5. Các bước thực hiện
4.1.1. Hệ thống phần cứng trong máy cộng hưởng từ
4.1.1.1 Hệ thống thu nhận và tái tạo ảnh.
Để tạo được ảnh MR hoàn chỉnh yêu cầu hai đường lưu lượng thông tin giữa khu vực tương tự và số (hình 4.1). Nam châm, gradient, cuộn RF, và nguồn điện của gradient và RF hoạt động trong vùng tương tự.
Hình 4.1: Vùng tín hiệu số và tương tự trong tạo ảnh MRI
Nam châm để tạo ra từ trường mạnh đồng nhất cần thiết cho quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ.
Khối gradient tạo ra các tín hiệu gradient khác nhau xảy ra theo một thứ tự đặc biệt trong chu kỳ tạo ảnh. Trong mỗi chu kỳ thu nhận các gradient khác nhau sẽ được bật tắt tại các thời điểm cụ thể. Các gradient được đồng bộ với các sự kiện khác nhau như phát các xung RF và thu nhận tín hiệu RF.
Khối RF bao gồm hai chức năng thu và phát tín hiệu (có thể là hai cuộn dây riêng rẽ, hoặc sử dụng một cuộn dây vừa thu vừa phát). Xung kích thích được phát ra nhằm kích thích các proton lệch khỏi trạng thái cân bằng và phát tín hiệu RF khi hồi phục.
Hình 4.2a: Hệ thống tạo ảnh cộng hưởng từ [4]
Hình 4.2b: Sơ đồ hệ thống tạo ảnh cộng hưởng từ nói chung [4]
Vùng số là trung tâm trong máy tính (hình 4.2a) thông thường nó được sử dụng để cung cấp thông tin điều khiển (thời gian và biên độ tín hiệu) đến các bộ khuếch đại gradient và RF, xử lý khoảng thời gian dữ liệu tín hiệu MRI quy hồi từ máy thu đến thiết bị hiển thị và lưu trữ. Ngoài ra máy tính còn cung cấp các hàm điều khiển khác nhau.
4.1.1.2. Nam châm
Trung tâm của hệ thống tạo ảnh là một nam châm tạo ra từ trường. Cơ thể bệnh nhân được đặt trong từ trường trong quá trình tạo ảnh. Từ trường tạo ra hai hiệu ứng dùng để tạo ảnh là sự nhiễm từ mô và cộng hưởng mô.
Cường độ từ trường là một nhân tố quan trọng quyết định đến chất lượng ảnh . Một từ trường lớn sẽ làm tăng tỉ lệ tín hiệu nhiễu, cho độ phân giải cao hơn và tốc độ quét nhanh hơn, tuy nhiên, cường độ từ trường tăng đòi hỏi nam châm có cấu tạo đặc biệt hơn, giá thành cao hơn và chi phí bảo quản cũng lớn hơn
Nam châm tạo từ trường chính phải được chế tạo với cường độ lớn và có tính đồng nhất cao, từ trường tĩnh bao phủ toàn bộ vùng để chụp ảnh. Để sử dụng cho mục đích tạo ảnh, từ trường phải vô cùng đồng đều trong không gian và không đổi theo thời gian. Trong thực tế sử dụng, sự thay đổi không gian của trường chính trong máy chụp cắt lớp phải bé hơn từ 1 dến 10 phần triệu (ppm) của một vùng có đường kính độ chừng 40cm. Để đạt được tính đồng nhất ở mức độ cao, phải chú ý trong khâu thiết kế nam châm và dung sai trong quá trình chế tạo. Độ lệch về cường độ trường theo thời gian thường yêu cầu nhỏ hơn 0.1 ppm/h.
Có hai đơn vị cường độ từ trường được sử dụng thông dụng là Gauss (G) và Tesla (T) (1T = 10.000G). Từ trường tĩnh của máy MRI hiện đại thường có cường độ từ trường nằm trong phạm vi từ 0.5 đến 1.5 T. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) là tỷ số của điện áp tín hiệu NMR trên điện áp tạp âm. Tỷ số này tăng lên trong cơ thể bệnh nhân và trong các thành phần của hệ thống thu tín hiệu. SNR là một trong những thông số then chốt xác định khả năng thực hiện của máy cộng hưởng từ. Giá trị SNR tăng tuyến tính theo cường độ trường. Khi cường độ trường được tăng lên thì tỷ số SNR được cải thiện. Đó là nguyên nhân chính để chế tạo các nam châm có từ tính cao cho hệ thống MRI.
Nam châm tạo ảnh là thành phần đắt nhất và quan trọng nhất của máy cộng hưởng từ và nam châm là phần bao quanh bộ phận quét. Từ trường có thể được tạo ra bằng việc sử dụng các dòng điện hoặc các nam châm vĩnh cửu. Trong cả hai trường hợp, tại những điểm càng xa nguồn thì cường độ trường càng giảm xuống nhanh chóng, và do vậy không tạo ra từ trường đồng đều. Để khắc phục điều này, cần thiết phải thêm hoặc bớt nam châm xung quanh bệnh nhân để có từ trường đồng nhất.
Bên cạnh độ lớn từ trường mà nam châm tạo ra một điều quan trọng không kém đó là độ chính xác của nó. Lực từ tại tâm của điểm tâm của nam châm cần phải đạt tới độ hoàn hảo và phải đồng nhất. Sự thăng giáng (sự không đồng nhất của cường độ từ trường) trong vùng quét phải nhỏ hơn 3 phần triệu (3 ppm). Có ba loại nam châm chính đã được sử dụng trong các máy cộng hưởng từ:
1. Nam châm siêu dẫn 2. Nam châm vĩnh cửu 3. Nam châm điện
+ Nam châm vĩnh cửu: dạng nam châm cổ điển này tạo từ vật liệu sắt từ ( vd thép ), được sử dụng để cung cấp một từ trường tĩnh. Với nam châm vĩnh cửu, bệnh nhân được đặt trong khoảng giữa hai cực cố định của nam châm. Các nam châm điện có cấu hình tương tự, nhưng bề mặt cực được chế tạo bởi các vật liệu từ dẻo, là chất chỉ bị từ hóa khi có dòng điện bao quanh chúng. Các nam châm điện không cố định sử dụng một nguồn điện bên ngoài. Với cả hai loại nam châm đó, vùng từ được khép kín bởi các kẹp sắt mềm nối giữa hai điện cực. Khe hở giữa cặp bề mặt cực phải đủ lớn để chứa bệnh nhân cũng như các cuộn gradient và các cuộn RF. Thể tích nam châm cực lớn, trọng lượng có thể đạt tới 100 tấn, chỉ cần cài đặt một lần duy nhất và đòi hỏi ít giá trị bảo quản. Nam châm vĩnh cửu chỉ có thể tạo ra một từ trường có độ lớn hữu hạn và không cần cung cấp nguồn và hệ thống làm lạnh (thường < 0,4 T), độ ổn định cũng như độ chính xác hữu hạn. Thay đổi nhiệt độ là nguyên nhân dẫn tới thay đổi từ trường theo thời gian. Nếu bề mặt cực được chế tạo từ một vật liệu dẫn điện, các dòng xoáy cảm ứng trong bề mặt điện cực có thể hạn chế hiệu suất
Hình 4.3: Cấu trúc một nam châm vĩnh cửu [12]
+ Nam châm điện trở kháng: Máy cộng hưởng từ có thể sử dụng các nam châm điện
là các nam châm có từ 4 đến 6 cuộn dây lớn bọc đồng hoặc dây nhôm. Những cuộn dây này hoạt động rất mạnh do nguồn cung cấp một chiều có công suất lớn (40 đến 100KW), một solenoid được cuốn lại từ dây đồng là xoay chiều với nam châm vĩnh cửu. Nam châm này có giá thành thấp, nhưng cường độ từ trường vẫn hữu hạn và rất kém ổn định. Trở kháng của những cuộn dây này sẽ làm cho vật liệu nóng lên, do đó cần phải sử dụng dòng nước lạnh qua cuộn dây để ngăn chặn quá nhiệt. Sự tỏa nhiệt tăng nhanh theo cường độ trường, do đó không thể sử dụng một nam châm điện trở có cường độ từ trường từ 0.15 đến 0.3T cho tạo ảnh cộng hưởng từ. Hiện nay, các nam châm điện trở, ít khi được sử dụng, trừ những ứng dụng chỉ cần cường độ trường rất thấp (0.02 đến 0.06 T). Nam châm điện đòi hỏi một năng lượng điện đáng kể khi hoạt động vì vậy sẽ làm tăng giá thành. Trong
thực tế, dung sai chế tạo và trạng thái không ổn định của từ trường có nguyên nhân từ từ trường bên ngoài, ví như lưới thép trong hệ thống quấn quanh nam châm, làm tăng thêm tính không đồng nhất của từ trường trong vùng tạo ảnh. Giảm tính không đồng đều bằng cách sử dụng các từ trường đệm. Một phương pháp đạt được là phương pháp đệm chủ động (active shimming) tức sử dụng thêm các cuộn dây (các cuộn dây điện trở, các cuộn dây siêu dẫn, hoặc một số loại khác). Khi nam châm được lắp đặt, từ trường sẽ được xác định chính xác để chèn các cuộn dây và dòng điện trong các cuộn dây chèn là được điều chỉnh để xóa bỏ hoàn toàn những số hạng trong khai triển hàm điều hòa tới các số hạng có bậc cao hơn. Phương pháp khác là đệm bị động (passive shimming), tận dụng các nam châm vĩnh cửu nhỏ đặt tại các vị trí thích hợp dọc theo bên trong vách của lõi nam châm để xóa bỏ hoàn toàn hết các lỗi từ trường. Thiết kế này đã trở lên lạc hậu
+ Nam châm điện siêu dẫn : Trong máy cộng hưởng từ hiện nay phần lớn sử dụng nam châm siêu dẫn là nam châm có từ trường rất mạnh. Một nam châm siêu dẫn là một nam châm điện tạo bởi cuộn dây có tính siêu dẫn. Cuộn dây này có điện trở xấp xỉ bằng 0 khi đặt nó trong He lỏng và đưa nhiệt độ tới 0o tuyệt đối (-273,15 o C hoặc 0 K ). Một dòng điện chảy trong lõi cuộn dây và dòng điện này sẽ còn tồn tại nếu nhiệt độ của He lỏng được duy trì ( có một vài tổn thất có thể xảy ra do trở kháng ban đầu của lõi cuộn dây, những tổn thất này là khoảng vài phần triệu / năm )
Hình 4.5. Cấu trúc cuộn nam châm siêu dẫn [4]
Độ dài điển hình của một cuộn dây siêu dẫn trong nam châm là khoảng vài mét. Lõi cuộn dây được giữ ở nhiệt độ 4,2 K bằng cách nhúng trong He lỏng. Lõi cuộn dây và He lỏng chứa trong 1 dewar lớn. Thể tích điển hình của He lỏng trong một nam châm cộng hưởng từ là khoảng 1700 l. Trong các thiết kế trước kia, dewar này được bao quanh bởi Nitrogen lỏng (nhiệt độ 77,4 K). Dewar hoạt động như một tầng đệm nhiệt giữa nhiệt độ phòng (293 K) và He lỏng. Trong các thiết kế nam châm về sau, vùng Nitrogen lỏng được thay thế bằng quạt làm mát. Thiết kế này đã loại bỏ sự cần thiết phải thêm Nitrogen lỏng vào nam châm. Một điều đang được chờ đợi là quạt làm mát cho He lỏng sẽ sớm được sử dụng
Nhược điểm của kỹ thuật nam châm là làm lạnh cần được bổ sung và làm đầy thường xuyên. Giá thành của He lỏng trong toàn bộ nam châm có thể cao.
Bảng 4.1: Giá thành các phụ liệu trong nam châm điện siêu dẫn
Giá ( USD/L ) 3,5 $
Thể tích He 1700 l
Boiloff ( L/Hr ) ~ 0,03 Refil interval ( Năm ) ~4
Với thiết kế này có sự cải tiến đáng kể về cường độ từ trường. Điều này có nghĩa là một cuộn dây siêu dẫn rất nhỏ cũng có thể tải một dòng điện lớn mà không bị nóng. Nó có khả năng tạo ra một nam châm với rất nhiều vòng dây nhỏ cuộn lại và sau đó cho dòng điện lớn chạy qua để tạo từ trường mạnh.
Biểu diễn toàn khối nam châm siêu dẫn có cường độ từ trường là 1.5T, đường kính lõi là 1m (hình 4.6). Bệnh nhân, các cuộn RF và gradient được định vị bên trong lõi.
Hình 4.6: Hình dạng ngoài của khối nam châm siêu dẫn [4]
Chất siêu dẫn là chất có giá trị điện trở bằng 0. Vào những năm 50, một lớp vật liệu dẫn mới được phát hiện ra là hợp kim của niobium và titanium và đã được sử dụng rất nhiều trong chế tạo nam châm siêu dẫn cho máy cộng hưởng từ. Tính siêu dẫn của vật liệu này tại nhiệt độ cao hơn nhiều các chất đã biết trước đây.
Hình 4.7 minh họa hình vẽ của một khối nam châm siêu dẫn. Trong trường hợp này, 6 cuộn dây siêu dẫn được nối tiếp nhau thành một dãy và mang một dòng có cường độ lớn trên 200A để tạo ra từ trường 1.5T. Đường kính của các cuộn vào khoảng 1.3m, và chiều dài toàn bộ của cuộn dây là khoảng 65km. Toàn bộ chiều dài của cuộn dây phải không có lỗi nào, những lỗi nếu có sẽ làm gián đoạn đặc tính siêu dẫn của dây. Dòng trong cuộn dây chảy liên tục chừng nào mà nhiệt độ của cuộn dây còn duy trì dưới nhiệt độ siêu dẫn. Nhiệt độ này vào khoảng 10K với cuộn niobium - titanium. Những cuộn dây này được giữ với nhiệt độ thấp bằng cách đặt chúng trong hệ thống làm lạnh có hai vách ngăn (tương tự như là cái phích đựng nước) cho phép chúng ngập vào chất lỏng helium ở nhiệt độ 4.2K.
Sự tăng nhiệt độ từ từ của chất lỏng Heli có nguyên nhân từ sự tản nhiệt bên trong hệ thống làm lạnh. Do đó nguồn helium phải được thay thế định kỳ. Nhiều nam châm bây giờ sử dụng những tủ làm lạnh để giảm bớt hoặc loại trừ yêu cầu làm đầy lại nguồn dự trữ dung dịch helium. Bởi khả năng đạt được từ trường rất mạnh và ổn định mà không cần tiêu thụ quá mức, nam châm siêu dẫn đã trở thành nguồn của từ trường chính cho máy cộng hưởng từ.
Hình 4.7: Mô hình chi tiết khối nam châm siêu dẫn.[12]
4.1.1.3. Cuộn Gradient
Khi hệ thống MR trong trạng thái nghỉ không tạo ảnh, từ trường hoàn toàn đồng nhất trên vùng cơ thể người bệnh. Tuy nhiên trong quá trình tạo ảnh từ trường bị méo dạng với các gradient. Gradient chỉ là thay đổi trong cường độ từ trường từ điểm này so
với điểm khác trên cơ thể người bệnh. Gradient được tạo ra bằng các cặp cuộn gradient gắn trong nam châm. Trong quá trình tạo ảnh chúng được bật tắt nhiều lần tạo ra nhiễm từ nam châm.
Gradient trong từ trường cho phép ta xác định chính xác vị trí không gian của spin. Nó biểu thị sự thay đổi của từ trường theo vị trí
Gradient được tạo ra từ 3 cuộn dây đặt vuông góc nhau, và được xác định trong 3 hướng X,Y,Z của bộ phận quét
Hệ thống Gradient điển hình có khả năng tạo ra Gradient từ 20 mT/m đến 100 mT/m. Trong nam châm điện 1.5 T, khi Gradient trục Z mà cực đại được cung cấp thì cường độ từ trường có thể đạt tới 4.5 T tại điểm cuối của ống nam châm dài 1m và 1.55 T tại đầu còn lại. Gradient từ trường quyết định đến mặt phẳng tạo ảnh đối tượng bởi vì Gradient có thể được kết hợp một cách linh hoạt, bất cứ mặt phẳng nào cũng có thể được lựa chọn để tạo ảnh
Cuộn Gradient tạo ra Gradient trong từ trường Bo. Tại nhiệt độ phòng, cấu trúc của cuộn dây sẽ tạo ra được Gradient từ trường mong muốn. Sau khi, nam châm siêu dẫn nằm ngang được sử dụng thường xuyên thì hệ thống cuộn Gradient được thiết kế cho loại nam châm này
Giả thiết chuẩn cộng hưởng từ hợp nhất với hệ thống, một Gradient trong từ trường Bo theo hướng Z đạt được dưới dạng Antohelmholtz tại lõi. Dòng điện trong 2 lõi chảy theo 2 hướng đối diện nhau tạo ra Gradient từ trường giữa 2 cuộn dây. Cường độ tư trường B tại một cuộn sẽ cộng thêm từ trường Bo, trong khi từ trường B tại tâm của cuộn còn lại sẽ trừ đi từ trường Bo
Hình 4.8: Cuộn gradient theo trục Z [4]
Gradient X và Y trong từ trường Bo được tạo ra bởi một cặp cuộn dây. Cuộn dây trục X tạo Gradient trong Bo theo hướng X bởi hướng của dòng điện chảy qua cuộn dây. Cuộn dây trục Y cung cấp 1 Gradient tương tự trong Bo theo trục Y
Hình 4.9: Cuộn gradient theo trục X [4] Hình 4.10: Cuộn gradient theo trục Y [4]
Ba trường gradient, mỗi trường tương ứng với mỗi hướng x,y và z của hệ thống tọa độ đề các, được sử dụng để mã hóa thông tin vị trí của tín hiệu MRI và cho phép tạo ảnh của những lát cắt mỏng. Hướng của trường tĩnh, dọc theo trục của hệ thống quét, quy ước là hướng z, và nó chỉ là một thành phần thuộc hệ trục tọa độ Đề-các của trường gradient
theo hướng này và có ý nghĩa lớn để tạo ra cộng hưởng từ hạt nhân. Vì vậy, ba trường gradient có liên quan là: Bx = Gx.x, By = Gy.y và Bz = Gz.z. Sự quét của cộng hưởng từ được thực hiện bằng việc đưa hệ thống spin vào chuỗi xung gradient và các trường RF. Bởi vậy, cần thiết phải có 3 cuộn dây riêng biệt, mỗi cuộn cho mỗi trường gradient, với mỗi cuộn có một bộ cung cấp nguồn riêng và phụ thuộc vào sự điều khiển của máy tính. Cuộn dây gradient gồm một dây quấn quanh một lõi hình trụ và có thể bao quanh bệnh nhân, được đặt vào vị trí bên trong lõi của nam châm. Trường gradient (z) có thể được tạo