Luận văn Đề tài: Chụp cộng hưởng từ MRI

Chụp cộng hưởng từ hay MRI Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 1 Thiết bị cảm biến và y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Luận văn Đề tài Chụp cộng hưởng từ MRI Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 2 Thiết bị cảm biến[.]

Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Luận văn Đề tài: Chụp cộng hưởng từ MRI Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Chụp cộng hưởng từ MRI Sinh viên thực hiện: Vũ Trọng Bằng Đặng Việt Hùng Dương Văn Khoa 20090211 20091286 20091437 ĐK&TĐH4 ĐK&TĐH6 ĐK&TĐH2 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Lan Hương Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Phần Giới thiệu Chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonance Imaging) kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo hình ảnh giải phẫu thể nhờ sử dụng từ trường sóng radio Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân Felix Block Edward Puroel phát vào năm 1946, cộng hưởng từ ứng dụng rộng rãi từ năm 1950 Năm 1952, nhà vật lý Felix Block Edward Puroell tra giải Nobel Vật lý nhờ phát ứng dụng cộng hưởng từ Năm 1980, máy cộng hưởng từ giới đưa vào hoạt động để tạo ảnh thể người Năm 1987, MRI ứng dụng chẩn đoán bệnh lý tim mạch kỹ thuật cardiac MRI Năm 1993, ứng dụng MRI để chẩn đoán bệnh lý não thần kinh Ngày nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) trở thành phổ biến y học chẩn đốn hình ảnh giới bệnh viện lớn Việt nam NST giới thiệu vài thông tin Kĩ thuật MRI có nước ta để bạn tham khảo 1/ Sự hình thành phương pháp chụp cộng hưởng từ Felix Block Edward Purcell phát tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào năm 1946 Cộng hưởng từ ứng dụng bắt đầu phát triển nước tiên tiến vào năm 1950 đến 1970 giải Nobel vật lý năm 1952 cho nhà vật lý tạo tiền đề cho việc phát triển MRI Tiến sỹ Raymond Damidian cơng bố kết cơng trình nghiên cứu cấu trúc thể người, theo kết ông phát thể người phần lớn nước nước phát tín hiệu mà dị tìm Đó sở để áp dụng cho việc tạo ảnh từ cộng hưởng từ năm sau ông cộng nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị chụp ảnh cấu trúc thể người cộng hưởng từ Năm 1980 máy cộng hưởng từ đời sử dụng cho việc chụp hình ảnh y tế.Năm 1987 chụp cộng hưởng từ có bước tiến đưa cộng hưởng từ vào việc chẩn đoán bệnh lý tim mạch.Năm 1993 cộng hưởng từ ứng dụng cho việc chẩn đoán chức hoạt động não Đến ngày Cộng hưởng từ ( MRI ) trở thành phổ biến ưa chuộng kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh tính xác độ an tồn Nó thay Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 số phương pháp chẩn đoán phải dùng số thiết bị xâm nhập thể tránh nhiều rủi ro giảm đau đớn người bệnh Hình 1.1 Cơ chế tạo từ trường Cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonnance Imaging) ngày sử dụng rộng rãi xác, an tồn khơng xâm nhập thể, MRI đáp ứng thay cho số phương pháp phải sử dụng thiết bị xâm nhập thể gây nguy hiểm đến tính mạng gây đau đớn cho bệnh nhân, với độ phân giải cao hình ảnh chiều MRI đem lại hình ảnh sắc nét hay nhiều phận thể MRI không sử dụng tia xạ để tạo ảnh X-Quang hay Cắt lớp ( CT ) người chụp không bị ảnh hưởng tia X Ngày với hệ thống MRI đại lồng kín sử dụng nam châm siêu dẫn (các hệ thống có từ lực từ Tesla trở lên) có ưu vượt trội độ phân giải, tốc độ chụp, độ dày lát chụp, so với hệ thống mở sử dụng nam châm cổ điển ( hệ thống có từ lực Tesla) nên đáp ứng hầu hết định chuyên khoa sâu Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 tim mạch, sọ não, thần kinh, mạch máu, giúp chẩn đoán điều trị bác sỹ đạt độ xác cao Chụp MRI phương pháp đưa thể vào vùng từ trường cực mạnh hoạt động theo chiều định, tất nguyên tử phân tử nước thể chuyển động tự theo nhiều chiều tác động từ trường có định hướng hệ thống MRI thay đổi chiều chuyển động theo hướng định sau hệ thống thu tín hiệu bắt chiều chuyển động nguyên tử để truyền hệ thống vi tính xử lý tín hiệu tạo hình ảnh Khi thể khỏi vùng từ trường nguyên tử phân tử nước lại trở lại trạng thái bình thường 2/ Các đặc điểm MRI Hiện phương pháp ứng dụng cho chẩn đốn hình ảnh MRI phương pháp tiên tiến đại nên phương pháp đem lại giá trị chẩn đoán điều trị cao nhất: • • • • Hình ảnh MRI cho phép tiếp cận trực quan đến nhiều cấu trúc phức tạp thể để đánh giá chức hoạt động chúng mà không cần xâm nhập MRI phương pháp tốt để phát sớm đánh giá tình trạng khối u Các mơ mềm tim, gan, thận, phổi, chụp tạo ảnh 3D với khoảng cách điểm ảnh 1mm để dễ dàng phát tổn thương nhỏ rõ mà phương pháp chẩn đốn hình ảnh khác khơng có MRI phương pháp tạo ảnh dựa nguyên lý cộng hưởng từ trường mà không sử dụng tia X nên tránh cho bệnh nhân khỏi ảnh hưởng tia X Tuy nhiên MRI có số yếu tố cần ý: • • • MRI vùng từ trường mạnh nên bệnh nhân có vật thiết bị hỗ trợ kim loại thể gây nhiễu hình ảnh khơng định chụp Phụ nữ có thai 12 tuần tuổi nên hạn chế chụp MRI cho dù chưa có khuyến cáo tác hại đến sức khỏe tổ chức y tế giới Chi phí cho ca chụp MRI thường cao số phương pháp siêu âm, XQuang, CT, Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Phần 2: Nguyên lý hoạt động Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân dựa uur hiệu uuuur ứng quay – quay spin tần số kích thích tần số tuế sai H ⊥ spin Các proton ngồi chuyển động quay (spin ) cịn có chuyển động thứ chuyển động đảo quanh vector từ trường B Hiệu ứng quay: B= 2 f  Trong : f tần số tuế sai spin  hệ số hồi chuyển từ hạt nhân sử dụng (hệ số quay tuế sai) • hf= i B/I h: số Plangk i : momen từ hạt nhân B: cường độ từ cảm I: số lượng tử spin f: tần số kích thích Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Hình 2.1 : Chuyển động xung quanh từ trường proton Nếu mặt phẳng vng góc với từ trường B Ta tạo từ trường B’ có tần số quay với momen từ dipol Khi vector B’ quay đồng với momen từ dipol  làm thay đổi góc  , B  Khi có cân tần số quay vector B’ sinh cộng hưởng Đó tượng cộng hưởng từ hạt nhân Sử dụng xung kích thích  =kT; T thời gian kích thích xung Hình 2.2 Sự suy giảm từ trường (a)Tín hiệu suy giảm với số thời gian T2 để mặt X-Y biên độ A=A0e-t/T2 (b)Sự bao trùm từ trường với vị trí cân với trục Z: A= A0e-t/T1e-t/T0 Khi đặt vật thể vào từ trường mạnh, vật thể có khả hấp thụ xạ lại xung điện từ tần số cụ thể Khi hấp thụ, vật thể diễn tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnectic Resonance: NMR) Tần số cộng hưởng vật thể mô thông thường nằm dải tần sóng vơ tuyến (radiofrequency: RF) Cịn xạ, vật thể phát tín hiệu vơ tuyến Cơ thể cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%) Trong thành phần phân tử nước ln có ngun tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro nguyên tử đặc Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 biệt hạt nhân chúng chứa proton Do đó, có mơmen từ lớn Từ điều dẫn tới hệ là: ta dựa vào hoạt động từ nguyên tử hydro để ghi nhận phân bố nước khác mơ thể ghi hình phân biệt mơ Mặt khác, quan, tổn thương bệnh lý dẫn đến thay đổi phân bố nước vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ thay đổi so với mơ lành, nên ta ghi hình thương tổn Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng từ trường mạnh hệ thống phát xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ nhân nguyên tử, mà cụ thể nhân nguyên tử hydro có phân tử nước thể, nhằm xạ lượng dạng tín hiệu có tần số vơ tuyến Các tín hiệu hệ thống thu nhận xử lý điện toán để tạo hình ảnh đối tượng vừa đưa vào từ trường Q trình chụp MRI gồm có giai đoạn Nguyên lý giai đoạn sau: ➢ Giai đoạn 1: Sắp hàng hạt nhân Mỗi proton mơi trường vật chất có mômen từ tạo spin (xoay) nội Trong điều kiện bình thường, proton xếp cách ngẫu nhiên nên mômen từ chúng triệt tiêu lẫn khơng có từ trường dư để ghi nhận Khi đặt thể vào máy chụp MRI, tác động từ trường mạnh máy, mômen từ proton hàng song song hướng ngược hướng từ trường Tổng tất mômen từ proton lúc gọi vectơ từ hóa thực (net magnetization vector) Các vectơ từ hàng song song chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn vectơ từ hàng ngược chiều chúng triệt tiêu cho hết Do vectơ từ hố thực có hướng vectơ từ trường máy Đó trạng thái cân Trong trạng thái cân khơng có tín hiệu ghi nhận Khi trạng thái cân bị xáo trộn có tín hiệu hình thành Ngồi hàng theo hướng từ trường máy, proton cịn có chuyển động đảo (Precession), tức quay quanh trục từ trường máy Chuyển động đảo tượng vật lý sinh tương tác từ trường động lượng quay proton Chuyển động đảo giống tượng quay, làm cho proton khơng đứng n mà đảo quanh trục từ trường bên ngồi (Hình 1) Tần số chuyển động đảo nằm dải tần số tín hiệu RF xác định phương trình Lamor Khi phát xung RF tần số với proton chuyển động đảo proton hấp thụ Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 lượng xung tạo nên tượng cộng hưởng từ hạt nhân Hình 2.3: Mơ tả proton có mơmen từ µ đặt từ trường ngồi B có chuyển động đảo ρ ➢ Giai đoạn 2: Kích thích hạt nhân Sau giai đoạn hàng hạt nhân, cuộn phát tín hiệu (transmitter coil) máy phát xung điện từ ngắn (đo mili giây) gọi xung tần số vô tuyến (radiofrequency pulse: xung RF) Vì xung phát có tần số RF tương ứng với tần số cộng hưởng proton nên số lượng proton hấp thụ Sự hấp thụ lượng đẩy vectơ từ hoá làm chúng lệch khỏi hướng vectơ từ trường máy Hiện tượng gọi kích thích hạt nhân (Hình 2.4) Hình 2.4: Mơ tả q trình kích thích hạt nhân (cộng hưởng) trình dãn (bức xạ lượng dạng tính hiệu RF) Có hai khái niệm quan trọng xử lý tín hiệu từ hóa dọc (longitudinal magnetization), song song với từ trường máy từ hóa ngang (transverse magnetization), vng góc với từ trường máy Từ hóa dọc tượng từ hóa ảnh hưởng từ trường máy Đó trạng thái cân trình bày Trạng thái trì có xung RF tác động làm vectơ từ hố lệch khỏi hướng vectơ từ trường máy Khi phát xung RF, sau thời gian đó, vectơ từ hố lại khơi phục trở vị trí dọc ban đầu Q trình khơi phục (recovery) theo hướng dọc Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 từ trường máy gọi trình dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation) (Hình 2.5) Thời gian dãn theo trục dọc(longitudinal relaxation time) thời gian cần thiết để tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu Thời gian cịn gọi thời gian T1 Từ hóa ngang xảy phát xung RF lên mô Xung thường xung 90 Do tượng cộng hưởng nên vectơ từ hoá lệch khỏi hướng vectơ từ trường máy bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vectơ từ hóa ngang (transverse magnetization vector) Từ hóa ngang trạng thái khơng ổn định, kích thích nhanh chóng phân rã kết thúc xung RF Từ hố ngang q trình dãn gọi dãn theo trục ngang (transverse relaxation) Khi ngắt xung RF, vectơ từ hóa ngang pha, suy giảm nhanh chóng trở Thời gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi thời gian dãn theo trục ngang (transverse relaxation time) (Hình 2.5) Thời gian gọi thời gian T2 Thời gian T2 ngắn nhiều so với thời gian T1 Hình 3: Mơ tả q trình từ hố dọc từ hố ngang M vectơ từ hoá thực trạng thái cân Y hướng vectơ từ hoá ngang M Z vectơ từ hoá dãn theo trục dọc ➢ Giai đoạn 3: Ghi nhận tín hiệu Khi ngắt xung RF, proton hết bị kích thích, trở lại hàng cũ ảnh hưởng từ trường máy (gọi trình dãn theo trục dọc trình bày trên) Trong trình này, mômen từ proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng xạ lượng dạng tín hiệu tần số vơ tuyến Các tín hiệu cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) máy ghi lại Giai đoạn 4: Tạo hình ảnh Các tín hiệu vơ tuyến xạ từ vật thể mô sau cuộn thu nhận tín hiệu máy ghi lại xử lý điện tốn để tạo hình ảnh Cường độ xạ từ đơn vị khối lượng mô thể phim chụp theo thang màu từ trắng đến đen Trong màu trắng cường độ tín hiệu cao, màu đen khơng có tín hiệu (Hình 2.6) 10 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 • Hệ thống nam châm gồm cuộn nam châm siêu dẫn: tạo từ trường cực mạnh khơng đổi • Hệ thống cuộn gradient: tạo trường gradient • Các cuộn thu phát sóng vơ tuyến RF: phát xung vơ tuyến thu tín hiệu CHTHN • Hệ thống định vị kiểm soát bệnh nhân (bàn bệnh nhân) • Hệ thống thu nhận tín hiệu gồm tiền khuếch đại, tách sóng pha cầu phương thiết bị số hố: xử lý tín hiệu CHTHN trước đưa vào hệ thống máy tính để tái tạo ảnh • Hệ thống máy tính chun dụng: Bao gồm hệ thống điều khiển (điều khiển toàn trình chụp), hệ thống lưu trữ,xử lý tạo ảnh, hệ thống phân tích hiển thị ảnh… • Máy in phim : dùng để in ảnh 3.2 Chức hoạt động khối 3.2.1 Hệ thống nam châm Một nam châm (magnet) lớn dạng hình trụ, rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân nằm lọt bên Nam châm tạo từ trường B0 đồng (cố định) không gian bên ống trụ (Hình 3.2) Chúng ta thường nghe nói MRI 1.5T, 1.5T (Tesla, đơn vị đo từ thơng) giá trị B0 Hiện nay, thiết bị MRI dùng nghiên cứu đạt tới 7T Từ trường B0 làm cho mômen từ mô (kí hiệu M, magnetization) xếp theo chiều B0 Đối với hệ thống MRI kín, cường độ từ trường cao, phải dùng nam châm siêu dẫn (superconducting magnet) có cấu tạo bên Hình 3.3 Hình 3.2 Hình dạng ngồi cuộn nam châm siêu dẫn 15 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Hình 3.3 Cấu tạo nam châm siêu dẫn ➢ Chức Hệ thống nam châm có chức tạo từ trường B0 Để đáp ứng yêu cầu cường độ từ trường lớn từ Tesla đến Tesla (tùy thiết bị cụ thể) độ đồng cao nhằm khơi phục xác cấu trúc đối tượng nên thơng thường nam châm điện từ với cuộn dây siêu dẫn giữ nhiệt độ gần 00K nhờ hỗn hợp dung dịch làm lạnh như: Hêli, Nitơ… ➢ Sơ đồ chức hệ thống nam châm: Hệ thống nam châm bao gồm nam châm, khối nguồn khối kiểm soát nam châm.khối nguồn nhận dòng điện từ mạng điện cung cấp cho nam châm Khối kiểm soát nam châm bao gồm: • Mạch điều khiển tắt khẩn cấp nam châm • Mạch báo hiệu mức dung dịch Hêli • Mạch cảnh báo chung • Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng ➢ Hoạt động hệ thống nam châm: Hệ thống phân phối nguồn cấp nguồn cho khối nguồn riêng nam châm Khối đưa dòng điện vào dây siêu dẫn,dòng dây siêu dẫn tạo từ trường B0 Khi tắt hệ 16 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 thống sau ngày làm việc, khối nguồn thực phóng điện để ngắt dịng điện dây siêu dẫn Hệ thống kiểm soát nam châm theo dõi hoạt động nam châm Khi có cố cần dừng khẩn cấp hoạt động nam châm, nhân viên ấn nút tắt khẩn cấp, mạch tắt khẩn cấp làm việc tiến hành ngắt nguồn, phóng điện dây siêu dẫn xả bỏ dung dịch Hêli nhằm nhanh chóng giảm cường độ từ trường Mạch báo hiệu mức Hêli theo dõi mức Hêli hiển thị cảnh báo đèn LED Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng theo dõi nhiệt độ phòng báo hiệu nhiệt độ phịng vượt q 270C Hình 3.4: Hệ thống nam châm ➢ Cấu trúc nam châm: Nam châm thành phần đắt giá hệ thống MRI Đối với thiết bị MRI sử dụng nam châm siêu dẫn nam châm siêu dẫn nam châm điện sản xuất từ dây siêu dẫn 17 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Hình 3.5: Cấu tạo nam châm siêu dẫn Dây siêu dẫn có điện trở xấp xỉ giữ lạnh nhiệt độ gần 00 tuyệt đối ( -2730C hay 0K) cách nhúng vào dung dịch Hêli Một dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây nhúng dung dịch Hêli Một số mát xảy điện trở nhỏ hữu hạn cuộn dây Những mát làm suy giảm từ trường mức độ khoảng phần triệu từ trường năm Chiều dài siêu dẫn nam châm thường khoảng vài km Cả cuộn dây dung dịch Hêli giữ hộp lớn Trong thiết kế nam châm ban đầu hộp thường bao bọc túi dung dịch Nitơ (77.4 0K) hoạt động đệm nhiệt nhiệt độ phòng dung dịch Hêli Trong thiết kế nam châm sau vùng đệm nhiệt dung dịch Nitơ thay vùng làm lạnh máy lạnh Thiết kế loại bỏ việc phải thêm dung dịch Nitơ vào thành phần nam châm 3.2.2 Hệ thống tạo trường gradient Đúng tên gọi, hệ thống có chức tạo từ trường gradient bổ xung vào từ trường B0 để tham gia vào q trình mã hố giải mã khơng gian cho tín hiệu CHTHN phát từ đối tượng Hệ thống tạo trường gradient gồm cuộn gradient có cấu trúc thích hợp nhằm tạo từ trường gradient có cường độ định hướng mong muốn Các cuộn dây gradient thường bao gồm cuộn: Cuộn Gx, cuộn Gy cuộn Gz, tạo từ trường gradient tương ứng theo trục X, Y Z Các từ trường biến thiên theo không gian cần để chọn lớp cắt Ngồi ra, cịn để xác định vị trí (thơng qua việc mã hoá pha mã hoá tần số từ trường M) lớp cắt chọn 18 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Hình 3.6 Cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo ba trục không gian 19 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Hình 3.7: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y Hình 3.8: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z 20 Thiết bị cảm biến y sinh – Viện Điện – ĐHBKHN ... 1987 chụp cộng hưởng từ có bước tiến đưa cộng hưởng từ vào việc chẩn đoán bệnh lý tim mạch.Năm 1993 cộng hưởng từ ứng dụng cho việc chẩn đoán chức hoạt động não Đến ngày Cộng hưởng từ ( MRI )... cho việc tạo ảnh từ cộng hưởng từ năm sau ông cộng nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị chụp ảnh cấu trúc thể người cộng hưởng từ Năm 1980 máy cộng hưởng từ đời sử dụng cho việc chụp hình ảnh... ĐHBKHN Chụp cộng hưởng từ hay MRI 2013 Phần 3: Cấu tạo Về mặt phần cứng, thiết bị MRI thường gồm phận chủ yếu sau : Hình 3.0 Cấu tạo máy chụp cộng hưởng từ MRI Hình 3.1: Sơ đồ khối thiết bị chụp