Trong hơn 30 năm qua, PET đã trở thành kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh tiêu chuẩn được sử dụng trong điều trị ung thư, theo dõi chức năng, các rối loạn thần kinh và tim mạch. PET cũng là phương pháp hình ảnh phân tử nổi bật trong nghiên cứu con đường sinh học cơ bản của các lại bệnh trên động vật gặm nhấm.
PET sử dụng các dược chất phóng xạ để chẩn đoán và theo dõi điều trị các tình trạng bệnh lý khác nhau. Hình ảnh PET cung cấp thông tin về các con đường tế bào và phân tử của các bệnh lý trong cơ thể con người, bổ sung thông tin từ Gamma camera và SPECT. PET cũng thường được sử dụng cho các nghiên cứu hình ảnh phân tử động vật nhỏ. Việc thu thập dữ liệu PET dựa trên sự phát hiện trùng phùng của hàng triệu cặp photon 511 keV hướng ngược nhau, mỗi photon trong số đó là kết quả của sự tương tác positron (sản phẩm phân rã của hạt nhân phóng xạ của chất đánh dấu) với phản hạt của nó (electron). Các photon được phát hiện bằng các đầu dò bức xạ xếp theo hình trụ.
Hình minh họa quy trình chụp PET: từ trái sang phải, chất đánh dấu gắn phóng xạ được tiêm vào cơ thể bệnh nhân, sau đó quét PET và cuối cùng dữ liệu thu được được xử lý để tái tạo hình ảnh. ADC = bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số; FPGA = mảng thông tin lập trình; TDC = bộ chuyển đổi thời gian sang kỹ thuật số.
Đầu dò bức xạ của PET
Phương pháp xác định đặc điểm của các photon hủy cặp thường được chia thành 2 loại: gián tiếp và trực tiếp. Trong phương pháp phát hiện gián tiếp (scintillation), mỗi photon hủy cặp tới sẽ tương tác tinh thể scintillation thông qua tương tác quang điện hoặc tán xạ Compton. Năng lượng đầu tiên được chuyển đổi thành một dòng các photon ánh sáng nhìn thấy được (năng lượng thấp hơn) và sau đó thành dòng điện sử dụng một hoặc nhiều bộ tách sóng quang. Đây là phương pháp phát hiện được sử dụng trong tất cả các hệ thống PET hiện tại. Trong phương pháp phát hiện trực tiếp, mỗi tương tác photon tới được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng các tinh thể bán dẫn. Cho đến nay, cách tiếp cận này mới chỉ được sử dụng trong nghiên cứu.
Tinh thể vô cơ Scintillation được sử dụng trong PET: Các vật liệu tán xạ vô cơ lý tưởng phải có mật độ và số nguyên tử hiệu dụng cao (Zeff), đồng thời các tín hiệu thu được phải có thời gian tăng và giảm nhanh, điều này rất quan trọng nhằm đảm bảo phân giải thời gian trùng phùng tốt. Để thúc đẩy tạo ra các photon ánh sáng nhìn thấy (tức là các photon quang học), chất hoạt hóa được đưa vào tinh thể thiêu kết vô cơ. Để thúc đẩy độ phân giải không gian tốt, độ phân giải năng lượng và hiệu suất phân giải thời gian trùng phùng (CTR), hiệu suất ánh sáng, Zeff, mật độ và thời gian tăng – giảm đóng vai trò quyết định. Mặc dù hầu hết các hệ thống PET hiện đại được xây dựng bằng cách sử dụng các tinh thể ánh sáng dựa trên lutetium (ví dụ: lutetium – yttrium oxyorthosilicate [LYSO]) vì có hiệu suất ánh sáng cao và đặc tính thời gian lý tưởng. Về cấu hình tinh thể, có 2 dạng hình học chính được sử dụng trong hệ đầu dò PET là rời rạc và nguyên khối. Các mảng tinh thể rời rạc được sử dụng phổ biến nhất, bao gồm một ma trận (mảng) các phần tử sáng hình que riêng lẻ, trong khi thiết kế nguyên khối gồm mảnh lớn vật liệu soi.
Giản đồ của PMT (A) và SiPM (B). SPAD = điốt đơn photon
Bộ tách sóng quang được sử dụng trong hệ đầu dò PET để phát hiện và chuyển đổi các photon thành tín hiệu điện có thể đo được, ống soi được kết hợp với một hoặc nhiều phần tử của đầu dò quang. Nói chung, các bộ tách sóng quang được sử dụng trong PET có thể được chia thành 2 nhóm: ống nhân quang (PMT) và ống nhân quang silicon (SiPM). PMT có lợi thế về mặt kinh tế, độ nhiễu thấp và nhạy cảm với ánh sáng trong vùng nhìn thấy của phổ điện từ. Tuy nhiên, các hệ đầu dò đó tương đối lớn, cồng kềnh và bị ảnh hưởng bởi từ trường nên không thể sử dụng trong các hệ thống PET/MRI. SiPM là thiết bị dò ánh sáng bán dẫn (trạng thái rắn) có độ ưu việt cao, độ lệch nhiệt độ thấp, điện áp hoạt động thấp, thời gian đáp ứng tốt và không nhạy với từ trường. Các loại đầu dò này nhỏ gọn hơn nhiều so với PMT với kích thước pixel và có khoảng chết tối thiểu. Khi một photon chạm vào một microcell, một hạt mang điện tích (điện tử hoặc lỗ trống, tùy thuộc vào cấu hình) được tạo ra với một xác suất nhất định và sau đó được tăng tốc thông qua một điện trường mạnh, gây ra tuyết lở trong vùng khuếch đại. Các sóng mang điện tích từ tất cả các vi ô trong mỗi pixel SiPM được thu thập và tổng hợp song song, tạo ra tín hiệu đầu ra tỷ lệ với số lượng các photon chiếu xạ chạm vào pixel SiPM đó có thể được đo trong thời gian thực. Tùy thuộc vào việc thiết bị điện tử nằm bên ngoài hay được tích hợp trong công nghệ cảm biến, SiPM có thể được phân loại là tương tự hoặc kỹ thuật số.
Thiết bị điện tử thu thập dữ liệu và đọc front-end chịu trách nhiệm xử lý và số hóa các tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng quang và truyền các tín hiệu đã được số hóa đó đến một máy tính để xử lý và tái tạo hình ảnh. Các SiPM tương tự cung cấp các tín hiệu tương tự. Bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số tốc độ cao được sử dụng để số hóa chính xác các tín hiệu tương tự này, từ đó người ta có thể trích xuất vị trí tinh thể, năng lượng và thời gian đến của tương tác photon. Do tính linh hoạt, độ tin cậy và hiệu quả chi phí, đơn vị tín hiệu kỹ thuật số thường được áp dụng để điều khiển, nhận và xử lý dữ liệu số hóa từ các bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số trước khi truyền đến máy tính để phân tích thêm phần mềm và tái tạo hình ảnh. Về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), cách tiếp cận tốt nhất để trích xuất vị trí tương tác photon 511keV và độ phân giải tạm thời là đọc từng phần tử trong ma trận bộ tách sóng quang riêng lẻ. Phương pháp ghép kênh phổ biến nhất là logic Anger (được sử dụng rộng rãi trong các Gamma camera dựa trên NaI), trong đó tất cả các tín hiệu bộ tách sóng quang được kết hợp, chẳng hạn như thông qua mạng điện trở.
Phương pháp phát hiện trực tiếp: Đầu dò bán dẫn thường được sử dụng trong phát hiện bức xạ để chuyển đổi trực tiếp bức xạ tới thành tín hiệu điện (quá trình tạo, vận chuyển và thu thập ánh sáng trung gian). Trong các đầu dò photon bán dẫn, tương tác photon 511keV giống hệt như trong trường hợp phát hiện gián tiếp (scintillation), trong đó các tương tác ion hóa tạo ra một vệt của cặp electron-lỗ trống. Tuy nhiên, điều khác biệt nằm ở quá trình hình thành và thu thập tín hiệu. Trong đầu dò bán dẫn, dưới ảnh hưởng của điện áp phân cực đặt trên các điện cực, các mặt đối diện của tinh thể, các hạt mang điện tích di động trôi và tạo ra dòng điện trên một trong hai điện cực. Tích phân của dòng điện cảm ứng theo thời gian cung cấp tổng điện tích cảm ứng trên mỗi điện cực, ngoài tác dụng làm suy giảm điện tích, tỷ lệ thuận với năng lượng của tương tác photon 511keV. Tín hiệu dòng điện thu được được đọc qua mạch điện tử có độ nhạy cao và độ nhiễu thấp. Thông thường, thành phần đầu tiên của chuỗi mạch đọc front-end là một bộ khuếch đại nhạy cảm với điện tích. Chức năng cơ bản của bộ khuếch đại nhạy điện tích là tích hợp tín hiệu dòng điện và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện áp. Bộ khuếch đại nhạy điện tích thường được theo sau bởi một bộ khuếch đại định hình, bộ khuếch đại này sẽ khuếch đại tín hiệu và lọc bỏ nội dung nhiễu từ tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại nhạy cảm với điện tích để cải thiện SNR. Bộ khuếch đại định hình cũng đóng vai trò quan trọng là nhanh chóng phân rã tín hiệu xuống mức cơ bản để tránh các vấn đề chồng chất và làm cho hệ thống thu thập dữ liệu xử lý các tín hiệu tiếp theo mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của việc trích xuất thông tin thời gian và năng lượng từ tín hiệu. Đầu ra của bộ khuếch đại định hình có thể được đưa đến bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số để số hóa tín hiệu và xử lý sau. Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của đầu dò photon bán dẫn là CTR kém, điều này làm hạn chế việc sử dụng đầu dò bán dẫn trong thiết kế máy PET theo thời gian bay (TOF). Cho đến nay, không có hệ thống PET lâm sàng nào sử dụng đầu dò dựa trên chất bán dẫn. Để được sử dụng làm đầu dò bức xạ hiệu quả cho PET, vật liệu bán dẫn phải có Zeff và mật độ cao, dày ít nhất vài cm; phải có điện trở suất cao và dòng điện rò rỉ thấp; mang lại số lượng cặp điện tử-lỗ trống cao trên mỗi tương tác cho SNR của đầu dò. Các tinh thể bức xạ bán dẫn thường được nghiên cứu cho đầu dò PET là cadimi kẽm Telluride và cadmium telluride.
Từ khóa: NaI; SiPM; đầu dò; PET
– CMD&DND –
