MRI và các phương pháp tạo ảnh

MRI và các phương pháp tạo ảnh

LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) hiện đã trở thành một phương pháp phổ thông trong y học chẩn đoán hình ảnh. Các thiết bị MRI đầu tiên ứng dụng y học xuất hiện vào đầu những năm 1970. Vào năm 2002, có gần 22.000 máy MRI được sử dụng trên toàn thế giới. Phương pháp chụp cộng hưởng từ ngày càng phổ biến hơn, bởi những đặc tính vượt trội của nó so với các phương pháp cũ khác như: chụp cắt lớp điện toán (CT), hay phát xạ positron (PET). Phương pháp chụp cộng hưởng từ đã giải quyết được một số vấn đề không mong muốn mà các phương pháp trước đó đã không thực hiện được. Một ưu điểm nổi bật của phương pháp chụp cộng hưởng từ là nó không sử dụng bất cứ loại bức xạ iôn hóa nào, vì thế sử dụng MRI sẽ tránh được những rủi ro bị nhiễm phóng xạ, và như thế, bệnh nhân có thể thực hiện việc chụp nhiều lần (hơn nhiều so với sử dụng phương pháp chụp CT và PET) mà không mấy bị ảnh hưởng. Các thế hệ máy cộng hưởng từ vẫn nối tiếp nhau ra đời, thế hệ sau ưu việt hơn thế hệ trước cả về thời gian chụp lẫn độ phân giải không phải chỉ do công nghệ tiên tiến mà còn nhờ có những phát minh mới trong các phương pháp tạo ảnh, mà mỗi phương pháp có một ưu điểm, ứng dụng riêng. Ở Việt Nam, máy cộng hưởng từ đã được đưa vào sử dụng từ nhiều năm nay, tuy nhiên vẫn chưa có nhiều những nghiên cứu và hiểu biết cần thiết về cộng hưởng từ nói chung và các phương pháp tạo ảnh nói riêng. Xuất phát từ thực tế như vậy, tôi đã chọn đồ án với nội dung là “MRI và các phương pháp tạo ảnh” với hy vọng giúp chúng ta nắm vững kiến thức căn bản về cộng hưởng từ và có cái nhìn sâu sắc hơn về các phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ. Cộng hưởng từ (MRI) là một lĩnh vực còn khá mới và đây là một lĩnh vực tương đối khó, đồng thời cơ hội được tiếp cận trực tiếp đối với các thiết bị cộng hưởng từ là rất ít, do vậy đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Cuối cùng em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của thầy giáo Trần Hải Lưu đã tận tình hướng dẫn, cho em những lời khuyên quý giá để em hoàn thành tốt đề tài. Em cũng xin cảm ơn Ths. Nguyễn Thái Hà, phó bộ môn điện tử y sinh đã có những định hướng ban đầu, giúp em rất nhiều về tài liệu kiến thức chuyên môn. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với mục tiêu là giúp những người mới tìm hiểu có được cái nhìn tổng quát lẫn kiến thức căn bản, giúp các kĩ sư đã từng nghiên cứu về máy cộng hưởng từ có những ý tưởng phát triển mới, cải tiến chất lượng và tính ứng dụng cho máy cộng hưởng từ, tôi đã cố gắng viết đồ án này một cách rõ ràng, dễ hiểu nhất. Đồ án được chia thành 6 chương như sau: CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC CỦA MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM TOÁN HỌC CƠ BẢN CHƯƠNG 3 CÁC KHÁI NIỆM TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ CHƯƠNG 4. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH TRONG MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ CHƯƠNG 5 CÁC CHUỖI XUNG THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ CHƯƠNG 6. XỬ LÝ TÍN HIỆU ẢNH THU ĐƯỢC VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG ẢNH Chương 1 là chương hết sức cơ bản giới thiệu tổng quan về cộng hưởng từ, lịch sử ra đời, quá trình phát triển và tương lai của máy cộng hưởng từ Chương 2 đề cập đến những vấn đề chuyên sâu, cho ta cái nhìn về các thành phần, cấu trúc của máy cộng hưởng từ. Các bộ phận phần cứng của máy như : nam châm, cuộn RF, Gradient… sẽ được trình bày tại đây đồng thời đưa ra một số các khái niệm toán học cơ bản được sử dụng trong tạo ảnh cộng hưởng từ Chương 3 trình bày các khái niệm trong tạo ảnh cộng hưởng từ, các vấn đề về hạt nhân, spin hạt nhân và các hệ quả liên quan Chương 4 nêu nên nguyên lý tạo ảnh trong cộng hưởng từ, sự mã hóa pha, mã hóa tần số và giải thích các khái niệm về thời gian khôi phục T 1 , T 2 , TE, TR 2 Chương 5, và cũng là mục đích chính của đồ án, bao gồm những chuỗi xung và phương pháp tạo ảnh từ nguyên lý cơ bản đến ứng dụng, ưu, nhược điểm của từng loại chuỗi xung và phương pháp tạo ảnh, đặc biệt là phương pháp tạo ảnh mặt phẳng xung dội EPI, là phương pháp tạo ảnh nhanh nhất và linh hoạt nhất hiện nay. Chương 6 trình bày các vấn đề về quá trình thu và tái tạo ảnh, các yếu tố ảnh : độ phân giải, độ tương phản ảnh…cũng như các vấn đề về ảnh giả Với bố cục nội dung đồ án như vậy, tôi hy vọng rằng đồ án của mình sẽ trở thành nguồn tài liệu có ích cho mọi người. 3 THESIS’ SUMMARY With the aim is to not only help the beginners to get both an overall view and a basic knowledge but also support some engineers who have researched MRI to attain novel ideas, improving the quality and application of MRI, I have tried my best to present the thesis in the most coherent and understandable way. The thesis consists of six chapters as follow: CHAPTER 1. AN OVERALL VIEW ABOUT MAGNETIC RESONANCE MACHINE CHAPTER 2. STRUCTURE OF MAGNETIC RESONANCE MACHINE AND SOME CONCEPTION BASIC MATHEMATICS CHAPTER 3. PULSE SEQUENCES CHAPTER 4. PRINCIPLE IMAGING IN MAGNETIC RESONANCE CHAPTER 5. THE COMMON USING PULSE SEQUENCES CHAPTER 6. PROCESSING THE SIGNAL IMAGING AND IMAGE’S SPECIFIC Chapter 1 is an essential material, handles with introduction overview about magnetic resonance such as :historical of magnetic resonance, development and future of magnetic resonance machine Chapter 2 mentions specialized aspects of great value for anyone with his actual interest in MRI. The knowledge of structure of magnetic resonance machine. The hardware such as magnet, RF coil, gradient….and some conception basic mathematics.which use in magnetic resonance machine were introduced here Chapter 3 present some conception imaging magnetic resonance, some matter about nucleus, nucleus’s spin and some related consequence 4 Chapter 4 focus of principles imaging, phase encoding, frequency encoding and explain conceptions about reverse time : T 1 , T 2 , TE, TR Chapter 5 also the focus of the thesis includes basic principles, advantages, disadvantages and applications of pulse sequences and methods of imaging, especially the approach of Echo Planar Imaging (EPI) – the fastest and most flexible method of imaging so far. Chapter 6. focus of cover and reconstruction image, image’s components: solution, costraction….also problems about artifact With its content, I hope that my thesis would be an useful reference for every reader. 5 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 THESIS’ SUMMARY 4 MỤC LỤC 6 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 8 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 9 MỞ ĐẦU 11 2.2. CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 35 2.2.1. Khái niệm về Logarit và Decibel 35 2.2.2 Hàm mũ 36 2.2.3. Các hàm lượng giác 37 2.2.4. Các khái niệm khác cần quan tâm 37 3.7. Các gói spin 55 3.8. Không gian K 56 4.2. Gradient mã hóa pha 65 4.3. Gradient mã hóa tần số 66 4.5 Quá trình T2 73 4.6. TR & TE 75 4.7. Biểu thức Bloch 77 5.1. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 78 5.1.1. Tín hiệu NMR trong miền thời gian 78 5.1.2. Các quy ước về tần số -/+ 78 5.2. CÁC CHUỖI XUNG 78 5.2.1. Chuỗi xung 90o-FID 78 5.2.2. Chuỗi xung Spin-Echo 79 5.2.3. Chuỗi xung hồi phục ngược 81 6 5.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH 82 5.3.1 Tạo ảnh cắt lớp bằng biến đổi Fourier 83 5.3.2 Tạo ảnh gradient ghi nhớ xung dội (Gradient recall echo): 86 5.3.3 Phương pháp phục hồi đảo (Inversion Recovery) 89 5.3.3.1 Nguyên lý chuỗi xung: 89 5.3.3.2 Phương pháp hồi phục nghịch đảo nhanh (Fast IR) 90 5.3.3.3 Phương pháp STIR (Short Time Inversion Recovery) 92 5.3.3.4 Phương pháp FLAIR (Fluid Attenuated IR) 92 5.4. Phương pháp sử dụng tín hiệu dội spin (Spin Echo): 93 5.5. Phương pháp sử dụng tín hiệu dội gradient 94 5.6. Tạo ảnh Fourie và dội lại mặt phẳng (EPI) 96 Chương 6 102 6.1. Xử lý tín hiệu 102 Ta biết rằng mọi tín hiệu đều được tạo ra bởi một chuỗi các sóng thành phần có dạng hình sin, có tần số và biên độ khác nhau. Biến đổi Fourier sẽ thu các tín hiệu nhận được và phân tích, tìm ra hình dạng, tần số, biên độ của các sóng thành phần đó 103 6.2. Các yếu tố ảnh 6.2.1. Độ phân giải ảnh 104 6.2.2. Độ tương phản trong tạo ảnh Y học 105 6.3. Các loại nhiễu ảnh 107 Đối với bất kỳ phương thức tạo ảnh nào, các bức ảnh cộng hưởng từ luôn có một số lượng các loại nhiễu. Trong phần này, một số loại nhiễu hay gặp sẽ được giới thiệu cùng với các biện pháp khắc phục, hạn chế các loại nhiễu này 107 6.3.1. Nhiễu trường 108 6.3.2. Các nhiễu do quá trình lấy mẫu gây ra 109 6.3.3. Nhiễu giao thoa với trường bức xạ điện từ ngoài (RF) 110 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT-ANH 116 7 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Vùng tín hiệu số và tương tự trong tạo ảnh MRI 18 Hình 2.2b: Sơ đồ hệ thống tạo ảnh cộng hưởng từ nói chung 19 Hình 2.3: Cấu trúc một nam châm vĩnh cửu 22 Hình 2.6: Ví dụ về một khối nam châm siêu dẫn 24 Hình 2.7: Mô hình chi tiết khối nam châm siêu dẫn 25 Hình 2.11: Cuộn gradient Z sử dụng cuộn uốn không gian 28 28 Hình 2.12: Cuộn gradient ngang( X và Y) 28 Hình 2.13: Hướng của cuộn RF trong trường tĩnh 29 Hình 2.14: Buồng cộng hưởng hình lồng chim 31 Hình 2.22: Biến đổi hệ thống tọa độ 38 Hình 2.23: Chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số 38 Hình 3.1: Một lớp cắt với chiều dày thk 45 Hình 3.2: Một đơn vị thể tích của lớp cắt 45 Hình 3.6: Mô hình nam châm đối với spin của hạt nhân 48 Hình 3.7: Lược đồ mức năng lượng của một proton sau tương tác Zeeman 51 Hình 3.8: Sự chênh lệch mức năng lượng giữa 2 trạng thái 53 Hình 3.9: Mô hình gói spin 56 Hình 4.3: Một vật thể hình trụ được đặt dọc theo trục z, trong một gradient trường tăng tuyến tính với sự tăng lên của z 60 Hình 4.4: Ảnh hưởng của một xung 900, trên các spin cộng hưởng và cận cộng hưởng61 Hình 4.12: Từ trường tạo ra bởi cuộn dây đưa vào theo trục 68 Hình 4.13: Đồ thị biểu thị sự suy giảm của M0 70 Hình 4.14: Độ từ hóa ở trạng thái cân bằng. (M0) 70 Hình 4.15: Sự chuyển động của vecto từ hóa khi được lật xuống mặt phẳng ngang.71 Hình 4.18: Sự suy giảm của thành phần từ hóa ngang 73 Hình 5.1: Tín hiệu FID và biến đổi Fourier của nó 78 Hình 5.2: Tác động của xung 900 và FID thu được 79 8 Hình 5.3: Chuỗi xung Spin echo và tín hiệu FID thu được 79 Hình 5.6: Mối liên hệ chung giữa các chế độ tạo ảnh 82 Hình 5.7: Gradient lựa chọn lớp cắt 85 Hình 5.8: Sự thay đổi hướng của các spin khi tác động các gradient 85 Hình 5.15: Quá trình tạo ra tín hiệu dội 95 Hình 5.16: Lược đồ xung cho kỹ thuật tạo ảnh Fourie 96 Hình 5.17 Lấy mẫu không gian k trong tạo ảnh Fourie 97 Hình 5.18:Tạo ảnh theo phương pháp biến đổi Fourie 2 chiều 98 Hình 5.19: Lược đồ xung cho kỹ thuật làm lệch spin 98 Hình 5.20: Quá trình chuyển động của vecto từ hóa trong hệ tọa độ khung quay, dưới một gradient dội (giả thiết là không có sự thư giãn T2) 100 Hình 5.21: Lược đồ xung cho tạo ảnh EPI 101 Hình 6.1: Độ phân giải và kích thước của các pixel 104 Hình 6.2: Tạo ảnh mã hóa dòng chảy (a) Các spin được làm lệch pha bởi gradient đưa vào theo hướng x; (b) Sau một khoảng thời gian δ gradient được đưa vào theo hướng đối diện; (c) Các spin đang đứng yên sẽ được tái pha hoàn toàn, còn các spin di chuyển dọc theo trục x trong thời gian δ sẽ bị dịch pha đi 1 khoảng 107 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh các phương pháp tạo ảnh chức năng 13 Bảng 1.2: Lược đồ phát triển của kỹ thuật MRI 14 Bảng 3.1: Các số spin lượng tử của một số hạt nhân nguyên tử 47 Bảng 3.2: Spin và hệ số hồi chuyển từ đối với một số nguyên tố 48 Bảng 3.3: Hàm lượng tự nhiên của một số nguyên tố 55 Bảng 3.4: Hàm lượng sinh học 55 Bảng 5.1: Phân chia các gradient lựa chọn lớp cắt, mã hoá pha và tần số theo các trục và mặt phẳng toạ độ 84 Bảng 6.1: Thành phần nước thay đổi ở các mô khác nhau 106 9 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên đầy đủ MRI Magnetic Resonance Imaging MRS Magnetic Resonance Spectroscopy NMR Nuclear Magnetic Resonance NMRI Nuclear Magnetic Resonance Imaging MRA Magnetic Resonance Angiography CT Computed Tomography EPI Echo Planar Imaging FOV Field Of View FT Fourier transfom DFT Discrete Fourier Transform IFT Inverse Fourier transform RF Radio frequency SPECT Single Photon Emission Computed Tomography PET Positron Emission Tomography EEG ElectroEncephalography FLAIR Fluid-attenuated inversion recovery FID Free Induction Decay TE Time Echo TR Time Repeatation TI Time Inversion f.o.n.a.r field focused nuclear magnetic resonance STIR short T1 inversion recovery FLASH Fast Low - Angle SHort Imaging GE Gradient echo SE Spin Echo IR Inversion Recovery SNR Signal to Noise Ratio RF Radio Frequency 10 [...]... này phát triển nhanh trong các năm tiếp theo để tạo ra các ảnh có tỉ lệ video (30 ms /ảnh ) Năm 1980 Edelstein và các đồng nghiệp chứng minh ảnh của cơ thể sử dụng kĩ thuật Ernst có thể tạo ảnh đơn trong thời gian 5 phút 1986 thời gian tạo ảnh giảm xuống còn 5s mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh và độ phân giải ảnh đã là 10 γs/1cm mẫu thử 1987 EPI được sử dụng trong tạo ảnh thời gian thực Cùng năm... và người ta thu được tín hiệu RF Nhưng một chu kỳ tạo ảnh không tạo đủ tín hiệu để tạo nên một ảnh Do vậy cần lặp lại một số lần các chu kỳ tạo ảnh Thời gian yêu cầu để thu các ảnh được xác định bằng khoảng chu kỳ tạo ảnh, được điều chỉnh bởi hệ số TR và số chu kỳ Số chu kỳ được dùng liên quan tới chất lượng ảnh Nhiều chu kỳ hơn sẽ ra chất lượng ảnh cao hơn Quá trình thu nhận được điều khiển bằng các. .. và quá trình phát triển của máy cộng hưởng từ MRI magnetic resonance imaging : tạo ảnh cộng hưởng từ là kỹ thuật tạo ảnh được sử dụng thường xuyên trong y tế, tạo ra ảnh có chất lượng cao trên cơ thể người (đặc biệt hữu dụng trong tạo ảnh mô mềm, cho hình ảnh có độ tương phản cao) MRI thay thế và đôi khi còn vượt trội hơn so với chụp cắt lớp điện toán (CT ) Sau đây là bảng so sánh giữa MRI và một vài... giữa các mặt phẳng tạo ảnh MRI dựa trên nguyên lý cơ bản là sự cộng hưởng từ hạt nhân ( Nuclear Magnetic Resonance – NMR ), kĩ thuật tạo phổ được sử dụng để tạo ra các trạng thái lý hóa của phân tử, được các nhà khoa học sử dụng nhằm thu được các thông tin về thế giới vật chất vi mô của các phân tử MRI cũng sử dụng kĩ thuật ảnh cắt lớp, tạo ra ảnh của các tín hiệu cộng 13 hưởng từ hạt nhân trong các. .. tương tự và số (hình 2.1) Nam châm, gradient, cuộn RF, và nguồn điện của gradient và RF hoạt động trong vùng tương tự Hình 2.1: Vùng tín hiệu số và tương tự trong tạo ảnh MRI Nam châm để tạo ra từ trường mạnh đồng nhất cần thiết cho quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ Khối gradient tạo ra các tín hiệu gradient khác nhau xảy ra theo một thứ tự đặc biệt trong chu kỳ tạo ảnh Trong mỗi chu kỳ thu nhận các gradient... tranh đặc biệt ) Các nhà nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào chụp ảnh các bộ phận động của cơ thể như tạo ảnh phổi sử dụng khí 3He siêu phân cực, chụp ảnh động mạch và tĩnh mạch 17 Chương 2 CẤU TRÚC CỦA MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM TOÁN HỌC CƠ BẢN 2.1.CẤU TRÚC CỦA MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ 2.1.1 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG TRONG MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ 2.1.1.1 Hệ thống thu nhận và tái tạo ảnh Để tạo được ảnh MR hoàn chỉnh... chế tạo và trạng thái không ổn định của từ trường có nguyên nhân từ từ trường bên ngoài, ví như lưới thép trong hệ thống quấn quanh nam châm, làm tăng thêm tính không đồng nhất của từ trường trong vùng tạo ảnh Giảm tính không đồng đều bằng cách sử dụng các từ trường đệm Một phương pháp đạt được là phương pháp đệm chủ động (active shimming) tức sử dụng thêm các cuộn dây (các cuộn dây điện trở, các cuộn... một bộ phát trong từ trường B 1 và như bộ thu năng lượng RF từ đối tượng tạo ảnh + Cuộn chỉ thu : được sử dụng để tạo từ trường Bo + Cuộn chỉ phát : được sử dụng để thu tín hiệu từ spin trong đối tượng tạo ảnh hoặc liên kết với bộ phận cảm nhận Cuộn RF trên bộ phận tạo ảnh có thể giống như một thấu kính trong camera Với các bức ảnh có góc và khoảng cách khác nhau ta cần các loại thấu kính khác nhau Hình... khác nhau quan trọng nhất giữa máy quét MRI và các hệ thống phát thanh quảng bá đó là các ăngten phát và thu của hệ thống phát thanh hoạt động trong trường xa của sóng điện từ Các ăngten ở khoảng cách là bội số của chiều dài bước sóng Hệ thống MRI hoạt động ở trường gần, và sự ngăn cách không gian của các nguồn phát và thu là bé hơn chiều dài một bước sóng Trong các hệ thống trường xa, năng lượng điện... ngăn chặn bức xạ điện từ giữa các cuộn dây RF và các bộ phận nghỉ của hệ thống quét Cuộn dây phần đầu và phần thân phải đủ lớn để bao quanh vùng được tạo ảnh và được thiết kế để tạo ra từ trường RF đồng đều ngang qua vùng tạo ảnh Cuộn dây chụp thân thường được cấu trúc bởi các dạng cuộn hình trụ và có đường kính đủ lớn (50 đến 60 cm) để bao xung quanh toàn bộ cơ thể bệnh nhân Các cuộn dây được thiết kế . và phương pháp tạo ảnh, đặc biệt là phương pháp tạo ảnh mặt phẳng xung dội EPI, là phương pháp tạo ảnh nhanh nhất và linh hoạt nhất hiện nay. Chương 6 trình bày các vấn đề về quá trình thu và. nghiên cứu và hiểu biết cần thiết về cộng hưởng từ nói chung và các phương pháp tạo ảnh nói riêng. Xuất phát từ thực tế như vậy, tôi đã chọn đồ án với nội dung là MRI và các phương pháp tạo ảnh với. trong tạo ảnh cộng hưởng từ Chương 3 trình bày các khái niệm trong tạo ảnh cộng hưởng từ, các vấn đề về hạt nhân, spin hạt nhân và các hệ quả liên quan Chương 4 nêu nên nguyên lý tạo ảnh trong