4.3.1. Giới thiệu
Một ảnh MRI không chỉ có tín hiệu từ những vùng cần thăm khám mà còn có cả nhiễu không mong muốn từ nhiều nguồn khác nhau. Tác nhân nhiễu làm cho ảnh MRI bị mờ, gợn sóng, có xảo ảnh, giảm độ tương phản, … làm cho việc phân biệt các mô cần quan tâm bị hạn chế rất nhiều hoặc không thể quan sát được những chi tiết nhỏ.
Vậy nhiễu có nguồn gốc từ đâu? Không như tín hiệu MRI hữu ích chỉ xuất phát từ lớp cắt được chọn, nhiễu có thể từ vùng không gian giới hạn bởi cuộn RF hoặc từ bản thân cuộn RF do có điện trở. Mục tiêu trong thu nhận tín hiệu cộng hưởng từ là phải làm sao đạt được SNR càng lớn càng tốt. Điều đó đồng nghĩa với việc tăng cường độ tín hiệu hữu ích và giảm tối đa tín hiệu nhiễu.
Hình 4.23
Về cơ bản, cường độ tín hiệu của một pixel tỉ lệ thuận với số vector spin được kích thích trong một vi thể tích tương ứng. Vì thế SNR tỉ lệ thuận với kích thước voxel. Mặt khác, tín hiệu hữu ích tăng tỉ lệ thuận với số lần đo, còn tín hiệu nhiễu thì lại tỉ lệ thuận với căn bậc hai của số lần đo (do nhiễu là ngẫu nhiên và có thể bị triệt tiêu lẫn nhau). Từ đó ta có thể làm tăng SNR bằng cách tăng số lần thu nhận tín hiệu. SNR khi đó tỉ lệ thuận với căn bậc hai của số lần đo. Ngoài hai yếu tố trên, còn có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến SNR như loại chuỗi xung sử dụng, độ dịch chuyển
i SNR: Signal to Noise Ratio
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM hóa học (WFSi
), FOV chữ nhật (rFOV), thiết bị phần cứng, các phương pháp thu nhận (phương pháp quét bán phần, phương pháp quét thu gọn, phương pháp chụp khối 3D). Ta cần phải chú ý rằng ảnh MRI thu nhận được là do sự tác động qua lại giữa nhiều thông số và yếu tố khác nhau, do đó khi xét ảnh hưởng của một yếu tố lên SNR thì đồng thời phải xem xét ảnh hưởng của yếu tố đó lên các thông số khác. Các ảnh hưởng cụ thể sẽ được đề cập trong phần tiếp theo.
4.3.2. Ảnh hƣởng của kích thƣớc voxel.
Bản thân kích thước voxel không chỉ ảnh hưởng lên SNR mà còn ảnh hưởng đến độ phân giải không gian. Kích thước voxel được quyết định bởi 3 thông số: độ dày lớp cắt, FOV và kích thước ma trận ảnh. Ta lần lượt xem xét ảnh hưởng của 3 thông số trên lên SNR và các yếu tố khác như thế nào.
Khi tăng THKii, SNR sẽ
tăng tuyến tính tương ứng do có nhiều vector spin được kích thích. Bên cạnh đó, tăng THK còn làm giảm số lớp cắt cần phải chụp đối với một bộ phận nào đó. Ảnh hưởng tiêu cực của tăng THK là làm giảm độ phân giải không gian. THK không ảnh hưởng đến độ tương phản. Hình 4.25 i WFS: Water Fat Shif ii THK = ST: Độ dày lớp cắt Hình 4.24
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Khi tăng
FOV, kích thước voxel tăng theo. Do dó SNR cũng tăng tương ứng, ảnh ít bị hạt và hiện tượng nhiễu do chồng lấn cũng giảm. Bù lại độ phân giải giảm. Cũng giống như THK, FOV không ảnh hưởng đến độ tương phản.
Kích thước ma trận MS là số pixel trên một hàng hay cột. Khi tăng gấp đôi MS, kích thước voxel giảm 4 lần, đồng nghĩa với SNR giảm 4 lần. Bên cạnh đó, MS tăng sẽ làm tăng thời gian chụp do các bước mã hóa không gian phải tăng lên tương ứng. Bù lại, độ phân giải không gian sẽ tăng
gấp đôi và hạn chế được hiện tượng mờ đường biên của các bộ phận.
4.3.3. Ảnh hƣởng của thiết bị phần cứng
Có 3 yếu tổ của phần cứng ảnh hưởng đến SNR bao gồm cường độ từ trường ngoài Bo, loại cuộn RF sử dụng và chất lượng của các cuộn gradient. Yếu tố thứ 3 phụ thuộc vào nhà sản xuất nên ta chỉ xem xét hai yếu tố đầu tiên.
Như đã đề cập ở mục 1.2.3, khi tăng Bo, cường độ tín hiệu MRI hữu ích tăng lên do cường độ vector từ hóa mạng tăng lên → SNR tăng. Bù lại xảo ảnh do độ
Hình 4.26
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM dịch chuyển hóa học tăng. Việc tăng Bo không ảnh hưởng đến độ phân giải và thời gian quét ảnh.
Cuộn thu RF càng đặt sát cơ quan cần thăm khám thì tín hiệu thu được càng mạnh và hạn chế nhiễu từ vùng xung quanh. Chính vì vậy các loại cuộn thu RF chuyên dụng cho SNR tốt hơn các cuộn thu RF tổng quát. Bù lại các mô ở xa cuộn thu lại cho tín hiệu yếu và loại cuộn thu RF chuyên dụng đôi khi làm xuất hiện xảo ảnh chồng lấn. Lựa chọn cuộn thu RF không làm ảnh hưởng đến độ phân giải không gian, độ tương phản hay thời gian quét ảnh.
4.3.4. Ảnh hƣởng của loại chuỗi xung sử dụng
Các chuỗi xung, về cơ bản, là sự lựa chọn các thông số đặc trưng nhất của chúng như TR, TE, α để tạo ra ảnh MRI với độ tương phản mong muốn. Sự lựa chọn đó cũng sẽ ảnh hưởng đến SNR, độ phân giải không gian, xảo ảnh và thời gian quét. Vấn đề này đã được đề cập cụ thể trong chương 3.
4.3.5. Ảnh hƣởng của số lần thu nhận tín hiệu (NSA)
Như đã đề cập trong phần giới thiệu, ta có SNR ~ . Vì vậy NSA là thông số thường dùng để tăng SNR. Bù lại thời gian quét ảnh tăng lên tương ứng.
Bảng 4.4
NSA SNR Thời gian quét
1 100% 1
2 141% 2
3 200% 4
4 282% 8
Thông thường ta sử dụng NSA trong khoảng 1 – 6. NSA cao hơn thường được chỉ định trong chụp xương sống, chụp các chi tiết giải phẫu nhỏ hoặc trong trường hợp lớp cắt quá mỏng.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
4.3.6. Ảnh hƣởng của rFOVi
FOV trong một ảnh MRI thường quy thường có hình vuông. Tuy nhiên nếu ta có thể thu gọn ảnh MRI theo một phương nào đó thì có thể rút ngắn thời gian chụp. Ví dụ như trong chụp ảnh cột sống, ta có thể thu gọn FOV từ hình vuông thành hình chữ nhật. Để đạt được điều này, khoảng cách giữa các dòng dữ liệu trên không gian k phải giãn ra. Trong ví dụ sau, khoảng cách đó được tăng lên gấp đôi làm FOV trở thành hình chữ nhật và tiết kiệm được 50% thời gian chụp. Kích thước pixel vẫn là hình vuông vì kích thước không gian k giữ nguyên.
Hình 4.28
Một bất lợi của rFOV là sự suy giảm số tín hiệu thu nhận được, từ đó làm giảm SNR. Như ta đã biết SNR ~ , suy ra NSA giảm một nửa làm SNR giảm khoảng 30%.
Bảng 4.5
Thuận lợi Khó khăn Không ảnh hƣởng
Giảm thời gian chụp SNR giảm
Tăng xảo ảnh chồng lấn
Độ tương phản Độ phân giải không gian
i Xem thêm mục 3.2.1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
4.3.7. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp quét bán phầni
Phương pháp quét bán phần là phương pháp có thể tiết kiệm được khoảng 40% thời gian quét do chỉ có khoảng 60% dữ liệu được thu nhận. Phần dữ liệu còn lại được sao chép từ những dòng dữ liệu có sẵn do tính chất đối xứng dữ liệu trên không gian k Thông thường, phương pháp này được sử dụng khi thời gian quét đầy đủ tương đối dài, FOV lớn, lớp cắt dày hoặc trong quét 3D với nhiều lớp cắt. Do chỉ có khoảng 60% dữ liệu được thu nhận so với bình thường nên SNR giảm khoảng 23%. Sau đây là bảng tóm tắt:
Bảng 4.6
Thuận lợi Khó khăn Không ảnh hƣởng
Giảm thời gian chụp khoảng 40%
SNR giảm 23% Tăng xảo ảnh dòng chảy và
chuyển động
Tăng độ nhạy với từ trường không đồng nhất
Độ tương phản Độ phân giải không gian
4.3.8. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp quét thu gọnii
Bên cạnh hai phương pháp trên, phương pháp quét thu gọn cũng làm một trong những cách thường được sử dụng để tiết kiệm thời gian quét bằng cách giảm số dữ liệu trên không gian k. Trong ví dụ sau, phần biên của
không gian k, tương ứng với các bước mã hóa pha cường độ cao, đã đươc lược bớt và điền bằng các dữ liệu 0. % dữ liệu lược bớt vào khoảng 10 – 30% và thời gian quét tiết kiệm được cũng tương ứng như thế.
i Xem thêm mục 3.2.1
ii Xem thêm mục 3.2.1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Phương pháp này khác với hai phương pháp trên nhờ lợi thế tăng cường SNR do tín hiệu nhiễu từ các dòng dữ liệu lược bớt được thay thế bằng 0. Nếu ta thu nhận 70% dữ liệu thì SNR tăng lên khoảng 19%. Phương pháp này rất hữu dụng trong các trường hợp thời gian quét dài và độ phân giải toàn bộ không đòi hỏi quá nghiêm ngặt. Ví dụ như trong các trường hợp bệnh nhân không thể nằm yên lâu, bệnh nhân tâm thần hoặc động kinh.
Bảng 4.7
Thuận lợi Khó khăn Không ảnh hƣởng
Giảm thời gian chụp tùy vào % dữ liệu thu nhận
Tăng SNR
Giảm độ phân giải Độ tương phản Độ phân giải không
gian
4.3.9. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp chụp khối 3D
Trong phương pháp chụp khối 3D, SNR được tăng cường do dữ liệu được thu trên một vùng không gian lớn thay vì chỉ trong một lớp cắt hẹp. Khi đó , còn . Ta có thể xem xét ví dụ sau: với 16 lớp cắt, SNR được tăng cường 4 lần, còn thời gian chụp lại tăng 16 lần !! Sau đây là bảng tóm tắt các ảnh hưởng của phương pháp chụp khối 3D
Bảng 4.8
Thuận lợi Khó khăn Không ảnh hƣởng
Tăng SNR
Có thể tăng độ phân giải không gian
Thời gian chụp tăng Độ tương phản Xảo ảnh
4.3.10.Ảnh hƣởng của độ dịch chuyển hóa học (WFS)
WFS là hiện tượng trong đó tần số cộng hưởng của nước và chất béo có sự sai khác nhỏ làm xuất hiện các đường biên trắng (hoặc đen) trên các bộ phận có chứa chất béo. Nguyên nhân của hiện tượng này là do:
Sự chắn màn electron tại chỗ làm giảm cường độ từ trường tác động tới hạt nhân. Do đó nếu hạt nhân được chắn càng nhiều thì để cho nó đi vào cộng hưởng
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM cần phải tăng cường độ từ trường. Nói một cách khác, hạt nhân được chắn càng nhiều thì tín hiệu của nó càng dịch chuyển về phía từ trường mạnh.
Sự chắn từ xa (hay còn gọi là chắn bất đẳng hướng) gây ra bởi các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bên cạnh proton. Các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử này gây ra một từ trường có hiệu suất lớn hơn hiệu suất do electron hóa trị của chính proton đó tạo ra. Sự chắn từ xa có thể dịch chuyển tín hiệu cộng hưởng về cả hai phía tăng hoặc giảm của cường độ từ trường.
Ở cường độ từ trường 1 Tesla, WFS của nước và chất béo là 145 Hz. Mức độ sai khác này tăng tuyến tính với cường độ từ trường. Để thuận tiện trong tính toán, một đơn vị đo khác được đưa ra độc lập với từ trường ngoài, đó là ppm. Ở thang đo này, WFS của nước và chất béo là:
SNR ~ , do đó tăng WFS đồng nghĩa với tăng SNR. Các tách động khác của WFS được tóm tắt như sau:
Bảng 4.9
Thuận lợi Khó khăn Không ảnh hƣởng
Tăng SNR Tăng xảo ảnh WFS Độ phân giải không gian Thời gian quét
4.4. Độ phân giải không gian2,4
Độ phân giải không gian được định nghĩa là khả năng nhận biết hai pixel gần nhau nhất và được tính bằng số pixel/cm hoặc nghịch đảo của độ rộng pixel. Vì thế pixel càng nhỏ thì độ phân giải càng lớn.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Hình 4.31
Các chi tiếp giải phẫu trong một ảnh MRI thường quy được phân biệt với nhau không chỉ bằng độ phân giải mà còn bằng SNR và độ tương phản. Về cơ bản, khi muốn tăng độ phân giải ta phải tăng thời gian quét (vì tăng các bước mã hóa pha). Điều đó lại dẫn đến một hệ quả không mong đợi khác là xảo ảnh chuyển động lại tăng lên. Độ phân giải của một ảnh MRI là sự cân bằng giữa các yếu tố : nhu cầu – thời gian – xảo ảnh.
Hình 4.32
Các thông số kĩ thuật ảnh hưởng đến độ tương phản bao gồm: i
Độ dày lớp cắt
Kích thước ma trận ảnh FOV
Phương pháp quét thu gọn
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
4.5. Thời gian thu nhận ảnh
Đối với một phương pháp chụp thông thường, thời gian quét được tính bằng công thức: Thời gian = NPx TR x NSA (NP là số bước mã hóa pha)
Thông thường, thời gian chụp phải được tính toán ở mức độ càng nhỏ càng tốt vì nó có lợi về kinh tế và làm tăng số lượng bệnh nhân được phục vụ. Bên cạnh đó nó còn giải quyết được một số loại xảo ảnh như xảo ảnh do chuyển động của bệnh nhân, do nhịp thở, do chuyển động nhu động, do nhịp đập của tim …
Tuy nhiên có một vấn đề rất quan trọng khi giảm thời gian chụp, đó là chất lượng hình ảnh bị suy giảm (SNR, độ phân giải không gian). Do đó một ảnh MRI tốt là sự cân bằng giữa các yếu tố yêu cầu – chất lượng ảnh – thời gian chụp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chụp bao gồm7i
NSA rFOV
Kích thước ma trận ảnh Loại chuỗi xung sử dụng Phương pháp chụp khối 3D Phương pháp quét bán phần Phương pháp quét thu gọn
4.6. Các loại xảo ảnh 4.6.1. Giới thiệu 4.6.1. Giới thiệu
Trong những ngày đầu của ảnh MRI, xảo ảnh đã là một mối quan tâm lớn vì nó ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Xảo ảnh có thể bắt nguồn từ những quá trình sinh học trong cơ thể bệnh nhân, từ hệ thống thu nhận dữ liệu hoặc có thể từ những nguồn ngẫu nhiên không điều khiển được. Việc hiểu rõ cơ thế tạo ra xảo ảnh giúp ta tránh khỏi xảo ảnh khi chụp và giúp ích cho việc sử dụng các biện pháp kĩ thuật để hạn chế hoặc loại bỏ hoàn toàn tác nhân nhiễu này. Ta có thể xem xét một vài xảo ảnh tiêu biểu của ảnh MRI như sau:
i Xem thêm mục 4.3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Hình 4.33
Hình 4.34
4.6.2. Xảo ảnh do chuyển động của bệnh nhân
Chuyển động của bệnh nhân trong quá trình chụp làm cho các gradient mã hóa pha trở nên không đồng đều trên lớp cắt đang xác định. Kết quả là ảnh bị mờ và có các chi tiết giả trên ảnh thu được. Để loại bỏ tác động không mong muốn này, cần phải làm cho bệnh nhân cảm thấy thoải mái khi chụp và yêu cầu bệnh nhân nằm
yên. Có thể sử dụng dây buộc để cố định vùng chụp. Nếu bằng các biện pháp trên mà vẫn không hạn chế được xảo ảnh, ta có thể dùng biện pháp tăng số lần đo hay còn gọi là kĩ thuật lấy tín hiệu trung bình SMART. Kỹ thuật này được trình bày cụ thể trong phần 5.6.3 sau đây.
4.6.3. Xảo ảnh do nhịp thở
Khi chụp ảnh MRI vùng ngực hoặc vùng bụng thì xảo ảnh do nhịp thở rất thường hay xảy ra. Có 4 kĩ thuật giúp hạn chế được xảo ảnh loại này là:
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Kĩ thuật bù nhịp thở (RCi)
Kĩ thuật thu nhanh (Breathhold) Kĩ thuật SMARTii
Kĩ thuật bão hòa cục bộ (RESTiii)
4.6.3.1. Kĩ thuật bù nhịp thở
Có 2 kĩ thuật bù nhịp thở
Kĩ thuật PEARiv: Là kĩ thuật mà trật tự mã hóa pha được sắp xếp lại dựa vào đặc điểm của nhịp thở là kì thở ra gây chuyển động nhỏ nhất. Theo đó, vào kì thở ra, dữ liệu vùng trung tâm của không gian k sẽ được thu nhận. Ở kì hít vào, vùng biên sẽ được lấp đầy theo thứ tự. Kĩ thuật này được dùng để thu dữ liệu cho từng lớp cắt riêng biệt. Và bởi vì bản chất của nó chỉ là thay đổi trật tự thu nhận dữ liệu nên không làm tăng thời gian quét ảnh.