Tần số cộng hƣởng còn gọi là tần số Larmor.1.1 Từ tính của các spin Trang 4 có số lẻ các neutron và proton mới có momen từ và đƣợc sử dụng trong tạo ảnh MRI [2].Hình 1.1 Một hạt nhân có
Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Chẩn đốn hình ảnh chứng tỏ phận thiếu hoạt động chẩn đoán, điều trị hệ thống chăm sóc sức khỏe cộng đồng Một thiết bị dẫn đầu mức độ ứng dụng đại thiết bị chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân MRI Hiện nƣớc có nhiều hệ thống MRI loại với cƣờng độ từ trƣờng từ 1.5T trở lên Trực tiếp vận hành hệ thống MRI phần lớn kỹ thuật viên số bác sĩ Các sở giảng dạy MRI có ĐH Bách Khoa Hà Nội, số trƣờng Đại học Kỹ thuật khác, Viện vật lý - Ngành Vật lý kỹ thuật khoa Chẩn đốn hình ảnh trƣờng đại học Y Tài liệu tham khảo tiếng Việt hạn chế, chủ yếu tài liệu dịch thuật lƣu hành nội với thông tin cung cấp dạng Sinh viên, kỹ thuật viên bác sĩ hoạt động trực tiếp lĩnh vực thƣờng gặp nhiều khó khăn tiếp cận khía cạnh kỹ thuật nhƣ ứng dụng MRI chất phức tạp Vì vậy, đối tƣợng mà luận văn hƣớng đến là: Sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, sinh viên khối chuyên ngành kỹ thuật y sinh trƣờng Đại học, kỹ thuật viên bác sĩ hoạt động lĩnh vực với mục tiêu cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích, tạo sở cho việc tiếp cận kỹ thuật đƣợc thuận lợi Bên cạnh đó, đề tài đƣợc chọn có giúp đỡ tạo điều kiện thầy cô nhà trƣờng, hỗ trợ mặt chuyên môn tài liệu kỹ thuật kỹ sƣ nhiều kinh nghiệm, hỗ trợ mặt ứng dụng bác sĩ trực tiếp làm việc với MRI nhiều năm đặc biệt từ nhu cầu có thực việc tìm hiểu MRI cách hệ thống 1708494116194a3c865f9-21d1-40b2-b5a9-0517c8c8311c 17084941161944859d1d7-54bf-4ccf-ac9a-7e84756daf8c 1708494116194f8ccbeee-03ad-4c03-b23d-ca1532aa5151 Luận văn Thạc sĩ Hồng Quốc Việt Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn là: 1- Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh hệ thống cộng hƣởng từ 2- Bƣớc đầu so sánh chất lƣợng tạo ảnh xung FLAIR chụp nhanh xung FLAIR thƣờng qui máy 1.5 Tesla Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc tiến hành thông qua phƣơng pháp lý thuyết thực hành bệnh nhân thực tế Việc khảo sát đƣợc thực thực tế máy chụp cộng hƣởng từ 1,5 Tesla Bố cục luận văn Luận văn phần mở đầu chia làm chƣơng CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ CHƢƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG MRI CHƢƠNG 3: CÁC CHUỖI XUNG RF CHƢƠNG 4: ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ CHƢƠNG 5: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG TẠO ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ XUNG PHỤC HỒI ĐẢO NGHỊCH TÍN HIỆU NƢỚC (FLAIR – Fluid Attenuated Inversion Recovery) TRÊN MÁY CỘNG HƢỞNG TỪ 1,5 Tesla Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ Khi hạt nhân đƣợc đặt trƣờng từ xếp theo trƣờng từ, khơng cố định, mômen từ hạt nhân tiến động quay quanh trục trƣờng từ Tiến động tƣợng vật lý có kết từ tƣơng tác trƣờng từ động lƣợng quay hạt nhân Điều quan trọng tiến động hạt nhân tạo cho hạt nhân nhạy, quay với lƣợng RF có tần số giống với tần số tiến động Điều kiện gọi cộng hƣởng sở cho tạo ảnh MRI Cộng hƣởng sở cho hấp thụ phát lƣợng nhiều vật thể thiết bị Các vật thể có ảnh hƣởng nhiều trao đổi lƣợng tần số cộng hƣởng Cộng hƣởng vật thể thiết bị đƣợc xác định đặc tính vật lý Tần số cộng hƣởng hạt nhân đƣợc xác định kết hợp đặc tính hạt nhân cƣờng độ từ trƣờng Tần số cộng hƣởng gọi tần số Larmor 1.1 Từ tính spin Nhƣ biết, điện tích (âm dƣơng) chuyển động tạo thành từ trƣờng Điện tích chuyển động nhanh từ trƣờng sinh lớn Hạt nhân nguyên tử bao gồm hạt mang điện proton hạt khơng mang điện neutron Neutron proton có khối lƣợng xấp xỉ nhau, gấp 1840 lần khối lƣợng electron, đƣợc gọi chung nucleon Cả proton neutron có thuộc tính tự quay quanh gọi spin, tạo thành moment từ Trong hạt nhân, proton tạo thành cặp theo hai hƣớng đối momen từ chúng khử lẫn tạo thành momen từ hạt nhân, nhƣ hạt nhân phản hồi lại xung tần số radio hay tạo ảnh Vì có hạt nhân Luận văn Thạc sĩ Hồng Quốc Việt có số lẻ neutron proton có momen từ đƣợc sử dụng tạo ảnh MRI [2] Hình 1.1 Một hạt nhân có điện tích hoạt động nam châm Trong thể, tập trung thành phần hóa học mơ cho ta thấy đƣợc tuỳ vào loại mô hệ số trao đổi chất trạng thái bệnh lý Bốn nguyên tố Hydro, Carbon, Nito, Oxy chiếm tới 99% mô Các nguyên tố khác nhƣ Natri, Photpho, Kali… có mặt với độ tập trung thấp Canxi tập trung xƣơng chất lắng cặn riêng biệt Đồng vị nhiều bốn loại nguyên tố chiếm tới 99% mô Hydro-1, Carbon-12, Nito14 Oxy-14 Chỉ Hydro bốn loại đồng vị có hạt nhân từ tính mạnh Hạt nhân nguyên tử Hydro có cấu tạo đơn giản nhất, gồm có proton mà khơng chứa neutron Đây nguyên tố thích hợp cho tạo ảnh cộng hƣởng từ vì: - Hydro nguyên tố phổ biến thể ngƣời chủ yếu nƣớc mỡ - Hydro có độ nhạy cao với cộng hƣởng từ so với nguyên tố khác 1.2 Chuyển động spin từ trƣờng Trong điều kiện bình thƣờng, khơng có tác động từ trƣờng moment từ hạt nhân 1H xếp ngẫu nhiên Lúc từ trƣờng Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt tổng chúng khơng Khi ta đƣa vào từ trƣờng ngồi B0, moment từ thay đổi theo hƣớng B0 Các moment từ hay spin bị buộc thay đổi theo hai hƣớng so với B0, song song đối song Hình 1.2 Các spin định hướng theo từ trường B0 Thực chất trục moment từ không thẳng hàng với hƣớng B0, chúng chuyển động tiến động quanh B0 với tần số riêng Điều giống với tự chuyển động trái đất xung quanh Hình 1.3 Vector từ trường song song đối song với từ trường B0 Luận văn Thạc sĩ Hồng Quốc Việt Các proton với mức lƣợng thấp xếp theo hƣớng từ trƣờng ngồi, proton có mức lƣợng cao xếp ngƣợc hƣớng từ trƣờng ngồi Thơng thƣờng số lƣợng proton mức lƣợng thấp nhiều so với số proton mức lƣợng cao Số lƣợng spin chênh lệch theo hai hƣớng phụ thuộc yếu tố sau: - Mật độ proton đơn vị thể tích - Cƣờng độ từ trƣờng ngồi lớn số lƣợng proton xếp theo hai hƣớng ngƣợc lớn Tƣơng quan số lƣợng proton có vector spin định hƣớng chiều có mức lƣợng thấp N - ngƣợc chiều có mức lƣợng cao N+ với từ trƣờng tuân theo phân bố Boltzmann: N-/N+ = e-∆E/kT Với: E chênh lệch hai mức lƣợng k số Boltzmann, k = 1.3805x10-23 J/Kelvin T nhiệt độ tuyệt đối, tính theo đơn vị Kelvin Sự chênh lệch hai mức lƣợng tỷ lệ với tần số: E = h - Tia X ν ≈ 10 19 - Tia cực tím ν ≈ 10 16 - Tia nhìn thấy ν ≈ x 1014 - Sóng Radio ν ≈ 10 (MRI) - Trong đó: h số Plank ν tần số Nhƣ vậy, lƣợng sử dụng MRI thấp lƣợng sử dụng máy CT hay X-quang Tuy nhiên, mật độ proton thể lớn nên có khả tạo ảnh chất lƣợng tốt mà không gây nguy hiểm cho bệnh nhân [2] Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt 1.3 Tần số Lamor Giống nhƣ quay quay đảo xung quanh trục nó, proton quay đảo xung quanh trục đƣợc gọi chuyển động tiến động quanh trục từ trƣờng proton đƣợc đặt từ trƣờng Tần số chuyển động tiến động tỷ lệ với cƣờng độ từ trƣờng đƣợc gọi tần số Lamor Khi đƣa vào xung RF có tần số tần số Lamor tƣợng cộng hƣởng xảy Hình 1.4 Sự quay đảo spin giống quay Tần số tiến động hạt nhân tính theo cơng thức: f = µB0 /2лL Trong đó: f tần số tiến động hạt nhân µ mơmen từ proton B0 cƣờng độ từ trƣờng tính theo đơn vị Tesla L động lƣợng góc quay proton Đặt γ = µ/2лL Do µ 2лL cố định với hạt nhân nên γ số hạt nhân Nhƣ ta có phƣơng trình viết đơn giản là: f = γB Với γ gọi hệ số từ hồi chuyển, đặc trƣng cho hạt nhân Phƣơng trình gọi phƣơng trình Larmor Đây phƣơng trình bản, cho biết tần số cộng hƣởng (tần số Larmor) hạt nhân tỷ lệ với Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt từ trƣờng ngồi B0 tác động lên Nếu đặt lên thể lƣợng RF có tần số tƣơng ứng với tần số cộng hƣởng hạt nhân, phần lƣợng bị hạt nhân hấp thụ Sự hấp thụ lƣợng làm cho trục proton khỏi hƣớng từ trƣờng Năng lƣợng làm cho proton rơi vào trạng thái kích thích [3] 1.4 Sự hồi phục T1 Khi hạt nhân từ đƣợc đặt từ trƣờng, trở nên nhiễm từ theo hƣớng dọc Nó trì trạng thái từ trƣờng thay đổi nhiễm từ đƣợc định hƣớng lại đặt xung RF, qua khoảng thời gian trở vị trí dọc ban đầu Khi hạt nhân trạng thái kích thích, truyền lƣợng hấp thụ cho hạt nhân khác cấu trúc mơ xung quanh để quay trở vị trí xếp ban đầu khơng bị kích thích Q trình gọi q trình phục hồi T1 Thời gian yêu cầu cho nhiễm từ dọc tăng lại phụ thuộc vào đặc tính vật liệu cƣờng độ từ trƣờng Quá trình phát lƣợng RF xảy spin chuyển từ mức lƣợng cao sang mức lƣợng thấp, xếp theo hƣớng B0 Q trình phát tín hiệu RF kết trình thành phần từ hố theo trục Z (M z) khơi phục lại trở giá trị M0 T1 thời gian hồi phục dọc hay hồi phục Spin-lattice, thời gian thƣ giãn để thành phần từ hoá dọc trở lại trạng thái ban đầu hay hồi phục dọc Ở trạng thái cân bằng, vectơ từ hoá thực nằm theo hƣớng từ trƣờng B , đƣợc gọi véctơ từ hố cân M0 Khi đó: M = Mz Ta thay đổi véctơ từ hoá thực cách đƣa vào hệ thống spin lƣợng lƣợng chênh lệch hai trạng thái spin Khi lƣợng đủ lớn Mz =0 Luận văn Thạc sĩ Hồng Quốc Việt Khi tác động xung RF tạo từ trƣờng B 1, spin quay theo góc chuỗi xung lựa chọn, số proton đạt tới mức lƣợng cao vectơ chúng đối song với từ trƣờng ngồi B0, triệt tiêu bớt với véctơ song song với từ trƣờng B Do thành phần từ hoá dọc giảm Tắt xung RF, proton quay trở trạng thái ban đầu chƣa có xung RF tác động Các proton chuyển hƣớng liên tiếp sau thời điểm tắt xung RF thành phần từ hoá dọc trở giá trị M Phƣơng trình tốn học mơ tả hồi phục dọc: Mz = Mø * ( - e-t/T1 ) Hình 1.5 Đường cong hồi phục T1 Thời gian phục hồi T1 thay đổi tuỳ thuộc vào loại mô dùng để tạo tƣơng phản ảnh, thời gian yêu cầu để nhiễm từ tăng lên lại thời gian phục hồi Do hàm mũ nên khó xác định thời gian xác nhiễm từ đạt thời gian cực đại Theo quy ƣớc thời gian phục hồi thời gian cần thiết để nhiễm từ đạt 63% giá tri cực đại Ngƣời ta dùng số 63% lý tốn học khơng phải lý y tế Sự nhiễm từ dọc tiếp tục tăng lên theo thời gian đạt 87% giá trị cực đại sau lần T1 95% sau lần T1 Với mục đích thực hành, nhiễm từ coi đạt cực đại sau lần giá trị T1 mô cụ thể Luận văn Thạc sĩ Hoàng Quốc Việt 1.5 Sự phân rã T2 Nhiễm từ ngang đƣợc tạo đặt xung RF lên mô Xung thƣờng xung 90º, làm chuyển từ nhiễm từ dọc sang nhiễm từ ngang Nhiễm từ ngang trạng thái kích thích khơng ổn định nhanh chóng phân rã sau kết thúc xung kích thích Phân rã nhiễm từ ngang trình dãn, đặc trƣng thời gian phân rã T2 Các loại mơ khác có giá tri T2 khác dùng để phân biệt loại mô khác tạo tƣơng phản ảnh Ban đầu vector moment từ nghiêng xuống mặt phẳng XY, tất chúng đồng pha Nếu thành phần từ hoá thực nằm mặt phẳng XY quay quanh trục Z tần số tần số Larmor Sau đó, thành phần từ hố thực bắt đầu di pha nhóm spin chịu tác động từ trƣờng khác quay với tần số Larmor riêng Thời gian quay dài di pha lớn Hằng số thời gian miêu tả trở trạng thái cân thành phần từ hoá ngang, MXY, đƣợc gọi thời gian hồi phục ngang T2 Nhƣ vậy, T2 thời gian proton chuyển từ đồng pha sang di pha, từ hoá ngang tổng Đó q trình hồi phục ngang Phƣơng trình tốn học mơ tả q trình hồi phục ngang: Mxy = Mø * e -t/T2 Hình 1.6 Đường cong hồi phục T2 10