NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 2.1 Giới thiệu lịch sử phát triển chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân: Chụp cắt lớp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging-MRI) kỹ thuật tạo ảnh thường sử dụng chủ yếu y học chẩn đoán để tạo ảnh có chất lượng cao cấu trúc bên thể người.MRI dựa sở nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance-NMR),một kỹ thuật phân tích phổ sử dụng nghiên cứu khoa học để thu thông tin vi mô cấu trúc vật lý hay hóa học phân tử.Từ cuối năm 70 kỷ trước,kỹ thuật gọi chụp cắt lớp cộng hưởng từ so với tên gọi chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN).MRI ban đầu sử dụng làm phương pháp chụp cắt lớp,tức tạo ảnh tín hiệu NMR lớp cắt mỏng xuyên qua thể người.Ngày nay,MRI mở rộng từ phương pháp chụp ảnh lớp cắt thành phương pháp chụp ảnh khối thể tích Quá trình phát triển MRI năm 50 kỷ trước Felix Bloch Edward Purcell,hai nhà khoa học giải Nobel vật lý năm 1952 phát tượng cộng hưởng từ độc lập với từ năm 1946.Trong thời kỳ từ năm 1950 đến 1970,NMR phát triển sử dụng cho phân tích phân tử vật lý hóa học.Vào năm 1971,Raymond Damadian thời gian dãn hồi (hay thời gian hồi phục) từ nguyên tử mô khối u khác nhau,từ thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng cộng hưởng từ chẩn đoán bệnh.Năm 1973,Hounsfield giới thiệu máy chụp cắt lớp vi tính (Computer Tomography-CT) sở vật lý tia X-quang Đây thời điểm quan trọng MRI bệnh viện sẵn sàng bỏ khoản tiền lớn để đầu tư cho thiết bị chẩn đoán y học.MRI lần chứng minh mẫu ống thử nghiệm nhỏ Paul Lauterbur,trong năm ông sử dụng kỹ thuật chiếu ngược tương tự CT.Năm 1975,Richard Ernst đề xuất MRI sử dụng việc mã hóa pha tần số biến đổi Fourier,kỹ thuật tảng kỹ thuật MRI SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC -1- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Một vài năm sau đó,vào năm 1977,Raymond Damadian trình bày phương pháp MRI toàn thể.Cũng năm đó,Peter Mansfield phát triển kỹ thuật chụp ảnh hai chiều tiếng vọng (Echo Planar Imaging-EPI).Kỹ thuật phát triển năm sau để chụp ảnh tốc độ thu hình (30ms/ảnh).Edelstein tiến hành chụp ảnh thể theo phương pháp Ernst vào năm 1980,một ảnh đơn thu nhận khoảng phút theo kỹ thuật này.Năm 1986,thời gian chụp giảm xuống giây mà không giảm nhiều chất lượng ảnh.Cũng năm này,người ta phát triển kính hiển vi sử dụng NMR,cho phép thu độ phân giải 10µm khoảng xấp xỉ cm.Vào năm 1987,phương pháp chụp ảnh hai chiều tiếng vọng sử dụng để chụp ảnh chuyển động thời gian thực chu kì nhịp tim đơn.Cũng năm này,Charles Dumounlin hoàn thiện kỹ thuật chụp mạch cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Angiography-MRA),cho phép chụp ảnh dòng chảy máu mà không cần dùng chất tăng tương phản (chất đối quang).Năm 1991,Richard Ernst thành công MRI NMR dùng biến đổi Fourier xung nhận giải Nobel hóa học.Năm 1993,MRI chức (Function MRIFMRI) phát triển,kỹ thuật cho phép khảo sát chức vùng khác não người.Những năm gần đây,nhiều nhà chẩn đoán muốn phát triển ứng dụng chủ yếu kỹ thuật chụp hai chiều tiếng vọng vào chụp tim thời gian thực.Sự phát triển FMRI mở ứng dụng cho EPI chụp ánh xạ chức vùng não đáp ứng kiểm tra tư vận động dây thần kinh.Năm 1994,các nhà nghiên cứu Đại học quốc gia New York Stony Brook Đại học Princeton trình bày phương pháp chụp ảnh nhờ khí Xenon để nghiên cứu hô hấp.MRI thực lĩnh vực khoa học không ngừng phát triển lớn mạnh 2.2 Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân tương tác có chọn lựa hạt nhân nguyên tử đặt từ trường không đổi với thành phần từ tính sóng điện từ qua Hiện tượng khảo sát xác học lượng tử.Điều phức tạp không cần thiết khuôn khổ luận văn hạn chế đề cập tới số nội dung cần thiết có liên quan đến nguyên lý hoạt động thiết bị chụp cắt lớp CHTHN SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC -2- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Hạt nhân nguyên tử có tích điện Hạt nhân nguyên tử số nguyên tố hoá học (không phải tất nguyên tố hoá học) có mômen động lượng riêng (mômen spin từ) Sự quay hạt nhân với điện tích dương dẫn đến xuất từ trường đặc trưng mômen → từ m p làm cho hạt nhân nguyên tử coi lưỡng cực từ Mômen từ xác định theo công thức sau: → → mp = γ L (2.1) Hình 2.1: Biểu diễn mômen từ không gian Trong công thức trên, hệ số tỷ lệ γ gọi hệ số từ giảo hay hệ số hồi chuyển từ mômen quỹ đạo Đối với proton (hạt nhân nguyên từ Hydro) thì: e− γ= 2m p - Ở e = -1,6.10 (2.2) -19 C (Điện tích điện tử) -27 kg (Khối lượng Proton ) mp= 1,67.10 → L mômen động lượng hạt nhân Khi từ trường ngoài, lưỡng cực từ định hướng không gian Khi đặt mẫu vật chứa hạt nhân nguyên tử có mômen từ riêng (chẳng hạn hạt nhân nguyên tử H → chứa proton) vào từ trường không đổi Bο , lưỡng cực từ định hướng → chủ yếu theo hướng từ trường làm xuất vector từ hoá M (t) thành phần thể tích (voxel) xác định sau: SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC -3- → M= ∫ ΔV → d mp = ∫ → mp (2.3) dV ΔV Thuật ngữ voxel dùng muốn nói đến thành phần thể tích vô nhỏ 20 mô ∆V, chứa đủ số lượng nguyên tử ( khoảng 10 nguyên tử) để sử dụng cách tiếp cận vĩ mô Giá trị từ hoá M voxel tỷ lệ thuận với mật độ proton nó, giá trị định đến cường độ điểm ảnh ảnh cộng hưởng từ sau Khi từ trường r momen từ M = r P có hướng ngẫu nhiên m Khi từ trường Khi có từ trường B0 N M Z B0 Y X S Hình 2.2: Trạng thái mômen spin từ từ trường có từ trường B0 → Như vectơ từ hoá M đặc trưng địa phương mômen spin từ, xác định điểm Giá trị tính cách hình thức theo (2.3) cách lấy giới hạn biểu thức cho ΔV → → Xét trường hợp bỏ qua tượng phân tán véctơ m p lưỡng cực → riêng biệt với véctơ Bο tồn góc Trong trường hợp lưỡng cực bắt đầu quay, phương trình mô tả chuyển động quay có dạng sau: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM → → → dL = m ⋅p B ο dt (2.4) Như từ công thức (2.1) (2.4) rút ra: → d mp → = γ mp ⋅ dt B ο → (2.5) Phương trình hoàn toàn tương đương với phương trình tiến động vật rắn quanh trục cố định có ngoại lực tác dụng Tần số tiến động là: → 0 = −  B0 , Bο = Bο (2.6) Tần số ωο gọi tần số Larmor,tính chất quan trọng toán chẩn → đoán tỷ lệ thuận với từ trường bên Bο Rõ ràng điều khiển tần số tiến → → động ωο cách thay đổi Bο Chẳng hạn để Bο phụ thuộc vào toạ độ định vị khu vực thể với tần số xác định.Chuyển từ mômen từ hạt nhân sang véctơ → từ hoá M điểm xác định không gian, ta có: →  i j → → dM  My = γ( M⋅ Bο ) =  det x  M dt  Bx By  k   Mz  Bz  (2.7) → ⇒ d M = i  (M B − M B ) + j  (M − M B ) + k  (M − M B ) B B → dt → y z z y → z x x z x y y x Cho tới thời điểm ta coi trình không phân tán Tuy nhiên, từ thực nghiệm biết tác động tương hỗ nguyên tử với với trường bên nên có phân phối lại lượng, chẳng hạn chuyển động tiến động tiếp tục bất tận → Giả thiết véctơ Bο hướng theo dọc trục Oz hệ quy chiếu thí nghiệm cố định Khi này, thành phần theo trục Z véctơ từ hoá Mz có giá trị M0, thành phần thường gọi véctơ từ hoá dọc Thành phần Mx, My gọi véctơ từ hoá ngang → → Giả sử cách kích động véctơ M lệch khỏi véctơ Bο góc Khi lệch → → môđun véctơ M thay đổi Như giả thiết trước véctơ Bο hướng theo dọc → trục Oz (trục +Z) hệ quy chiếu thí nghiệm cố định Oxyz Do việc lệch M khỏi → → Bο có nghĩa véctơ M có dạng: r → → → M = Mx i + M y j + M z k → → dM x → dM y → dM z dM i ⇒ = + j +k dt dt dt dt (2.8) → → → Ở ( i , j , k ) véctơ đơn vị hệ toạ độ Đề-các cố định → → → Khi không tác động khác lên véctơ M trường bên Bο , véctơ M quay dần → hướng véctơ Bο , quay gọi dãn hồi hay tiến động (chương động) đặc trưng hai số thời gian dãn hồi T1 T2 Z B0 → M Z Z Xung RF 〈 → M → X X Khi xung RF Khi có xung RF tác động góc α Y M X Y Khi có xung RF 90 tác động Hình 2.3: Trạng thái vectơ từ hóa có tác động xung RF Hằng số thời gian T1 đặc trưng cho trình giảm giá trị trạng thái cân thành phần Mz Thời gian gọi thời gian dãn hồi spin - mạng LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Hằng số thời gian T2 đặc trưng cho trình dãn hồi vị trí cân véctơ từ hoá ngang Mxy gọi thời gian dãn hồi spin - spin Nhìn chung T2 ≤ T1 Véctơ từ hoá mặt phẳng XY trở trước véctơ từ hoá dọc tăng dần đến giá trị cân Một điểm cần ý số T1 T2 khoảng thời gian tiến động hoàn toàn trạng thái cân thành phần vector từ hoá Thông thường T1, T2 lấy thời điểm thành phần từ trường dọc Mz tăng đến giá trị khoảng 63% giá trị ban đầu nó, thành phần từ trường ngang suy giảm khoảng 37% giá trị cực đại Hình 2.4: Đường cong dãn hồi Bảng 2.1: Thông số thời gian T1(ms),T2(ms) mật độ proton(%) số loại mô cường độ từ trường 1.5 Tesla T1(ms) T2(ms) Mỡ 280 50 80 Methemoglobin 460 106 86 Chất trắng 510 67 54 Chất xám 760 77 62 Edema 900 126 77 U nang 1080 280 89 2650 280 89 4000 4000 100 Loại mô Dịch não tủy (CSF) Nước Mật độ proton( %) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Thông số bảng 2.1 tham khảo từ “ Information About The Patient:Reference Phantom” phần tham khảo số [5] Đây thông số quan trọng làm sở liệu lưu file “matran.m” phần mô trình kích thích tạo giả tín hiệu CHTHN Kết hợp (2.7) (2.8) thực nghiệm trình dãn hồi có dạng hàm mũ theo thời gian ta nhận phương trình: → → dM dt → → = γ M⋅ Bο − → M x +i M y T2 j → (M − M ) k o − z T1 (2.9) Phương trình mô tả vĩ mô tượng tiến động véctơ từ hoá có tính đến → trình dãn hồi gọi phương trình Bloch.Do Bο = const nên phương trình (2.7) - (2.9) cho ta lời giải xác Cụ thể phương trình (2.7) đặt điều kiện ban đầu: → = ( M x ,My ,Mz ) ; o M t =0 o o → → Bo = Bo k (2.10) → Lúc phương trình mô tả thay đổi M theo thời gian viết sau:  dM x  dt = γBo My   dM y  = − γBo Mx  dt  dM z =0   dt (2.11) Lời giải (2.11) có dạng sau: o  Mx (t) = Mxo cos(ωo t) − M sin(ω t) y o  o o  My (t) = Mx sin(ωo t) + My cos(ω o t) o  Mz (t) = Mz Thực tương tự phương trình (2.9) cho ta lời giải sau: (2.12) − o o  Mx (t) = e t / T (M t)) x cos(ω o t) − yM sin(ω o  −t/T o (Mx o sin(ω  My (t) = e o t) + M y cos(ω o 2 (2.13) t))  − o − t/T +0 M (1 − e t / T ) (t) = M e z z  M 1 → Các biểu thức (2.13) mô tả tiến động điều hoà véctơ M quanh trục Oz Trong công thức (2.13) thấy có phân tán thành phần M x (t), M y (t) giảm dần tới không giới hạn, thành phần M z (t) tiến tới giá trị cân M o theo quy luật hàm mũ :ở phương trình Bloch (2.9) xây dựng cho với điều kiện mô tả nhận lời giải (2.13) Để ngắn gọn ta đưa vào đại lượng phức: M xy = M x + iM y (2.14) Lúc hai công thức (2.13) có dạng sau : M xy (t ) = M xy e (i0t − t / T2 ) (2.15) 0 i Mxy = M x + iM ≡ Ae Ở y 2.3 Kích hoạt tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân Để kích hoạt tiến động hạt nhân với mục đích sau thu nhận tín hiệu CHTHN phát ra, ta sử dụng trường điện từ cao tần định hướng cách đặc biệt không gian Giả sử véctơ dao động trường song song với trục Ox, hay xác → thành phần từ trường Bb (t) mô tả dạng: → → Bb (t) = 2B1 (t).cos(ωt) i (2.16) Lúc biến đổi (2.16) dạng sau: → → → → → Bb (t) = B1 (t) cos ( ωt ) i + sin ( ωt )  + B1 (t) cos ( ωt ) i − sin ( ωt ) j   j ( Thừa số (2.17) đưa vào để tiện lợi biến đổi ) (2.17) Theo lý thuyết trường cao tần dạng trường (2.16) gọi trường phân cực phẳng; biểu thức ngoặc đứng (2.17) trường phân cực tròn phân cực trường ngoặc đứng ngược với phân cực ngoặc đứng thứ hai Một trường phân cực tròn tác động tương hỗ với hạt nhân (khi tần số ω trùng với tần số tiến động Larmor ωο ) có chứa mômen từ Đây chất tượng CHTHN.Giả sử hiệu ứng CHTHN xác định ngoặc đứng ta có biểu thức: → ~ → → Bb (t) = B1 (t) cos ( ωt ) i + sin( ωt) j    (2.18)  Được gọi trường hiệu dụng,dưới tất số ký hiệu sóng trường hiệu dụng bỏ qua.Chúng ta sử dụng phương trình Bloch để xác định trường (2.18) tác động → đến véctơ từ hoá M (t) Trước tiên ta để ý thông thường độ rộng xung cao tần không vượt 2ms, thời gian dãn hồi ngắn không 40ms Do khoảng thời gian không vượt 40ms bỏ qua phân tán sử dụng phương trình (2.7) → → → dM = γ M⋅ B dt (2.19) Khi có trường cao tần, từ trường tác động có dạng sau: ur → → → B(t) = B1 (t)(cosωt) i + B1 (t)(sinωt) j + Bo k (2.20) Khi này, phương trình (2.19) viết lại dạng thành phần sau:  dM x  dt   dM y   dt  dM z   dt = γM y Bo − γMz B1 (t)sin(ωt) = B γM z B1 (t)cos(ωt) − γMx (t)sin(ωt) − = γM B x γM y B (t)cos(ωt) (2.21) - Thời gian TR dài (có hiệu số trường hợp) thông thường làm tăng độ tương phản 3.3.3 Hiện tượng tạo mẫu giả ảnh Mẫu giả ảnh đặc điểm xuất ảnh đối tượng tạo ảnh.Mẫu giả xuất hoạt động không xác tạo ảnh,cũng trình tự nhiên hay đặc trưng bên thể người.Các mẫu giả thường phân loại theo nguồn gôc gây chúng.Một cố tạo ảnh biểu trạng thái khác nhau.Hơn nữa,không phải toàn mẫu giả dạng nêu biểu giống nhau.Sau ta khảo sát mẫu giả ¾ Mẫu giả tách sóng pha cầu phương Mẫu giả tách sóng pha cầu phương gây vấn đề mạch tách sóng.Cụ thể hơn,các vấn đề thường gắn với phần cứng tách sóng cầu phương.Các vấn đề xuất trình làm việc không xác hai kênh cầu phương.Ví dụ,nếu khuếch đại có bù dòng chiều đầu ra,dữ liệu sau biến đổi Fourier hiển thị vệt sáng trung tâm ảnh.Nếu kênh tách sóng có hệ số khuếch đại cao kênh dẫn đến có bóng mờ theo đường chéo ảnh.Các mẫu giả kiểu thường xuất có hỏng hóc phần cứng cần xác định cụ thể nhân viên có chuyên môn kỹ thuật ¾ Mẫu giả không đồng từ trường B0 Tất thiết bị tạo ảnh cộng hưởng từ có từ trường đồng B0.Từ trường B0 không đồng gây nhiễu loạn ảnh.Các nhiễu loạn mặt không gian cường độ hai.Nhiễu loạn cường độ xuất độ đồng từ trường vùng đối tượng tạo ảnh cao hay thấp độ đồng vùng lại.Hằng số * T2 vùng khác tín hiệu có khuynh hướng khác đi.Ví dụ,nếu độ đồng * nhỏ hơn,T2 nhỏ tín hiệu nhỏ hơn.Nhiễu loạn không gian xuất trường gradient từ trường B0 không đổi khoảng rộng.Chúng làm cho spin cộng hưởng tần số Larmor khác với tần số quy định dãy xung tạo ảnh ¾ Mẫu giả trường gradient Các mẫu giả xuất vấn đề nảy sinh trường gradient giống với từ trường B0 không đồng nhất.Một trường gradient không ổn định theo chiều gradient gây nhiễu loạn đến ảnh.Điều thường xảy cuộn dây gradient bị hỏng.Các mẫu giả khác có liên quan đến trường gradient dòng điện bất thường chạy qua cuộn dây gradient ¾ Mẫu giả không đồng sóng vô tuyến Vấn đề không đồng sóng vô tuyến tức có biến đổi cường độ qua ảnh.Nguyên nhân không đồng trường B1 không đồng độ nhạy cuộn thu.Một số cuộn RF,chẳng hạn cuộn bề mặt,có biến đổi vốn có độ nhạy biểu có mẫu giả loại này.Sự xuất mẫu giả loại cuộn dây khác biểu có hư hỏng phần cuộn dây có vật liệu phi sắt từ đối tượng tạo ảnh.Ví dụ,một vật kim loại chặn trước chiều trường RF chiếu qua mô tạo vùng trống tín hiệu ảnh ¾ Mẫu giả dịch chuyển Mẫu giả dịch chuyển gây dịch chuyển đối tượng tạo ảnh phần đối tượng tạo ảnh trình kích thích thu nhận tín hiệu.Dịch chuyển toàn đối tượng tạo ảnh nhìn chung thường dẫn đến có vết ố toàn ảnh với ảnh có bóng mờ theo chiều mã hóa pha.Dịch chuyển phần nhỏ đối tượng tạo ảnh dẫn đến có vết ố phần ảnh.Giải pháp khắc phục mẫu giả dịch chuyển phải cố định bệnh nhân đối tượng tạo ảnh.Dịch chuyển nhiều nhịp tim đập hay nhịp thở bệnh nhân.Hai nguyên nhân nguyên tắc loại trừ được.Giải pháp trường hợp đồng dãy xung tạo ảnh xung nhịp tim (xung điện tâm đồ) hay xung nhịp hô hấp bệnh nhân.Ví dụ mẫu giả sinh chụp mạch,một biện pháp khởi động trình thu nhận bước mã hóa pha thời điểm giữ chậm định so với xung R (sóng R) chu kỳ nhịp tim.Bằng cách mạch nằm vị trí,có thể tác động tương tự chu kì hô hấp.Nhược điểm kỹ thuật việc chọn thời gian TR thường phải xác định theo nhịp tim hay nhịp hô hấp.Các kỹ thuật thiết kế nhằm loại trừ mẫu giả dịch chuyển thường có nhiều tên gọi khác tùy theo nhà sản xuất thiết bị chụp cắt lớp CHTHN.Ví dụ,một số tên gọi trình loại trừ mẫu giả hô hấp van lọc hô hấp,sự bù hô hấp hay phương pháp kích thích xung nhịp hô hấp Tín hiệu ECG Dòng máu Xung khởi tạo G/chậm G/chậm Dãy xung MRI Hình 3.15: Mô tả trình chụp đồng từ nhịp tim Kèm theo ảnh dọc trục đầu thường có mẫu giả dịch chuyển.Mạch máu phía sau đầu dịch chuyển gây mẫu giả dạng bóng mờ theo đường chéo ảnh ¾ Mẫu giả dòng chảy Mẫu giả dòng chảy gây dòng máu dòng chất dịch thể.Dung dịch chảy qua lớp cắt chịu tác động xung RF sau chảy khỏi lớp cắt thời gian thu nhận tín hiệu.Giả sử sử dụng dãy xung tiếng vọng spin để tạo ảnh lớp cắt.Trong 0 giai đoạn có xung 90 chọn lớp,dòng máu lớp cắt quay góc 90 Trước đưa 0 vào xung 180 ,dòng máu chịu tác động xung 90 chạy khỏi lớp cắt.Xung chọn lớp 180 0 quay spin lớp cắt 180 Tuy nhiên,dòng máu lớp cắt có véctơ từ hóa dọc trục +Z trước xung kích thích dọc trục –Z sau xung kích thích.Nó không tạo tín hiệu,trong thời gian thu nhận tiếng vọng lớp cắt chứa dòng máu không chịu tác động xung 90 xung 180 Kết mạch máu,như biết có mật độ hạt nhân Hydro (proton) cao không tạo tín hiệu Trong dãy xung cắt nhiều lớp,các lớp cắt định vị cho dòng máu chịu tác 0 dộng xung 90 lớp cắt chảy vào lớp cắt khác chịu tác động xung 180 lớp cắt sau chảy vào lớp cắt thứ tạo tiếng vọng đó.Trong trường hợp này,mạch máu hiển thị với cường độ tín hiệu cao.Kết số lớp cắt có mạch máu có cường độ tín hiệu cao số mạch máu có cường độ tín hiệu thấp ¾ Mẫu giả dịch chuyển hóa học Mẫu giả dịch chuyển hóa học gây khác độ dịch chuyển hóa học (tần số Larmor) nước mô mỡ.Mẫu giả xuất dạng đồng xếp điểm ảnh nước mô mỡ ảnh.Sự khác biệt độ dịch chuyển hóa học nước mô mỡ xấp xỉ 3.5 ppm tương ứng với mức khác biệt tần số 220Hz từ trường 1.5T 147 Hz từ trường 1T.Trong suốt trình chọn lớp,có độ lệch nhỏ vị trí spin nước mô mỡ quay xung RF.Trong trình có xung mã hóa pha spin nước mô mỡ có pha khác nhau.Kết spin nước mô mỡ phần tử thể tích mã hóa chúng phần tử thể tích khác nhau,dẫn đến ảnh vị trí spin dịch chuyển so với vị trí thực mô.Biên độ dịch chuyển tỷ lệ với biên độ từ trường B0 tỷ lệ nghịch với tốc độ lấy mẫu theo chiều mã hóa tần số.Khi tốc độ lấy mẫu không đổi,từ trường B0 = 1.5T tốc độ lấy mẫu 16 kHz,độ dịch chuyển xấp xỉ 3.5 điểm ảnh.Khi B0 = 0.5T tốc độ lấy mẫu 16 kHz độ dịch chuyển xấp xỉ điểm ảnh Để loại trừ mẫu giả dịch chuyển hóa học,ta sử dụng biện pháp sau đây: • Sử dụng dãy xung có dải rộng hơn,chú ý phương pháp đồng thời làm tăng nhiễu tạp.Một dãy xung có dải thông hẹp sử dụng trường gradient đọc thấp gây mẫu giả dịch chuyển rõ ràng hơn.Khi thực chụp não dịch chuyển liên quan đến chẩn đoán lâm sàng cường độ tín hiệu từ mỡ chắn làm suy giảm so với tín hiệu từ nước.Trong trường hợp sử dụng dãy xung có dải thông hẹp • Tráo đổi trường gradient mã hóa pha tần số:Việc làm thay đổi chiều xảy dịch chuyển hóa học • Sử dụng dãy xung đảo nghịch phục hồi ngắn STIR • Sử dụng phương pháp chắn tín hiệu từ mô mỡ ¾ Mẫu giả phần tử thể tích Mẫu giả phần tử thể tích mẫu giả xuất kích thước phần tử thể tích.Ví dụ,nếu phần tử thể tích nhỏ chứa tín hiệu từ nước hay mô mỡ phần tử thể tích lớn có chứa tổ hợp hai tín hiệu,phần tử thể tích lớn phát tín hiệu trung bình trọng số lượng nước mô mỡ có phần tử thể tích.Một biểu khác mẫu giả loại giảm độ phân giải nhiêu đặc tính có phần tử thể tích.Giải pháp khắc phục mẫu giả thể tích không gian chọn phần tử thể tích nhỏ hơn,tuy nhiên việc dẫn đến giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu ảnh ¾ Mẫu giả dạng che phủ Mẫu giả dạng che phủ xuất bên trường quan sát phần cấu trúc giải phẫu tạo ảnh nằm bên trường quan sát.Mẫu giả loại xuất việc chọn trường quan sát nhỏ so với kích thước đối tượng tạo ảnh.Hoặc đặc biệt tốc độ số hóa (tần số lấy mẫu) nhỏ khoảng tần số tiếng vọng.Giải pháp khắc phục mẫu giả dạng che phủ chọn trường quan sát lớn hơn,điều chỉnh vị trí tâm ảnh chọn cuộn dây tạo ảnh không kích thích hay thu nhận tín hiệu từ mô bên trường quan sát mong muốn ¾ Mẫu giả dạng rung động Mẫu giả dạng rung động loạt đường song song với đường biên nơi có thay đổi đột ngột cường độ sáng.Nguyên nhân xuất mẫu giả dạng rung động trình lấy mẫu tiếng vọng chưa hoàn chỉnh.Điều có nghĩa tín hiệu không suy giảm đến cuối trình thu nhận,và tiếng vọng không số hóa đầy đủ.Mẫu giả loại xuất ảnh sử dụng ma trận thu nhận có kích nhỏ.Do đó,mẫu giả dễ dàng quan sát chiều 128 điểm ma trận thu nhận 512 x 128.Giải pháp khác phục mẫu giả loại chọn kích thước ma trận hợp lý 3.4 Quy tắc an toàn khai thác sử dụng thiết bị 3.4.1 Quy tắc bố trí thiết bị Thiết bị chụp cắt lớp CHTHN tổ hợp lớn có cấu trúc phức tạp việc bố trí thiết bị đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc.Nhìn chung,thiết bị bố trí vào phòng riêng biệt,bao gồm phòng hệ thống nguồn,phòng hệ thống nam châm,phòng chụp,phòng điều hành bố trí rửa phim,phòng nhân viên… Một cách bố trí đơn giản mô tả hình 3.16 Giá để cuộn dây phan tom I II IV III 2 1 I Bàn bệnh nhân Bàn điểu khiển Hình 3.16: Sơ đồ bố trí thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thông dụng I:Phòng hệ thống nguồn II:Phòng hệ thống nam châm III:Phòng chụp IV:Phòng điều hành 1:Nút tắt nam châm 2:Nút tắt khẩn cấp 3:Nút dừng bàn bệnh nhân Phòng hệ thống nam châm phòng chụp có vách cửa có khả chắn từ trường sóng vô tuyến.Phần vách bàn điều khiển phòng chụp sử dụng vách kính có chắn từ trường 0 sóng vô tuyến.Nhiệt độ phòng yêu cầu 21 C ± C độ ẩm tương đối 50-70 % 3.4.2 Quy tắc an toàn chung Người sử dùng cần nắm vững toàn quy tắc an toàn đưa phải triệt để tuân thủ quy tắc an toàn làm việc với thiết bị Việc sử dụng máy chụp cắt lớp chụp cắt lớp cộng hưởng từ bị cấm trường hợp sau: • Đối với bệnh nhân có thiết bị điện,từ hay kim loại cấy ghép thể máy điều hòa nhịp tim,bơm insulin….do từ trường biến đổi tạo hệ thống gây nhiễu cho thiết bị • Đối với bệnh nhân có sử dụng kẹp mạch trừ nhân viên chuyên môn đảm bảo chắn kẹp mạch không hoạt động từ • Đối với bệnh nhân trải qua giải phẫu thẩm mỹ hay xăm trừ nhân viên chuyên môn bảo đảm chắn sản phẩm sử dụng không hoạt động từ Cần đề phòng cẩn thận chụp cho bệnh nhân sau: • Bệnh nhân có hội chứng sợ hãi hay có nguy tai biến mạch máu • Bệnh nhân có triệu chứng ngừng tim • Bệnh nhân bất tỉnh,không có khả tự lực,tê liệt hay yếu,bệnh nhân cảm giác hay bị xúc động mạnh,trẻ em tuổi • Phụ nữ có thai Cần bố trí khu vực cấp cứu vị trí thích hợp bên từ trường để xử trí bệnh nhân cần trợ giúp khẩn cấp an toàn hay bị ảnh hưởng thiết bị nằm từ trường Trong trình vận hành thiết bị cần thực quy trình thao tác: • Mở tắt hệ thống theo thủ tục chụp • Trong trình chụp phải liên tục giám sát hệ thống • Thường xuyên theo dõi bệnh nhân trình chụp thông qua hình,thiết bị theo dõi… Nếu xảy trường hợp khẩn cấp trạng thái nguy hiểm cho bệnh nhân,hệ thống không hoạt động….,phải tắt hệ thống cách ấn nút tắt khẩn cấp cho nhân viên có thẩm quyền giải quyết.Những người có thiết bị cấy ghép hay mang vật kim loại khác không vào phòng chụp.Cửa phòng chụp phải khóa lại không sử dụng ¾ Các quy tắc Tuân theo quy định Nhà nước địa phương có liên quan đến máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân Tuy nhiên,nên tuân thủ theo hướng dẫn sử dụng vượt chúng vượt quy định Nhà nước địa phương để bảo đảm an toàn cho bệnh nhân,nhân viên đối tượng khác • Bình ống dẫn Hêli (hoặc Nitơ) cần bảo đảm áp suất theo quy định • Cần có sổ tay ghi chép hệ thống,về nhân viên kỹ thuật • Ghi chép toàn tình hình tai nạn xảy để đáp ứng thích hợp yêu cầu quan quản lý,cơ quan chuyên môn sở đào tạo • Không sử dụng hệ thống môi trường cháy nổ • Các dấu hiệu cảnh báo dấu hiệu an toàn thích hợp phải niêm yết để quan sát cách rõ ràng • Ghi nhớ đầy đủ vị trí chức nút tắt khẩn cấp • Tổ chức tốt việc huấn luyện,thẩm định trình độ cho nhân viên cách thường xuyên ¾ Kiểm tra chức an toàn Đây trách nhiệm người sử dụng nhằm bảo đảm cho chức an toàn hoạt động thiết kế: Các chức an toàn cần kiểm tra hàng năm là: • Chức dừng nam châm • Chức dừng bàn bệnh nhân • Chức nút tắt khẩn cấp • Chức nút mở khẩn cấp cửa khí nén • Hệ thống thiết bị vô tuyến • Hệ thống nam châm • Các vật dẫn điện có vỏ bọc • Các phụ tùng đảm bảo an toàn • Các thành phần khác (hệ thống liên lạc,dấu hiệu cảnh báo….) 3.4.3 Quy tắc an toàn bệnh nhân nhân viên ¾ Quy định nút khẩn cấp • Có ba loại nút khẩn cấp là:nút tắt nam châm,nút tắt khẩn cấp nút dừng bàn bệnh nhân • Các dây cáp nguồn hệ thống phải bố trí theo đường hợp lý qua cầu trì người sử dụng đặt hoăc qua công tắc nối đất với nút tắt khẩn cấp • Nút tắt khẩn cấp sử dụng trường hợp:ngăn chặn nguy hiểm cho người hay thiết bị,xảy cố cháy nổ xảy tai nạn điện • Nút tắt nam châm sử dụng để bảo vệ an toàn cho người có trường hợp khẩn cấp từ trường gây có cố cháy nổ.Thời gian để từ trường giảm đến mức không nguy hiểm (20 mT) nhỏ phút • Khi ấn tắt nút nam châm,chất làm lạnh Hêli thoát bốc nhanh chóng,nhiệt độ bảo đảm cho nam châm siêu dẫn không trì.Để tránh nguy hiểm,không sờ vào lỗ thoát Hêli,lau hạt nhỏ ngưng tụ lỗ thoát ¾ Quy tắc liên quan đến sóng vô tuyến Trong trình phát xạ thể hấp thụ lượng sóng vô tuyến.Năng lượng hấp thụ đo tốc độ hấp thụ riêng (Specific Absorption Rate-SAR) lượng hấp thụ kg trọng lượng thể: SAR=Năng lượng sóng vô tuyến/giây/kg trọng lượng thể=[W/kg] Nhiệt độ thể tăng lên SAR vượt khả điều chỉnh thân nhiệt thể.Giới hạn SAR tùy thuộc vào phận cần chụp.Tỷ lệ toàn thân phải nhỏ 0.4 W/kg.Đối với phần đầu trung bình phải nhỏ 3.2 W/kg.Các dãy xung không làm 0 0 tăng nhiệt độ thể lên C không lớn 38 C đầu,39 C thân 40 tứ chi.Cần nắm trọng lượng bệnh nhân trước chụp trình chụp phải liên tục theo dõi số SAR nhờ hệ thống kiểm soát ¾ Quy tắc an toàn liên quan đến chất làm lạnh Chất làm lạnh sử dụng để trì tính siêu dẫn cho nam châm dung dịch Hêli.Đây dung dịch không màu,không mùi,không vị khó cháy,không độc hại làm bỏng da tiếp xúc Khi kiểm soát không hay hệ thống hỏng dung dịch Hêli thoát hóa nhiệt độ sôi Hêli thấp (-269 C) Khí Hêli lan tỏa nhanh phòng thay khí ôxy không khí.Biểu có khí Hêli có cảm giác tê cóng nghẹt thở Phần thể tiếp xúc với không khí bị không khí thấm qua bị tổn thương khí Hêli không khí.Dung dịch Hêli ngưng đọng da gây “cháy da”.Mắt quan bị tổn thương nặng nhất.Khi có tượng này,cần cởi bỏ quần áo cách cẩn thận,rửa nhẹ phần da bị tổn thương nước,che gặc tiệt trùng nhanh chóng gọi bác sĩ,không chà xát,xoa bóp vùng da bị tổn thương 3.4.4 Quy tắc an toàn thiết bị Các túi chất làm lạnh phải đượi bảo quản an toàn phía có thiết bị bảo vệ chống nguy hiểm.Không bố trí vị trí gây cản trở đến lối thoát khẩn cấp hành lang.Từ trường sử dụng đủ mạnh để xóa thông tin thiết bị lưu trữ từ đĩa,băng,thẻ tín dụng,thẻ ngân hàng hay thiết bị lưu trữ từ khác (từ trường 50 Gauss xóa thông tin thiết bị lưu trữ từ) phá hủy thành phần nhạy cảm khí đồng hồ,máy nhắn tin,máy trợ thính…Bảng sau ảnh hưởng từ trường lên thiết bị.Khoảng cách tính từ tâm nam châm theo trục x,y z; x=y bán kính,x khoảng cách đối xứng theo trục nam châm Bảng 3.2 Ảnh hưởng từ trường lên thiết bị Từ trường 3mT 1mT 0,5mT 0,2mT 0,1mT 0,05mT Khoảng cách nhỏ [m] x = 1,80 m z = 2,90 m x = 2,20 m z = 3,60 m x = 2,40 m z = 4,30 m x = 3,40 m z = 5,50 m x = 4,50 m z = 6,70 m x = 5,90 m z = 8,30 m Thiết bị chịu ảnh hưởng Động nhỏ,đồng hồ,camera,thẻ tín dụng,vật lưu trữ liệu từ Máy sóng,bộ vi xử lý,ổ đĩa Màn hình đen trắng vật lưu trữ liệu từ,máy điều hòa nhịp tim,bơm insulin Hệ thống máy chụp cắt lớp CT Siemens sản xuất Màn hình màu,máy gia tốc tuyến tính Siemens sản xuất Bộ khuếch đại ảnh tia X,gamma camera,máy gia tốc tuyến tính hãng khác Do đó,không mang thiết bị lưu trữ từ hay vật sắt từ vào phòng chụp 3.5 Hoạt động thiết bị chụp cắt lớp CHTHN Hệ thống máy tính, bao gồm máy chủ khối điều khiển chính, điều khiển hoạt động toàn thành phần khác Hệ thống nam châm tạo từ trường B0 phục vụ thủ tục tạo ảnh Thủ tục chụp người điều hành định dựa yêu cầu chẩn đoán lựa chọn thông qua bàn điều khiển Thủ tục chụp từ khối điều khiển đưa sang hệ thống khác để điều khiển toàn trình chụp Bệnh nhân đưa vào khoang chụp (trong vùng từ trường B0) nhờ thiết bị bàn bệnh nhân có điều khiển máy tính; bàn có khả định vị với độ xác cao.Tín hiệu điều khiển đưa sang khối phát xung gradient, khuếch đại đến biên độ đủ lớn nhờ tầng công suất sau đó, đưa sang cuộn dây gradient tạo trường gradient Gx, Gy Gz theo trục X, Y, Z tương ứng với yêu cầu trình chụp Khối phát xung gradient phối hợp khối điều khiển hệ thống thu nhận liệu để thu nhận phân phối liệu phát từ mô thể bệnh nhân Tín hiệu điều khiển đưa sang khối phát tạo xung hệ thống RF Khối nguồn xung vô tuyến phát tín hiệu hình sin tần số vô tuyến (trong số thiết bị chụp cắt lớp f = 42MHz) sau đưa sang tạo xung Xung vô tuyến tần số cao khuếch đại đưa đến cuộn RF để phát nhằm thực trình kích thích Đây hệ thống tạo xung vô tuyến theo chương trình, tiến hành định dạng xung theo dãy xung tạo ảnh sử dụng thủ tục chụp chọn (tạo xung hình sinc có độ rộng chu kỳ lặp lại định) Sau chu trình phát, chuyển mạch thu phát chuyển sang chế độ thu Tín hiệu vô tuyến phát từ mô thể bệnh nhân thu nhận cuộn thu RF Tín hiệu qua chuyển mạch thu phát vào khối tiền khuếch đại, sau qua tách sóng cầu phương Tín hiệu sau tách sóng cầu phương chuyển đổi sang dạng số lưu trữ nhớ máy tính Người điều hành quan sát ảnh thu hình bàn điều khiển lấy từ máy in phim, đồng thời ảnh lưu trữ máy tính.Phòng chụp bao quanh chắn sóng vô tuyến để ngăn xung tần số vô tuyến mang lượng cao lọt gây ảnh hưởng đến người thiết bị khác.Đồng thời chắn không cho sóng vô tuyến từ thiết bị truyền thanh, truyền hình lọt vào thiết bị chụp cắt lớp làm ảnh hưởng đến kết tạo ảnh.Phòng chụp bao quanh chắn từ tính với chức tương tự Trong nam châm chế tạo gần nhất, chắn từ tính đưa vào thành phần nam châm 3.6 Tổng quan số phần mềm mô công cụ mô Hiện giới có số phần mềm mô thiết bị chụp cắt lớp CHTHN, nhiên hầu hết tập trung vào việc mô trình xử lý liệu có sẵn để tái tạo ảnh cộng hưởng từ ảnh hưởng vài tham số lên chất lượng ảnh Các phần mềm có giao diện sử dụng tương đối giống với thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thật Điều có ý nghĩa lớn y bác sỹ hay kỹ thuật viên việc huấn luyện, thao tác sử dụng trước tiếp cận thực tế với loại máy phức tạp đại Với sinh viên kỹ thuật y sinh phần mềm mô lại không mang lại hiệu nhiều trình học tập nghiên cứu nguyên lý hoạt động thiết bị Ở đưa số phần mềm mô có sau: ● Phần mềm “Thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân ảo” tác giả Thomas Hacklander Học viện kỹ thuật IFTM-Đức Đây phần mềm tương đối lớn đầy đủ mô thủ tục cần thiết tiến hành thao tác chụp ảnh cộng hưởng từ thiết bị thật Phần mềm viết ngôn ngữ Java, có giao diện đẹp dễ sử dụng Giao diện chương trình có dạng sau: Hình 3.17: Giao diện phầm mềm “Thiết bị cộng hưởng từ ảo” Phần mềm cho phép tải liệu sẵn có ảnh CHTHN thu từ thiết bị thật, sau tiến hành xử lý cách thay đổi tham số phương pháp tạo ảnh cụ thể để ảnh CHTHN có chất lượng khác Giao diện thao tác phầm mềm giống với thiết bị thật, nên chương trình dùng công cụ ảo giúp y bác sỹ, nhân viên kỹ thuật,… tiến hành thao tác sử dụng trước làm việc với thiết bị thật ● Một số phần mềm mô khác chủ yếu chương trình viết MatLab Bằng cách tải liệu sử dụng hàm có sẵn hộp công cụ xử lý ảnh thư viện MatLab tiến hành thay đổi tham số khác để tác động đến chất lượng ảnh Nhìn chung tất sản phẩm thực mô khâu xử lý phần mềm thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thật, không đề cập tới công đoạn xử lý phần cứng Do sinh viên kỹ thuật cần nghiên cứu trình xử lý tín hiệu thực tất khâu thiết bị chụp cắt lớp CHTHN chúng không mang lại hiệu cao, nhiên chúng tư liệu tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu thiết bị nói chung.Trở lại với mục tiêu đề tài luận văn “Mô nguyên lý hoạt động thiết bị chụp cắt lớp CHTHN phần mềm Mallab” Từ việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động thiết bị tất khâu xử lý phần cứng lẫn phần mềm chương chương 3, ta nhận thấy tín hiệu xử lý khâu phần cứng thiết bị biểu diễn dạng vector, ma trận Ngoài khâu xử lý phần mềm thiết bị thực thuật toán thông dụng phép biến đổi Fourier, tích chập, hàm lượng giác… với liệu dạng vector, ma trận TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brian Hargreaves.Bloch Equation Simulation Website: http://www-mrsrl.stanford.edu/~brian/bloch/ [2] TS.Huỳnh Lương Nghĩa.Cơ sở thiết bị chụp cắt lớp máy vi tính.Học viện kỹ thuật quân [3] Jerrold T.Bushberg “et al”(2002).The Essential Physics Of Medical Imaging.Lippincott Williams & Wilkins [4] Tamal Bose (2004).Digital Signal And Image Processing.John Wiley & Sons [5] Thomas Hacklander.Vitual Scaner MRI.IFTM Germany [6] BS.Trần Đức Quang (2007).Nguyên lý kỹ thuật chụp cộng hưởng từ(MRI).Nhà xuất đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [7] Joseph P.Hornak.The Basics Of MRI Website:www.cis.rit.edu\htbooks\mri\inside.htm [8] Phạm Hồng Liên.Đặng Ngọc Khoa.Trần Thanh Phương (2006) Matlab ứng dụng viễn thông.Nhà xuất đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [9] John L.Semmlow (2004).Biosignal and Biomedical Image Processing MATLAB-Based Applications.Marcel Dekker [10] Website: www.cogsci.ucsd.edu\~sereno\276\notes.pdf [11] Zhenghui Zhang (2006).Field Inhomogeneity Compensation In High Field Magnetic Resonance Imaging (MRI) Website: etd.library.pitt.edu/ETD/available/etd-11132006-163142/unrestricted/zhz14_Thesis06.pdf