TIỂU LUẬN THIẾT BỊ CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH Y HỌC 1 MÁY MRI TOSHIBA VANTAGE TITAN 3.0T

Giới thiệu1.1 Giới thiệu chung về máy MRI Máy MRI Magnetic Resonnance Imaging, còn được gọi là máy chụp ảnh cộng hưởng từ, chụp ảnh cộng hưởng từ là phương pháp thu hình ảnh của các cơ q

TIỂU LUẬN THIẾT BỊ CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH Y HỌC 1

MÁY MRI TOSHIBA VANTAGE TITAN 3.0T

MỤC LỤC

1 Giới thiệu……….2

2 ……… 2

3 ……….11

4 ……… 11

5 ……… 16

6 ………20

1 Giới thiệu

1.1 Giới thiệu chung về máy MRI

Máy MRI (Magnetic Resonnance Imaging), còn được gọi là máy chụp ảnh cộng hưởng từ, chụp ảnh cộng hưởng từ là phương pháp thu hình ảnh của các cơ quan trong cơ thể sống và quan sát lượng nước bên trong các cấu trúc của các cơ quan Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên một hiện tượng vật lý là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

1.2 Lịch sử phát triển của máy MRI

Felix Block và Edward Purcell đã phát hiện ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào năm 1946 và từ những năm 1950 đến năm 1970 cộng hưởng

từ đã được ứng dụng và phát triển rộng rãi Thành quả đó đã được chứng nhận bằng giải Nobel Vật lý vào năm 1952 cho 2 nhà vật lý Felix Block và Edward Purcell Và đó là cơ sở vật lý quan trọng cho sự phát triển MRI

Đến năm 1970, nền tạo ảnh y học thế giới đã có một sự thay đổi đáng kể với sự công bố kết quả nghiên cứu của tiến sĩ Raymond Damidian Ông phát hiện ra cấu trúc cơ thể người bao gồm phần lớn nước và đó là chìa khóa cho tạo ảnh cộng hưởng từ, và rằng nước phát ra một tín hiệu mà có thể dò và ghi lại được Sau đó tiến sĩ Damidian và các cộng sự đã tiếp tục nghiên cứu miệt mài trong 7 năm và đã thiết kế, chế tạo ra chiếc máy quét cộng hưởng từ đầu tiên dùng trong việc tạo ảnh y tế của cơ thể người

Đến năm 1980 chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên được đưa vào áp dụng.

Đến năm 1987 kỹ thuật Cardiac MRI được đưa vào sử dụng cho việc chẩn đoán các bệnh về tim mạch Đến năm 1993 thì FMRI dùng để chẩn đoán các chức năng và hoạt động của não bộ

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 1980 Vào năm 2002, có gần

22.000 camera MRI được sử dụng trên toàn thế giới Trên toàn thế giới mỗi năm có hơn 60 triệu ca chẩn đoán bằng MRI và phương pháp này vẫn đang phát triển nhanh

1.3 Giới thiệu chung về máy MRI Toshiba Vantage Titan 3.0T và các ưu điểm của máy

Hình 1: Máy MRI Toshiba Vantage Titan 3.0T

- Hãng SX: Toshiba - Nhật Bản

- Công nghệ nam châm siêu dẫn cường độ 3.0T

- Khoang từ rộng 71cm tạo cảm giác thoải mái cho bệnh nhân trong quá

trình chụp

- Công nghệ giảm tiếng ồn độc quyền Pianissimo giúp giảm 90% độ ồn

- Công nghệ chụp mạch máu Non-contrast MRA đa dạng và phong phú,

Toshiba cũng sở hữu độc quyền kỹ thuật hình ảnh MRA không tương phản này

- Công nghệ chụp toàn thân Atlas Speeder

- Vantage Titan 3T được tích hợp cuộn Gradient và cuộn toàn thân siêu

mỏng với chất lượng hình ảnh vượt trội

- Phần mềm hệ thống M-Power của Toshiba với giao diện đơn giản tăng

tính hiệu quả trong quá trình sử dụng

- Vantage Titan 3T cung cấp nhiều kỹ thuật chụp bằng cách sử dụng hệ

thống RF mạnh mẽ và chính xác, kèm theo đó là hệ thống máy tính và các

hệ thống RF phụ khác

- Toshiba cũng đã tích hợp nhiều giắc cắm cuận thu giúp bệnh nhân không

phải thay đổi vị trí khi khảo sát nhiều bộ phận

- Trên hệ thống 3.0T giúp khảo sát các mạch máu tay, chân, toàn thân,

mạch phổi mà không cần tiêm Gadolini

2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo máy MRI

2.1 Nguyên lý hoạt động

Chụp cộng hưởng từ hạt nhân hay còn gọi là chụp MRI (magnetic resonance imaging)

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ nguyên tử Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các proton (mỗi proton mang điện tích +1) và các neutron (không mang điện tích) Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm) Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng

số electron của nguyên tử đó Tất cả các “hạt” này đều chuyển động Neutron và proton quay quanh trục của chúng, electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chúng Sự quay của các “hạt” nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mômen góc quay gọi là spin Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường Vì proton có điện tích dương và quay nên nó tạo ra một từ trường, giống như một nam châm nhỏ, gọi là mômen từ (magnetic moment) Trong điều kiện bình thường các momen từ định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta không ghi được tín hiệu gì của chúng

Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, các momen từ đang định hướng phân tán sẽ trở nên định hướng song song và đối song song

Cơ thể chúng ta có tỉ lệ chủ yếu nước (60-70%) Trong thành phần của phân tử nước có hai nguyên tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton Do đó, nó

có một mômen từ lớn Điều đó dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các

mô đó Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại

đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến (RF: radio frequancy) để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro

có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được một hệ thống thu nhận

và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào từ trường đó

4 bước tạo ảnh cộng hưởng từ:

Bước 1: Đặt người bệnh vào một từ trường mạnh: Từ trường có cường độ từ 0,2-2,0 Tesla (T), (1T = 10.000 Gauss) để làm các proton đang có mô men từ phân tán trở nên định hướng song song và đối song song

Bước 2: Phát sóng radio vào bệnh nhân:

Mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các proton đang ở vị trí định hướng song song hoặc đối song song, và đang quay đảo theo hướng từ trường ngoài Muốn kích thích được

các proton này, sóng radio phải có cùng tần số với tần số đảo wo của các proton trong cơ thể, hiện tượng này gọi là “cộng hưởng” Dưới tác dụng của sóng RF, một số spin ở trạng thái năng lượng thấp hấp thu năng lượng của trường RF và biến đổi thành trạng thái năng lượng cao Điều này có tác dụng “đẩy” các vector hướng tới mặt phẳng nằm ngang Các proton tiếp nhận năng lượng sóng radio dạng xung sẽ đảo đồng nhịp với xung radio, gọi là hiện tượng đồng pha Vì vậy, tại cùng một thời điểm, các proton này sẽ cùng hướng về một phía Véc tơ của các proton đồng pha này sẽ tổng hợp tạo thành một vector tổng hợp theo hướng ngang (vuông góc với hướng của từ trường ngoài của máy) Hiện tượng này gọi

là hiện tượng “từ hoá ngang” Sóng radio làm giảm hiện tượng từ hoá dọc và tạo mới hiện tượng từ hoá ngang

Như vậy có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu

đó là từ hóa dọc (longitudinal magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng song song với từ trường ngoài của máy

và từ hóa ngang (transverse magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng ngang vuông góc với từ trường ngoài của máy

- Từ hóa dọc là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy Đó chính là trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên Trạng thái này được duy trì cho đến khi có một xung của dòng điện có tần số radio (RF) tác động làm vector từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy Khi ngừng phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu Quá trình khôi phục (recovery) theo hướng dọc của

từ trường máy gọi là quá trình thư dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation) Thời gian thư dãn theo trục dọc (longitudinal

relaxation time) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó Thời gian này còn gọi là thời gian T1

- Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô Xung này thường là xung 900 Do hiện tượng cộng hưởng nên vector từ hoá lệch khỏi hướng của vector từ trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vector từ hóa ngang (transverse magnetization vector) Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF Từ hoá ngang giảm dần về không là một quá trình thư dãn gọi là thư dãn theo trục ngang (transverse relaxation) Khi ngắt xung RF, vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0 Thời gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là thời gian thư dãn theo trục ngang (transverse relaxation time) Thời gian này còn gọi là thời gian T2 Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1

Bước 3: Tắt sóng radio

Khi ngắt xung RF, các proton không còn bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình thư dãn theo trục dọc, thời gian để khôi phục theo trục dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó được gọi là thời gian T1) Trong quá trình này, khi momen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại (tín hiệu ảnh T1)

Các proton đang đảo theo hướng ngang sẽ dần trở lại hướng dọc của từ trường ngoài khi tắt sóng radio Từ hoá ngang giảm dần về không, gọi là thư duỗi ngang, thể hiện bằng khoảng thời gian T2, các tín hiệu nó phát ra được ghi lại để tạo ảnh T2

Sau khi tắt sóng radio, các tín hiệu dòng điện thu được cũng giảm dần về không Định vị các tín hiệu này dựa vào tình trạng chênh lệch từ lực dọc theo khung máy Độ dày của các bước chênh lệch từ trường chính là độ dày của lớp cắt

Trong quá trình thư dãn (trở lại) của từ hoá dọc, các mô khác nhau sẽ có mức từ hoá khác nhau Vì thế tốc độ tăng sẽ khác nhau, hay nói cách khác giá trị T1 khác nhau Mô với giá trị T1 ngắn hơn sẽ có tốc độ tăng lại từ hoá dọc nhanh hơn Do vậy, trong suốt thời gian này nó có mức từ hoá cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn và xuất hiện trên ảnh sáng hơn

Trong quá trình phân rã sự từ hoá ngang, các mô khác nhau có mức từ hoá khác nhau do đó tốc độ phân rã khác nhau, hay T2 khác nhau Giá trị T2 dài tức mô có mức nhiễm từ cao, tạo

ra tín hiệu mạnh hơn và sáng hơn trong ảnh so với mô có giá trị T2 ngắn Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tương phản T2, nhưng tương phản T2 tăng dần trong quá trình thư dãn

Như vậy phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc (tạo ảnh T1) và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang (tạo ảnh T2) Mặt khác, trong thời gian T1 khi mômen từ của các proton khôi phục theo chiều dọc dưới ảnh hưởng của từ trường máy thì tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ hóa thực Độ lớn của vectơ từ hoá thực phụ thuộc vào mật độ proton của mô đó Giữa hai mô lân cận, dù thời gian T1 có thể bằng nhau nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hoá sẽ khác nhau Vì thế cường độ tín hiệu bức xạ ra cũng khác nhau nên sẽ tạo ra ảnh tương phản khác nhau Nhờ đó ta

có thể phân biệt được chúng qua sự tương phản trên ảnh Nếu hai

mô có giá trị T1 khác nhau, thì sự tương phản sẽ càng tăng lên

Nhưng khi các mô tiến dần đến trạng thái cân bằng thì mật độ proton lại trở thành một yếu tố chính ảnh hưởng đến tương phản giữa hai mô

Thời gian T1 bao giờ cũng lớn hơn T2 gấp 2 lần, hoặc 5 lần, hoặc 10 lần T1 và T2 phụ thuộc vào loại cấu trúc của cơ thể

và từ lực của từ trường ngoài Nước có T1 dài, mỡ có T1 ngắn Ảnh xử lý T1 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh, còn được gọi là đối quang tổ chức, chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T1 giữa các tổ chức

Ảnh xử lý T2 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T2 giữa các tổ chức

Bước 4: Dựng ảnh bằng tín hiệu ghi được

Để thể hiện cường độ tín hiệu thu được phân bố trên một lớp cắt, người ta áp dụng phương pháp toán học của Fourrier

để chuyển các tín hiệu thu được thành những thông tin trong không gian Quá trình tạo ảnh tiếp theo giống như tạo ảnh trong CTscanner

Do các tín hiệu thu được bắt nguồn từ các proton của các nguyên tử trong mô, vì vậy độ phân giải của ảnh MRI lớn hơn ảnh CTscanner rất nhiều, ảnh rõ nét hơn và cho phép dựng các ảnh dọc, ảnh ngang, ảnh chéo, ảnh không gian ba chiều, có chất lượng cao

Một số khái niệm trong quá trình tạo ảnh: TR, TE, T1W, T2W, PD và PDW

Như đã biết ở trên, cường độ tín hiệu tăng dần từ 0 đến cực đại trong thời gian T1 và giảm dần từ cực đại trở về 0 trong thời gian T2 Nhằm tạo ra sự tương phản tốt nhất về hình ảnh của

các mô, người ta phải chọn thời điểm T1 và T2 thích hợp để thu nhận các tín hiệu bức xạ cung cấp cho quá trình tạo ảnh TR và TE chính là các thông số về thời gian đo tín hiệu được người vận hành máy thiết lập trước khi chụp MRI

T1: còn gọi là thời gian hồi giãn dọc, có giá trị khoảng 100

ms - 3000 ms Trong một từ trường nhất định T1 có các giá trị khác nhau Mỡ có thời gian T1 ngắn nhất 200 - 250 ms, nước tự do càng nhiều thời gian T1 càng dài (>2000 ms) Chất trắng có thời gian T1 ngắn hơn chất xám vì chất trắng chứa nhiều mỡ hơn Mô nào có T1 ngắn sẽ có tín hiệu mạnh (trắng) và mô nào có T1 dài sẽ

có tín hiệu yếu (đen) Cụ thể mỡ sẽ có màu trắng nhất, các mô mềm sẽ có màu xám hơn và các loại dịch có màu đen

T2: còn gọi là thời gian hồi giãn ngang, có giá trị khoảng

40 - 200 ms, sự khác biệt các mô cũng tương tự cũng tương tự T1 nhưng ngược lại Mô có T2 dài sẽ cho tín hiệu mạnh (trắng) và mô

có T2 ngắn sẽ cho tín hiệu yếu (đen) Trong cơ thể, gan có thời gian T2 ngắn nhất (40ms), mỡ (80 ms) và dịch não tủy có thời gian T2 dài nhất (160ms) Trên hình TW2 dịch não tủy ở não thất và khoang dưới nhện có màu trắng, các mô mềm có màu xám và vỏ xương hầu như không có tín hiệu nên có màu đen

TR (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn dọc đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Xác định giá trị TR là xác định thời điểm chụp ảnh

TE (Time of Echo event) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn ngang đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Các giá trị kết hợp giữa TE và TR được chọn qua các bảng tuỳ thuộc vào từng loại mô

Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2,

ta thu được các tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt Ảnh của T1 và T2 trong trường hợp này gọi là T1 điều chỉnh (T1-weighted: T1W) và T2 điều chỉnh (T2-weighted: T2W) Nhằm tạo ảnh T1 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TR tương ứng với thời gian mà tại đó tương phản T1 lớn nhất giữa hai loại mô Nếu lựa chọn TR dài hơn sẽ tạo ra cường độ tín hiệu lớn hơn nhưng tương phản T1 ít hơn Việc lựa chọn TR thích hợp với các giá trị T1 của mô rất có ý nghĩa trong chẩn đoán lâm sàng, đặc biệt khi phân biệt giữa mô lành và mô bệnh lý Nếu giá trị TR được chọn bằng giá trị T1 của mô, đó là ảnh được chụp khi

mô trở lại 63% sự nhiễm từ mô của nó

Nhằm tạo ảnh T2 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TE tương ứng với thời gian mà tại đó tương phản T2 lớn nhất giữa hai loại mô Tương phản T2 cực đại thu được bằng cách dùng

TE tương đối dài Tuy nhiên, nếu dùng TE quá dài thì sự nhiễm từ

và tín hiệu RF lại quá thấp để hình thành một ảnh

PD (Proton Density) là ảnh khảo sát mật độ proton Như

đã nói trên, khi sự nhiễm từ dọc đạt giá trị cực đại thì tương phản theo thời gian T1 sẽ kém đi Lúc này tương phản ảnh do mật độ proton của mô quyết định Do vậy, nếu ta chọn giá trị TR tương đối dài để tạo ảnh tương phản mật độ proton thì gọi là ảnh mật độ proton điều chỉnh (Proton Density-weighted - PDW: Đậm độ proton) Số lượng proton có trong tế bào và mô, không liên quan với thời gian T1 và thời gian T2 Mô nào có đậm độ proton càng cao thì tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh Hiện nay hình ảnh PDW được sử dụng trong chuyên khoa thần kinh và cơ xương