình các khối u ung thư bằng PET Các tế bào khối u cũng có nhu cầu sử dụng glucose tăng cao hơn

tổ chức bình thường nên có thể dùng 18F gắn glucose (FDG) để ghi hình khối u ung thư bằng PET

Hình 1 1: Nguyên lý ghi hình của máy PET

Một hệ thống ghi hình PET đơn giản được minh họa trong hình dưới đây với nguyên lý làm việc như sau: Khi positron được tạo ra sẽ kết hợp với một electron để hình thành một nguyên tử gọi là “positronium” có thời gian sống rất ngắn 10-10 giây rồi sau đó xảy ra hiện tượng hủy cặp (positron – electron annihilation) Quá

trình hủy cặp positron-electron sẽ đồng thời sinh ra hai photon theo hướng ngược nhau 1800 và mỗi photon sẽ có năng lượng đúng bằng năng lượng nghỉ của positron/electron là 511 keV do định luật bảo toàn năng lượng toàn phần và định luật bảo toàn động lượng

Hình 1 2: Sơ đồ minh họa quá trình phân rã + của 18 F trong môi trường và sự hủy

cặp positron/electron để hình thành 2 tia gamma 511 keV

Một cặp photon sinh ra từ sự hủy positron di chuyển theo 2 chiều trái ngược nhau được phát hiện bởi 2 detector đặt trong vòng detector Vòng detector này được lắp đặt các cặp detector để ghi nhận đồng thời nhiều cặp photon được tạo ra từ bất

kỳ vị trí nào trên đối tượng cần chụp hình Một cặp photon như vậy gọi là một cặp trùng phùng (coincidence)

Mỗi sự kiện trùng phùng được gắn với một LOR xác định Mỗi một lần máy PET bênh nhân chụp máy PET thì có đến hàng triệu sự kiện trùng phùng Nếu một máy PET có n đầu dò trên một vòng tròn thì số sự kiện trùng phùng tối đa mà các cặp đầu dò đối diện nhau trên cùng vòng tròn là

2

2

n

Một sự kiện trùng phùng thì có thể được ghi nhận ở 2 đầu dò ở 2 vòng tròn khác nhau Các dữ liệu trùng phùng được lưu trữ trong các sinogram Thông tin trong sinogram sẽ được chuyển đổi thành hình ảnh nhờ phần mềm tái tạo ảnh chuyên dụng Máy PET tại cùng một thời điểm có thể ghi nhận hàng triệu dữ liệu như vậy, tạo nên hình ảnh phân bố phóng xạ trong không gian của tổ chức, cơ quan trong cơ thể

Hình 1 4: Hệ thống thiết bị ghi hình của máy PET

5 Cấu tạo của hệ thống máy PET/CT

Hiện nay để tăng hiệu quả chẩn đoán hình ảnh người ta kết hợp giữa máy PET và máy CT Về hoạt động, chức năng chụp CT là chùm photon được tạo ra từ bên ngoài bằng ống phát tia X, xuyên qua cơ thể bệnh nhân và được ghi nhận bởi đầu dò phía đối diện nguồn tia X Khi đó Máy CT cho hình ảnh cấu trúc giải phẫu

rõ nét của các cơ quan, định vị chính xác kết hợp với hình ảnh chức năng, chuyển hóa ở mức độ tế bào, mức độ phân tử của ảnh PET Do vậy, PET/CT có khả năng phát hiện tổn thương và các biến đổi bất thường trong cơ thể ở những giai đoạn rất sớm sự hình thành, phát triển và di căn của các khối u Các kết quả ghi bằng máy PET/CT góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán và điều trị ung thư, đặc biệt là đánh giá được đáp ứng của bệnh sau mỗi đợt điều trị, giúp bác sỹ lựa chọn phác đồ tối ưu đảm bảo hiệu quả điều trị cao nhất cho bệnh nhân

Hình 1 5: Hình ảnh kết hợp PET/CT

Hình 1 6: Sơ đồ khối máy PET/CT

5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CT

a Cấu tạo máy phát tia X

Hình 1 7: Cấu tạo của máy CT

Máy CT gồm các bộ phận chính sau:

T: Tube là bóng phát tia X Bóng phát tia X này cho độ mỏng của chùm tia và cường độ chùm tia chuẩn hơn so với các bóng phát tia X của máy chụp X quang D: Detectors là hệ thống đầu đầu đo các tia X sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân

Có chức năng: Ghi nhận độ hấp thụ của các chùm tia X quang phát ra từ bóng phát tia X Số lượng và chất lượng của hệ đầu đô này ảnh hưởng rất nhiều đến hình ảnh đủa ra của máy CT

R: là một hệ thống gồm ray, động cơ, khung… Chức năng: tạo chuyển động quay cho bóng phái tia X và hệ thống detector để có thể chụp được tất cả các vị trí của bộ phận cơ thể bệnh nhân

Hệ thống bàn: Gồm mạch điều khiển, động cơ bước, bàn cho bệnh nhân nằm

Chức năng: Giúp bệnh nhân có thể dịch chuyển cao thấp, lui tiến theo chế độ điều khiển của hệ thống máy tính

Hệ thống điều khiển và hiển thị hình ảnh: Nhìn vẻ ngoài nó giống như một hệ thống máy tính thông thường Tại đây người các lệnh điều khiển cho máy được thực hiện hoàn toàn bằng phần mềm trên một hệ điều hành Các tín hiệu hình ảnh và quản lí thông tin bệnh nhân cũng được xử lí tại đây

Máy rửa phim: Hoạt động như một máy rửa phim số thông thường

b Nguyên lý hoạt động:

Chùm tia X sẽ được phát ra từ bóng phát, chùm tia X này sẽ đi xuyên qua cơ thể bệnh nhân cần chụp và đến hệ detectors ở đối diện, hệ detector này sử dụng các đầu dò bán dẫn cho phép lượng hóa sự suy giảm của tia X sau khi đi qua cơ thể Độ nhạy của hệ đầu dò trên cao hơn rất nhiều so với phim X- quang Hệ thống máy tính sẽ biến đổi các thông tin được lượng hóa này thành hình ảnh Cơ quan hay tổ chức cơ thể nào có mức độ cản tia nhiều như: Xương, sỏi, vôi hóa… sẽ có màu trắng đục và ngược lại nếu cản ít thì hình ảnh cho ra sẽ có màu tối

Hình 1 8: Quá trình hoạt động của máy CT

5.2 Cấu tạo của hệ thống máy PET

Sơ đồ tổng quát của một máy PET được sử dụng tại bệnh viện:

Hình 1 9: Sơ đồ khối quá trình hoạt động của máy PET

Các khối chính của một máy PET:

- Khối xử lý tín hiệu trùng phùng: Ghi nhận các tín hiệu trùng phùng phát ra từ bệnh nhân

- ADC: Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

- Motor và điều khiển bằng tay: Điều khiển bệnh nhân lên xuống vào ra và quay

hệ detector

- Máy tính và hiển thị: Máy tính có tốc độ xử lý nhanh, ổ cứng với dung lượng lớn, bộ nhớ có dung lượng lớn hơn để xử lý tái tạo hình ảnh, hiển thị kết quả với hình ảnh có độ phân giải và chất lượng màu sắc cao hơn

- Phần mềm trong máy PET thực hiện các chức năng sau:

+ Thu nhận dữ liệu, xử lý ảnh, cho phép ghi hình các cơ quan, xử lý hình ảnh, lưu trữ, in, truyền ảnh qua internet

+ Phần mềm ghi hình tim mạch: có cổng điện tim và không có cổng điện tim, tái tạo ảnh 3 chiều Có thể ghi hình tĩnh, ghi hình động, ghi hình cắt lớp, ghi hình bể máu (blood pool) đánh giá chức năng tim

+ Có chức năng ghi hình phổi, ghi hình tuyến giáp, phần mềm ghi hình thận, gan- đường mật, ghi hình não

+ Xử lý kết quả: phương pháp xử lý kết quả của máy PET tương tự máy gamma camera, ngoài ra trong máy PET này còn có thêm phần mềm để tái tạo hình ảnh Để

sử dụng phần mềm này người sử dụng phải có kinh nghiệm lựa chọn các tham số khi xử lý kết quả (tần số cắt bỏ, hệ số hiệu chỉnh sự suy giảm khi bức xạ đi qua bề dày khác nhau ) để có được hình ảnh trung thực của cơ quan cần nghiên cứu

5.2.1 Cấu tạo và chức năng khối xử lý tín hiệu trùng phùng

Nhiêm vụ của khối xử lý tín hiệu trùng phùng ghi nhận các tín hiệu trùng phùng phát ra từ bệnh nhân nằm trong dãy năng lượng cho phép và định vị được tọa

độ của nơi phát ra bức xạ photon Bức xạ phát ra tương tác với các mô cơ thể nên có

thể xảy ra sự suy giảm năng lượng của bức xạ do tán xạ Compton Hơn nữa các tia

bức xạ tham gia tán xạ Compton trong cơ thể bệnh nhân thường bị lệch hướng, do

đó nó không phản ánh đúng vị trí nơi phát bức xạ và cần được loại bỏ Một tín hiệu

được ghi nhận là trùng phùng khi 2 photon cùng dải năng lượng, được ghi nhận ở

cùng một thời gian tại 2 detector đối xứng thì mới ghi nhận là một điểm phát bức

xạ Dưới đây là sơ đồ khối của khối xử lý tín hiệu trùng phùng:

Hình 1 10: Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu của máy PET

Cấu tạo của một hệ thống máy PET sẽ gồm:

- Hệ thống detector ghi nhận tín hiệu

- Pre-amp: Hệ thống tiền khuyếch đại tín hiệu

- Amp: Hệ khuyếch đại tín hiệu

- Energy discrimination: Hệ xác định năng lượng

- Position & timing: Hệ xác định vị trí và thời gian đến detector

- Coincidence circuit: Mạch trùng phùng

5.2.1.1 Hệ Detector ghi nhận tín hiệu

Hiện nay có nhiều hệ detector ghi nhận tín hiệu khác nhau, nhưng phổ biến nhất hiện nay là kiểu vòng tròn gồm 128 detector tinh thể nhấp nháy được tạo thành

4 vòng tròn , có đường kính trong là 38 cm Hệ thống này có tốc độ đếm cực đại là 1,5x106 xung/giây, có thể chụp được 7 lát cắt trong 1 giây

Quá trình tương tác của bức xạ trong detector là: các bức xạ đập vào bản tinh thể nhấp nháy và tương tác với tinh thể Khi bức xạ tương tác có thể xảy ra hiện tượng quang điện hay hiệu ứng compton là tùy vào vật chất cấu tạo nên tinh thể Sau đó năng lượng photon truyền cho electron ion hóa sẽ được truyền cho môi trường và gây nên sự phát ánh sáng nhấp nháy Số lượng ánh sáng nhấp nháy sinh

ra tỉ lệ với năng lượng photon tương tác Nếu là tương tác quang điện thì toàn bộ năng lượng gamma được hấp thụ Khi đó xung tín hiệu tổng ở đầu ra của ống nhân quang có độ cao nằm trong vùng cửa sổ chọn lọc và sẽ được ghi nhận Tín hiệu ứng với tương tác compton thường không nằm trong ngưỡng cửa sổ chọn lọc và bị loại

bỏ Một số loại tinh thể nhấp nháy thường dùng dùng trong máy PET là: CsF, BGO,

Hình 1 11: Năng luợng photon tương tác với tinh thể nhấp nháy

Dưới đây là bảng đặc tính kĩ thuật của tinh thể nhấp nháy thường được sử dụng cho máy PET

Bảng 1 2: Đặc tính kĩ thuật của tinh thể nhấp nháy

Trong 4 tinh thể này thì LSO thường được sử dụng để sử dụng làm tinh thể nhấp nháy cho máy PET [11]

Sau khi bức xạ qua tinh thể nhấp nháy tạo thành ánh sáng thì sẽ được đưa vào ống dẫn sáng thường làm bằng chất Plexiglas, mặt trong thành ống có phủ lớp bạc để phản xạ tốt ánh sáng và hấp thụ ánh sáng Ánh sáng nhấp nháy từ bản chất nhấp nháy phát ra đi đến ống dẫn sáng bị phản xạ ánh sáng liên tiếp và cuối cùng đến các ống nhân quang Tác dụng của ống dẫn sáng là tăng hiệu suất đếm và xác định chính xác vị trí phát nhấp nháy

Ống nhân quang điện có chức năng biến đổi ánh sáng nhấp nháy thành tín hiệu điện Các bộ phận của ống nhân quang gồm: photocathode (quang electron), anode, dynode và các điện cực

5.2.1.2 Hệ khuếch đại tín hiệu:

Do tín hiệu được ghi nhận từ đầu dò có xung biên độ bé và dạng xung không đồng đều nên nếu đưa luôn tín hiệu vào bộ biến đổi ADC thì ADC không thể phân tích được Vì vậy cần một bộ khuếch đại phổ để ghi nhận tín hiệu

Hình 1 12: Nguyên lý hoạt động của hệ khuếch đại tín hiệu

Nguyên lí hoạt động của sơ đồ khối này là:

Khi tín hiệu từ đầu dò vào sẽ được đưa qua mạch vi phân tín hiệu để cắt đuôi xung tín hiệu, loại bỏ phần DC trong tiền khuếch đại nhạy điện tích Đồng thời tín hiệu sẽ được đưa qua mạch khử không để cho xung tín hiệu thành xung đơn cực và không có bướu âm Sau đó tín hiệu sẽ được đưa qua hai mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại thuật toán Khi tín hiệu được khuếch đại lên thì cần phải được tạo dạng tín hiệu và tín hiệu sẽ được đưa qua một mạch tạo dạng tín hiệu Tín hiệu đi qua mạch tạo dạng sẽ có dạng xung gần giống dạng xung mà ta yêu cầu Khi đó tín hiệu sẽ được đưa qua một tầng khuếch đại số để khuếch đại tín hiệu lên

5.2.1.3 Hệ xác định năng lƣợng

Do photon phát ra sẽ tương tác với vật chất trong cơ thể người làm thay đổi năng lượng photon Vì vậy hệ xác định năng lượng cho chức năng đánh giá năng lượng còn lại của photon khi đến detector

5.2.1.4 Hệ xác định vị trí và thời gian

Để đánh giá 2 photon có cùng một vị trí phát ra không chúng ta cần phải xác định vị trí của từng photon đấy, thời gian photon đến detector

5.2.1.5 Mạch trùng phùng

Chức năng chính của mạch trùng phùng là so sánh tín hiệu ghi nhận của 2 detector đối xứng xem 2 photon ghi nhận được từ 2 detector có cùng năng lượng vị trí và thời gian không Nếu photon này có năng lượng vị trí và thời gian đến dectetor thì mạch trùng phùng ghi nhận đây là tín hiệu trùng phùng

Hình 1 13: Quá trình thu nhận tín hiệu trùng phùng

Khi positron tương tác với electron sẽ tạo ra 2 photon ngược chiều mang năng lượng 511 keV, các photon này tương tác với vật chất xảy ra hiệu ứng quang điện

và tán xạ Compton vì vậy photon đi đến được detector sẽ xảy ra các 3 trường hợp chính sau:

Hình 1 14: Hình ảnh các photon ngược chiều chuyển động trong môi trường vật

chất

Trong đó 2 photon ngược chiều trong hình a là một tín hiệu tốt và sẽ được ghi nhận là một tình hiệu trùng phùng 2 tín hiệu còn lại ở hình b và hình c sẽ được loại

bỏ bởi hệ thống vách ngăn ở các detector

5.2.2 Khối biến đổi tín hiệu ADC

Sơ đồ khối của một mạch biến đởi ADC thông thường:

Hình 1 15: Sơ đồ khối mạch biến đổi tín hiệu ADC

Nguyên lí hoạt động của bộ biến đổi ADC:

Khi khối khuếch đại đưa tín hiệu vào khối giữ đỉnh thì khối giữ đỉnh có nhiệm vụ nhớ biên độ cực đại của tín hiệu vào và ZLP sẽ chuyển từ thấp lên cao để nạp điện cho tụ C Khi tụ C được nạp điện đến biên độ xung tín hiệu thì PD sẽ chuyển từ cao xuống thấp và tụ C phóng điện và mạch điều khiển logic sẽ chuyển tín hiệu cho phép ADC bắt đầu phân tích, đồng thời sẽ điều khiển GATE từ thấp lên cao để không cho tín hiệu vào khối giữ đỉnh Khi ADC biến đổi xong nó phát tín hiệu cho EOC để bộ vi xử lý nhận tín hiệu và kết thúc quá trình biến đổi, bộ điều khiển logic sẽ chuyển GATE từ cao xuống thấp để sẵn sàng cho một quá trình biến đổi tiếp theo

Phóng điện

Điều khiển logic

(Sliding)

5.2.3 Cơ chế xây dựng ảnh trong hệ thống máy PET/CT

Các tín hiệu vị trí và năng lượng từ các đầu đo ghi nhận được sẽ truyền đến trung tâm qua khối hợp kênh đến các ADC để số hóa trước khi đi vào máy tính chính xử lý số liệu ảnh, cải thiện chất lượng ảnh, tích luỹ ảnh, tái tạo phân bố hoạt động trong không gian ba chiều

Hình ảnh trong máy PET/CT sẽ được thu nhận bằng cách biến đổi thành các tín hiệu số nhờ quá trình xử lý bởi kỹ thuật máy tính Hình ảnh kỹ thuật một hình bao gồm nhiều hình vuông sắp xếp sát bên nhau có cường độ sáng tối khác nhau Những hình vuông đó gọi là pixel, đó là những phần tử cơ bản tạo nên ảnh, quyết định độ phân giải trong không gian của ảnh Khi số hình vuông chứa trong ảnh đủ lớn và kích thước mỗi ảnh đủ nhỏ thì những hình vuông đó không còn thấy riêng biệt nữa nên ảnh thấy mịn Ta có thể gọi ảnh là một ma trận, những phần tử trong

ma trận là các pixel Mỗi pixel có một giá trị gọi là giá trị pixcel

Trong kĩ thuật ảnh số khả năng lưu trữ số liệu có liên hệ với số lượng điểm ảnh Đối với ma trận có kích thước rộng thì yêu cầu dung lượng và thời gian xử lý cao hơn so với ma trận có kích thước hẹp Quá trình tạo ảnh trong kĩ thuật số không được tạo trực tiếp phải qua quá trình biến đổi ADC Các hệ detector trong máy PET

sẽ chuyền tín hiệu lỗi ra qua ADC và đưa vào hệ thống máy tính đồng thời với quá trình thu nhận tín hiệu Khi máy thu nhận tín hiệu sẽ được chuyển sang dạng số dùng để xác định địa chỉ trong vùng bộ nhớ tương ứng với các vị trí của các tương tác của photon trong tinh thể Nội dung của các vùng trong bộ nhớ sẽ tăng tuần tự Tín hiệu ADC sẽ dùng trực tiếp để tái tạo ảnh trên bố nhớ và hình ảnh này sẽ được lưu trữ trên máy tính Trong ma trận ảnh, mỗi điểm ảnh được biểu diễn tại một vị trí

có địa chỉ trong bộ nhớ của máy tính Hay nói cách khác, mỗi photon khi được ghi nhận bởi hệ detector là một điểm ảnh có vị trí cụ thể Tập hợp các điểm ảnh ta được một hình ảnh hoàn chỉnh Các tín hiệu này được máy tính xử lý để tạo ra các điểm ảnh Trong qua trình thu nhận tín hiệu vị trí điểm ảnh nào càng có nhiều photon đến thì độ xám càng lớn hơn Dưới đây hình ảnh thu nhận được sau khi chụp máy PET

Hình 1 16: Hành ảnh sau khi chụp PET/CT

CHƯƠNG II CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ TRONG MÁY PET KHI MÔ

PHỎNG THÔNG QUA CÔNG CỤ GEANT4

1 Giới thiệu về chương trình GEANT4

GEANT4 (GEometry ANd Tracking) là một bộ công cụ miễn phí, được sử

dụng để mô phỏng sự vận chuyển của các hạt qua môi trường vật chất bằng phương pháp Monte Carlo Đây là một chương trình mô phỏng mã nguồn mở, cung cấp một tập hợp các quá trình vật lý đa dạng để mô phỏng tương tác của các hạt từ hạt cơ bản cho đến ion nặng với môi trường trên một dải năng lượng rộng GEANT4 được xây dựng trên nền tảng ngôn ngữ lập trình C++, khai thác và ứng dụng các tiến bộ của kỹ thuật lập trình hướng đối tượng, hỗ trợ người dùng trong việc xây dựng và

sử dụng các thành phần cần thiết Chương trình được phát triển và sử dụng bởi một cộng đồng rộng lớn các nhà khoa học hiện đang tham gia nhiều thí nghiệm lớn ở Châu Âu, Mỹ, Nhật, Nga, Các lĩnh vực ứng dụng của GEANT4 rất rộng, bao gồm:

• Vật lý hạt nhân và hạt cơ bản

• Khoa học không gian

• Y học hạt nhân, xạ trị

Các chức năng chính của chương trình Geant 4:

- Mô phỏng tương tác của các hạt cơ bản (lepton, hadron, boson, ) cũng như các ion với vật chất

- Theo dõi hạt từ khi sinh ra cho đến khi hạt đi ra khỏi hình học mô phỏng hoặc động năng của hạt bằng 0 (tương ứng với động năng của hạt nhỏ hơn một giá trị cut off nào đó)

- Tổng hợp các thông tin, cho kết quả đầu ra ghi nhận bởi các detector

2 Cấu trúc chương trình Geant 4

Sơ đồ các lớp trong Geant4 được trình bày trong hình 2.1 Chức năng của các lớp như sau:

 global: bao gồm hệ thống các đơn vị, hằng số, các số liệu và quản lý các số ngẫu

nhiên

 Hai lớp materials và particles : bổ sung các công cụ cần thiết để mô tả các tính

chất vật lý của các hạt và vật liệu cho quá trình mô phỏng tương tác của hạt với vật chất

 geometry: cung cấp chức năng miêu tả dạng hình học và sự truyền của hạt qua nó

 track: chứa các lớp miêu tả đường đi của hạt, được sử dụng bởi processes 35

 processes: bao hàm tất cả các quá trình tương tác vật lý của hạt Tất cả các quá trình này được gọi bởi tracking

 tracking: quản lý sự phát triển trạng thái đường đi của hạt, cung cấp thông tin về

sự va chạm của hạt trong thể tích detector quan tâm và cho ra số liệu

 event: quản lý số sự kiện trong giới hạn đường đi của chúng

 run: quản lý tập hợp các sự kiện

 readout: cho phép điều khiển các sự kiện tích lũy Khả năng sử dụng tất cả các

loại này và kết nối với các công cụ bên ngoài phần mềm Geant4 thông qua giao

diện trừu tượng visualization, persistency và interface

Hình 2 1: Sơ đồ kết nối giữa các lớp trong geant4

Geant4

Event

Interfaces Persistenc

y Run

Global

Intercoms

3 Cách thức xây dựng một ứng dụng trong GEANT4

GEANT4 chỉ là một công cụ, để có thể thực hiện mô phỏng một thí nghiệm nào đó

ta phải tự xây dựng và biên dịch ứng dụng từ mã nguồn Để xây dựng một ứng dụng

mô phỏng, cần thực hiện các bước chính sau đây:

• Xây dựng hình học (hình dạng và các thông số kích thước liên quan, vật liệu, tọa độ)

• Xác định các quá trình vật lý liên quan

• Khởi tạo một sự kiện

• Xác định những thông tin cần thu nhận trong quá trình mô phỏng Ngoài ra, tùy trường hợp cũng cần thực hiện một số công việc như:

• Vẽ quỹ đạo của các hạt

• Xây dựng các lệnh cho giao diện tương tác

3.1 Hàm main

Hàm main() có chức năng tổ chức chạy các lớp con trong quá trình mô phỏng Hàm main() được xây dựng trên cơ sở khởi tạo các con trỏ của hai lớp công cụ:

- G4RunManager: Lớp này quản lý quá trình thực thi của toàn bộ chương trình mô phỏng, đồng thời quản lý vòng lặp trong mỗi lần chạy chương trình G4RunManager cũng đảm nhận vai trò quản lý các khởi tạo ban đầu, các lớp mô phỏng cấu trúc của detector, lớp mô tả các quá trình vật lý quá trình vật lý (bao gồm loại hạt và các quá trình vật lý tương ứng) lớp khởi tạo ra hạt sơ cấp trong mỗi event, và các yêu cầu cần thiết khác trong quá trình mô phỏng

- G4Uimanager: là lớp kiểm soát các thao tác lệnh và giao diện người dùng Trong

hàm main(), con trỏ đến phần quản lý giao diện có thể thu được bằng lệnh:

G4Uimanager∗UI = G4UImanager : : GetUIpointer () ;

3.2 Xây dựng hệ detector trong Geant 4

Để xây dựng hệ detector, người dùng trước tiên cần xây dựng một lớp cụ thể

(concrete class) hay còn gọi là lớp dẫn xuất (derived class) của lớp

G4VUserDetectorConstruction có chức năng mô tả toàn bộ thiết đặt của detector bao gồm:

 Vật liệu được sử dụng

 Dạng hình học, thông số về kích thước của detector

 Dạng hình học, kích thước bao quanh (world)

+ Tọa độ của detector trong hệ quy chiếu là hình học bao quanh

3.3 Mô tả các quá trình vật lý trong Geant 4

Để mô tả các quá trình vật lý trong Geant4 chúng ta cần xây dựng lớp thừa

kế từ lớp G4VUserPhysicsList Lớp này có nhiệm vụ mô tả tất cả các hạt và quá

trình vật lý có thể xảy ra Các thông số cho ngưỡng cắt (cut-off) cũng được khai báo

trong lớp này Lớp khai báo các thông tin sau:

 Loại hạt sử dụng mô phỏng

 Quá trình vật lý đối với từng loại hạt được mô phỏng

3.4 Quá trình tạo một event mô phỏng trong Geant4

Để khởi tạo một event mô phỏng trong Geant4 người ta xây dựng lớp con thừa kế lớp G4VUserPrimaryGeneratorAction để khai báo các thông tin bao gồm:

Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi tiến hành mô phỏng một hệ PET giả định với hệ detector là LSO (Lu2Si05), kích thước mỗi detector có chiều dài 6cm, chiều rộng 6cm và chiều cao 3cm Hệ detector được cấu tạo bởi 9 vòng detector sắp xếp cạnh nhau mỗi vòng detector thì được tạo bởi 32 detector Dưới đây là hình dạng hệ detector được mô phỏng:

Hình 2 2: Hình ảnh mô phỏng cấu trúc của hệ detector

Như đã đề cập, để mô phỏng hệ detector chúng ta cần xây dựng lớp dẫn xuất

từ lớp G4VUserDetectorConstruction Trong lớp này, vật liệu và cấu trúc hình học của detector nhấp nháy được mô tả như sau:

+ Vật liệu:

Vật liệu được định nghĩa dựa vào thành phần hóa học của nó Để định nghĩa vật liệu trước tiên chúng ta cần định nghĩa các nguyên tố có mặt trong thành phần cấu trúc của vật liệu, bằng cách sử dụng đinh nghĩa nguyên tố trong lớp G4Material Các nguyên tố được định nghĩa bằng cách chỉ ra tên nguyên tố, kí hiệu nguyên tố,

Đoạn code khai báo vật liệu chất nhấp nháy trong chương trình

G4Element* O=man->FindOrBuildElement("O" isotopes);

G4Element*Si=man->FindOrBuildElement("Si",isotopes);

G4Element*Lu=man->FindOrBuildElement("Lu",isotopes);

+ Mô tả dạng hình học của hệ detector:

Hệ mô phỏng trong Geant4 được hình thành từ một số khối (volume)

Mỗi khối được tạo ra bằng cách mô tả hình dạng, tính chất vật lý, và sau đó đặt trong một không gian chứa thể tích đó Để mô tả hình dạng của từng khối, cần phải chỉ ra hình dạng và kích cỡ của khối đó Trong mô phỏng này, hai hình dạng được

sử dụng là dạng khối và dạng trụ nên chúng tôi sử dụng G4Box và G4Tubs.Để mô

tả đầy đủ tính chất của một khối, chúng tôi sử dụng G4LogicalVolume, bao gồm hình dạng và vật liệu tạo nên khối đó