Gv: Nguyễn Thái HàBM:Công nghệ ðiện tử & KT ðiện tử Y sinhKhoa ðT-VT

1

� Giới thiệu chung: Tạo ảnh cộng hưởng từ là phương pháp tạo ảnhcác cơ quan nội tạng trong cơ thể con người một cách chính xác vàkhông gây nguy hiểm cho bệnh nhân.

� Lịch sử phát triển:◦ Năm 1946, hai nhà vật lý người Mỹ tìm ra hiện tượng CHT hạt◦ Năm 1946, hai nhà vật lý người Mỹ tìm ra hiện tượng CHT hạt

nhân, mối liên quan giữa cường ñộ từ trường và tần số radio.◦ Từ những năm 1980, máy chụp cộng hưởng từ ñầu tiên trên thế

giới ñã xuất hiện.◦ ðến nay trên thế giới ñã có khoảng 22.000 máy và thu ñược 60

triệu hình ảnh ñược chụp từ người bệnh.◦ Năm 2003, CHT ñã cho phép tạo ảnh các cấu trúc khác nhau của

cơ thể sống trong không gian ba chiều.

2

� Ứng dụng:

◦ Tạo ảnh 3D hầu hết các cơ quan trong cơ thể

◦ Tạo ảnh rất rõ nét khi chụp não bộ và tuỷ sống.

◦◦ Hỗ trợ vi phẫu thuật não

◦ Hỗ trợ chẩn ñoán và ñiều trị ung thư, (cho biết kích

thước, vị trí khối u và các vùng bị xâm lấn, các hạch di

căn,...), từ ñó lựa chọn phương thức ñiều trị thích hợp.

3

� Ưu ñiểm:

◦ Không phát ra các bức xạ ion hóa

◦ Tạo ảnh mô mềm có ñộ phân giải cao nhất

◦ Cho phép dò ra các ñiểm bất thường ẩn sau các lớp

xương.

◦ Có thể cung cấp nhanh và chuẩn xác hơn so với tia X

trong việc chẩn ñoán các bệnh về tim mạch.

◦ Có thể tạo ảnh các lớp cắt với góc ñộ bất kỳ.

4

� Nhược ñiểm:

◦ Không thể chụp cộng hưởng từ cho các trường hợp bệnh nhân

sử dụng các thiết bị ñiện tử hỗ trợ.

◦ Hạn chế với những người có dị vật hoặc kim loại ñược ñặt trong◦ Hạn chế với những người có dị vật hoặc kim loại ñược ñặt trong

cơ thể.

◦ ðối với xương, MRI cho ảnh không tốt do tại xương hàm lượng

nước cũng như mô mỡ là ít.

◦ Thời gian tái tạo ảnh còn tương ñối dài.

◦ Chi phí ñầu tư, chi phí vận hành lớn.

5

6

◦ 1. ðặt bệnh nhân vào trong từ trường - Các proton trong cơ thể

tương tác với từ trường.

◦ 2. Kích thích các hạt nhân nguyên tử - Phát xung sóng vô tuyến

RF.

◦ 3. Bổ xung thông tin về không gian - áp dụng các cuộn dây chênh◦ 3. Bổ xung thông tin về không gian - áp dụng các cuộn dây chênh

từ.

◦ 4. Theo dõi phản ứng của các hạt nhân - phát hiện và thu tín hiệu

nhờ cuộn thu.

◦ 5. Biến ñổi tín hiệu thành hình ảnh - Tái tạo ảnh thông qua phép

biến ñổi Fourier.

7

� Proton và sự từ hoá:

◦ Nguyên tử bao gồm hạt nhân, ñiện tử. Hạt nhân bao

gồm proton và neutron.

8

� Proton và các hạt khác (neutron, ñiện tử ...) tự quay quanh mình nó,

gọi là SPIN. Sự quay của hạt không bao giờ dừng, nó chỉ thay ñổi

hướng trục quay dưới một tác ñộng nào ñó từ bên ngoài.

� Proton mang ñiện tích dương, khi chuyển ñộng sẽ tạo ra dòng ñiện

và dòng ñiện tạo ra từ trường. Vì vậy có thể xem proton như một

nam châm cực nhỏ.

9

Proton hoạt ñộng như một nam châm nhỏ

� Nam châm ñược biểu thịbằng cường ñộ từ trường vàhướng – vectơ từ trường,.◦ Cường ñộ từ trường: Chiều dài

vectơ.◦ Hướng nam châm là hướng

vectơ.vectơ.

� Chiếu vectơ lên mặt phẳng:◦ Thành phần từ hoá dọc: song

song ñường sức từ ngoài.◦ Thành phần từ hoá ngang:

Vuông góc ñường sức từ ngoài.

10

11

Khi không có tác dụng của từtrường ngoài các spin quay quanhtrục của chúng với hướng hoàntoàn ngẫu nhiên, từ trường riêng sẽtương tác và bù trừ qua lại làm triệttiêu từ trường tổng.

Khi có tác dụng của từ trườngngoài các spin sẽ ñược sắp xếp lạihướng, phụ thuộc vào hướng của từtrường. Một số hạt nhân có trụcquay cùng chiều với chiều tác ñộngcủa từ trường ngoài, một số cóchiều ngược lại

� ðối với các nguyên tố có spin=1/2, khi chịu tác

dụng của từ trường ngoài sẽ có hai hướng:

◦ Hướng song song (parallel), mang năng lượng thấp E1.

◦ Hướng ñối song (anti-parallel), mang năng lượng cao E2.

12

� M0: ñộ từ hóa thực

◦ Mz: thành phần từ hóa

dọc

◦ M : thành phần từ hóa◦ Mxy: thành phần từ hóa

ngang

13

ðộ từ hóa thực M tiếnñộng quanh trục z

14

ðặt bệnh nhân vào một từ trường mạnh

� Khi ñặt cơ thể vào một từ trườngmạnh có cường ñộ từ khoảng 0,2T ñến một vài T (1T=10.000 Gaus), dưới tác ñộng của từ trường ngoàicác nam châm này sẽ quay ñảo vớitần số ñược xác ñịnh bởi phươngtrình LARMO:trình LARMO:

Trong ñó:B0 : là cường ñộ từ trường ngoàiγ : là tỷ số hồi chuyển

15

02Bf

π

γ=

Spin hạt nhân chuyển ñộng trong từ trường

16

Sự hình thành thành phần từ hoá dọcTừ trường tổng khác 0

� Khi ñó hướng véc-tơ của các nam châm ñược sắp xếp lại, cácthành phần từ hoá dọc sẽ theo hướng có thể là song song hoặc ñốisong song với ñường sức của từ trường ngoài.

Các proton quay ñảo không ñồng nhịp-lệch pha, mà các thành phần từ hoá ngang sắp xếp ngẫu nhiên nên các thành phần từ hoá này triệt tiêu lẫn nhau, dẫn tới tổng của chúng bằng 0.

17

Hạt nhân γ (MHz/T) Spin thực1H

2H

3He

13C

14N

42.58

6.54

32.44

10.71

3.08

½

1

½

½

1

Mối liên hệ giữa ñồng vị hạt nhân và hằng số Larmor

18

14N

17O

19F

23Na

31P

129Xe

3.08

5.77

40.08

11.27

17.25

11.86

1

5/2

½

3/2

½

½

19

Nếu dùng một nguồn sóng ñiện từ / sóng vô tuyến (RF), có tầnsố bằng tần số ñảo của proton phát ra từ một máy phát, tác ñộngvào một vùng nào ñó cần xét nghiệm của cơ thể thì những proton (nam châm) nằm trong vùng này sẽ thay ñổi trạng thái.

20

� Khi mô ñược ñặt trong một từ trường ngoài B0, ñưa một

xung RF có tần số bằng ñúng tần số tiến ñộng của

mômen từ hạt nhân→ hiện tượng cộng hưởng từ.

21

� Một số chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao - thành phần từ hoá dọccủa chúng sẽ chuyển sang hướng ñối song song với từ trường ngoài khiến cho cường ñộthành phần từ hoá dọc tổng sẽ giảm. thành phần từ hoá dọc tổng sẽ giảm.

� Các proton sẽ chuyển từ trạng thái quay ñảo sainhịp sang trạng thái quay ñảo cùng nhịp - ñồngpha nên thành phần từ hoá ngang của chúng sẽkhông còn triệt tiêu nhau nữa mà sẽ cộng lạithành một thành phần từ hoá ngang tổng.

22

� Cường ñộ của các thành phần từ hoá lúc nàyphụ thuộc vào:◦ Tần số và cường ñộ nguồn sóng RF◦ Cường ñộ từ trường ngoài◦ Thuộc tính của proton◦ Thuộc tính của proton◦ Mật ñộ của proton

� Ta có thể lựa chọn sóng RF sao cho thành phầntừ hoá dọc tổng bị triệt tiêu và chỉ còn thànhphần từ hoá ngang. Sóng RF này ñược gọi làsóng RF 90o tương tự có sóng RF 180o.

23

� Tắt xung RF: Các proton sẽ quay trở về trạng thái ban ñầu khi

chưa có xung RF ⇒ quá trình hồi phục.

� T1 là thời gian thư giãn ñể thành phần từ hoá dọc trở lại trạng

thái ban ñầu ⇒ sự hồi phục dọc.

T2 là thời gian các proton chuyển từ ñồng pha sang di pha, từ� T2 là thời gian các proton chuyển từ ñồng pha sang di pha, từ

hoá ngang tổng bằng 0 ⇒ sự hồi phục ngang.

� Quá trình hồi phục dọc và ngang diễn ra trong một khoảng thời

gian dài, ngắn phụ thuộc vào bản chất tế bào. Hai quá trình này

xẩy ra ñồng thời và ñộc lập với nhau. T1 thường dài hơn T2, T1

thường trong khoảng 300-2000 ms, T2 trong khoảng 30-150 ms.

24

� Hiện tượng tín hiệu cộnghưởng từ lúc ñầu cócường ñộ lớn nhất sau ñósuy giảm dần rồi mất hẳn, gọi là hiện tượng suy giảmcảm ứng tự do FID (free cảm ứng tự do FID (free induction decay). Thờigian suy giảm cảm ứng tựdo vì thế cũng là thời gianT2.

25

Tín hiệu cộng hưởng từsuy giảm dần theo hàmmũ

26

Hồi phục dọc. Suy giảm ñộ từ hóa ngang vàtăng ñộ từ hóa dọc theo trục z

� Phương trình mô tả sự hồi phục dọc :

Mz = M0* (1 – e-t/T1)

◦ Mz: là thành phần từ hóa thực theo trục z khi phát xung RF.

◦ t: là thời gian

27

Mô T1(ms) tại

0.5T

T1 (ms) tại

1.5T

Mỡ

Gan

210

350

260

500

28

Gan

Cơ

Chất trắng

Chất xám

Dịch não tủy

350

550

500

650

1800

500

870

780

900

2400

29

Các spin di pha làm suy giảm ñộ từ hóa ngang

� Tín hiệu bị suy giảm theo hàm mũ :

Mxy =M0 *exp(- t/T2)◦ Mxy: véc tơ từ hóa ngang tại thời ñiểm t.

◦ M0 : véc tơ từ hóa thực khi B1 vừa tắt.

◦ T là khoảng thời gian ñể M giảm còn 37% giá trị ban ñầu.◦ T2 là khoảng thời gian ñể M giảm còn 37% giá trị ban ñầu.

30

Mô T2(ms) T1(0.5T) (ms) T1(1,5T) (ms)

Mỡ 80 210 260

Gan 42 350 500

Cơ 45 550 870

31

Cơ 45 550 870

Chất trắng 90 500 780

Chất xám 100 650 920

Dịch não tủy 160 1800 2400

� Quá trình hồi phục ngang xảy ra do sự tương tác giữa các

proton, làm cho véc tơ từ hóa ngang suy giảm dần trong thời

gian T2. Tuy nhiên trong môi trường cơ thể, tín hiệu cộng

hưởng từ thường suy giảm khá nhanh chứ không tồn tại vàhưởng từ thường suy giảm khá nhanh chứ không tồn tại và

kéo dài trong suốt thời gian T2.

32

� Nguyên nhân:

◦ Sự trao ñổi năng lượng giữa các hạt nhân quay (spin),

dẫn ñến sự lệch pha tương ñối chậm và mất sự nhiễm

từ.từ.

◦ Tính không ñồng nhất của từ trường cục bộ.

� Mối liên hệ giữa T2 và T2*:

33

Trong khi hồi phục trạng thái, các proton-từ trường

quay này sẽ phát ra sóng ñiện từ với cường ñộ và tần

số khác nhau phụ thuộc vào bản chất tế bào. Nếu ta

ñặt một ăng-ten/máy thu trong vùng tác ñộng củañặt một ăng-ten/máy thu trong vùng tác ñộng của

sóng ñiện từ này thì sẽ thu ñược tín hiệu ñiện cảm

ứng. Tín hiệu ñiện cảm ứng này sẽ ñược xử lý bằng

cách sử dụng phép biến ñổi Fourier ñể thành tín hiệu

tái tạo ảnh cộng hưởng từ

34

� Minh hoạ quá trình từ hoá và phát thu sóng vô tuyến

35

� Từ thông tin về tế bào ñã biết cần xác ñịnh vị trí, ñộñậm nhạt, cường ñộ tín hiệu trong không gian củachúng.

� ðể mã hoá vị trí không gian của các nguyên tố thểtích cũng như ñể xác ñịnh bề dầy của lớp cắt, thay vìứng dụng một từ trường ngoài ñồng nhất ta sử dụngmột từ trưòng biến thiên theo một quy luật ñã biết vímột từ trưòng biến thiên theo một quy luật ñã biết vídụ quy luật tăng giảm tuyến tính. Từ trường biến thiênnày ñược tạo ra bằng cách sử dụng các cuộn dâychênh từ, từ trường do chúng sinh ra sẽ cộng với từtrường chính và từ trường tổng tác ñộng vào cơ thểsẽ là một từ trường biến thiên tuyến tính theo khônggian.

36

37

a. Từ trường biến thiên từ 1,4 ñến 1,6 T

b. Tần số LAMOR thay ñổi 60 - 68 MHz

Từ trường biến thiên theo 3 trục GZ, GY, GX

� Tín hiệu thu ñược từ các tế bào sẽ có tần số khác

nhau, phụ thuộc vào cường ñộ từ trường ñã ñược

ñiều khiển, do ñó có thể xác ñịnh ñược vị trí không

gian tương ứng với các tế bào này. Tương ứng với 3 gian tương ứng với các tế bào này. Tương ứng với 3

trục không gian X,Y,Z sẽ có 3 cuộn dây chênh từ.

Trong ñó các cuộn dây chênh từ theo trục X và Y ñể

ñịnh vị các tế bào trong mặt phẳng lớp cắt, cuộn dây

chênh từ theo trục Z ñể xác ñịnh bề dầy lớp cắt.

38

39

40

1. Khối nam châm2. Chèn từ3. Chênh từ4. Bộ phát RF (antenna)5. Bàn bệnh nhân

6. Chuyển mạch thu – phát7. Tiền khuếch ñại8. Giải ñiều chế QAM với hai bộ lọc thông thấp tần số

thấp và ADC.9. Bộ ñiều chế SSB với hai bộ DAC10. Tấm chì chống RF xuyên qua

� Các loại nam châm dùng trong máy CHT: 3 loại◦ Nam châm vĩnh cửu◦ Nam châm ñiện◦ Nam châm siêu dẫn

41

Nam châm dùng dòng ñiện

Nam châm siêu dẫn

Nam châm vĩnh cửu(loại kép)

Các loại nam châm tạo ra từ trường

� Thường ñược dùng trongnhững máy cộng hưởngtừ có cường ñộ từ trườngthấp, không quá 0,2 T.

� Ưu ñiểm: không tiêu haoñiện hoặc chất làm lạnh.ñiện hoặc chất làm lạnh.

� Nhược ñiểm: cường ñộ từtrường thấp và thay ñổitheo nhiệt ñộ. Trọnglượng lớn (một nam châm0.3T có trọng lượng tới100 tấn)

42

� Gồm hai loại:◦ Nam châm dùng dòng ñiện.◦ Nam châm siêu dẫn.

� Nam châm dùng dòng ñiện: ◦ Cường ñộ từ trường của loại nam châm này có thể ñạt tới 0,5T.

Loại này có cấu trúc ñơn giản, chiếm ít diện tích và không dùngLoại này có cấu trúc ñơn giản, chiếm ít diện tích và không dùngchất làm lạnh.◦ Nhược ñiểm cơ bản là tiêu hao dòng ñiện lớn và tiêu hao nhiều

ñiện năng trong lúc vận hành vì vậy hầu như ít ñược sử dụngtrong thực tế.

43

� Nam châm siêu dẫn ñượcdùng phổ biến nhất trongcác máy cộng hưởng từchất lượng cao hiện nay, có cường ñộ từ trường từ1T ñến khoảng 4T. 1T ñến khoảng 4T. ◦ Ưu ñiểm cơ bản của loại nam

châm này là có cường ñộ vàñộ ñồng ñều từ trường rấtcao.◦ Nhược ñiểm: hệ thống cấu tạo

phức tạp. Chi phi ñầu tư vàvận hành cao

44

� Gradient làm thay ñổi cường ñộ từ trường từ ñiểm

này ñến ñiểm khác trên cơ thể bệnh nhân.

Gradient ñược tạo ra bằng cách gắn các cặp cuộn

gradient trong nam châm, trong quá trình tạo ảnh

chúng ñược bật tắt nhiều lần.

45

-Tương ứng với ba trục X, Y, X là ba cuộn dây X, Y, Z, tạora các từ trường biến thiênGx, Gy, G-z.

- Các từ trường biến thiên

46

- Các từ trường biến thiêntheo không gian này cần ñểchọn lớp cắt.

- Xác ñịnh vị trí (thông qua việc mã hóa pha và mã hóatần số từ trường M) trong lớpcắt ñược chọn

� Hệ thống sử dụng cuộn RF làm nhiệm vụ truyền năng

lượng RF ñể kích thích các spin vào trong cơ thể và thu

nhận tín hiệu RF phát ra từ bệnh nhân khi ngừng phát

xung RF. Bao gồm một ñầu thu và ñầu phát.xung RF. Bao gồm một ñầu thu và ñầu phát.

◦ ðầu phát: Tạo năng lượng RF, ñặt lên cuộn và sau ñó truyền vào

cơ thể người bệnh.

◦ ðầu thu: Thu các tín hiệu RF phát ra từ mô cộng hưởng.

47

48

Hình ảnh cuộn RF

� ðiều khiển thu nhận

� Tái tạo ảnh

� Lưu trữ và khôi phục ảnh

49

� Bước 1: ðặt bệnh nhân vào trong từ trường –

Các proton trong cơ thể tương tác với từ trường.

� Bước 2: Kích thích hạt nhân nguyên tử- Phát

xung vô tuyến RF.

50

� Bước 3: Bổ sung thông tin về không gian- áp dụng các

cuộn dây chênh từ.

� Bước 4: Theo dõi phản ứng của các hạt nhân- phát hiện

và thu tín hiệu nhờ cuộn thu. Cường ñộ tín hiệu phát ravà thu tín hiệu nhờ cuộn thu. Cường ñộ tín hiệu phát ra

từ một khối lượng mô ñược thể hiện trên một thang màu

từ trắng ñến ñen. Cường ñộ tín hiệu của một loại mô

phụ thuộc vào thời gian khôi phục lại từ tính T1 và T2,

mật ñộ proton của nó.

51

� Bước 5 : Biến ñổi tín hiệu thành hình ảnh- Tái tạo

ảnh thông qua phép biến ñổi Fourier.

� Quá trình hình thành MR xảy ra trong hai pha:

◦ Pha thu nhận tín hiệu.

◦ Pha tái tạo tín hiệu.

52

� Thu nhận tín hiệu

� Lựa chọn lát cắt

◦ Phương thức kích thích lựa chọn

◦ Thu nhận khối

� Mã hóa tần số

� Mã hóa pha

� Không gian K

� Tái tạo ảnh

53

� Phương thức kích thích lựa chọn: cần phải lựa chọntrước một lát cắt bằng cách ñiều chỉnh cuộn gradient.

54