Nghiên cứu thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân, ứng dụng trong chẩn

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MRI : Magenetic Resonance Imaging - Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân CHTHN : Cộng hƣởng từ hạt nhân Chụp cắt lớp : Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân Cộng hƣởng từ hạt nhân FID : Free Induction Decay - Tín hiệu suy giảm cảm ứng tự NMR : Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hƣởng từ hạt nhân Voxel : Phần tử thể tích MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm chung chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân 1.1.2 Quá trình phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân 1.1.3 Các đặc điểm MRI 1.2 Cơ sở vật lý thiết bị chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân 1.2.1 Hiện tƣợng cộng hƣởng từ hạt nhân 1.2.2 Kích thích tín hiệu cộng hƣởng từ hạt nhân 10 1.2.3 Phƣơng pháp mã hóa không gian tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân 13 1.2.4 Quá trình thu nhận tín hiệu vai trò tách sóng pha cầu phƣơng việc xử lý tín hiệu 18 1.2.5 Lấy mẫu chuyển đổi tín hiệu FID tƣơng tự sang dạng số 20 1.2.6 Quá trình xử lý tái tạo ảnh Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân 22 1.2.7 Các phƣơng pháp tạo ảnh 29 CHƢƠNG II CẤU TẠO, HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN ĐIỀU TRỊ 2.1 Tổng quan phần cứng 36 2.2 Chức hoạt động khối 37 2.2.1 Hệ thống nam châm 37 2.2.2 Hệ thống tạo trƣờng gradient 41 2.2.3 Hệ thống thiết bị vô tuyến 43 2.2.4 Hệ thống định vị kiểm soát bệnh nhân 47 2.2.5 Hệ thống thu nhận tín hiệu 48 2.2.6 Hệ thống máy tính chuyên dụng, bàn điều khiển hiển thị 49 2.3 Hoạt động thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân……… 49 2.4 Ứng dụng chẩn đoán điều trị……………………….……… 49 CHƢƠNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 3.1 Tổng quan số phần mềm mô MRI có……… 55 3.1.1 Khảo sát số phần mềm mô MRI có 560 3.1.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Matlab……………………………57 3.1.2.1 Khái niệm Matlab 57 3.1.1 Tổng quan cấu trúc liệu Matlab ứng dụng 57 3.3 Mô công đoạn xử lý thiết bị 63 3.3.1 Mô trình kích thích tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân 64 3.3.2 Mô trình xử lý tín hiệu tách sóng pha cầu phƣơng 69 3.3.3 Mô trình xử lý hiển thị ảnh 73 3.4 Mô toàn quy trình xử lý thiết bị 74 3.5 Chƣơng trình mô 78 CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô công đoạn kích thích tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân 82 4.2 Mô công đoạn thu nhận xử lý tín hiệu tách sóng pha cầu phƣơng 83 4.3 Mô công đoạn xử lý hiển thị ảnh 84 4.4 Mô toàn quy trình xử lý thiết bị 86 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 91 Phụ lục I : Chƣơng trình mô trình kích thích tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân 91 Phụ lục II: Chƣơng trình mô trình xử lý tín hiệu tách sóng pha cầu phƣơng 103 Phụ lục III: Chƣơng trình mô trình xử lý hiển thị ảnh 111 Phụ lục IV: Chƣơng trình mô toàn nguyên lý hoạt động thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân 119 Phụ lục V: Các hàm định nghĩa dùng trình mô 131 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật công nghệ nói chung, việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật công nghệ phục vụ lĩnh vực y tế không ngừng lớn mạnh Cùng với phát triển xuất chuyên ngành kỹ thuật mới, chuyên ngành Kỹ thuật Y Sinh Trên giới, chuyên ngành có bƣớc phát triển đáng kể đóng vai trò thiếu lĩnh vực y tế nói riêng phục vụ sống ngƣời nói chung Đối với nƣớc ta, chuyên ngành bắt đầu đƣợc đƣa vào giảng dạy vài trƣờng đại học lớn Trong lĩnh vực Kỹ thuật y sinh, phận quan trọng nghiên cứu khai thác sử dụng loại trang thiết bị y tế Trong nhóm thiết bị chẩn đoán hình ảnh chiếm số lƣợng tƣơng đối lớn đóng vai trò quan trọng thiếu y tế Thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân (Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân) thiết bị chẩn đoán hình ảnh phức tạp đắt tiền Với điều kiện nƣớc ta nay, thiết bị đƣợc trang bị bệnh viện tuyến Do đó, việc đƣợc tiếp cận thực tế với thiết bị để tiến hành nghiên cứu, khai thác sử dụng cách hiệu hạn chế khó khăn Mặt khác, xuất phát từ thực tế học tập, nghiên cứu giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật y sinh, chuyên ngành mẻ nƣớc ta nên chƣa có nhiều công cụ mô hình thí nghiệm phục vụ cho trình học tập nghiên cứu Đƣợc hƣớng dẫn thầy giáo Nguyễn Đức Thuận, thực luận văn tốt nghiệp thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân Đề tài luận văn là: “ Nghiên cứu thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân ứng dụng chẩn đoán điều trị ” Đây luận văn mô tả cấu tạo chức máy chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân ứng dụng y tế mô hoạt động máy chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân phần mềm với mục đích xây dựng công cụ thí nghiệm ảo mô nguyên lý hoạt động thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh chuyên ngành kỹ thuật có liên quan khác Trên thực tế có số thiết bị mô thiết bị nhƣng tập trung vào việc xử lý hiển thị ảnh với liệu có sẵn chủ yếu phục vụ cho việc huấn luyện y bác sỹ Nội dung luận văn gồm chƣơng : Chương 1: Tổng quan thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân Chương 2: Cấu tạo, hoạt động thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân ứng dụng chẩn đoán điều trị Chương 3: Mô hình toán học sơ đồ thuật toán mô nguyên lý hoạt động thiết bị Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân Chương 4: Kết mô Trong trình nghiên cứu, hạn chế thời gian kiến thức nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, xây dựng quý thầy cô bạn bè để đề tài thêm hoàn thiện Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tận tình hƣớng dẫn thầy giáo Nguyễn Đức Thuận giúp hoàn thành luận văn CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm chung chụp cắt lớp Cộng hưởng từ hạt nhân Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân (Magenetic Resonance Imaging MRI) kỹ thuật tạo ảnh thƣờng sử dụng chủ yếu y học để tạo hình ảnh giải phẫu thể nhờ sử dụng từ trƣờng sóng radio MRI dựa sở nguyên lý cộng hƣởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance NMR), kỹ thuật phân tích phổ sử dụng nghiên cứu khoa học để thu đƣợc thông tin vi mô cấu trúc vật lý hay hóa học phân tử MRI ban đầu đƣợc sử dụng làm phƣơng pháp chụp cắt lớp, tức tạo ảnh tín hiệu NMR lớp cắt mỏng xuyên qua thể ngƣời Ngày nay, MRI đƣợc mở rộng từ phƣơng pháp chụp ảnh lớp cắt thành phƣơng pháp chụp ảnh khối thể tích Hình 1.1 Máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ Chụp MRI phƣơng pháp đƣa thể vào vùng từ trƣờng cực mạnh hoạt động theo chiều định, tất nguyên tử mô thể chuyển động tự theo nhiều chiều dƣới tác động từ trƣờng có định hƣớng hệ thống MRI thay đổi chiều chuyển động theo hƣớng định sau hệ thống thu tín hiệu bắt đƣợc chiều chuyển động nguyên tử để truyền hệ thống vi tính xử lý tín hiệu tạo hình ảnh Khi thể khỏi vùng từ trƣờng nguyên tử mô lại trở lại trạng thái bình thƣờng 1.1.2 Quá trình phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp Cộng hưởng từ hạt nhân Năm 1946, Felix Bloch Edward Purcell phát tƣợng cộng hƣởng từ độc lập với nhau, giải Nobel vật lý năm 1952 cho hai nhà vật lý tạo tiền đề cho việc phát triển MRI Từ năm 1950 đến năm 1970, cộng hƣởng từ đƣợc phát triển sử dụng cho phân tích phân tử vật lý hoá học Năm 1971, Raymond Damadian thời gian dãn hồi (hồi phục) từ nguyên tử mô khối u khác nhau, từ thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu việc ứng dụng cộng hƣởng từ chẩn đoán bệnh Năm 1973, Hounsfield giới thiệu máy chụp cắt lớp vi tính (Computer Tomography - CT) sở tia X quang Đây thời điểm quan trọng MRI bệnh viện sẵn sàng bỏ khoản tiền lớn đầu tƣ cho thiết bị chụp ảnh y học MRI lần đƣợc chứng minh mẫu ống thử nghiệm nhỏ Paul Lauterbur năm Ông sử dụng kỹ thuật chiếu ngƣợc tƣơng tự nhƣ CT Năm 1975, Richard Ernst đề xuất MRI sử dụng việc mã hoá pha tần số biến đổi Fourier Kỹ thuật tảng kỹ thuật MRI Năm 1977, Raymond Damadian trình bày phƣơng 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 đƣợc phát triển năm sau để chụp ảnh đƣợc tốc độ thu hình (30ms /ảnh) Năm 1980, máy cộng hƣởng từ đời sử dụng cho việc chụp ảnh y tế Edelstein tiến hành chụp ảnh thể theo phƣơng pháp Ernst, ảnh đơn đƣợc thu nhận khoảng phút theo kỹ thuật Năm 1986, thời gian chụp giảm xuống giây mà không giảm nhiều chất lƣợng ảnh Năm 1987, phƣơng pháp chụp ảnh hai chiều tiếng vọng đƣợc sử dụng để chụp ảnh chuyển động thời gian thực chu kỳ nhịp tim đơn Cũng năm này, Charles Dumoulin hoàn thiện kỹ thuật chụp mạch cộng hƣởng từ (Magnetic Resonance Angiography - MRA), cho phép chụp ảnh dòng chảy máu mà không cần sử dụng chất tăng tƣơng phản (chất đối quang) Năm 1991, Richard Ernst thành công MRI NMR dùng biến đổi Fourier xung đƣợc nhận giải Nôbel hoá học Năm 1993, MRI chức (Function MRI - FMRI) đƣợc phát triển Kỹ thuật cho phép ánh xạ chức vùng khác não ngƣời 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 tƣ vận động dây thần kinh Năm 1994, nhà nghiên cứu Đại học quốc gia New York Stony Brook Đại học Princeton trình bày phƣơng pháp chụp ảnh nhờ khí Xenon 129Xe để nghiên cứu hô hấp MRI thực lĩnh vực khoa học nhƣng không ngừng lớn mạnh nhanh chóng Ngày nay, với hệ thống MRI đại lồng kín sử dụng nam châm siêu dẫn (các hệ thống có từ lực từ Tesla trở lên) có ƣu vƣợt trội độ phân giải, tốc độ chụp, độ dày lát chụp, so với hệ thống mở sử dụng nam châm cổ điển (các hệ thống có từ lực dƣới Tesla) nên đáp ứng hầu hết định chuyên khoa sâu nhƣ tim mạch, sọ não, thần kinh, mạch máu, giúp chẩn đoán điều trị bác sỹ đạt độ xác cao 1.1.3 Các đặc điểm MRI Hiện phƣơng pháp ứng dụng cho chẩn đoán hình ảnh chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân phƣơng pháp tiên tiến đại nên phƣơng pháp đem lại giá trị chẩn đoán điều trị cao:  Hình ảnh MRI cho phép tiếp cận trực quan đến nhiều cấu trúc phức tạp thể để đánh giá chức hoạt động chúng mà không cần xâm nhập  MRI phƣơng pháp tốt để phát sớm đánh giá tình trạng khối u  Các mô mềm nhƣ tim, gan, thận, phổi, đƣợc chụp tạo ảnh 3D với khoảng cách điểm ảnh 1mm để dễ dàng phát tổn thƣơng nhỏ rõ mà phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh khác đƣợc  MRI phƣơng pháp tạo ảnh dựa nguyên lý cộng hƣởng từ trƣờng mà không sử dụng tia X nên tránh cho bệnh nhân khỏi ảnh hƣởng tia X Tuy nhiên MRI có số yếu tố cần ý:  MRI vùng từ trƣờng mạnh nên bệnh nhân có vật thiết bị hỗ trợ kim loại thể gây nhiễu hình ảnh không đƣợc định chụp  Phụ nữ có thai dƣới 12 tuần tuổi nên hạn chế chụp MRI cho dù chƣa có khuyến cáo tác hại đến sức khỏe tổ chức y tế giới  Chi phí cho ca chụp MRI thƣờng cao số phƣơng pháp nhƣ siêu âm, X-Quang, CT, 118 set(handles.text16,'Visible','off'); set(handles.n,'Visible','on'); set(handles.d,'Visible','on'); end function cht_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end 119 Phụ lục IV: Chƣơng trình mô toàn nguyên lý hoạt động thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân function varargout = MoPhong(varargin) %///////////////////////////////////////////////////////////////////// % Chuong trinh mo phong toan bo quy trinh xu ly cua thiet bi chup cat lop Cộng hưởng từ hạt nhân %//////////////////////////////////////////////////////////////////// % Doan ma khoi tao gui_Singleton = 0; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, 'gui_Singleton', gui_Singleton, 'gui_OpeningFcn', @MoPhong_OpeningFcn, 'gui_OutputFcn', @MoPhong_OutputFcn, 'gui_LayoutFcn', [], 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function MoPhong_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); function varargout = MoPhong_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; function xl_Callback(hObject, eventdata, handles) global rawdata; global ktmt; global doi_tuong; global T2; %Khai bao du lieu chung 120 aqs=get(handles.qs,'Value'); Ts=1e-3; %Chu ky lay mau Fs=1/Ts; heso=1000/ktmt; %Do phan giai tan so t=0:Ts:(ktmt-1)*Ts; %Vector thoi gian %//////////////////////////////////////// %Tao vector ma hoa pha q1=[-(ktmt)/2:(ktmt)/2-1]; ky1=meshgrid(q1); ky=-ky1(1,:); hsp=360/ktmt; %He so ma hoa pha sn=2*pi/360; %/////////////////////////////////////// rawdata=zeros(ktmt,ktmt); %Tao gia ma tran lat cat doi tuong %Khoi tao cac ma tran luu tru data=zeros(ktmt,ktmt); data1=zeros(ktmt,ktmt); %////////////////////////////////////// %Thuc hien quet tat ca cac voxel lat cat for h=1:ktmt for y=0:(ktmt-1) for x=0:(ktmt-1) f=x*heso; % s=doi_tuong(x+1,y+1)*exp(-t/T2(x+1,y+1)).*exp(-i*(2*pi*f*t+ky(h)*hsp*y*sn)); data(x+1,:)=s; end Stong=sum(data); data1(y+1,:)=Stong; end Ssum=sum(data1); %Luu tung tin hieu tieng FID sau moi buoc ma hoa pha rawdata(h,:)=Ssum; end switch aqs, 121 case 1, %Khong lam gi case 2, %Anh tai tao dulieutho=(flipud(rawdata')); %Hieu chinh can thiet anh2=abs(ifft2(dulieutho)); %bien doi Fourier nguoc I2 = uint8(anh2); %Chuyen doi muc xam va hien thi axes(handles.kt); montage(I2); case %Quang tan so dulieutho=(flipud(rawdata')); anh2=abs(ifft2(dulieutho)); axes(handles.kt) mesh(anh2); case 4, %Du lieu tho axes(handles.kt); contour(rawdata); end function stt_pixel_Callback(hObject, eventdata, handles) global T2; global matran_nho; global doi_tuong; stt=str2num(get(handles.stt_pixel,'String')); x=matran_nho(1,stt); y=matran_nho(2,stt); T2out=T2(x,y); matdoPout=doi_tuong(x,y); xout=num2str(x); yout=num2str(y); T2out=num2str(T2out); matdoPout=num2str(matdoPout); 122 set(handles.tdx,'String',xout); set(handles.tdy,'String',yout); set(handles.mdp,'String',matdoPout); set(handles.hst2,'String',T2out); function stt_pixel_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function tdx_Callback(hObject, eventdata, handles) function tdx_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function tdy_Callback(hObject, eventdata, handles) function tdy_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function mdp_Callback(hObject, eventdata, handles) function mdp_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function kt_pixel_Callback(hObject, eventdata, handles) function kt_pixel_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc 123 set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function t2_Callback(hObject, eventdata, handles) function t2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function tr_Callback(hObject, eventdata, handles) function tr_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) usewhitebg = 1; if usewhitebg set(hObject,'BackgroundColor',[.9.9.9]); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function te_Callback(hObject, eventdata, handles) function te_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) usewhitebg = 1; if usewhitebg set(hObject,'BackgroundColor',[.9.9.9]); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function Zoom_Callback(hObject, eventdata, handles) zoom on; function close_Callback(hObject, eventdata, handles) close all; function tiep_Callback(hObject, eventdata, handles) global doi_tuong; global ktmt; 124 global T2; global matran_nho; global T1; ktmt1=get(handles.kt_pixel,'Value'); switch ktmt1 case ktmt=ktmt1*16; case 2, ktmt=ktmt1*16; case 3, ktmt=64; case 4, ktmt=128; case 5, ktmt=256; end stt=str2num(get(handles.stt_pixel,'String')); if stt