Evert J Blink Chuyên gia ứng dụng MRI

Ngày nay, bệnh viện hoặcphòng khám có một hoặc nhiều hơn 1 máy MRI nhằm thu được ảnh đúng, chính xáchơn và chuẩn đoán bệnh lý, ngay cả khi chúng tôi nói sự phát triển vẫn còn rộng mở.Thô

Sinh viên: Trần Văn Linh MSSV: 20121995 Lớp DDTTT01_k57

Evert J Blink Chuyên gia ứng dụng MRI

A L I NÓI Đ U Ờ Ầ

Trong những năm qua Magnetic Resonance Imaging (chụp cộng hưởng từ), gọitắt là MRI, đã trở thành một phương tiện phổ biến và có giá trị rộng rãi cho việc tạoảnh tiết diện, mặt cắt ngang Đó không phải là trùng hợp ngẫu nhiên; MRI đã trải quamột bước phát triển nhảy vọt kể từ khi nó được khám phá Ngày nay, bệnh viện hoặcphòng khám có một hoặc nhiều hơn 1 máy MRI nhằm thu được ảnh đúng, chính xáchơn và chuẩn đoán bệnh lý, ngay cả khi chúng tôi nói sự phát triển vẫn còn rộng mở.Thông qua việc sử dụng sóng vô tuyến điện và từ trường mà MRI có độ phân giảitương phản hình ảnh tốt, lại còn không gây hại cho cơ thể con người Điều này đối lậpvới việc nghiên cứu tia X và CT có sử dụng bức xạ ion hóa

Việc MRI ngày càng được công nhận, nhu cầu đối với đội ngũ cán bộ có trình độchuyên môn hơn cũng tăng lên Qua các năm, các máy quét MRI đã trở nên hoạt động

dễ dàng hơn với các phần mềm mới phát hành, nhưng điều này không loại bỏ được sựcần thiết cho việc hiểu biết một cách đúng đắn về cách làm việc MRI MRI làm việcvới một loạt các thông số, chẳng hạn như TR ,TE, Flip Angle, Phase Encoding Việchiễu kĩ càng các thông số này là cực kỳ quan trọng để sản xuất ra một hình ảnh MRthành công

Có rất nhiều quyển trong kho sách viết vật lý về MRI Hầu hết trong số chúngdành cho những người đã có kinh ngiệm và hiểu biết về vật lý Một vài quyển sáchđược viết cho những người bắt đầu học, những người chưa hiểu biết nhiều về vật lýhọc

Là một chuyên viên ứng dụng tôi phải giải thích các khái niệm cơ bản của MRI đểmọi người, nhất là các nhân viên x-quang những người có thể hiểu được cái khái niệmvật lý liên quan tới tia X, nhưng chẳng bao giờ gặp và liên quan tới các khái niệm vật

lý về MRI Có thể nói rằng, hiện nay chụp X quang các bài giảng cũng bao gồm vật lý

về MRI Tuy nhiên, các khóa học cũng sử dụng những cuốn sách tương tự nhằm vàonhững người có kinh nghiệm

Những gì tôi đang cố gắng để làm ở đây là viết về MRI theo một cách mà mọingười có thể hiểu về khái niệm Tất nhiên nó giúp những ai nếu đã tiếp xúc với vật lý

nhưng nó không phải là hoàn toàn cần thiết Một khi bạn có một sự hiểu biết nhấtđịnh về các khái niệm bạn có thể tìm hiểu thêm trong những quyển sách nâng cao hơn.Bạn nên nhận ra một điều Đối với MRI nếu bạn muốn biết tất cả thì nó rất phứctạp, bạn có thể thâm nhập vào vật lý lượng tử cho đến khi bạn có thể hiểu ra bạn vẫnkhông có khả năng xâu chuỗi các chi tiết nhỏ lại với nhau Có rất ít người hiểu MRIđến mức độ đầy đủ của nó, những người còn lại trong chúng ta chỉ cần nắm bắt cáckhái niệm cơ bản Tuy nhiên, đừng để điều này làm bạn nản chí, còn nhiều thứ bạncần phải học hỏi Và may mắn thay, điều đó không phải là tất cả cho công việc củabạn.

Hãy để tôi cung cấp cho bạn một số lời khuyên: Hãy đọc về MRI, mỗi lần đọc bạn

sẽ tìm hiểu thêm được một cái gì đó mới Và có một ngày, tất cả các mảng kiến thức

đó sẽ đi liền với nhau

Khi hiểu ra bạn hãy đọc quyển sách này một lần nữa bạn sẽ khám phá rằng vẫncòn nhiều điều để tìm hiểu

Cho đến lúc đó tôi hi vọng câu truyện này sẽ hướng bạn một cách nhẹ nhàng vàothế giới thú vị của ảnh MR: Một trong những phương thức hình ảnh mà không bao giờ

bị nhàm chán

Evert Blink Tháng Mười Một, 2004

MỘT CHÚT LỊCH SỬ VỀ MRI.

Câu chuyện về MRI bắt đầu vào khoảng năm 1946 khi Felix Bloch được đề xuấttrong một bài báo đoạt giải Nobel cho một số tính chất khá mới mẻ đối với các hạtnhân nguyên tử Ông tuyên bố rằng hạt nhân hoạt động như một nam châm, và ôngnhận ra rằng một hạt tích điện chẳng hạn như một proton, quay xung quanh trục của

nó có một từ trường, được biết đến như một động lực từ Ông đã viết ra những pháthiện của mình mà hiện nay chúng ta đã biết là các phương trình Bloch Và các lýthuyết đó được xác nhận thực nghiệm vào đầu những năm 1950 Năm 1960 hạt nhânphổ cộng hưởng từ đã được giới thiệu cho mục đích phân tích Trong những năm

1960 và 1970 máy đo quang phổ NMR đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứukhoa học và công nghiệp Phương pháp đo phổ được sử dụng để phân tích các cấuhình phân tử dựa trên quang phổ NMR của nó

Vào cuối năm những năm 1960 Raymond Damadian đã khám phá ra rằng các mô

ác tính có NMR khác nhau so với thông số mô bình thường Ông ngẫm nghĩ rằng, dựatrên những khác biệt này chúng ta có thể biểu thị đặc điểm mô Với các phát hiện này,ông đã thu được các hình ảnh đầu tiên NMR về một khối u chuột vào năm 1974 Năm

1974 Damadian và nhóm của ông đã xây dựng các siêu máy quét NMR (được gọi làIndomitable) và sản xuất ra hình ảnh đầu tiên về cơ thể con người trong gần 5h quét( Hình 1)

Cùng thời điểm đó Paul Lauterbur cũng đã đi tiên phong về lĩnh vực này Người ta

đã có những cuộc thảo luận, thắc mắc ai trong số hai người họ đi tiên phong về

MRI.Mặc dù công bằng mà nói, người ta đã chấp nhận rằng cả hai quí ông trên đều cóđược sự đóng góp của riêng họ về MRI.

Tên chụp cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đã thay đổi thành hình ảnh cộng hưởng

từ (MRI) vì người ta tin rằng các thuật ngữ “hạt nhân” sẽ không phổ biến rộng rãi.Phần còn lại, như họ nói về lịch sử Vào đầu những năm 1980 tất cả các nhà máy

đã nghiên cứu sản xuất thiết bị hình ảnh y tế lớn và sản xuất máy quét MRI Kể từ đó

có rất nhiều điều xảy ra trong điều kiện phát triển Các phần cứng và phần mềm trởnên nhanh hơn, nhiều hơn, thông minh và dễ dàng hơn để sử dụng Nhờ sự phát triểncủa các chuỗi xung MRI tiên tiến mở ra nhiều ứng dụng cho MRI, như chụp độngmạch cộng hưởng từ, hình ảnh và chức năng về truyền dịch và khuyếch tán quét.Trong tương lai Sự phát triển của cộng hưởng từ vẫn rộng mở, trong sự phát triểnliên tục hướng tới tương lai

TẠI SAO LẠI LÀ MRI?

Khi sử dụng tia X cho cơ thể ta không nhìn thấy nhiều hình ảnh Các hình ảnh cómàu xám và phẳng Độ phân giải tổng thể tương phản của hình ảnh tia X là rất nghèonàn Để tăng độ tương phản hình ảnh có thể sử dụng một số loại môi trường tươngphản, như Bari hoặc I-ốt dựa trên phương tiện tương phản Qua thao tác các thông sốtia X điện áp (kV) và thời gian phát tia (mAs) có thể tối ưu hóa độ tương phản hìnhảnh hơn nữa nhưng vẫn còn chưa tối ưu Với máy quét CT người ta có thể tạo ra hìnhảnh với độ tương phản nhiều hơn, hỗ trợ trong việc phát hiện các tổn thương ở mômềm

Về nguyên tắc ưu điểm của cộng hưởng từ là độ phân giải tương phản tuyệt vờicủa nó Với MRI, nó có thể phát hiện sự khác biệt tương phản trong mô mềm, thậmchí còn nhiều so với hình ảnh CT Qua thao tác với thông số MR có thể tối ưu hóa cácchuỗi xung cho bệnh lý nào đó Một ưu điểm khác của MRI là khả năng tạo ảnh trongmặt phẳng mà chúng ta có thể tưởng tượng được, điều đó gần như là không thể với tia

X và CT ( Với CT có thể tái tạo mặt phẳng khác từ tập hợp dữ liệu thu được dọc trục )

…

Tuy nhiên, độ phân giải không gian của hình ảnh tia X là khi sử dụng phim quang đặc biệt, xuất sắc Điều đó đặc biệt hữu ích khi nhìn vào cấu trúc xương Trongkhi đó độ phân giải không gian của MRI so với tia X là rất thấp.

x-Tổng hợp lại chúng ta có thể sử dụng tia X và CT để hình dung cấu trúc xươngtrong khi MRI là cực kì hữu ích cho việc phát hiện các tổn thương ở mô mềm

CÁC PHẦN CỨNG.

Máy quét MRI có rất nhiều loại Nó giống như đi siêu thị, bạn có nhiều sự lựachọn, có thể là nam châm vĩnh cửu, điện trở, siêu dẫn và hay loại nam châm mở hoặc

lỗ hổng, có hoặc không có helium, cường độ trường cao hoặc thấp Lựa chọn của bạn

là gì? Lựa chọn nam châm chủ yếu được chi phối bởi dự định bạn sẽ làm gì với nó và

số lượng tiền bạn có trong ngân hàng Nam châm có trường năng lượng cao đưa rađược hình ảnh tốt hơn, quét nhanh hơn và 1 loạt các ứng dụng nhưng sẽ tốn kém hơn

so với trường năng lường thấp

CÁC LOẠI NAM CHÂM

Nam châm vĩnh cửu

Hình 2: Nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu gồm một vật chất, trong đó đã được từ hóa mà không mất đi

từ trường Độ mạnh của từ trường thường rất thấp và dao động trong khoảng 0.064T ~

0.3T (đơn vị cường độ từ trường là Tesla 1 Tesla = 10000 Gauss) Nam châm vĩnh

cửu thường có cấu trúc mở, tạo thoải mái hơn cho các bệnh nhân Hình 2 cho thấy hệ

thống Toshiba Access 0.064 Tesla Access là người đầu tiên mở ra thế giới máy quétMRI

Tiêu thụ điện năng thấp

Chi phí vận hành thấp

Dải vân nhỏ

Không hỗn sinh hàn

Cường độ trường bị hạn chế ( < 0.3 T )Rất nặng

Không có khả năng dập tắt

Nam châm điện trở.

Hình 3: H th ng MRI Hitachi "s Airis 0,3 Tesla ệ ố Nam châm đi n tr là các nam châm đi n r t l n, thệ ở ệ ấ ớ ường được dùng nhi uềtrong các xưởng ph li u T trế ệ ừ ường đượ ạc t o ra b i m t dòng đi n ch y quaở ộ ệ ạvòng dây Nam châm đi n tr có hai lo i: lõi không khí và lõi s t Cệ ở ạ ắ ường đ đi nộ ệ

trường có th lên đ n 0,3 Tesla Quá trình s n xu t sinh ra r t nhi u nhi t, đòiể ế ả ấ ấ ề ệ

h i ph i có nỏ ả ước làm mát Chúng c n r t nhi u năng lầ ấ ề ượng đ ch y, và thể ạ ường

t t khi không s d ng đ ti t ki m năng lắ ử ụ ể ế ệ ượng Nam châm đi n tr thệ ở ường cóthi t k m , đ gi m kích thế ế ở ể ả ước khi dùng n i ch t h p.ơ ậ ẹ

u đi mƯ ể Nhược đi mể

Dải vân lớn

Nam châm siêu d n ẫ

Hình 4: Nam châm siêu dẫn

Ngày này, nam châm thông dụng nhất là nam châm siêu dẫn Từ trường là đượctạo ra bởi một dòng điện chạy qua một vòng lặp của cuộn dây Các dây được baoquanh bởi một chất làm mát, như helium lỏng, để giảm điện điện trở của dây Tại 4º K(-269º C) điện trở của dây là thấp Khi một hệ thống được nạp năng lượng, nó sẽkhông mất đi từ trường của nó Tính siêu dẫn cho phép hệ thống sử dụng với cường độtrường cao lên tới 12 Tesla Những người sử dụng trong những môi trường lâm sàngthường chạy ở 1.5 Tesla Hầu hết các nam châm siêu dẫn là loại nam châm hình ống Hình 4 cho thấy cách xây dựng một nam châm siêu dẫn Một số loại bình chân không,

có tác dụng như những lá chắn nhiệt độ, bao quanh lõi Những lá chắn cần thiết đểngăn chặn helium cô đặc quá nhanh

Một ưu điểm khác của các nam châm siêu dẫn là từ trường có tính đồng nhất cao

Hình 5 Các loại nam châm từ các nhà cung cấp khác nhau.

Cường độ từ trường cao

Năm 1997 Toshiba giới thiệu đến thế giới nam châm siêu dẫn đầu tiên Hệ thống

sử dụng một hợp kim kim loại đặc biệt, hợp kim đó làm thấp nhiệt độ cần thiết của sựsiêu dẫn Ưu điểm của việc này là hệ thống không cần phải nạp Helium, làm giảmđáng kể chi phí vận hành Các thiết kế mở cũng làm giảm vấn đề khi sử dụng nơi chậthẹp Hình 6 cho thấy hệ thống Toshiba OPART 0,35 Tesla kết hợp một thiết kế mở vớinhững ưu điểm liên quan đến nam châm siêu dẫn

Hình 6: Hệ thống Toshiba OPART

Một ưu điểm nữa của nam châm thiết kế mở là khả năng thực hiện các thủ tục canthiệp trong khi quét

Hình 7 cho thấy General Electric là siêu dẫn “kép” cường độ 0.5 Tesla Các Bác sĩ

phẫu thuật đứng giữa hai cực của nam châm Mặc dù máy cung cấp những thiết kế tốtnhất cho phương thức can thiệp với bệnh nhân về khả năng tiếp cận, nhưng thực tế làhai hệ thống 1.5 Tesla đã được sử dụng làm cho nó cực kỳ tốn kém

Hình 7: Siêu dẫn kép

Xu hướng hiện nay trong thiết kế nam châm là thiết kế từ trường thấp so với lĩnhvực thiết kế từ trường cao Rõ ràng triển vọng mới sẽ là mong muốn kết hợp cả hai, và

chỉ có thời gian mới trả lời được liệu việc làm này có thể được thực hiện trong chi phísản xuất hợp lý và kỹ thuật hạn chế về cơ cấu.

CUỘN DÂY RF

Cuộn dây RF được cần thiết để truyền và nhận sóng vô tuyến tương ứng với tần sốđược sử dụng trong máy quét MRI Cuộn dây RF là một trong những thành phần quantrọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Máy quét MRI hiện tại có một loạt cáccuộn dây RF phù hợp để thu được hình ảnh của tất cả các bộ phận trên cơ thể Có hailoại cuộn dây RF: cuộn khối và cuộn bề mặt

Cuộn khối RF.

Các thiết kế của một cuộn khối thường có hình dạng yên ngựa, bảo đảm trường RFđồng nhất bên trong cuộn dây Cuộn khối cần phải có diện tích kiểm tra bên trong cáccuộn dây Chúng có thể được sử dụng cho truyền và nhận, mặc dù đôi khi được sửdụng để chỉ nhận được

Hình 8 hai cuộn khối Các cuộn dây đầu là một truyền / nhận cuộn dây; các cuộndây đầu gối chỉ là nhận

Hình 8: Cuộn đầu và cuộn đầu gối Cuộn bề mặt.

Như tên đã gọi, cuộn bề mặt đặt gần khu dưới, kiểm tra như phần hàm dưới, viềnmắt hoặc vai Các cuộn dây bao gồm một hay hai vòng dây điện đồng Chúng có một

tín hiệu cao tỉ lệ nhiễu (SNR) và cho phép hình ảnh có độ phân giải cực cao Điểm bấtlợi là tín hiệu rời đồng nhất rất nhanh chóng khi ta di chuyển ra xa các cuộn dây.Trong trường hợp của cuộn bề mặt một hình tròn, sự thâm nhập sâu là khoảng mộtnửa đường kính của nó.

Cuộn bề mặt Cuộn dây ở vai.

Hình 9 : Một vài ví dụ về các cuộn bề mặt.

Cuộn cầu phương.

Cuộn cầu phương hoặc cuộn phân cực tròn có thể có hình dạng yên ngựa hoặc nhưmột cuộn bề mặt Chúng có điểm chung là chúng chứa ít nhất hai vòng dây, được đặt

ở góc bên phải với nhau Ưu điểm của thiết kế này là chúng sản xuất √2 tín hiệu hơnvòng cuộn dây duy nhất Ngày nay, hầu hết các cuộn khối là cuộn cầu phương Cáccuộn dây được hiển thị trong Hình 8 là cuộn dây cầu phương

Cuộn mảng pha.

Cuộn mảng pha gồm nhiều cuộn bề mặt Cuộn dây bề mặt có tĩ lệ nhiễu SNR caonhất nhưng có một khu giới hạn nhảy cảm Bằng cách kết hợp 4 hoặc 6 cuộn bề mặtcủa nó có thể tạo ra một cuộn dây với một khu vực nhạy cảm lớn.

Hình 10 cho thấy các thiết kế của cuộn dây hai mảng pha Cuộn mảng pha thân thể làmột cuộn khối, trong khi các cuộn dây mảng cột sống là một cuộn bề mặt Cuộn dâymảng sản xuất trung bình √2 tín hiệu hơn cuộn dây cầu phương Ngày nay hệ thốngMRI đi kèm với cuộn cầu phương và cuộn mảng pha

Hình 10 :Các thiết kế của cuộn dây hai mảng pha PHẦN CỨNG KHÁC.

Có nhiều phần cứng cần thiết để thực hiện công việc trong hệ thống MRI Mộtphần rất quan trọng là các chuỗi RF, trong đó sản xuất các tín hiệu RF truyền vào bệnhnhân, và nhận được các tín hiệu RF từ bệnh nhân Trên thực tế, các cuộn dây nhậnđược là một phần của chuỗi RF Phạm vi tần số sử dụng trong MRI là giống như được

sử dụng cho truyền dẫn vô tuyến Đó là lý do tại sao máy quét MRI được đặt trongmột lồng Faraday để ngăn chặn sóng radio để vào phòng máy quét, mà có thể hiển thịhình ảnh trên MRI Có người đã từng nói: "MRI là như xem truyền hình với một đàiphát thanh"

Hơn nữa, người ta cần một bộ xử lý để xử lý các tín hiệu nhận được, cũng như đểkiểm soát mức độ phức tạp của việc quét

NÓI VỀ VẬT LÝ.

GIỚI THIỆU

Đây chính là khó khăn để quyết định nơi bắt đầu khi bạn muốn giải thích về MRI.Bạn muốn nói, "Bắt đầu từ đầu", và bạn nói đúng, rằng là nơi mà tất cả những câuchuyện tốt đẹp bắt đầu Nhưng với vật lý MRI có một chút khó khăn hơn, bởi vì đây lànơi đầu tiên người ta phải thiết lập, nơi mà bắt đầu là hoặc đặt trong một cách gì, bạnmuốn biết bao nhiêu?

Theo như tiêu đề đã biết câu chuyện này là để lôi kéo những người cần tìm hiểu vànhững người cần phải biết những điều rất cơ bản về vật lý MRI Trong những cáchnày việc viết ra là dễ dàng bởi vì tôi có thể mở rộng một vùng lớn của vật lý MRI Mặtkhác, nó là rất khó khăn bởi vì tôi phải coi như bạn chưa biết gì nhưng tôi phải giảithích một cái gì đó phức tạp theo một cách để hiểu dễ dàng nhất Tôi tin rằng, điều đókhông phải là dễ dàng Nhưng điều đó lại là vấn đề của tôi Sau tất cả, nó là công việccủa tôi

SỰ TỪ HÓA

Chúng ta hãy bắt đầu cuộc hành trình vào trong vật lý MRI bằng cách nhìn xungquanh chúng ta Chúng ta thấy gì? Trong số một loạt các mục mà không có gì để làmvới MRI chúng ta sẽ thấy trái đất Có một vài điều chúng ta biết về trái đất:

1 Trái đất là một quả bóng khổng lồ trôi nổi trong không gian Không ngẫunhiên, nhưng điều đó là một câu chuyện khác

2 Trái Đất có một mặt trăng và mặt trăng xoay quanh trái đất