Bài giảng MRI GV Nguyễn Thu Vân

CÔNG NGHỆ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH

TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ

(MAGNETIC RESONANCE IMAGING – MRI)

Gv:
BM:

Nguyễn Thu Vân
Công nghệ Điện tử & KT Điện tử Y sinh
Khoa ĐT-VT

1

1


Giới thiệu chung
Giới thiệu chung:
„

„
„

Tạo ảnh cộng hưởng từ là phương pháp tạo ảnh các cơ quan nội
tạng trong cơ thể con người một cách chính xác và không gây nguy
hiểm cho bệnh nhân.
MRI dựa trên cơ sở hấp thụ và phát ra năng lượng trong dải tần số
radio của phổ điện từ.
MRI tạo ảnh dựa trên những thay đổi không gian về pha và tần số

của năng lượng được hấp thụ và phát ra từ vật thể tạo ảnh.

Lịch sử phát triển:
„
„
„
„

Năm 1946, hai nhà vật lý người Mỹ tìm ra hiện tượng CHT hạt
nhân, mối liên quan giữa cường độ từ trường và tần số radio.
Từ những năm 1980, máy chụp cộng hưởng từ đầu tiên trên thế
giới đã xuất hiện.
Đến nay trên thế giới đã có khoảng 22000 máy và thu được 60
triệu hình ảnh được chụp từ người bệnh.
Năm 2003, CHT đã cho phép tạo ảnh các cấu trúc khác nhau của
cơ thể sống trong không gian ba chiều.

2

2


Giới thiệu chung
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 đoán và điều trị ung thư, (cho biết kích thước,
vị trí khối u và các vùng bị xâm lấn, các hạch di căn,...), từ
đó lựa chọn phương thức điều trị thích hợp.

3

3


Giới thiệu chung
Ưu điểm:
1.
2.
3.
4.
5.

Tạo được ảnh có độ phân giải rất cao đối với mô mềm mà cho
tới nay các phương pháp khác chưa đạt được.
Có thể tạo ảnh lớp cắt với góc độ bất kỳ.
Không dùng các bộ phận chuyển động như GANTRY và các bộ
phát hiện phức tạp như trong CT SCANNER
Không xử dụng bức xạ có hại.
Khi chụp mạch, không cần chất cản quang.

Nhược điểm:
1.
2.

3.
4.

Thời gian tái tạo ảnh dài.
Chi phí đầu tư lớn.
Buồng máy phải có bộ chắn cao tần.
Chi phí vận hành cao, đặc biệt loại máy sử dụng nam châm siêu
dẫn phải định kỳ nạp chất làm lạnh
5.
Đòi hỏi nghiêm ngặt về điều kiện lắp đặt (diện tích mặt bằng,
nguồn cấp điện) và môi trường (ồn, độ ẩm)
4

4


Giới thiệu chung
Có thể tóm tắt quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ như
sau:
„

„

„

„

„

1. Đặt 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 từ.
4. Theo dõi phản ứng của các hạt nhân - phát hiện và thu
tín hiệu nhờ cuộn thu.
5. Biến đổi tín hiệu thành hình ảnh - Tái tạo ảnh thông qua
phép biến đổi Fourier.

5

5


Cộng Hưởng Từ hạt nhân
Khi vật liệu được đặt trong từ trường, chúng nhận
được một đặc tính cộng hưởng, nghĩa là vật liệu có
thể hấp thụ bức xạ điện từ và phát ra bức xạ điện từ
ở một tần số cụ thể.
Đối tượng tham gia vào quá trình trên là các hạt
nhân của các nguyên tử.
Mô cơ thể thông thường có tần số cộng hưởng nằm
trong dải tần số radio (RF), do vậy bức xạ phát ra
nằm dưới dạng các tín hiệu radio.
Tín hiệu RF có đặc tính xác định bởi các đặc tính lý
và hoá của mô.

6

6


CHT hạt nhân

7

7


CHT hạt nhân
Mỗi điểm trong từ trường có cường độ nhất định.
Đơn vị cường độ từ trường: tesla (T) hoặc Gauss (G).
1T = 10000G.
Tạo ảnh sử dụng từ trường đồng nhất, có cường độ
từ 0.15 đến 1.5 T.
Gradient:
„

„

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 theo hướng x, y, z được ký hiệu là Gx, Gy, Gz.

8

8

CHT hạt nhân
Năng lượng RF:
„

„
„

Trong quá trình tạo ảnh, năng lượng RF được trao đổi giữa
hệ thống tạo ảnh và cơ thể người bệnh qua cuộn RF.
Cuộn RF vừa đóng vai trò là nguồn phát và thu năng lượng.
Trong các tín hiệu thu được có tồn tại nhiễu.

Vai trò phát và
thu của cuộn
RF trong hệ
thống tạo ảnh

9

9


CHT hạt nhân
Khi đưa vào một năng lượng RF có tần số bằng với
tần số tiến động của moment từ hạt nhân, hiện
tượng cộng hưởng xảy ra. Khi đó tín hiệu thu được từ
cơ thể là mạnh nhất.
Tần số cộng hưởng của một hạt nhân được xác định
bởi đặc tính của hạt nhân và cường độ từ trường.

Tần số cộng hưởng được gọi là tần số Lamor.
Mối quan hệ giữa tần số cộng hưởng và cường độ từ
trường phụ thuộc vào tỷ số từ hồi chuyển.

10

10


Độ từ hoá mô
Khi mô được đặt trong từ
trường, một số hạt nhân sắp
xếp theo hướng của trường, tạo
ra từ hoá mô theo hướng của
trường.
Sự nhiễm từ cực đại phụ thuộc:
(1) mật độ của hạt nhân từ
trong voxel, (2) độ nhạy từ của
hạt nhân, (3) cường độ từ
trường.
Lượng từ hoá mô quyết định
cường độ tín hiệu RF phát ra từ
mô trong quá trình tạo ảnh.
11

11


Cơ sở vật lý của cộng hưởng từ hạt nhân
Proton và sự từ hoá:

„

„

„

Nguyên tử bao gồm hạt nhân, điện tử. Hạt nhân bao gồm
proton và neutron.
Trong tự nhiên, hạt nhân của nguyên tử hydrogen có cấu
tạo đơn giản nhất, nó chỉ chứa một proton và không chứa
neutron.
Trong cộng hưởng từ nguyên tử hydrogen có những ưu
điểm sau:
Š Là nguyên tố phổ biến nhất trong cơ thể người
Š Có độ nhậy cao nhất đối với cộng hưởng từ

12

12


Cơ sở vật lý của tạo ảnh CHT
Trong cơ thể người, bốn nguyên tố hydro, carbon, nitơ và oxy
chiếm tới 99% mô.
Các nguyên tố khác (natri, phosphor, kali, magiê…) có mật độ
tập rất thấp. Canxi tập trung trong xương hoặc trong các chất
lắng cặn riêng biệt.
Đồng vị nhiều nhất của 4 nguyên tố chiếm 99% mô là hydro-1,
carbon-12, nitơ-14, oxy-16, trong đó hydro có hạt nhân với từ
tính mạnh nhất.

Hạt nhân của nguyên tử hydro có 1 proton đơn. Hơn nữa, hydro
có độ tập trung tương đối cao trong hầu hết các mô trong cơ
thể.
Nếu coi độ nhạy cộng hưởng từ của hạt nhân hydro bằng 1, thì
các nguyên tố từ tính khác đều có độ nhạy thấp hơn (Flo-19 là
0.83, Natri-23 là 0.093, Phosphor-31 là 0.066).
13

13


Tạo ảnh cộng hưởng từ - Nguyên lý hoạt động
Proton và các hạt khác (neutron, điện tử ...) có đặc
tính tự quay quanh mình, gọi là SPIN. Sự quay của
hạt không bao giờ dừng, nó chỉ thay đổi hướng trục
quay dưới một tác động nào đó từ bên ngoài.
Proton mang điện tích dương, khi chuyển động sẽ
tạo ra dòng điện và dòng điện tạo ra từ trường. Vì
vậy có thể xem proton như một nam châm cực nhỏ.

Hướng của spin hạt nhân

14

14


Tạo ảnh cộng hưởng từ - Nguyên lý hoạt động
Nam châm được biểu thị bằng
cường độ từ trường và hướng –

vectơ từ trường,.
„

„

Cường độ từ trường: Chiều dài
vectơ.
Hướng nam châm là hướng
vectơ.

Chiếu vectơ lên mặt phẳng:
„

„

Thành phần từ hoá dọc: song
song đường sức từ ngoài.
Thành phần từ hoá ngang:
Vuông góc đường sức từ ngoài.

Trong điều kiện bình thường,
các proton-nam châm trong cơ
thể sắp xếp ngẫu nhiên do vậy
từ trường tổng của chúng bằng
không.

15

15

Nguyên lý hoạt động
Proton dưới tác động của từ trường ngoài
Khi đặt proton vào một từ trường ngoài, vector spin
của proton sẽ chuyển hướng theo từ trường ngoài.
Các proton có thành phần từ hoá dọc hướng song
song với đường sức từ trường ngoài là những proton
có mức năng lượng thấp. Thông thường số lượng
proton ở mức năng lượng thấp nhiều hơn số proton ở
mức năng lượng cao.
Proton có thể chuyển từ mức thấp lên mức cao bằng
cách hấp thụ một năng lượng bằng lượng chênh lệch
giữa hai mức. E= h.v (v: tần số Lamor hoặc tần số
cộng hưởng).

16

16


Nguyên lý hoạt động
Proton dưới tác động của từ trường ngoài

Đặt bệnh nhân vào một từ trường mạnh
17

17


Nguyên lý hoạt động

Proton dưới tác động của từ trường ngoài

Từ trường tổng khác 0

Sự hình thành thành phần từ hoá dọc

18

18


Nguyên lý hoạt động
Proton dưới tác động của từ trường ngoài

Các proton quay đảo không đồng 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.
19

19


Proton dưới tác động của từ trường ngoài và
sóng vô tuyến

Nếu dùng một nguồn sóng điện từ / sóng vô tuyến (RF), có tần
số bằng tần số đảo của proton phát ra từ một máy phát, tác
động vào một vùng nào đó cần xét nghiệm của cơ thể thì những
proton (nam châm) nằm trong vùng này sẽ thay đổi trạng thái.
20

20


Proton dưới tác động của từ trường ngoài và
sóng vô tuyến
Một số chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng
cao - thành phần từ hoá dọc của chúng sẽ chuyển sang hướng
đối song song với từ trường ngoài khiến cho cường độ thành
phần từ hoá dọc tổng sẽ giảm.
Các proton sẽ chuyển từ trạng thái quay đảo sai nhịp sang
trạng thái quay đảo cùng nhịp - đồng pha nên thành phần từ
hoá ngang của chúng sẽ không còn triệt tiêu nhau nữa mà sẽ
cộng lại thành một thành phần từ hoá ngang tổng.
Cường độ của các thành phần từ hoá lúc này phụ thuộc vào:
„
„
„
„

Tần số và cường độ nguồn sóng RF
Cường độ từ trường ngoài
Thuộc tính của proton
Mật độ của proton

Ta có thể lựa chọn sóng RF sao cho thành phần từ hoá dọc tổng
bị triệt tiêu và chỉ còn thành phần từ hoá ngang. Sóng RF này
được gọi là sóng RF 90o tương tự có sóng RF 180o.
21

21


Các quá trình hồi phục của proton khi tắt sóng
vô tuyến - thu tín hiệu tạo ảnh
Tắt xung RF: Các proton sẽ quay trở về trạng thái
ban đầu khi chưa có xung RF ⇒ quá trình hồi phục.
T1 là thời gian thư giãn để thành phần từ hoá dọc trở
lại trạng thái ban đầu ⇒ sự hồi phục dọc.
T2 là thời gian các proton chuyển từ đồng 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 đồng thời và độc lập
với nhau. T1 thường dài hơn T2, T1 thường trong
khoảng 300-2000 ms, T2 trong khoảng 30-150 ms.
22

22


T1
Ở trạng thái cân bằng, vector từ hoá thực nằm theo
hướng của từ trường ngoài B0, và được gọi là vector
từ hoá cân bằng M0. Khi đó M0 = Mz.
Có thể thay đổi vector từ hoá thực bằng cách đưa
vào hệ thống các spin này một năng lượng bằng
lượng chênh lệch giữa hai trạng thái của spin. Khi
năng lượng này đủ lớn, Mz = 0.

Mz = M0(1-e-t/T1). Như vậy T1 là thời gian cần thiết để
giảm sự chênh lệch giữa vector từ hoá dọc Mz và giá
trị cân bằng của nó theo hệ số bằng e.

23

23


T2
Nếu thành phần từ hoá thực nằm trên mặt phẳng XY
thì nó sẽ quay quanh trục Z ở tần số bằng tần số
Lamor.
Thành phần từ hoá thực bắt đầu di pha do các nhóm
spin chịu tác động của một từ trường hơi khác nhau
và quay ở tần số Lamor của riêng nó. Thời gian quay
càng dài thì sự di pha càng lớn.
Hằng số thời gian miêu tả sự trở về trạng thái cân
bằng của thành phần từ hoá ngang, MXY, được gọi là
thời gian hồi phục ngang T2.
MXY = MXYo e-t/T2.
24

24


T1 và T2
T2 luôn nhỏ hơn hoặc bằng T1, nghĩa là thành phần
từ hoá ngang trở về 0 và thành phần từ hoá dọc hồi
phục lại đến giá trị M0 trên trục Z.

Hai yếu tố góp phần vào sự suy giảm thành phần từ
hoá ngang:
„
„

Tương tác phân tử (hiệu ứng phân tử T2 thuần tuý).
Thay đổi trong B0 (hiệu ứng T2 không đồng nhất).

Thời gian tổng từ hai yếu tố trên gọi là T2*.

25

25