i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
------------oOo------------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG
HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN
GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
SVTH : LÊ MINH HÒA
MSSV : K0200931
Tp. HCM, tháng 6 – 2007
5. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Ngày 26 Tháng 02 Năm 2007
Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm Bộ môn Chủ nhiệm Khoa iii
LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh trường Đại
Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo và truyền đạt những kiến thức
chuyên ngành làm nền tảng cho việc hoàn thành luận văn này.
Xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến Viện trưởng – GS. TSKH. Vũ Công Lập, TS.
Nguyễn Đông Sơn, Thầy Phan Nhật Đán, Cô Nguyễn Thị Thanh Phương và các thầy
cô thuộc Phân Viện Vật Lý Y Sinh Học đã giúp tôi định hướng đề tài,
tạo điều kiện cho tôi tiếp xúc với nguồn tài liệu rất phong phú, cũng như đã phản biện
và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình tôi thực tập và hoàn thành luận văn tại
đây.
Xin gửi lời cảm ơn đến các bác sĩ khoa chuẩn đoán hình ảnh bệnh viện Nhân
Dân 115 đã giúp tôi trong việc tìm hiểu các ứng dụng của ảnh cộng hưởng từ khuếch
tán. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn Hà Thúc Nhân và bạn Phạm Như Ngọc
đã giúp tôi rất nhiều trong việc hiệu chỉnh hình ảnh của luận văn này.
Đặc biệt, luận văn không thể hoàn thành nếu thiếu sự động viên của gia đình
và bạn bè.
Sau cùng, xin kính chúc các thầy cô trong Bộ môn Vậy Lý Kỹ Thuật Y Sinh đạt
được nhiều thành công trong công tác đào tạo và nghiên cứu.
significant not only in the repairing of any malfunction, but also in the making the
most effective use of the MRI scanner. In this paper, the basics and principles of MRI
will be presented most basically.
Brain diseases such as brain haemorrhage, brain vein blocking, brain tumor,
etc., are continuously increasing while early diagnostic tools like CT or conventional
MRI prove to be less effective. In order to recommend a more effective early
diagnoctic tool, this paper presents the basic principles and practical applications of
Diffusion MRI, in comparison in effectiveness with Conventional MRI.
In the aim of paving the way for deeper research, this paper does not give
emphasis to the hardware, but rather to the principles and the evaluation of clinic
applications.
vi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH A/D
Analog-Digital Converter
ADC
Apparent Diffusion Coefficient
CSF
Cerebrospinal Fluid
CT
Computed Tomography
DTI
Inversion Recovery
M
Magnitude
MA/MS
Matrix size
ME
Multiple Echo
MRA
Magnetic Resonance Angiography
MRI
Magnetic Resonance Imaging vii
NMR
Nuclear Magnetic Resonance
NSA
Number of Signals Averaged
pbw
Pixel Bandwidth
PD
Proton Density
PEAR
Phase Encoded Artifact Reduction
PT
Prospective Triggering
R
Real
RC
Respiratory Compensation
TR
Time of Repetition
TSE
Turbo Spin Echo
WFS
Water Fat Shift
viii
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC Trang
Trang bìa ............................................................................................................... i
Nhiệm vụ luận văn ........................................................................................................ ii
Lời cảm ơn ............................................................................................................ iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................................. iv
Abstract .............................................................................................................. v
Danh sách các từ viết tắt ................................................................................................ vi
Mục lục .......................................................................................................... viii
PHẦN I : TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
PHẦN II: NỘI DUNG ................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MRI .................................................. 3
1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển của cộng hưởng từ hạt nhân .......................................... 3
1.1.2. Cơ sở vật lý: Định luật cảm ứng Faraday ................................................... 5
1.1.3. Cơ sở toán học: Phép biến đổi Fourier ....................................................... 6
1.2. Hạt nhân trong từ trường ................................................................................... 9
1.2.1. Spin hạt nhân ............................................................................................... 9
1.2.2. Định hướng của hạt nhân trong từ trường................................................. 10
1.2.3. Hai mức năng lượng .................................................................................. 10
2.7.1. Thiết lập các trục tọa độ ............................................................................ 26
2.7.2. Tác dụng của gradient mã hóa tần số và gradient mã hóa pha. ................ 26
2.8. Kết quả đo ........................................................................................................ 27
2.8.1. Kết quả đo từ voxel thứ nhất ..................................................................... 28
2.8.2. Kết quả đo từ voxel thứ hai ....................................................................... 29
2.8.3. Biến đổi Fourier ........................................................................................ 29
2.8.4. Hình ảnh thu nhận ..................................................................................... 33
CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI NHẬN TÍN HIỆU MRI .................. 34
3.1. Các phương pháp cơ bản
................................................................................. 34
3.1.1. Phương pháp SE ........................................................................................ 34
3.1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................ 34
3.1.1.2. Chuỗi xung SE ................................................................................... 36
3.1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................ 37
3.1.2. Phương pháp IR ........................................................................................ 38
3.1.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 38 x
3.1.2.2. Chuỗi xung IR .................................................................................... 39
3.1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................ 40
3.1.3. Phương pháp GRE .................................................................................... 40
3.1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................ 40
3.1.3.2. Chuỗi xung GRE ................................................................................ 41
3.1.3.3. Ứng dụng ............................................................................................ 42
3.1.4. Phương pháp chụp đa lớp cắt và chụp khối 3D. ....................................... 43
3.2. Các phương pháp nâng cao .............................................................................. 45
3.2.1. Không gian k ............................................................................................. 45
3.2.2. Phương pháp TSE ..................................................................................... 49
4.3.6. Ảnh hưởng của rFOV................................................................................ 74
4.3.7. Ảnh hưởng của phương pháp quét bán phần ............................................ 75
4.3.8. Ảnh hưởng của phương pháp quét thu gọn ............................................... 75
4.3.9. Ảnh hưởng của phương pháp chụp khối 3D ............................................. 76
4.3.10. Ảnh hưởng của độ dịch chuyển hóa học (WFS) ................................... 76
4.4. Độ phân giải không gian .................................................................................. 77
4.5. Thời gian thu nhận ảnh .................................................................................... 79
4.6. Các loại xảo ảnh ............................................................................................... 79
4.6.1. Giới thiệu .................................................................................................. 79
4.6.2. Xảo ảnh do chuyển động của bệnh nhân .................................................. 80
4.6.3. Xảo ảnh do nhịp thở .................................................................................. 80
4.6.3.1. Kĩ thuật bù nhịp thở ........................................................................... 81
4.6.3.2. Kĩ thuật thu nhanh .............................................................................. 82
4.6.3.3. Kĩ thuật SMART ................................................................................ 82
4.6.3.4. Kĩ thuật bão hòa vector từ hóa cục bộ ................................................ 82
4.6.4. Xảo ảnh tim ............................................................................................... 83
4.6.4.1. Kĩ thuật đánh dấu sau sóng R ............................................................. 83
4.6.4.2. Kĩ thuật quét theo cổng ...................................................................... 84
4.6.4.3. Kĩ thuật thu ảnh liên tiếp đơn lớp cắt ................................................. 84
4.6.5. Xảo ảnh chồng lấn..................................................................................... 85
4.7. Tác nhân tương phản ....................................................................................... 85
4.7.1. Giới thiệu .................................................................................................. 85
4.7.2. Các loại tác nhân tương phản thường dùng .............................................. 86
CHƢƠNG 5. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ & PHẦN CỨNG CỦA MÁY MRI ............ 88
5.1. Sơ đồ tổng quát ................................................................................................ 88 xii
5.2. Hệ thống nam châm ......................................................................................... 89
5.3. Hệ thống Gradient ............................................................................................ 91
(1T và 1.5T) chiếm khoảng 1/3 và tập trung chủ yếu tại hai thành phố lớn là Hà Nội (4
máy) và Tp. Hồ Chí Minh (6 máy). Ảnh MRI có giá trị chẩn đoán rất cao và nhu cầu
sử dụng MRI hiện nay là rất lớn.
Trực tiếp vận hành các hệ thống MRI trên phần lớn là kĩ thuật viên và một số ít
bác sĩ. Các cơ sở giảng dạy về MRI hiện tại có ĐH Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh -
Ngành Vật lý kĩ thuật và các khoa chẩn đoán hình ảnh của các đại học Y. Tài liệu
tham khảo tiếng Việt rất hạn chế, chủ yếu là các tài liệu dịch thuật lưu hành nội bộ với
các thông tin cung cấp ở dạng cơ bản. Sinh viên, các kĩ thuật viên và bác sĩ hoạt động
trực tiếp trong lĩnh vực này thường gặp nhiều khó khăn khi tiếp cận các khía cạnh kĩ
thuật cũng như ứng dụng của MRI vì bản chất phức tạp của nó.
Vì vậy, đối tượng mà luận văn hướng đến là: Sinh viên ngành Vật lý kĩ thuật,
các kĩ thuật viên và bác sĩ hoạt động trong lĩnh vực này với mục tiêu cung cấp một tài
liệu tham khảo hữu ích, tạo cơ sở cho việc tiếp cận các kĩ thuật mới được thuận lợi
hơn. Bên cạnh đó, đề tài được chọn là do có sự hỗ trợ về mặt chuyên môn và tài liệu kĩ
thuật của các kĩ sư nhiều kinh nghiệm, sự hỗ trợ về mặt ứng dụng của các bác sĩ trực
tiếp làm việc với MRI trong nhiều năm và đặc biệt là từ nhu cầu có thực của việc tìm
hiểu MRI một cách hệ thống.
Theo đó, luận văn được chia thành 6 chương với nội dung tóm tắt như sau.
Chương I: Trình bày nguyên lý cơ bản của MRI, cung cấp những kiến
thức nền tảng ban đầu.
Chương II: Trình bày quy trình mã hóa để tạo ra ảnh MRI.
Chương III: Trình bày các phương pháp cơ bản cũng như nâng cao dùng
để ghi nhận tín hiệu cộng hưởng từ. Ưu - nhược điểm của từng phương
pháp và các ứng dụng của nó.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 2 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Chương IV: Trình bày về chất lượng hình ảnh MRI bao gồm: Các yếu tố
ảnh hưởng đến chất lượng ảnh; mối liên hệ giữa các yếu tố; các loại xảo
ảnh có thể xảy ra và cách khắc phục.
i
– bắt đầu hình
thành từ sau chiến tranh thế giới lần thứ II với nhiều khám phá quan trọng. Nhưng bản
thân MRI là sự thừa hưởng rất nhiều phám phá vĩ đại của con người trước đó. Có thể
kể ra đây một vài ví dụ:
Baptiste Joseph Fourier (Pháp) đặt nền tảng cho biến đổi toán học của
tín hiệu MRI bằng phép biến đổi mang tên ông.
1831: Michael Faraday (Anh) bằng phát minh ra định luật cảm ứng điện
từ, đã đặt nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu MRI
1911: Ernest Rutherford đưa ra mô hình hạt nhân nguyên tử.
1913: Niels Bohr (Đan Mạch) mở đầu kỉ nguyên cơ học lượng tử.
…..
Với nền tảng vững chắc đó, MRI đã được hình thành bằng những điểm sáng:
1946: Felix Bloch (ĐH Stanford)
và Edward M. Purcell (ĐH Harvard) độc lập
tìm ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Hai
ông đã đồng nhận giải Nobel vật lý cho công
trình này vào năm 1952.
1949: Erwin L. Hahn tìm ra
phương pháp Spin Echo và hiện tượng suy giảm
tín hiệu do lệch pha spin (FID
ii
).
1966 – 1975: Richard R.Ernst
tìm ra phương pháp biến đổi Fourier hai chiều
để xây dựng ảnh MRI từ tín hiệu thu đươc. Ông
i
MRI: Magnetic Resonance Imaging
ii
ảnh chỉ với 30 ms.
1987: Kĩ thuật EPI được sử dụng để thể hiện đoạn phim video thời gian
thực của một chu kì tim đập. Cùng năm đó, Charles Dumoulin chụp được ảnh MRA
iii
thể hiện dòng máu trong não mà không cần dủng tác nhân tương phản.
1993: MRI chức năng được phát triển, cho phép chụp ảnh chức năng của
các vùng khác nhau của não. Từ đây, EPI lại có thêm nhiều ứng dụng ngoài chức năng
thu ảnh thời gian thực vốn có của nó.
Xét về quá trình phát triển của phần cứng, ta có thể tóm tắt:
Thập niên 70 là quá trình MRI phát triển giới hạn trong phòng thí
nghiệm.
Thập niên 80 đến đầu thập niên 90 là quá trình hoàn thiện cuộn thu phát
sóng RF
iv
, cuộn Gradient và nam châm chính. Thời gian bật-tắt các cuộn gradient
nhanh hơn, tạo điều kiện cho các chuỗi xung nâng cao có những đóng góp thực tiễn.
Bộ phận nam châm đã có tính đồng nhất cao và cường độ từ trường ngày càng lớn.
i
GRE: GRadient Echo
ii
EPI: Echo Planar Imaging
iii
MRA: Magnetic Resonance Angiography
iv
RF: Radio Frequency
Raymon V.Damadian Peter Mansfield
Hình 1.2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 6 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
1.1.3. Cơ sở toán học: Phép biến đổi Fourier
2
Biến đổi Fourier (FT
i
) là một phương pháp toán học dùng để chuyển đổi dữ liệu
từ miền thời gian qua miền tần số. Bất kì một hàm số nào cũng có thể được tách ra
thành tổng hoặc tích phân của nhiều hàm số sin cơ sở nhân với các hằng số khác nhau
(gọi là biên độ).
Nếu gọi X(f) là biến đổi Fourier của hàm x(t) thì ta có công thức:
Hàm x(t) ở miền thời gian cũng có thể được tính bằng phép biển đổi ngược của
hàm X(f) ở miền tần số như sau:
Trong tọa độ cực, biến đổi Fourier được biểu diễn bởi:
trong đó là thành phần biên độ và là thành phần pha
tương ứng bới tần số f.
Trong hình 1.3, cột đầu tiên mô tả vector từ hóa mạng có cường độ A và các
góc pha khác nhau. Bằng cuộn thu, một thành phần của vector từ hóa mạng được thu
nhận (trong hình minh họa là thành phần X) và hình thành một sóng sin. Góc pha của
vector từ hóa mạng quyết định góc pha ban đầu của tín hiệu sin. Tín hiệu này được thể
hiện ở cột II và được gọi là tín hiệu ở miền thời gian. Phép biến đổi Fourier của tín
hiệu ở miền thời gian tạo ra đồ thị phần thực (R
ii
) và phần ảo (I
Hình 1.5
i
Xem thêm mục 2.3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 9 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
1.2. Hạt nhân trong từ trƣờng
2,4,5,6
1.2.1. Spin hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các neutron. Số lượng tử spin của
proton cũng như của neutron đều bằng ½. Tùy thuộc vào việc các spin của những hạt
nucleon đó có cặp đôi hay không mà hạt nhân của nguyên tử có thể được đặc trưng
bằng một số lượng tử spin hạt nhân I bằng không hoặc khác không. Nếu spin của tất cả
các nucleon đều cặp đôi thì số lượng tử spin của hạt nhân bằng không (I = 0). Nếu ở
hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I = ½. Nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I >1
Một số quy tắc kinh nghiệm để phỏng đoán số lượng tử spin hạt nhân:
I = 0 đối với các hạt nhân chứa số proton chẵn và số neutron cũng chẵn.
Ví dụ các hạt nhân
16
O,
12
C,
32
S ….
I = số nguyên (1, 2, 3, … ) đối với hạt nhân chứa số proton lẻ và số
mây electron. Do đó khi nói đến cộng hưởng từ hạt nhân trong y học, hầu như ta chỉ
quan tâm đến hạt nhân hydro vì các lý do sau:
Hình 1.6 – Nguyên tử Hydro
Nền tảng của ảnh MRI
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 10 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Hydro là thành phần phổ biến nhất trong cơ thể con người (hiện diện
trong các phân tử nước và chất béo).
Hạt nhân hydro chỉ bao gồm một proton (I = ½).
Trong tự nhiên, hydro là nguyên tố có độ nhạy từ cao nhất do moment từ
hạt nhân ít bị che chắn nhất.
1.2.2. Định hƣớng của hạt nhân trong từ trƣờng
Khi không có từ trường ngoài, các
vector spin của hạt nhân hyđrô định hướng
ngẫu nhiên trong không gian. Chính vì thế tổng
của tất cả các vector spin trong một mẫu thử
nào đó là bằng không và không thể đo được.
Khi xuất hiện môi trường từ trường
ngoài đồng nhất, các vector spin của hạt nhân
hyđrô sẽ định hướng cùng chiều hoặc ngược
chiều với hướng của từ trường ngoài.
1.2.3. Hai mức năng lƣợng
Hạt nhân có vector spin định hướng
ngược chiều với từ trường ngoài thì ở mức
năng lượng cao hơn hạt nhân có vector spin
định hướng cùng chiều (E
NgượcChiều
> E
2
h
E
Với h là hằng số Plank
γ hằng số hồi chuyển từ
Tương quan giữa số lượng proton có vector spin định hướng cùng chiều hay
ngược chiều với từ trường ngoài tuân theo phân bố Boltzmann:
kT
E
CungChieu
NguocChieu
e
N
N
Với k là hằng số Boltzmann
T là nhiệt độ tuyệt đối, đo bằng thang Kelvin
Sự khác biệt giữa N
NgượcChiều
và N
CùngChiều
càng lớn thì giá trị của vector từ hóa
mạng M càng lớn (xem định nghĩa vector từ hóa mạng ở mục 1.3.4), dẫn đến tín hiệu
cộng hưởng từ hạt nhân thu được càng lớn
Tongo
NBcM
K
J
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 12 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
làm đổ nó. Nhưng con quay không đổ nhờ vào chuyển động tiến động.
Vector spin chuyển động tiến động quanh trục của từ trường ngoài với tần số
góc tỉ lệ với độ lớn B
o
tại vị trí của hạt nhân.
o
o
B
2
f
BVới ω = 2πf
Tần số của chuyển động tiến động còn được gọi là tần số Larmor. Hệ số tỉ lệ γ
được gọi là hệ số hồi chuyển.
B
T
MHz
577,42f
T
Hz
1067522,2
8
1.3.2. Tần số cộng hƣởng
Trong cộng hưởng từ hạt nhân, tần số của sóng RF phải bằng tần số Larmor.
7
0,016 2,03 10,17 15,95
14
N 99,640 1 1,933.10
7
0,001 0,58 2,92 4,58
15
N 0,360 -½ -2,711.10
7
0,001 -0,82 -4,10 -6,43
17
O 0,037 -5/2 -3,628.10
7
0,029 -1,10 -5,49 -8,60
19
F 100,000 ½ 2,517.10
8
0,83 7,61 38,06 59,69
23
Na 100,000 3/2 7,075.10
7
0,093 2,14 10,07 16,78
(*)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 13 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
31
P 100,000 ½ 1,082.10
8
0,066 3,27 16,36 25,66
o
, sóng RF
được sử dụng để kích thích M
o
Về cơ bản, sóng RF được tạo ra bằng cách
cho một dòng điện xoay chiều có tần số f bằng tần
số Larmor của mẫu cần khảo sát chạy trong một
cuộn dây, từ đó tạo ra từ trường B
1
(Hình 1.11).
Hình 1.11 – Sự tạo thành B
1
Copyright: Tài liệu đại học ©