Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ NINH TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ SONG SONG PMRI Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2013 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Trần Quang Huy, thầy tận tình bảo, giúp đỡ cho em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Tổ vật lý kỹ thuật thầy cô giáo Khoa dạy dỗ em suốt năm học tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa luận Qua đây, em gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè người thân động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập qua trình làm khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên thưc Nguyễn Thị Ninh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận tự tìm hiểu nghiên cứu hướng dẫn thầy Trần Quang Huy Đề tài không trùng với kết khóa luận trước Nếu sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng năm 2013 Sinh viên thực Nguyễn Thị Ninh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT EPI Echo plane imaging Mặt phẳng ảnh phản hồi FID Free induction decay Phân rã cảm ứng độc lập NMR MRI Nuclear magnetic resonance Magnetic resonance imaging Parallel magnetic PMRI PI PPI resonance imaging Parallel imaging Partially parallel imaging Cộng hưởng từ hạt nhân Tạo ảnh cộng hưởng từ Tạo ảnh cộng hưởng từ song song Tạo ảnh song song Tạo ảnh song song phần RF Radio frequency Sóng vô tuyến TE Time to Echo event Thời gian phản hồi TR Time of Repetition Thời gian lặp lại SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ Hình 1.2: Chuyển động proton Hydro từ trường Hình 1.3: Sự xắp hàng proton Hydro có từ trường Hình 1.4: Chuyển động tiến động vector từ hóa có xung kích thích Hình 1.5: Thời gian T1, T2 Hình 1.6: Tín hiệu FID Hình 2.1: Sử dụng hai cuộn dây để phân biệt không gian Hình 2.2: Cuộn dây điển hình cột sống Hình 2.3: Sự tăng lên từ hóa dọc trình hồi phục Hình 2.4: Hồi phục từ hóa ngang Hình 2.5: Mật độ tương phản proton Hình 2.6: Sự tăng mật độ tương phản proton Hình 2.7: Tương phản T1 Hình 2.8: Giá trị T1 T2 với loại mô khác Hình 2.9: Tương phản T2 Hình 2.10: So sánh phân rã từ hóa mô có giá trị T2 khác Hình 3.1: Ảnh song song MRI não Hình 3.2: Sử dụng cuộn dây đa kênh Hình 3.3: Sơ đồ trình tự xung Hình 3.4: Ảnh hưởng không gian lấy mẫu chiến lược khác Hình 3.5: Thu nhận ảnh với dãy phản hồi Hình 3.6: Thu nhận ảnh không gian K Hình 3.7: Minh họa việc giảm FOV cưa với yếu tố tăng tốc R=2 Hình 3.8: Minh họa ví dụ đơn giản hình ảnh song song với yếu tố tăng tốc R=2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI 1.1 Tổng quan MRI 1.2 Sự kích thích tạo thu ảnh MRI 1.2.1 Sắp hàng hạt nhân 1.2.2 Kích thích hạt nhân 1.2.3 Ghi nhận tín hiệu 1.2.4 Tạo hình ảnh 1.2.5 Các phương trình Bloch 11 1.3.1 Công nghệ CW 12 1.3.2 Công nghệ sử dụng xung biến đổi Fourier 13 1.3.3 Ngẫu nhiên (Stochastic) 13 1.3.4 Quét nhanh tạo phổ tương quan 13 1.3.5 Quét ảnh với biến đổi Fourier 13 1.3.6 Thời gian hồi phục cực ngắn 14 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ SONG SONG 15 2.1 Khái niệm PMRI 15 2.2 Tóm tắt ảnh cộng hưởng từ song song 16 2.3 Lý tạo ảnh song song 17 2.4 Các khái niệm 17 2.4.1 Hồi phục 17 2.4.2 Độ từ hóa mô 18 2.4.3 Thời gian lặp lại TR 20 2.4.4 Thời gian phản hồi TE 20 2.4.5 Mật độ Proton 20 2.4.6 Thời gian hồi phục dọc T1 21 2.4.7 Thời gian hồi phục ngang T2 22 CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG 24 TỪ SONG SONG PMRI 24 3.1 Giới thiệu tạo ảnh song song MRI 24 3.1.1 Phương thức tạo ảnh song song MRI 24 3.1.2 Phương thức hoàn thiện quét tạo ảnh song song MRI 25 3.1.3 Các ứng dụng tạo ảnh song song MRI 25 3.1.4 Bản tóm tắt tạo ảnh song song quét MRI 26 3.1.5 Ba cách để tái tạo lại thông tin quét 27 3.2 Mục đích MRI song song 28 3.3 Nguyên tắc MRI song song 28 3.4 Kiến thức tạo ảnh song song PMRI 29 3.4.1 Mã hóa không gian MRI 29 3.4.2 Không gian K 34 3.4.3 Thu nhận không gian K 36 3.5 Thuật toán tái tạo 38 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Theo thời gian, xã hội ngày phát triển tiến bộ, đời sống người ngày nâng cao, với xuất nhiều loại bệnh khó phát Đối với người sức khỏe vốn quý giá nhu cầu phát loại bệnh ảnh hưởng tới sức khỏe để chữa trị kịp thời nhu cầu cấp bách Chúng ta sống thời đại khoa học kỹ thuật công nghệ phát triển vũ bão kỹ thuật công nghệ ứng dụng rộng rãi đời sống sản xuất, để bắt kịp với xu thời đại, nhiều nhà khoa học tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật công nghệ vào y học Có nhiều sản phẩm kỹ thuật công nghệ đời phục vụ hữu ích cho y học Trong có máy chụp X-quang, chụp cắt lớp, siêu âm với nhiều ứng dụng giúp bác sĩ: phát khối u, dị dạng mạch máu, thiếu máu, khối máu tụ giáp não, loại bệnh liên quan đến xương khớp nhiên phương pháp nhiều hạn chế độ xác không cao Qua thời gian tìm hiểu thấy chụp cộng hưởng từ (MRI) phương pháp tiến bộ, khắc phục hạn chế mà phương pháp chụp khác mắc phải Chụp MRI sử dụng rộng rãi độ xác cao an toàn không 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 đau đớn cho bệnh nhân Đặc biệt, ảnh cộng hưởng từ song song (PMRI) với việc rút ngắn thời gian thu tín hiệu MRI giải nhu cầu cấp bách người phát bệnh nhanh xác để chữa trị kịp thời Với lý trên, định nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song (PMRI)” Mục đích nghiên cứu Qua đề tài nhằm đưa lượng kiến thức ảnh cộng hưởng từ ảnh cộng hưởng từ song song để người đọc hiểu thêm lĩnh vực Đồng thời tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu - Tạo ảnh cộng hưởng từ song song MRI - Tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI - Ứng dụng ảnh cộng hưởng từ song song 3.2 Đối tượng nghiên cứu Kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ song song Giả thuyết khoa học Việc nghiên cứu tốt nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song ứng dụng tiện ích ảnh cộng hưởng từ thực tiễn góp phần tăng thêm hiểu biết cho thân nói riêng góp phần đưa tài liệu cho người đọc Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu cấu tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI - Nghiên cứu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết Cấu trúc luận văn Gồm chương: Chương 1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ Chương 2: Giới thiệu chung tạo ảnh cộng hưởng từ song song Chương 3: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI 1.1 Tổng quan MRI Chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging - MRI) hay nói đầy đủ chụp cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magnetic resonance imaging NMRI) kỹ thuật chụp ảnh dựa tượng cộng hưởng từ hạt nhân ( Nuclear magnetic resonance - NMR) Trong công nghệ MRI, người ta kích thích hạt nhân sóng vô tuyến (Radio frequency - RF), thu tín hiệu phát từ cộng hưởng hạt nhân (như hydro ) để tạo ảnh quan bên thể người Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Bloch Purcell phát vào năm 1946 đạt giải Nobel vật lý năm 1952 Những hình ảnh cộng hưởng từ (Magnetic resonance - MR) công bố năm 1973; hình mặt cắt ngang chuột sống chụp phương pháp MRI công bố vào tháng Giêng năm 1974; nghiên cứu thực người công bố vào năm 1977 Năm 1980 máy cộng hưởng từ giới đưa vào hoạt động để tạo ảnh thể người Hình ảnh người X-ray chụp vào năm 1985 Hiện công nghệ ứng dụng mạnh y học góp phần phát chuẩn đoán bệnh cách hiệu tính xác an toàn cao Nó thay số phương pháp chuẩn đoán phải dùng thiết bị xâm nhập thể tránh nhiều rủi ro giảm đau đớn cho bệnh nhân MRI sử dụng để kiểm tra gần quan thể, giúp ta thấy hình ảnh lớp cắt phận thể từ nhiều góc độ khoảng thời gian ngắn - Năng lượng điện từ truyền lại có tần số xác định phụ thuộc vào tính chất hóa học mô, cường độ từ trường nhiệt độ - Các vị trí đặc biệt nguồn gốc tín hiệu giải trừ mã hóa không gian để tạo điều kiện cho việc thu hồi hình ảnh - Gradient từ trường sử dụng để thay đổi tần số cộng hưởng, tần số tín hiệu MRI phụ thuộc vào vị trí không gian nguồn tín hiệu - Một hình ảnh không gian k hình thành, đo tín hiệu truyền (hình ảnh không gian k tương ứng với hình ảnh không gian Fourier) - Hình ảnh thực tế bệnh nhân thu cách biến đổi Fourier hình ảnh không gian k (nó giải tương ứng tần số vị trí không gian tín hiệu) - Trong máy quét MRI tiêu chuẩn, tín hiệu nhận cuộn dây đơn giản với độ nhạy đồng so với khối lượng toàn hình ảnh - Trong tạo ảnh song song quét MRI, tín hiệu nhận đồng thời nhiều cuộn dây nhận với độ nhạy không gian khác Điều mang lại nhiều thông tin vị trí không gian tín hiệu MRI Tạo ảnh song song tốc độ quét MRI vào việc thu nhận ảnh liệu hữu ích cho: Khả xử lý hình ảnh động học mà tạo tác chuyển động lớn Rút ngắn thời gian thu nhận ảnh máy quét MRI, giúp tăng tốc độ công suất máy quét MRI 3.1.5 Ba cách để tái tạo lại thông tin quét Có hai phương pháp xây dựng lại để phục hồi thông tin trình quét: SENSE xảy phạm vi hình ảnh GRAPPA SMASH xảy không gian K 27 Một loại thứ ba phương pháp tái sinh, gọi kỹ thuật lai, gần phát triển Đây thuật toán phức tạp phát triển để khôi phục lại liệu bị bỏ sót việc thu nhận giảm 3.2 Mục đích MRI song song Sử dụng cuộn dây đa kênh thu nhận để: - Giảm thời gian quét - Hạn chế chuyển động bệnh nhân biểu đồ lâm sàng - Tăng độ phân giải không gian thời gian - Giảm biến dạng hình học Hình 3.2: Sử dụng cuộn dây đa kênh 3.3 Nguyên tắc MRI song song 28 3.4 Kiến thức tạo ảnh song song PMRI Tạo ảnh song song (PI) tạo ảnh song song phần (PPI) phiên dịch từ chủ đề nghiên cứu sản phẩm thương mại sử dụng rộng rãi với ảnh hưởng đáng kể hầu hết khía cạnh MRI PI sử dụng ăng-ten thu tách biệt mặt không gian để thực việc mã hóa không gian cần thiết để chuyển tượng cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) vào việc tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) Các sở lý thuyết đưa vào cuối năm 1980, không khai thác thập kỷ, phần việc thiết kế phần cứng không dễ dàng phần mảng cuộn dây (array coils) phát triển chúng lại sử dụng theo mục đích khác để tạo tỷ số tín hiệu nhiễu cao (SNR) Làn sóng thứ hai nghiên cứu PI đưa cuối năm 1990 vòng năm thương mại hóa rộng rãi Tuy nhiên, lĩnh vực nhiều tiềm phát triển, trì tốc độ phát triển nhanh chóng khái niệm ứng dụng Lĩnh vực thu hút nhiều khía cạnh khác kỹ thuật phần cứng toán học để cải thiện mở rộng khái niệm ban đầu sử dụng công nghệ để giúp giải nhiều vấn đề tồn MRI 3.4.1 Mã hóa không gian MRI Đầu tiên cần mô tả cách mã hóa không gian MRI thực PI giới thiệu số thuật ngữ Thực tế, MRI phương pháp tạo ảnh thông thường kiến thức vật lý phổ thông mà hình thành định vị hóa tín hiệu NMR tần số Sự định vị hóa phụ thuộc tần số tạo cho MRI kỹ thuật quang phổ MRI Tần số cộng hưởng hệ thống spin hạt nhân xác định phương trình Larmor (phương trình 3.1) ω tần số cộng hưởng γ tỷ lệ từ hồi chuyển proton (42,58 MHz/T), B cảm ứng từ từ trường vị trí proton, ω tỷ lệ thuận với cảm ứng từ B từ trường ngoài: 29 ω = γB (3.1) Biên độ tín hiệu định phần mức độ phân cực hệ thống spin mà tỷ lệ thuận với biên độ từ trường thời gian mà hệ thống đo sau bị tác động xung sóng vô tuyến RF Điều hồi phục hệ thống spin trở lại trạng thái cân nhiệt Các phương trình chi phối cho hệ thống phương trình Bloch, mà đơn giản hóa thí nghiệm MRI đơn giản:  S  S0 (1  e TR T1  )e TE T2 (3.2) Trong S tín hiệu phát , S0 tín hiệu phát lớn nhất, tỷ lệ thuận với B mật độ proton (hoặc spin), đại lượng theo hàm mũ mô tả thành phần ngang dọc từ hóa hàm thời gian Điều dẫn đến hai thông số MRI quan trọng, thời gian phản hồi (TE) thời gian kích thích phát hiện, thời gian lặp lại (TR) thời gian kích thích kích thích Phương trình (3.2) giải thích lý lại có biên độ từ trường cao MRI để tăng S0, phương trình (3.1) diễn tả phụ thuộc tần số cộng hưởng vào B chế định vị hóa không gian mà mô tả Trong trình NMR, tách tín hiệu từ vị trí khác mẫu cách áp dụng từ trường thay đổi theo không gian (gradient trường hay thường gọi MRI 'gradient') trình nhận tín hiệu NMR Sự thay đổi tần số cộng hưởng hàm vị trí Nếu tần số thay đổi tuyến tính với vị trí sau mối quan hệ tín hiệu mà phát (một xếp chồng tất tần số) phân bố không gian tín hiệu xác định biến đổi Fourier Phương pháp định vị hóa gọi mã hóa tần số Gradient mã hóa tần số áp dụng suốt trình tiếp nhận tín hiệu NMR Hoạt động 30 Gradient hàm thời gian trục vuông góc mà thường thể hiện, với hoạt động sóng vô tuyến RF sơ đồ trình tự xung Sơ đồ thể hình 3.3(a), gradient mã hóa tần số nhìn thấy suốt trình đo (a) (b) Hình 3.3 Ở phía bên tay trái sơ đồ trình tự xung mô tả quy trình giai đoạn ba trục Gradient vuông góc, kích thích sóng vô tuyến RF cửa sổ thu nhận Hoạt động kích thích sóng vô tuyến RF với Gradient lựa chọn lớp theo Gradient tái tập trung Bước mã hóa pha Cuối đọc số liệu (mã hóa tần số) tín hiệu thu thập Để mã hóa đầy đủ hình ảnh, trình tự lặp lại với biên độ khác Gradient mã hóa pha Phía bên phải cho thấy biểu đồ không gian K Khi Gradient mã hóa pha không, gradient cuộn dây đưa đến bên trái không gian K quét gradient đọc không gian K Khi mã hóa pha chuyển sắc áp dụng, thay đổi dòng đọc không gian K dọc theo hướng mã hóa pha đại lượng K K tỷ lệ nghịch với tầm nhìn (FOV) mức tối đa không gian k tỉ lệ nghịch với kích thước voxel (điểm ảnh chiều) 31 Trong MRI thường không thu thập liệu sau xung RF cần thời gian để thực mã hóa không gian theo hướng vuông góc với mã hóa tần số trước thu thập liệu Mã hóa tần số định vị hóa tín hiệu theo chiều với tạo ảnh cần định vị 3D hay định vị 2D kết hợp với lựa chọn lớp cắt Sự khác biệt 3D đa lớp trình bày phần sau, phần xem xét tạo ảnh đơn lớp (từ ta dễ dàng khái quát hóa đa lớp đơn giản lặp lại chương trình vị trí khác nam châm) Sự lựa chọn lớp thực cách áp dụng gradient tuyến tính mạnh theo hướng lớp (vuông góc với mặt phẳng tạo ảnh) trình kích thích, tức việc cung cấp xung RF Khi Gradient lựa chọn lớp thiết lập, tần số Larmor thay đổi hàm vị trí xung RF có băng thông hữu hạn, ta quan tâm vị trí thể nơi mà tần số Lamor nằm băng thông xung, spin nằm vùng tương ứng với tần số phạm vi không bị ảnh hưởng Hình 3.3 (a) cho thấy gradient lựa chọn lớp kích hoạt xung RF Với luận văn này, định vị hóa theo hướng mặt phẳng khác điều ta cần quan tâm tạo ảnh MRI nhiều thời gian Sự ảnh hưởng nguyên lý sử dụng mã hóa tần số mã hóa theo hai hướng phải thực xếp chồng Gradient bị phân bố tần số Việc mã hóa tần số thực suốt trình lấy mẫu mã hóa phải thực theo hướng khác phương pháp mà gọi mã hóa pha Gradient bật khoảng thời gian, pha tích lũy mẫu hàm vị trí không gian Sau thời gian gradient tắt tín hiệu lấy mẫu Mục đích Gradient mã hóa pha để lựa chọn tần số không gian đơn hướng mã hóa pha Để lấy mẫu tất 32 tần số không gian cần thiết để tái cấu trúc hình ảnh xác thí nghiệm phải lặp lặp lại tất tần số không gian lấy mẫu, tức lặp lặp lại thí nghiệm với thay đổi Gradient mã hóa pha Để cảm nhận thời gian thực trình thời gian lặp lại khoảng vài trăm mili giây, độ phân giải ảnh cuối 256 mẫu hướng mã hóa tần số 256 mã hóa pha thời gian tạo ảnh tổng thể vài phút Trong trình tạo ảnh để thu ảnh trung thực ta cần loại bỏ tạo tác (do proton va chạm với nhau) để thời gian thực trình ngắn khó Chúng ta mô tả hầu hết chất hình 3.3 bao gồm yếu tố thiết yếu trình tự tạo ảnh MRI đơn giản nhất, trình tự phản hồi thu nhận Gradient (GRE) Cho đến thảo luận giới hạn tạo ảnh đơn đa lớp, nhiên việc mã hóa khối thường sử dụng MRI Ở không kích thích lớp đơn mà có khối lớn (có thể coi lớp chất béo(fat slice)) không gian mã hóa dọc theo bề rộng lớp sử dụng hướng thứ hai gọi mã hóa pha, mà có hai hướng trực giao mã hóa pha Việc mã hóa 3D có lợi mã hóa đa lớp SNR cho phép có độ phân giải đẳng hướng Bởi thông tin ảnh không mã hóa trực tiếp, mã hóa không gian tần số, đề cập đến miền liệu gốc không gian K Đây miền đối xứng có liên quan đến miền ảnh biến đổi Fourier 2D 3D mà chuyển từ miền thời gian (thời gian tiến triển suốt trình lấy mẫu phản hồi thời gian giả tạo tiến triển trình mã hóa pha) vào miền tần số (mà MRI miền ảnh chúng ta) Những ảnh hưởng gradient mô tả tốt không gian K mà thấy gradient đọc số liệu (hoặc gradient mã hóa tần số) cho phép lấy mẫu dọc theo tuyến không gian k (từ giá trị âm đến giá trị dương hình thành phản hồi), gradient mã hóa pha 33 cho phép định vị hóa tuyến theo hướng trực giao không gian K (hình 3.3(b)) 3.4.2 Không gian K Độ phân giải ảnh cuối xác định tần số lấy mẫu không gian cao (trong phạm vi mà không gian k lấy mẫu), kmax, lĩnh vực quan sát định dải tần số mà lấy mẫu xác định tốc độ lấy mẫu k (xem hình 3.3(b)) Không gian K lấy mẫu cách thận trọng theo hướng mã hóa tần số, tốc độ lấy mẫu giới hạn chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC) sử dụng thu máy quét Tốc độ lấy mẫu điển hình cao phải xem xét giới hạn thông thường trình lấy mẫu rời rạc theo hướng Tuy nhiên, hướng mã hóa pha tốc độ lấy mẫu định biên độ thay đổi không gian K áp đặt Gradient mã hóa pha Vì bước mã hóa pha chiếm lượng thời gian đáng kể, có lợi để giảm thiểu số lượng bước cần thiết để qua phạm vi cố định không gian K (để trì độ phân giải cố định) Điều khiến bước tiến lớn không gian K, ví dụ vùng quan sát nhỏ nhanh Tuy nhiên, vùng quan sát lựa chọn mà không chứa toàn đối tượng chụp ảnh, sau lấy mẫu kết rời rạc cưa (kết vi phạm tiêu chuẩn Nyquist lấy mẫu) hình ảnh thể phận đối tượng nằm vùng quan sát thiết lập lấy mẫu mã hóa pha khoảng thời gian đưa vào ảnh 34 Hình 3.4: (a) (a’) không gian K ảnh tương ứng hiển thị cho tập hợp liệu lấy mẫu đầy đủ Cặp đôi có liên quan tới biến đổi Fourier 2D (b) (b’) lấy mẫu không gian K theo hệ số 2, với cạnh thiết lập không Kết làm giảm độ phân giải ảnh thể hình ảnh phóng to (c) cho thấy không gian K lấy mẫu theo hệ số với tất tuyến khác thiết lập để không Hình 3.4 cho thấy ảnh hưởng không gian lấy mẫu chiến lược khác nhau, (a) cho thấy lấy mẫu không gian đầy đủ, (b), (c) (d) có nửa số lượng mẫu nên nửa thời gian Biến đổi Fourier 2D (a), (b), (c) (d) tương ứng hiển thị (a’), (b’), (c’) (d’) Trong (b) độ phân giải giảm (giảm Kmax) trong (c) FOV giảm xuống nửa, (d) lấy mẫu ngẫu nhiên không gian K thực Vai trò tạo ảnh song song phép khoảng thời gian lấy mẫu lớn không gian K sau phục hồi lấy mẫu với tốc độ Nyquist sử dụng thông tin bổ sung từ mảng cuộn dây 35 Hình 3.5: Phía bên trái cho thấy ảnh tiêu biểu sản xuất theo trình tự mô tả hình 3.3 Phía bên phải thể việc bổ sung nhiều gradient tái tập trung xen kẽ với gradient mã hóa pha, nhiều dòng không gian K đo với kích thích Trong mặt phẳng ảnh phản hồi (EPI) toàn ảnh thu nhận với dãy phản hồi 3.4.3 Thu nhận không gian K Hình 3.6: Thu nhận ảnh không gian K - Lấy mẫu không gian K: Xét ảnh chiều 1D có tín hiệu rời rạc Cn giá trị N Ck hệ số Fourier (biểu diễn miền không gian K) 36 Chúng ta có: N 1 Ck   cn e 2i kn / N (3.3) N 1 cn   Ck e 2i kn / N N k 0 (3.4) n 0 Lấy mẫu yếu tố Fourier với việc giảm hệ số R = thu tín hiệu Rk  C2 k với k thay đổi từ đến N  Chúng ta viết tín hiệu không gian thu sau: N /21 N 1 2i knR 2/ N rnR   C2k e  Ck e2i knR / N  N k 0 N k 0,even N 1 (1  (1) k )   Ck e2i knR / N  cnR  cnR  N / N k 0 (3.5) Vì vậy, miền không gian, tín hiệu kết ngắn hai lần (giảm độ dài hệ số R trường hợp tổng quát) Hơn nữa, hai thành phần (cnR ) nR  1 N / 2 and (cnR ) nR   N /  N  xếp chồng lên nhau, gọi cưa (xem hình 3.7) Như thành phần R ( c n R ) n R  rN / R  ( r  1) N / R  (r thay đổi từ đến R - 1) xếp chồng lên Hình 3.7: Minh họa việc giảm FOV cưa 37 - Nguyên tắc xây dựng lại PMRI: Chúng ta có hai cuộn dây với độ nhạy không xếp chồng, bao phủ đồng nửa FOV (xem hình 3.8(a)) Kể từ tín hiệu nhìn thấy cuộn dây giải giới hạn, mẫu hệ số R = làm giảm FOV lần không tạo cưa miền không gian Đây tương tự số với tần số Nyquist Nhờ có tính hai mặt không gian tần số với biến đổi Fourier, miền không gian sau xem miền tần số Chúng ta thấy cuộn dây có dải tần nửa tần số lấy mẫu, cho phép lấy tín hiệu mẫu hệ số R = (có nghĩa miền không gian K) cưa mà không thông tin (xem hình 3.8 (c)) Nhận biết độ nhạy cuộn dây kết hợp hình ảnh FOV đầy đủ (xem hình 3.8 (b)) tái tạo lại liệu ban đầu (xem hình 3.7 (a)) Hình 3.8: Minh họa ví dụ đơn giản hình ảnh song song với hệ số tăng tốc R = 3.5 Thuật toán tái tạo Phương pháp thứ miền ảnh (SENSE) liệu tham chiếu cuộn dây liệu đích lấy mẫu hoạt động miền ảnh Phương pháp thứ hai (SMASH) giữ thông tin cuộn dây miền ảnh hoạt động liệu đích không gian k Phương pháp thứ ba (generalized-SMASH hay SMASH tổng quát hóa) giữ hai tài liệu tham 38 chiếu liệu đích không gian k Phương pháp cuối trình bày (GRAPPA) tất liệu có không gian k có khác biệt lớn với phương pháp trước Cả hai phương pháp SENSE SMASH tổng quát hóa (g-SMASH) đưa giải pháp xác, SMASH GRAPPA tạo giải pháp gần 39 KẾT LUẬN Qua trình thực đề tài khóa luận, đạt số kết sau: - Hiểu kiến thức tạo ảnh cộng hưởng từ MRI - Tìm hiểu khái niệm bản, ứng dụng việc tạo ảnh cộng hưởng từ song song - Hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song - Biết quy trình làm khóa luận tốt nghiệp Sau trình nghiên cứu thấy PMRI - Tạo ảnh cộng hưởng từ song song lĩnh vực có nhiều ứng dụng hữu ích y học Với nhiều ưu điểm như: giảm thời gian thu nhận ảnh, giảm nhiễu tăng độ phân giải, khắc phục hạn chế mà tạo ảnh cộng hưởng từ mắc phải Rất mong góp ý, bảo thầy cô giáo bạn để luận văn hoàn thiện 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bankson J A, Griswold M A, Wright S M and Sodickson D K (2000) SMASH image with a molecular multiplexing [2] Bs Trần Đức Quang (2007), Nguyên lý kỹ thuật chụp cộng hưởng từ song song (PMRI), NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM [3] Đoàn Nhật Ánh, Kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh [4] Wiesinger F, Boesiger P and Pruessmann K P (2004), an electrodynamic and SNR in parallel MRI 41 [...]... ngắn nhất sẽ mất sự từ hóa nhanh hơn so với các mô khác Hình 2.10: So sánh phân rã từ hóa ngang của các mô có các giá trị T2 khác nhau 23 CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ SONG SONG PMRI 3.1 Giới thiệu tạo ảnh song song MRI Hình 3.1: Ảnh song song MRI của não bộ 3.1.1 Phương thức tạo ảnh song song MRI Tạo ảnh song song MRI sử dụng nhiều phần tử của hệ thống cuộn dây dàn ăng-ten đã định pha (giàn...1.2 Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI Tìm hiểu về sự kích hạt nhân cho việc tạo và thu ảnh MRI cho ta cái nhìn tổng quan về cách chụp ảnh dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ Quan sát hình 1.1 ở dưới đây có thể thấy được nguyên lý cơ bản của việc tạo hình ảnh MR như sau: Hình 1.1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ Bộ phận cần chụp được đưa vào một không gian có từ trường tĩnh là B0, sau có các... gian hoặc thời gian - Giảm biến dạng hình học Hình 3.2: Sử dụng cuộn dây đa kênh 3.3 Nguyên tắc MRI song song 28 3.4 Kiến thức cơ bản về tạo ảnh song song PMRI Tạo ảnh song song (PI) hoặc tạo ảnh song song từng phần (PPI) được phiên dịch từ một chủ đề nghiên cứu một sản phẩm thương mại sử dụng rộng rãi với những ảnh hưởng đáng kể trên hầu hết các khía cạnh của MRI PI sử dụng các bộ ăng-ten thu được... số cuộn dây khác tạo từ trường biến thiên (gradient), bằng một cách nào đó chỉ tạo cộng hưởng tại một mặt cắt cần thiết, sau đó thu tín hiệu cộng hưởng từ của mặt cắt đó bằng một cuộn dây (cuộn dây này có thể chính là cuộn phát tín hiệu RF kích thích); tín hiệu thu được đưa tới máy xử lý và tạo ảnh Ảnh này chính là ảnh được chụp bằng phương pháp cộng hưởng từ Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI có thể chia... quét lâu Tạo ảnh song song cung cấp thời gian thu nhận ảnh ngắn hơn nhiều, trong khi vẫn giữ độ phân giải cao cần thiết cho sự phát hiện tổn thương sớm hoặc khối u 3.1.4 Bản tóm tắt tạo ảnh song song trong quét MRI Để hiểu biết hơn về tạo ảnh song song trong máy quét MRI, sau đây là một bản tóm tắt theo từng bước: - MRI là phương pháp tạo ảnh không xâm lấn sử dụng trong y học - Bệnh nhân chụp ảnh trong... giải pháp này là ảnh cuối cùng mà ta thu được chịu ảnh hưởng lớn bởi các tạo tác và răng cưa Vai trò của thuật toán tái cấu trúc PI là để thực hiện việc tái cấu trúc chính xác từ những dữ liệu và để loại bỏ các răng cưa 2.2 Tóm tắt về ảnh cộng hưởng từ song song Trong thập kỷ qua, sự tạo ảnh song song đã có sự đổi mới lớn nhất trong ảnh cộng hưởng từ - MRI Bằng việc sử dụng nhiều cuộn dây thu để tăng... để tạo một ảnh được thu bởi một loạt các phần tử cuộn dây riêng biệt Từng phần tử rơle tín hiệu thông tin cùng một kênh riêng biệt với một máy tính tái tạo hình ảnh Chuỗi các phần tử của cuộn dây có thể cải thiện vùng phủ sóng tạo ảnh và tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong ảnh Số phần tử trong giàn máy dò là một yếu tố quan trọng trong việc mô tả một hệ thống tạo ảnh song song Công nghệ tạo ảnh song song... thấy rằng sự tạo ảnh song song được sử dụng để cải thiện chất lượng dữ liệu 16 2.3 Lý do tạo ảnh song song Muốn có một phương pháp để tăng tốc việc tạo ảnh chúng ta có một số tính chất sau: - Nó được áp dụng đối với tất cả các chuỗi xung mà có ảnh hưởng đến độ tương phản của ảnh - Nó được bổ sung cho tất cả các phương pháp tăng tốc hiện có - Nó không tạo ra các tạo tác (do ảnh hưởng của sự va chạm giữa... Lý thuyết (hệ số-g) và thực tế (thiết kế cuộn dây) hạn chế tốc độ thu nhận ảnh Triển khai của việc thu nhận ảnh song song cũng được xem xét, đặc biệt là hiệu chuẩn cuộn dây Các ứng dụng như chụp động mạch, chụp hình tim, các ứng dụng tạo ảnh hai chiều có sự phản hồi và chúng ta xem xét về những ứng dụng điển hình của việc tạo ảnh song song Cuối cùng, qua thực nghiệm chúng tôi thấy rằng sự tạo ảnh song. .. vậy mà trong các máy MRI ta có thể thiết kế dùng cuộn dây chung cho việc phát và thu tín hiệu RF 1.2.4 Tạo hình ảnh Tạo hình ảnh có thể coi là giai đoạn cuối cùng của việc chụp ảnh cộng hưởng từ Tín hiệu RF phát ra do hiện tượng cộng hưởng từ được thu bởi cuộn dây, đưa tới máy thu để xử lý và tạo ảnh Tín hiệu thu được ở miền thời gian được số hóa bằng mã hóa theo tần số và mã hóa theo pha Việc này ... Đồng thời tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu - Tạo ảnh cộng hưởng từ song song MRI - Tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI - Ứng... Parallel imaging Partially parallel imaging Cộng hưởng từ hạt nhân Tạo ảnh cộng hưởng từ Tạo ảnh cộng hưởng từ song song Tạo ảnh song song Tạo ảnh song song phần RF Radio frequency Sóng vô tuyến... chung tạo ảnh cộng hưởng từ song song Chương 3: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI 1.1 Tổng quan MRI Chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance