máy MRI đã chuyển đổi

Một trong những đóng góp to lớn của nền khoa học vào lĩnh vực Y học đó là Máy chụp cộng hưởng từ MRIMagnetic resonance imaging, gọi tắt là máy MRI Việc ứng dụng máy chụp chụp cộng hưởng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, vai trò của Khoa học – Công nghệ (KHCN) ngày càng trở nên quan trọng và đóng góp nhiều hơn trong việc cải thiện chất lượng sức khỏe con người Một trong những đóng góp to lớn của nền khoa học vào lĩnh vực Y học đó là Máy chụp cộng hưởng từ MRI(Magnetic resonance imaging), gọi tắt là máy MRI

Việc ứng dụng máy chụp chụp cộng hưởng từ MRI vào chuẩn đoán là một bước tiến vượt bậc của nền Y học nói chung, vì trước đó, việc xác định, chuẩn đoán các bệnh

lý về thần kinh, mạch máu, cơ xương khớp…chỉ dựa vào chuẩn đoán lâm sàn và hình ảnh chụp mạch não ở máy X – Quang nên gặp rất nhiều khó khăn

Thế hệ máy MRI đầu tiên được phát minh vào năm 1946 và được đưa vào ứng dụng trong lâm sàng vào năm 1950-1970 Tuy còn nhiều hạn chế những phần nào đã giúp cải thiện thông tin cho việc chuẩn đoán và chữa trị Kể từ đó, các thế hệ máy MRI được cải tiến không ngừng và được ứng dụng rộng rãi hơn, giúp nền Y học đạt được những tiến bộ

xa hơn và nâng cao hiệu quả trong công việc điều trị

Báo cáo sau đây là kết quả của quá trình nghiên cứu và tìm hiểu của chúng em về Máy chụp cộng hưởng từ MRI

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH 4

NỘI DUNG BÁO CÁO TỔNG KẾT 5

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Chụp cộng hưởng từ MRI 5

1.2 Lịch sử phát triển 5

1.3 Mục đích sử dụng 5

1.4 Đặc điểm nổi bật 6

Chương 2 CẤU TẠO 8

2.1 Nguồn 8

2.2 Các bộ phận tạo từ trường 8

2.2.1 Hệ thống nam châm 9

2.2.2 Hệ thống tạo trường gradient 12

2.2.3 Hệ thống thiết bị vô tuyến 14

2.2.4 Hệ thống định vị và kiểm soát bệnh nhân 16

2.2.5 Hệ thống thu nhận tín hiệu 16

2.2.6 Hệ thống máy tính, bàn điều khiển và hiển thị 21

2.3 Cảm biến, xử lý 21

2.4 Trạm xử lý hình ảnh và phần mềm 21

Chương 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 22

Chương 4 ỨNG DỤNG 28

Chương 5 SO SÁNH MRI VÀ CT 29

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Ảnh chụp cộng hưởng từ MRI 6

Hình 2 Sơ đồ khối 8

Hình 2.1 Hình dạng ngoài của cuộn nam châm siêu dẫn 9

Hình 2.2 Cấu tạo trong của nam châm siêu dẫn 10

Hình 2.3 Hệ thống nam châm 12

Hình 2.4 Cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo ba trục không gian 13

Hình 2.5 Cuộn dây tạo trường gradient theo trục X 13

Hình 2.6 Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y 14

Hình 2.7 Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z 14

Hình 2.8 Cấu tạo của cuộn phát thu sóng điện từ 15

Hình 2.9 Cấu tạo bên trong của cuộn dây bề mặt (A) và cuộn dây khối thể tích (B) 16

Hình 2.9.1 Cuộn từ tính nhiều vòng 17

Hình 2.9.2 Cuộn bề mặt 17

Hình 2.9.3 Cuộn lồng chim 18

Hình 2.9.4 Cuộn từ tính một vòng tròn 18

Hình 2.9.5 Cuộn yên ngựa 19

Hình 2.10 Sơ đồ bộ trộn cân bằng kép 20

Hình 2.11 Sơ đồ bộ tách sóng pha cầu phương 21

Hình 3.1 Chuyển động xung quanh từ trường của proton 23

Hình 3.2 Sự suy giảm của từ trường 23

Hình 3.3 26

NỘI DUNG BÁO CÁO TỔNG KẾT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Chụp cộng hưởng từ MRI

-Chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging) là một 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

-Cùng với các phương pháp tạo ảnh khác như siêu âm, chụp cộng hưởng từ

(MRI), cho ta “nhìn thấy” các cơ quan bên trong của con người mà không phải thực hiện phẫu thuật

1.2 Lịch sử phát triển

-Năm 1946, Felix Block và Edward Purcell đã phát hiện ra hiện tượng cộng hưởng

từ hạt Cộng hưởng từ được ứng dụng và bắt đầu phát triển ở những nước tiên tiến vào những năm 1950 đến 1970

-Năm 1980, chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên ra đời và sử dụng cho việc chụp hình ảnh y tế

-Năm 1987, chụp cộng hưởng từ có một bước tiến mới khi đưa cộng hưởng từ vào việc chẩn đoán các bệnh lý tim mạch

-Năm 1993, cộng hưởng từ được ứng dụng cho việc chẩn đoán chức năng và hoạt động của não

-Đến ngày nay Cộng hưởng từ ( MRI ) đã trở nên phổ biến trong kỹ thuật y học chẩn đoán hình ảnh trên thế giới cũng như tại các bệnh viện lớn của Việt nam

1.3 Mục đích sử dụng

Chụp cộng hưởng từ có thể cho hình ảnh rõ ràng của hầu hết các bộ phận của cơ thể Vì vậy nó rất hữu ích khi các kỹ thuật khác (như X quang) không cung cấp đủ thông tin cần thiết Nó thường được sử dụng để chụp não và tủy sống để phát hiện những bất

thường và các khối u Thậm chí, rách dây chằng vùng khớp có thể được phát hiện bằng cộng hưởng từ Vì vậy, cộng hưởng từ được sử dụng nhiều hơn sau chấn thương do thể thao

• Hình ảnh MRI cho phép tiếp cận trực quan đến nhiều cấu trúc phức tạp trong cơ thể để đánh giá các chức năng hoạt động của chúng mà không cần xâm nhập

• MRI là phương pháp tốt nhất để phát hiện sớm và đánh giá tình trạng bệnh

lý và các khối u MRI cho phép dò ra các điểm bất thường ẩn sau các lớp xương

mà các phương pháp tạo ảnh khác khó có thể nhận ra

và có thể cung cấp nhanh và chuẩn xác so với tia X trong việc chẩn đoán các bệnh

về tim mạch

• Các mô mềm như tim, gan, thận, phổi, cũng được chụp và tạo ảnh 3D với khoảng cách điểm ảnh 1mm để dễ dàng phát hiện các tổn thương nhỏ nhất và rõ nhất mà các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác không có được

• MRI là phương pháp tạo ảnh dựa trên nguyên lý cộng hưởng của từ trường

mà không sử dụng tia X nên tránh cho bệnh nhân khỏi ảnh hưởng của tia X hay của cả phương pháp chụp CT Và nó cũng không phát ra những bức xạ khác gây nguy hiểm cho con người

-Nhược điểm :Tuy nhiên MRI có một số yếu tố cần chú ý:

• MRI là vùng từ trường mạnh nên nếu bệnh nhân có các vật hoặc thiết bị hỗ trợ bằng kim loại trong cơ thể sẽ gây nhiễu hình ảnh hoặc không được chỉ định chụp

• Phụ nữ có thai dưới 12 tuần tuổi nên hạn chế chụp MRI cho dù chưa có khuyến cáo nào về tác hại đến sức khỏe của các tổ chức y tế trên thế giới

• Chi phí cho ca chụp MRI thường cao hơn một số phương pháp như siêu

âm, X-Quang, CT,

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO

Máy chụp cộng hưởng từ MRI gồm những cấu tạo chính như sau :

2.1 Nguồn

Cấp điện cho hệ thống Máy MRI sử dụng dòng điện có điện thế, cường độ cao và tiêu thụ rất nhiều điện nắng Vì vậy, bộ ngyoonf là một bộ phận rất quan trọng

2.2 Các bộ phận tạo từ trường

- Bộ phận tạo từ trường chính: Cuộn dây siêu dẫn tạo ra từ trường lên tới 1.5 hoặc

3 tesla Đây là từ trường rất mạnh, chúng ta cần biết rằng từ trường của trái đất khoảng 30-60 microtesla

- Cuộn dây tạo gradient: tạo từ trường biến đổi

- Cuộn dây RF: tạo song RF

Hình 2 Sơ đồ khối

2.2.1 Hệ thống nam châm

Một nam châm (magnet) lớn dạng hình trụ, rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân

có thể nằm lọt bên trong Nam châm này sẽ tạo ra từ trường B0 đồng nhất (cố định) ở không gian bên trong ống trụ này (Hình 2.1) Chúng ta thường nghe nói MRI 1.5T, thì 1.5T (Tesla, đơn vị đo từ thông) chính là giá trị B0 Hiện nay, thiết bị MRI dùng trong nghiên cứu có thể đạt tới 7T Từ trường B0 làm cho các mômen từ trong mô (kí hiệu M, magnetization) sắp xếp theo chiều của B0 Đối với các hệ thống MRI kín, cường độ từ trường cao, phải dùng nam châm siêu dẫn (superconducting magnet) có cấu tạo bên trong như Hình 2.2

Hình 2.1 Hình dạng ngoài của cuộn nam châm siêu dẫn

Hình 2.2 Cấu tạo trong của nam châm siêu dẫn

-Chức năng

Hệ thống nam châm có chức năng tạo ra từ trường chính B0 Để đáp ứng yêu cầu cường độ từ trường rất lớn từ 1 Tesla đến 4 Tesla (tùy từng thiết bị cụ thể) và độ đồng nhất cao nhằm khôi phục chính xác cấu trúc của đối tượng nên thông thường nó là các nam châm điện từ với các cuộn dây siêu dẫn được giữ ở nhiệt độ gần 00K nhờ các hỗn hợp dung dịch làm lạnh như: Hêli, Nitơ…

-Sơ đồ chức năng của hệ thống nam châm

Hệ thống nam châm bao gồm nam châm, khối nguồn và khối kiểm soát nam châm.khối nguồn nhận dòng điện từ mạng điện và cung cấp cho nam châm Khối kiểm soát nam châm bao gồm:

• Mạch điều khiển tắt khẩn cấp nam châm

• Mạch báo hiệu mức dung dịch Hêli

• Mạch cảnh báo chung

• Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng

-Hoạt động của hệ thống nam châm

Hệ thống phân phối nguồn cấp nguồn cho khối nguồn riêng của nam châm Khối này đưa dòng điện vào dây siêu dẫn,dòng trong dây siêu dẫn tạo ra từ trường B0 Khi tắt

hệ thống sau ngày làm việc, khối nguồn sẽ thực hiện phóng điện để ngắt dòng điện trong dây siêu dẫn Hệ thống kiểm soát nam châm theo dõi hoạt động của nam châm

Khi có sự cố cần dừng khẩn cấp hoạt động nam châm, nhân viên ấn nút tắt khẩn cấp, mạch tắt khẩn cấp làm việc sẽ tiến hành ngắt nguồn, phóng điện trong dây siêu dẫn

và xả bỏ dung dịch Hêli nhằm nhanh chóng giảm cường độ từ trường chính về 0 Mạch báo hiệu mức Hêli theo dõi mức Hêli và hiển thị cảnh báo bằng đèn LED Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng theo dõi nhiệt độ phòng và báo hiệu khi nhiệt độ phòng vượt quá 270C

Hình 2.3 Hệ thống nam châm

2.2.2 Hệ thống tạo trường gradient

Đúng như tên gọi, hệ thống này có chức năng tạo ra từ trường gradient bổ xung vào từ trường chính B0 để tham gia vào quá trình mã hoá và giải mã về không gian cho tín hiệu CHTHN phát ra từ đối tượng Hệ thống tạo trường gradient gồm các cuộn gradient có cấu trúc thích hợp nhằm tạo ra từ trường gradient có cường độ và định hướng mong muốn Các cuộn dây gradient thường bao gồm 3 cuộn: Cuộn Gx, cuộn Gy và cuộn

Gz, tạo ra 3 từ trường gradient tương ứng theo 3 trục X, Y và Z Các từ trường biến thiên theo không gian này cần để chọn lớp cắt Ngoài ra, nó còn để xác định vị trí (thông qua việc mã hoá pha và mã hoá tần số từ trường M) trong lớp cắt được chọn

Hình 2.6 Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y

Hình 2.7 Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z

2.2.3.Hệ thống thiết bị vô tuyến

Hệ thống thiết bị vô tuyến có chức năng tạo ra xung vô tuyến (hay từ trường kích động B1) để kích thích tín hiệu CHTHN, sau đó thực hiện thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu

vô tuyến phát ra từ các mô của đối tượng Hệ thống vô tuyến gồm một số thành phần chủ yếu như các cuộn phát thu sóng điện từ RF (radiofrequency coil), nguồn phát xung vô tuyến, các bộ khuếch đại vô tuyến

Xuất phát từ chức năng thu và phát tín hiệu vô tuyến, cuộn dây RF thường chia làm 3 loại chính:

-Các cuộn kết hợp phát và thu (cuộn thu phát)

-Cuộn phát riêng

-Cuộn thu riêng

Hình 2.8.Cấu tạo của cuộn phát thu sóng điện từ

Cuộn thu phát vừa đóng vai trò bộ phát xung vô tuyến vừa là bộ thu năng lượng sóng vô tuyến từ đối tượng cần được tạo ảnh

Cuộn phát riêng được sử dụng chỉ để phát xung vô tuyến, còn cuộn thu riêng được

sử dụng chỉ để thu nhận tín hiệu từ các spin của đối tượng cần được tạo ảnh Mỗi loại cuộn dây trên lại có rất nhiều dạng khác nhau Cuộn RF trong thiết bị chụp cắt lớp có thể được so sánh với thấu kính của máy chụp ảnh

Giống như trong chụp ảnh sử dụng các loại thấu kính khác nhau để chụp cảnh gần

và chụp cảnh xa với góc nhìn thay đổi, trong chụp cắt lớp cũng có nhiều loại cuộn dây RF

để bảo đảm thích hợp với các trường hợp có thể xảy ra

Hình 2.9 Cấu tạo bên trong của cuộn dây bề mặt (A) và cuộn dây khối thể tích (B)

Một cuộn dây tạo ảnh phải cộng hưởng hay lưu trữ năng lượng có hiệu quả ở tần

số Larmor Tất cả các cuộn tạo ảnh đều có cấu trúc bao gồm các phần tử điện cảm L và điện dung C hình thành mạch cộng hưởng LC với tần số cộng hưởng ν được xác định như sau:

• Cuộn từ tính nhiều vòng tròn ( Multi Turn Solenoid )

Hình 2.9.1 Cuộn từ tính nhiều vòng

• Cuộn bề mặt (Surface Coil)

Cuộn bề mặt rất thông dụng vì chúng là cuộn thu và có tỉ số SNR cao

Hình 2.9.2 Cuộn bề mặt

• Cuộn lồng chim (Bird Cage Coil)

Cuộn lồng chim được sử dụng khi tạo ảnh đầu và sọ não

Hình 2.9.5 Cuộn yên ngựa

• Cuộn mạng pha (Phased-Array Coil )

Cuộn bề mặt và cuộn mạng pha thường đóng vai trò cuộn thu Khi cuộn bề mặt hay cuộn mạng pha được sử dụng, một cuộn dây khác trong thiết bị chụp cắt lớp sẽ được sử dụng làm bộ phát năng lượng tần số vô tuyến để phát các xung 900 và 1800

2.2.4 Hệ thống định vị và kiểm soát bệnh nhân

Hệ thống định vị bệnh nhân hay còn được gọi là bàn bệnh nhân Đây là hệ thống cho phép dịch chuyển và định vị bệnh nhân với độ chính xác rất cao Nó được điều khiển bởi máy tính và cho phép bác sỹ hoặc thao tác viên có thể điều khiển chọn các vùng cần chụp trên bệnh nhân

Các thiết bị kiểm soát bệnh nhân bao gồm: Cảm biến xung, cảm biến hô hấp, cảm biến điện tâm đồ dùng trong kiểm soát bệnh nhân và chụp đồng bộ sinh lý; điện cực và đầu đo điện tâm đồ, cảm biến hồng ngoại, dây đai khí nén cố định ngực, camera trong khoang chụp, thiết bị liên lạc với bệnh nhân và thiết bị gọi nhân viên của bệnh nhân (bóng bóp báo động)

2.2.5 Hệ thống thu nhận tín hiệu

Bộ tách sóng cầu phương là thành phần chính của khối thu Đây là một thiết bị tách riêng các tín hiệu Mx và My từ tín hiệu thu được từ cuộn thu RF

Nó thực hiện chuyển đổi tín hiệu CHTHN từ dạng tín hiệu vô tuyến (tần số hàng trăm MHz) sang dạng tín hiệu âm tần (tần số khoảng chục KHz) Trung tâm của bộ tách sóng cầu phương là bộ trộn cân bằng kép (Doubly Balanced Mixer - DBM)

Hình 2.11 Sơ đồ bộ tách sóng pha cầu phương

Bộ tách sóng cầu phương thường có 2 bộ trộn cân bằng, 2 bộ lọc, 2 bộ khuếch đại

và 1 bộ dịch pha 900 Thiết bị có 2 đầu vào và 2 đầu ra Tần số ω và ω0 được đưa vào, còn các thành phần Mx và My của véc tơ từ hoá ngang được lấy ra

2.2.6 Hệ thống máy tính chuyên dụng, bàn điều khiển và hiển thị

Toàn bộ hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN được điều khiển bởi phần mềm cài sẵn trên một hệ thống máy tính chuyên dụng có tốc độ xử lý cao Tại đây quá trình chụp được điều khiển bởi các thủ tục lưu sẵn trong máy tính và do người sử dụng lựa chọn Máy tính thực hiện quá trình tái tạo ảnh gồm các thuật toán biến đổi Fourier, Radon, tích cuộn…và hiển thị ảnh Ảnh chụp cắt lớp tái tạo xong có thể quan sát trực tiếp trên màn hình máy tính hoặc in ra phim nhờ máy in phim

2.3 Cảm biến, xử lý: Thu nhận và xử lý tín hiệu, biến các tín hiệu RF thành hình

ảnh

2.4 Trạm xử lý hình ảnh và phần mềm: Có chức năng hiển thị, chỉnh sửa, quản

lí hình ảnh

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Nguyên lý của cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên hiệu ứng con quay – sự quay của spin khi tần số kích thích bằng tần số tuế sai và H ⊥spin Các proton ngoài chuyển động

quay (spin ) còn có chuyển động thứ 2 là chuyển động đảo quanh vector từ trường B

Hiệu ứng con quay: 𝐵 = 2𝜋𝑓𝛾

Trong đó : 𝑓 là tần số tuế sai của spin

𝛾 là hệ số hồi chuyển từ của hạt nhân sử dụng (hệ số quay tuế sai)

hf

Hình 3.1 Chuyển động xung quanh từ trường của proton

Nếu trong mặt phẳng vuông góc với từ trường B Ta tạo từ trường B’ có cùng tần

số quay với momen từ dipol Khi vector B’ quay đồng bộ với momen từ dipol  làm thay đổi góc  , B và  Khi có sự cân bằng giữa tần số quay của vector B’ sẽ sinh ra cộng hưởng.Đó chính là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

Sử dụng xung kích thích thì =kT;

T là thời gian kích thích của xung

Hình 3.2 Sự suy giảm của từ trường