tiểu luận điện từ học đề tài kỹ thuật chụp cộng hưởng từ mri ứng dụng từ trường

Một số ứng dụng mang lại hiệu quả cao như sử dụng tia Laser để phâu thuật tim, tia X dé chụp X quang, sử dụng xung điện để kích thích sợ thần kinh hoạt động....Bên cạnh đó, ứng dụng của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA VẬT LÝ

TP HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN ĐIỆN TỪ HỌC

ĐỀ TÀI:

KY THUAT CHUP CONG HUONG TU (MRI) - UNG DUNG

TU TRUONG

GVHD: TS Pham Nguyén Thanh Vinh — Th.S Trương Đặng Hoài Thu

Sinh vién: Nguyén Thanh Vinh Lop hoc phan: PHYS140802

MSSV: 46.01.102.098

TP.HCM 16/01/2022

MỤC LỤC

06069100005 .|ÄÄẩ 02 )i0Mð0)) CS LJJLQQQÃÂH|HÄẨÂï).à) , 04

lÔìn) 500603 sài 1 04

I2Wl\a gi nh 04 1.3 Tan số tiến động (tần SỐ TLaTHOT) -52- 5255 SE+SE+EE2EEEE9EE2E12E521123E21121211111 1 ce, Ø7 1.4 Hiện tượng cộng hưởng tỪ - - - S- Sc 2+ S1 S21 11111 11 11 11H TH Hi Hy 07 Chương 2 Khái quát về kỹ thuật chụp cộng hưởng tử (MRÌI) <-++ 09 PIN 9n vo oi nh 09 2.2 Lịch sử phát triên chụp cộng hưởng từ -2-©222©2+22++Cx++Exvrxrerxerrxerresred 10

PC bạ ấvi0 00s 0á TP 10 Chương 3: Nguyên lí chụp cộng hưởng từ (MRI) - ứng dụng của tử trường 11 3.1 Giai đoạn I - Sắp xếp hạt nhân -2- 22 2+ ©22+2xSEE2EEE2EE2EE221E2EE2E.EEErkrsree 11 3.2 Giai đoạn 2 - Phát sóng RE kích thích hạt nhân -+S-<S<<<<cxssseexes 12 3.3 Giai đoạn 3 - Thu nhận tín hiệu - 5S S211 112311112311 113311119 11 ng rẻ 14 3.4 Giai đoạn 4 - Xử lí và tạo hình ảnh ba chiễu 22+2+Ss+E+E+E+EE+E+E+EeEEreererereee 15

.4e10800) 000157 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO ¿2+2 Set SE ESEEE3151511 181111111111 11 1111111115151 15151511 ce2 19

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm, gắn kết một cách chặt chẽ với thực tế và

đời sống Mọi sự phát triển của khoa học công nghệ luôn xuất phát từ nên tảng cơ bản

của Vật lý Nói cách khác sự phát triên của Vật lý gắn bó chặt chẽ va có tác động qua

lại, trực tiếp với nhiều ngành khoa học, nhiều lĩnh vực trong đời song Vì vậy, những

hiểu biết và nhận thức vẻ Vật lý có giá trị to lớn trong đời sống và sản xuất, đặc biệt

trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đât nước

Vật lý không chỉ được ứng dụng trong các ngành Cơ học, Nhiệt học, Điện từ học, Quang học mà còn được ứng dụng nhiều trong ngành Y học Với tầm quan trọng của Y học đối với đời sống và xã hội , Vật lý đang góp phần phát triển và nằng cao việc chuẩn đoán, điều trị và chăm sóc sức khỏe cho con người Một số ứng dụng mang lại hiệu quả cao như sử dụng tia Laser để phâu thuật tim, tia X dé chụp X quang, sử dụng xung điện

để kích thích sợ thần kinh hoạt động Bên cạnh đó, ứng dụng của tử trường vào Y học

đã và đang được phát triên một cách nhanh chóng cả về số lượng và chất lượng

Kỹ thuật chụp cộng hưởng ttr (Magnetic Resonnace Imaging) là một trong những

ứng dụng của từ trường vào Y học MRI được sử dụng để kiêm tra gần như mọi cơ quan

trong cơ thể, đặc biệt có giá trị trong việc kiểm tra các tôn thương của não bộ và tủy sống Máy chụp MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tan số vô tuyến để các nguyên từ Hydrogen trong co thé sé hấp thụ và phóng thích năng

lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến Quá trinh trên được thu nhận và xử lý

điện toán, tạo ra các hình ảnh có độ phân giải cao, đồng thời khảo sát đa mặt cắt, giúp các bác sĩ đánh giá được tính chât của mô cân khảo sát

Từ những đề cập trên, em nhận thức rõ được tầm quan trọng của ứng dụng từ

trường trong Y học vảo đời song thực tiễn, và là một sinh viên khoa Vật lý, em cần phải

có sự hiểu biết về ứng dụng của Vật lý nói chung và từ trường nói riêng Từ đó em quyết

định chọn đề tài “Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI - ứng dụng của từ trường” để thực hiện bài tiêu luận này

2 Mục dích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng của từ trường trong kỹ thuật chụp chân đoán cộng hưởng từ MRI Đồng thời nêu lên tam quan trọng của Vật lý trong Y học nói riêng và thực tiễn nói chung

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu và làm rõ cơ sở lí luận của từ trường được ứng dụng trong kỹ thuật chụp cộng

hưởng từ (MRI) và phân tích nguyên lí của kỹ thuật chụp cộng hưởng tu (MRD

- Trình bày khái quát khái niệm, lịch sử chụp cộng hưởng tử (MRI) Nêu một sé uu

diém, nhược điểm của kỹ thuật chụp MRI, góp phần cải thiện những nhược điểm và làm

cơ sở đề phát huy các ưu điểm sẵn có

4 Đối tượng nghiên cứu

- Từ trường

- Từ trường hạt nhân

- Hiên tượng cộng hưởng từ

- Ứng dụng từ trường trong kỹ thuật chụp MRI

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Từ trường

1.1.1 Tương tác tử

Các nhà khoa học đã thực nghiệm bằng cách xây dựng và khảo sát các hệ tương tác sau: hệ tương tác g1ữ dòng điện với dòng điện, giữa nam châm với nam châm và giữa nam châm với dòng điện Kết quả khảo sát cho thấy các tương tác kê trên có cùng bản chất là tương tác giữa các điện tích chuyên động (dòng điện) gọi là tương tác từ Và

từ thực nghiệm trên, người ta nhận thay được sự khác nhau giữa tương tác tĩnh điện và

tương tác từ:

- Tương tác tĩnh điện xảy ra giữa các điện tích đứng yên và nó phụ thuộc vào vỊ trí,

độ lớn các điện tích và tuần theo định luật Coulomb

- Tương tác từ xảy ra giữa các điện tích chuyên động và nó phụ thuộc vào tính chất của chuyện động đó, xảy ra tuân theo định luật Ampere Bên cạnh đó, người ta cũng nhận thấy tính chất từ của nam châm là do các dòng điện phân tử khép kín trong các

mẫu sắt từ tạo ra

1.1.2 Khái niệm từ trường

Đề giải thích cho cơ chế tương tác từ trong các hệ trên, người ta đã phải cộng nhận

có một môi trường vật lý trung gian đề truyền những tương tác giữa chúng Môi trường vật lý trung gian ay chính là từ trường Từ trường là một môi trường vật chất đặc biệt, tồn tại xung quanh một dây dẫn có dòng điện hay một nam châm Từ trường này gây ra

lực từ tác dụng lên một dây dẫn (có dòng điện) hoặc một nam châm khác nam trong

không gian của từ trường ấy

Như vậy, có thể nói từ trường được sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc

có nguồn gốc tử các moment lưỡng cực tử như nam châm Nói một cách dễ hiểu, điện tích đứng yên sẽ gây ra điện trường tĩnh, điện tích chuyên động sẽ gây ra từ trường (và

cả điện trường)

1.2 Từ trường hạt nhân

1.2.1 Đồng vị Protium (TH)

Như ta đã biết Hydrogen có 3 đồng vị là: Protium (TH); Deuterium (2H); Tritium

(3H) nhưng bên trong cơ thể con người chủ yếu cấu tạo là nước (60-70%) và nước chỉ chứa đồng vị Hydrogen Protium (TH), bên cạnh đó đồng vị này cũng sở hữu 1 momen

từ trường lớn nhất và có khả năng tạo ra tín hiệu cộng hưởng tử hạt nhân (NMR) Vì

thế, các nhà khoa học đã sử dụng đồng vị này để phân tích và nghiên cứu tạo nên các hình ảnh MRI trong Y học

1.2.2 Hạt nhân nguyên tử Hydrogen

Hạt nhân nguyên tử Hydrogen được cầu tạo bởi một proton mang điện tích đương, quay xung quanh hạt nhận là một electron mang điện tích âm Tuy vậy ta chỉ quan tâm đến chuyền dong cua proton vì hình ảnh cộng hưởng từ được tạo ra tử việc thu tín hiệu của hạt nhân Hydrogen, tức là proton Proton của nguyên tử Hydrogen có các thuộc tính

cơ bản sau:

- Momen quay (Angular momentum): proton luôn tự quay xung quanh một trục riêng của nó, chuyên động quay (Spin) này tạo ra một momen quay, chỉ có một sô đồng vị của mỗi nguyên tô có khả năng này và đông vị !H năm trong sô đó với momen quay là 63,8646 Mhz

- Momen tir (Magnetic moment): từ định nghĩa từ trường được đẻ cập phía trên, proton

do mang điện tích đương nên khi chuyên động tự quay (Spin), proton sé tạo ra xung

quanh nó một từ trường hạt nhân và nó được xem như một kim nam châm nhỏ Từ

trường xung quanh proton có thê bị ảnh hưởng và thay đổi dưới tác động của từ trường bên ngoài hoặc của sóng vô tuyến

- Các momen tử cua cac proton thường được biểu diễn dưới dạng vector, trong điều kiện bình thường các vector momen từ này sắp xếp ngẫu nhiên và định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta không ghi được tín hiệu gì của chúng

F oe

Proton

Angular momentum Angular momentum

Zz

L —

Hình 1.1: Mô tả mô hình nguyên tử 1H, chuyên động quay quanh trục của proton và

proton có momen từ như một kữn nam châm nhỏ

1.2.3 Hạt nhân Hydrogen trong tử trường mạnh (quá trình từ hóa)

Khi đặt các proton vào một tử trường mạnh Bo, do tác động của từ trường, các proton duoc sap xép lai tir trang thái bình thường có momen từ ngẫn nhiên, hỗn độn thành các proton có có momen tử theo phương của Bo Quá trình này hình thành hai nhóm proton trong từ trường Bo Một nhóm là các proton có trạng thái năng lượng thấp

có vector momen từ cùng chiều với Bo và nhóm còn lại là các proton có trạng thái năng

lượng cao ít hơn, có vector momen từ ngược chiều với Bo Tổng hợp vector momen từ

của hai nhóm trên ta được một vecfor từ trường tổng hợp Mo, vector nảy cùng phương, chiều với Bo và được người ta đặt vào hệ quy chiếu không gian 3 chiều (x,y,z), trong đó trục Z là trùng với phương, chiều của Bo

ðBZớ% CEO,

suø, eee,

Hình 1.2: Mô tả các proton ở trạng thái bình thường sắp xếp ngẫu nhiên theo phương, hướng khác nhan và khi trong từ trường Bo, các proton được sắp xếp thành hai nhóm ngược chiều nhau (nhóm cùng chiều Bo chiếm tưu thế)

Quá trình từ hóa các proton không chỉ làm sắp xếp lại phương và chiều của moment

từ mà còn làm proton bị đảo khi quay quanh trục của nó (Spin), hiện tượng này gọi là

sự tiên động (Precession)

1.3 Tần số tiến động (tần số Larmor)

Như phần lý thuyết được đề cập ở phần 1.2.3, khi hạt nhân Hydrogen được đưa

vào từ trường Bo và do hiện tượng cộng hưởng tử, proton sẽ có hiện tượng tiến động

Nói một cách dễ hiểu, hiện tượng tiền động của proton giống như chuyên động của một con quay vừa quay, vừa lắc khi chịu tác động của trọng lực (G) Chuyên động tiến động này có tân sô được tính theo công thức sau:

F =! yp (1)

20

[9]

Trong công thức trên, Bo là cường độ từ trường (đơn vị Testla), Ylà tỉ số hồi chuyền tử (đơn vị MHz/T) phụ thuộc vào tỷ lệ giữa moment động và moment từ của proton Hydrogen va F 1A tan sé Larmor (don vi MHz) Ta cé tỉ số hồi chuyền từ của hạt nhân nguyên tur Hydrogen la Y/27 =42,57va néu đặt trong từ trường Bo = I,5 T hoặc

0,5T thì tần số Larmor lần lượt sẽ là 63.9 MHz, 45,57 MHz Tần số Larmor là một nội

dung, kiến thức quan trọng về nguyên lí chụp công hưởng từ (MRI) [§]

Bo’

G

Hinh 1.3: a) Con lade viea quay, vừa đảo do bị chịu tác dụng của trọng lực b) Proton

chuyện động quay quanh trục và chuyên động tiễn động trong Bo.c) Hệ quy chiếu của vecto tong hop moment tie Mo

1.4 Hiện tượng cộng hưởng từ

Hiện tượng cộng hưởng xảy ra đầu tiên là trong vật lý cơ học, người ta thấy rằng

biên độ giao động của một vật sẽ tăng dần đến cực đại khi vật đó được kích thích bởi

một ngoại lực tuân hoàn có tân sô trùng với tân sô dao động riêng của nó Từ đó hiện

tượng cộng hưởng còn được Xảy ra 6 nhiều lĩnh vực khác, trong đó có dạo động điện từ,

cụ thê là hiện tượng công hưởng từ

Hiện tượng cộng hưởng từ là hiện tượng xảy ra giữa từ trường của hạt nhân nguyên

tử Hydrogen và từ trường của sóng kích thích RE (Radio frequency) Nói một cách khác, người ta cung cấp một sóng RE kích thích vào các proton trong từ trường Bo để tạo ra hiện tượng cộng hưởng từ Sóng RF này phải đảm bảo hai điều kiện sau:

- Tân số của sóng RE phải đúng bằng tần số tiện động (tần số Larmor) của các proton

- Phương của sóng RE phải vuông góc với phương thăng đứng của từ trường Bo Khi phát sóng RF vào các proton, nặng lượng của sóng này sẽ làm thay đối moment

từ của mỗi proton trong Bo, dẫn đến vector tông hợp moment từ Mo bị lệch một góc nhất định so với phương Bo Trên hệ quy chiều vector Mo chiếu thành 2 vector thành phần là từ hóa dọc (Mz) và từ hóa ngang (Mxy) trên mặt phẳng xy

Góc lệch giữa Mo và Bo phụ thuộc vào năng lượng của sóng RF vả độ chênh lệch năng lượng AE giữa hai nhóm proton có năng lượng thấp và cao trong từ trường Bo

- Năng lượng RF = AE, năng lượng hai nhóm proton cần bằng và góc lệch sẽ là 909, khi

đó thành phan Mz bi triét tiêu và Mxy đạt giá trị cực đại bằng với Mo [7]

- Năng lượng RF < AE, góc lệch nhỏ hơn 902 và thành phần Mz, Mxy nhỏ hơn Mo [7]

- Năng lượng RF = 2AE, góc lệch sẽ là 180 khi đó thành phần Mxy bị triệt tiêu, Mz đúng băng Mo và có cùng phương nhưng ngược chiều Mo [7]

Bo

Mo

Hình l.4: a) Năng lượng RF = AE, M:¿ bị triệt tiêu và À4xy đạt giá trị cực đại băng với

Mo b) Nang lwong RF < AE, Mz va Mxy nho hon Mo c) Năng lượng RF = 2AE, Mxy

bi triét tiéu va Mz ding bang Mo va cé cing phương nhưng ngược chiéu Mo

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VẺ KỸ THUẬT CHUP CONG HUONG TU (MRI)

2.1 Chụp cộng hưởng từ

Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonnace Imaging) là kỹ thuật hình ảnh sử dụng để chân đoán bệnh trong y học với độ phân giải cao MRI sử dụng từ trường và sóng Radio đề kích thích các hạt nhân nguyên tử Hydrogen thu nhận và phát năng lượng dưới dạng tín hiệu có tần số vô tuyến, từ đó các tín hiệu được thu nhận và

xử lý điện toán, tạo ra các hình ảnh

Chụp cộng hưởng tử là một kỹ thuật chụp nhanh gọn, không sử dụng tia X nên rất

an toàn và không gây tác dụng phụ, là một phương pháp chuẩn đoán hình ảnh hiện đại,

hiệu quả và phô biên trên thế giới Hình ảnh từ chụp cộng hưởng từ cơ bản giống như chụp bằng máy ảnh thông thường những hình ảnh này lại có thêm chiều thứ 3 Từ đó

giúp các bác sĩ có thể nắm rõ được tình trạng tốn thương của các mô cơ quan trong cơ

thể, góp phần đưa ra các chân đoán chính xác trước khi phâu thuật

2.2 Lịch sử phát triển chụp cộng hưởng từ

Năm 1952, hai nhà khoa học Felix

Bloch va Edward Mills Purcell da duoc trao

giai Nobel Vat ly về sự khám phá và ứng dụng

cộng hưởng từ từ năm 1946 Sau nhiều bước

tiến trong việc tạo hình ảnh bằng các kỹ thuật

mã hóa, đến năm 1982, các hệ thống tạo ảnh i ộ al

cộng hưởng từ hạt nhân bắt đầu được tmg Hinh 2.1: Felix Bloch va Edward Mills

Purcell — Hai Nha Vật Lý học đã phát

Ộ hiện ra hiện trợng cộng hưởng từ Công

1993, MRI được ứng dụng nhiều trong các _ /rình này góp phần mang lại cho hai ông

giải Nobel Vật Lý năm 1952 [4], [5]

dụng trong y học Từ năm 1987 đến năm

chân đoán bệnh lí của người như là các bệnh

li vé tim mạch, não thân kinh, tủy sống NÑgày nay kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI)

đã trở thành một trong các kỹ thuật chân đoán hình ảnh phô biến trên thế giới cũng như

tại các bệnh viện lớn ở Việt Nam