Nghiên cứu công nghệ tạo ảnh cộng hưởng từ và các ứng dụng trong y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

VŨ MẠNH THÔNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO ẢNH CỘNG
HƯỞNG TỪ VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM DOÃN TĨNH

HÀ NỘI - 2016


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan tất cả những nôi dung trong luận văn đúng như trong
đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Đây là công trình do tôi tổng hợp và
nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong
phần tài tiệu tham khảo.
Tác giả luận văn

Vũ Mạnh Thông

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG
TỪ HẠT NHÂN.................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chung về thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân.................. 3
1.1.1. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của máy cộng hưởng từ ................. 3
1.1.2. Ứng dụng của máy cộng hưởng từ ........................................................... 6
1.1.3. Tương lai phát triển của máy cộng hưởng từ............................................ 7
1.2. Cấu tạo, hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân............. 8
1.2.1. Tổng quan về phần cứng ........................................................................... 8
1.2.2. Chức năng và hoạt động của từng khối .................................................... 9
CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ......... 15
2.1. Các khái niệm cơ bản ..................................................................................... 15

2.2. Spin ................................................................................................................ 16
2.2.1. Định nghĩa spin ....................................................................................... 16
2.2.2. Tính chất của spin ................................................................................... 17
2.2.3. Spin hạt nhân .......................................................................................... 17
2.3. Mức năng lượng ............................................................................................. 18
2.4. Sự chuyển tiếp ............................................................................................... 19
2.5. Biểu đồ mức năng lượng................................................................................ 23
2.6. Thống kê Boltzman ........................................................................................ 23
2.7. Các gói spin ................................................................................................... 25
2.8. Không gian K ................................................................................................. 26

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

2.9. Cơ sở toán học của cộng hưởng từ hạt nhân .................................................. 27
2.9.1. Khái niệm về Logarit và Decibel ............................................................ 27
2.9.2. Hàm mũ ................................................................................................... 28
2.9.3. Các hàm lượng giác ................................................................................ 28
2.9.4. Các khái niệm khác cần quan tâm .......................................................... 29
2.9.5. Biến đổi Fourier ...................................................................................... 30
2.9.6. Cặp biến đổi Fuorier ............................................................................... 33
2.9.7. Định lý cuốn............................................................................................ 35
2.9.8. Biến đổi Fuorier 2 chiều ......................................................................... 35
CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH TRONG MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ ...... 36

3.1. Nguyên lý tạo ảnh .......................................................................................... 36
3.2. Gradient mã hóa pha ...................................................................................... 43
3.3. Gradient mã hóa tần số .................................................................................. 44
3.4. Quá trình T1 ................................................................................................... 47
3.5. Quá trình T2 ................................................................................................... 51
3.6. TR & TE ........................................................................................................ 52
3.7. Biểu thức Bloch ............................................................................................. 55
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN... 56
4.1. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân .......................................................................... 56
4.1.1. Tín hiệu NMR trong miền thời gian ....................................................... 56
4.1.2. Các quy ước về tần số -/+ ....................................................................... 56
4.2. Các chuỗi xung .............................................................................................. 56
4.2.1. Chuỗi xung 90o-FID................................................................................ 56
4.2.2. Chuỗi xung Spin-Echo ............................................................................ 57
4.2.3. Chuỗi xung hồi phục ngược .................................................................... 59
4.3. Các phương pháp tạo ảnh .............................................................................. 60
4.3.1. Tạo ảnh cắt lớp bằng biến đổi Fourier .................................................... 61
4.3.2. Tạo ảnh gradient ghi nhớ xung dội ......................................................... 64
4.3.3. Phương pháp phục hồi đảo ..................................................................... 67

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

4.4. Phương pháp sử dụng tín hiệu dội spin ......................................................... 71

4.5. Phương pháp sử dụng tín hiệu dội gradient ................................................... 72
4.6. Tạo ảnh Fourie và dội lại mặt phẳng ............................................................. 73
4.7. Phân loại các phương pháp ............................................................................ 78
4.7.1. Từ ngữ viết tắt dùng trong các hãng sản xuất ......................................... 79
4.7.2. Spin echo ................................................................................................. 81
4.7.3. Spin echo nhanh ...................................................................................... 84
4.7.4. Se cực nhanh ........................................................................................... 87
4.7.5. Inversion Recovery, STIR and FLAIR ................................................... 88
4.7.6. Gradient Echo ......................................................................................... 91
4.7.7. Trình tự Ge Spoiled ................................................................................ 94
4.7.8. Spoiled Ge siêu nhanh ............................................................................ 97
4.7.9. Trình tự Gradient Echo với trạng thái cân bằng dư từ hóa ngang .......... 98
4.7.10. Gradient echo trạng thái cân bằng nâng cao T2 ................................. 100
4.7.11. Gradient echo cân bằng....................................................................... 102
4.7.12. Echo hai chiều ..................................................................................... 103
4.7.13. Hybrid sequences ................................................................................ 106
Chương 5: ỨNG DỤNG ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN TRONG Y TẾ .... 109
5.1. Khái quát các ứng dụng của chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân .................. 109
5.2. Các ứng dụng lâm sàng của máy ................................................................. 110
5.3. Một số hình ảnh lâm sàng của ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ....................... 111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT



B0, H0
B1, H1
BMH
CHTHN
FA
FID
FOV
Gx, Gy, Gz
MRI
NMR
SAGE
STIR
T1
T2
TE
TI
TR
TS
Voxel

: Hệ số từ giảo (hay hệ số từ quay hoặc từ hồi chuyển)
: Mật độ proton
: Từ trường chính tạo ra do nam châm.
: Từ trường tạo ra do cuộn dây RF ở tần số Larmor.

: Bước mã hoá pha
: Cộng hưởng từ hạt nhân
: Góc quay (lật) (Flip Angle)
: Free Induction Decay - Tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do
: Trường quan sát (Field Of View)
: Trường gradient tương ứng theo chiều x, y và z
: Magnetic Resonance Imaging - Chụp cắt lớp cộng hưởng từ
hạt nhân
: Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hưởng từ hạt nhân
: Small Angle Gradient Echo - Phương pháp tiếng vọng
gradient góc quay nhỏ
: Short TI Inversion Recovery - Phương pháp đảo nghịch phục
hồi TI ngắn
: Hằng số thời gian dãn hồi spin - mạng (dãn hồi dọc)
: Hằng số thời gian dãn hồi spin - spin (dãn hồi ngang)
: Thời gian tiếng vọng (Echo Time)
: Thời gian đảo nghịch (Inversion Time)
: Chu kỳ lặp lại của dãy xung tạo ảnh (Repetition Time)
: Thời gian bão hoà (Saturation Time)
: Phần tử thể tích

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối thiết bị chụp cắt lớp CHTHN ................................................... 8
Hình 1.2: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y ................................................ 10
Hình 1.3: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z ................................................. 10
Hình 1.4: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục X ................................................ 10
Hình 1.5: Sơ đồ bộ tách sóng pha cầu phương ........................................................ 12
Hình 1.6: Phantom phân tích D= 24cm..................................................................... 13
Hình 1.7: Mặt cắt qua phantom ................................................................................. 13
Hình 2.1: Một lớp cắt với chiều dày thk ................................................................... 15
Hình 2.2: Một đơn vị thể tích của lớp cắt ................................................................. 15
Hình 2.3: Bức xạ trường điện từ ............................................................................... 15
Hình 2.4: Cấu trúc một mô ........................................................................................ 16
Hình 2.5: Một tế bào ................................................................................................. 16
Hình 2.6: Mô hình nam châm đối với spin của hạt nhân .......................................... 18
Hình 2.7: Lược đồ mức năng lượng của một proton sau tương tác Zeeman ............ 21
Hình 2.8: Sự chênh lệch mức năng lượng giữa 2 trạng thái. .................................... 23
Hình 2.9: Mô hình gói spin ....................................................................................... 26
Hình 2.10: Biến đổi hệ thống tọa độ ......................................................................... 29
Hình 2.11: Chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. ....................... 30
Hình 2.12: Biến đổi Fuorier với đầu vào gồm 2 phần thực và ảo ............................. 31
Hình 2.13: Biến đổi Fuorier áp dụng định lý cuốn với hàm Lorentrian ................... 35
Hình 3.1: Gradient từ trường ..................................................................................... 37
Hình 3.2: Điểm đồng tâm của gradient từ trường ..................................................... 37
Hình 3.3: Một vật thể hình trụ được đặt dọc theo trục z, trong một gradient trường
tăng tuyến tính với sự tăng lên của z. ...................................................... 38
Hình 3.4: Ảnh hưởng của một xung 900, trên các spin cộng hưởng và cận cộng hưởng ... 39
Hình 3.5: Chuỗi xung sử dụng để lựa chọn lát cắt. ................................................... 40
Hình 3.6: Biến đổi Fuorier sử dụng định lý cuốn ..................................................... 40

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Hình 3.7: Moment từ spin ......................................................................................... 41
Hình 3.8: Sự sắp xếp của các moment từ .................................................................. 41
Hình 3.9: Sự sắp xếp của proton trong từ trường...................................................... 42
Hình 3.10: Gradient mã hóa pha ............................................................................... 44
Hình 3.11: Mã hóa tần số trong chuỗi tín hiệu dội spin ............................................ 45
Hình 3.12: Từ trường tạo ra bởi cuộn dây đưa vào theo trục.................................... 46
Hình 3.13: Đồ thị biểu thị sự suy giảm của M0......................................................... 48
Hình 3.14: Độ từ hóa ở trạng thái cân bằng (M0) ..................................................... 48
Hình 3.15: Sự chuyển động của vecto từ hóa khi được lật xuống mặt phẳng ngang. ...... 49
Hình 3.16: Ảnh hưởng của số lượng phân tử đến  ................................................. 50
Hình 3.17: Các yếu tố ảnh hưởng tới tần số Larmor ................................................. 50
Hình 3.18: Sự suy giảm của thành phần từ hóa ngang. ............................................ 51
Hình 3.19: Đồ thị tương phản giữa hai mô với thời gian TR và TE. ....................... 53
Hình 3.20: Các loại ảnh trọng lượng với TR và TE khác nhau ................................ 54
Hình 4.1: Tín hiệu FID và biến đổi Fourier của nó................................................... 56
Hình 4.2: Tác động của xung 900 và FID thu được .................................................. 57
Hình 4.3: Chuỗi xung Spin echo và tín hiệu FID thu được. ..................................... 57
Hình 4.4: Chuỗi xung Spin Echo .............................................................................. 58
Hình 4.5: Chuỗi xung phục hồi nghịch đảo .............................................................. 60
Hình 4.6: Mối liên hệ chung giữa các chế độ tạo ảnh ............................................... 60
Hình 4.7: Gradient lựa chọn lớp cắt .......................................................................... 62

Hình 4.8: Sự thay đổi hướng của các spin khi tác động các gradient ....................... 63
Hình 4.9: Thành phần từ hóa tổng M ........................................................................ 64
Hình 4.10: chuỗi xung gradient echo ........................................................................ 65
Hình 4.11: Chuỗi xung phục hồi nghịch đảo ............................................................ 67
Hình 4.12. Biên độ tín hiệu theo thời gian ................................................................ 68
Hình 4.13: Đồ thị thời gian trong phương pháp STIR .............................................. 70
Hình 4.14: Đồ thị thời gian trong phương pháp FLAIR ........................................... 70
Hình 4.15: Quá trình tạo ra tín hiệu dội .................................................................... 72

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Hình 4.16: Lược đồ xung cho kỹ thuật tạo ảnh Fourie ............................................. 74
Hình 4.17: Lấy mẫu không gian k trong tạo ảnh Fourie ........................................... 74
Hình 4.18: Tạo ảnh theo phương pháp biến đổi Fourie 2 chiều ............................... 75
Hình 4.19: Lược đồ xung cho kỹ thuật làm lệch spin ............................................... 75
Hình 4.20: Quá trình chuyển động của vecto từ hóa trong hệ tọa độ khung quay,
dưới một gradient dội .............................................................................. 77
Hình 4.21: Lược đồ xung cho tạo ảnh EPI ................................................................ 78
Hình 5.1: Chụp MRI toàn thân ................................................................................ 111
Hình 5.2: Chụp cộng hưởng từ cột sống cổ ............................................................ 112
Hình 5.3: Hình ảnh tắc động mạch não giữa phải ................................................... 113
Hình 5.4: Hình ảnh tắc động mạch não giữa phải ................................................... 114
Hình 5.5: Đứt gân gót .............................................................................................. 115

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh các phương pháp tạo ảnh chức năng ............................................ 3
Bảng 1.2: Lược đồ phát triển của kỹ thuật MRI ......................................................... 4
Bảng 2.1: Các số spin lượng tử của một số hạt nhân nguyên tử ............................... 17
Bảng 2.2: Spin và hệ số hồi chuyển từ đối với một số nguyên tố ............................. 18
Bảng 2.3: Hàm lượng tự nhiên của một số nguyên tố. ............................................. 25
Bảng 2.4: Hàm lượng sinh học.................................................................................. 25
Bảng 3.1: Giá trị T1 và T2 với các loại mô khác nhau ............................................. 52
Bảng 4.1: Phân chia các gradient lựa chọn lớp cắt, mã hoá pha và tần số theo các
trục và mặt phẳng toạ độ. ......................................................................... 62

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh của khoa học và kỹ thuật nói chung, việc
ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật phục vụ trong lĩnh vực y tế cũng không
ngừng lớn mạnh. Cùng với sự phát triển này là sự xuất hiện của một chuyên ngành
kỹ thuật mới thuộc nhóm ngành điện tử, đó chính là chuyên ngành Điện Tử Y Sinh.
Trên thế giới, chuyên ngành này đã có các bước phát triển đáng kể và đóng vai trò
không thể thiếu trong lĩnh vực y tế nói riêng và phục vụ cuộc sống của con người
nói chung. Đối với nước ta, đây là một chuyên ngành còn rất mới chỉ bắt đầu được
đưa vào giảng dạy ở một vài trường đại học lớn.
Trong lĩnh vực Điện tử y sinh, một bộ phận hết sức quan trọng là nghiên cứu
khai thác sử dụng các loại trang thiết bị y tế. Trong đó nhóm các thiết bị chuẩn đoán
hình ảnh chiếm số lượng tương đối lớn và đóng vai trò quan trọng không thể thiếu
trong y tế hiện nay.
Thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân là một trong những thiết bị
chuẩn đoán hình ảnh rất phức tạp và đắt tiền. Với điều kiện nước ta hiện nay thiết bị
này mới chỉ được trang bị ở một số các bệnh viện tuyến trên. Do đó việc được tiếp
cận thực tế với thiết bị để có thể tiến hành nghiên cứu, khai thác sử dụng một cách
hiệu quả là rất hạn chế và khó khăn.
Được sự động viên và hướng dẫn của thầy giáo, Ts. Phạm Doãn Tĩnh, bộ
môn Khoa học máy tính tôi đã thực hiện luận văn về thiết bị chụp cắt lớp cộng
hưởng từ hạt nhân này. Nội dung luận văn là: “Nghiên cứu công nghệ tạo ảnh cộng
hưởng từ và các ứng dụng trong y tế”.
Nội dung luận văn gồm 5 chương:
 Chương 1: Giới thiệu chung về thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân
 Chương 2: Các khái niệm trong tạo ảnh cộng hưởng từ
 Chương 3: Nguyên lý tạo ảnh trong máy cộng hưởng từ
 Chương 4: Các phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
 Chương 5: Ứng dụng ảnh cộng hưởng từ hạt nhân trong y tế

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Nội dung luận văn thực hiện một vấn đề tương đối phức tạp và mới mẻ, mặt
khác trong quá trình học tập và nghiên cứu cơ hội được tiếp cận trực tiếp với thiết bị
cũng như các tài liệu thuyết minh kỹ thuật còn rất hạn chế. Vì vậy luận văn khó
tránh khỏi những thiếu sót nhất định, tôi rất mong được sự quan tâm đóng góp ý
kiến của các thầy cô và tất cả các đồng chí.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Phạm Doãn Tĩnh đã tận
tình hướng dẫn và luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi
cũng xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điện Tử Y Sinh, Khoa học
máy tính, trong Viện điện tử viễn thông và các bác sỹ trong khoa chẩn đoán hình
ảnh Bệnh viện đa khoa tỉnh Quảng Ninh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và thực hiện luận văn.
Tôi xin trân thành cảm ơn!
Tác giả

Vũ Mạnh Thông

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

2

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ
HẠT NHÂN

1.1. Giới thiệu chung về thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân
1.1.1. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển của máy cộng hưởng từ
MRI magnetic resonance imaging: tạo ảnh cộng hưởng từ là kỹ thuật tạo ảnh
được sử dụng thường xuyên trong y tế, tạo ra ảnh có chất lượng cao trên cơ thể người
(đặc biệt hữu dụng trong tạo ảnh mô mềm, cho hình ảnh có độ tương phản cao). MRI
thay thế và đôi khi còn vượt trội hơn so với chụp cắt lớp điện toán (CT). Sau đây là
bảng so sánh giữa MRI và một vài phương pháp tạo ảnh chức năng thông dụng khác
Bảng 1.1: So sánh các phương pháp tạo ảnh chức năng

SPECT

Độ phân
giải
10 mm

PET

5 mm

EEG

-

Kỹ thuật

MEG

5 mm

FMRI

3 mm

MRS

thấp

Thế mạnh
- Có thể sử dụng
- Giá thành thấp
- Rất nhạy
- Độ phân giải tốt
- Nghiên cứu được
chuyển hóa
- Giá thành rất thấp
- Giám sát khi hoạt
động và cả khi ngủ
- Độ phân giải thời gian
cao

- Cho độ phân giải rất
tốt
- Không xâm lấn
- Không xâm lấn
- Nghiên cứu các
chuyển hóa

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

3

Hạn chế
- Có xâm lấn
- Độ phân giải bị giới hạn
- Có xâm lấn
- Rất đắt tiền
- Không phải là một kỹ
thuật tạo ảnh
- Rất đắt tiền
- Độ phân giải bị giới hạn
đối với các cấu trúc sâu
- Đắt tiền
- Giới hạn trong một số các
nghiên cứu.
- Đắt tiền
- Độ phân giải thấp

Vũ Mạnh Thông

Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

MRI có cải tiến đặc biệt trong việc không sử dụng các bức xạ ion hóa, có độ
phân giải ảnh mô mềm cao và có sự phân biệt giữa các mặt phẳng tạo ảnh. MRI dựa
trên nguyên lý cơ bản là sự cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance –
NMR ), kĩ thuật tạo phổ được sử dụng để tạo ra các trạng thái lý hóa của phân tử, được
các nhà khoa học sử dụng nhằm thu được các thông tin về thế giới vật chất vi mô của
các phân tử. MRI cũng sử dụng kĩ thuật ảnh cắt lớp, tạo ra ảnh của các tín hiệu cộng
hưởng từ hạt nhân trong các lớp cắt mỏng qua cơ thể bệnh nhân. Ảnh cộng hưởng từ
dựa trên sự hấp thụ và bức xạ năng lượng trong băng tần sóng vô tuyến
Lịch sử phát triển của kĩ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ được thống kê trong
bảng sau (bảng 1.2)
Bảng 1.2: Lược đồ phát triển của kỹ thuật MRI
1946 MR phenomenon – Bloch & Purcell
1952 Nobel Prize – Bloch & Purcell
1950
1960 NMR được phát triển như một công cụ phân tích
1970
1972 Computerized Tomography
1973 Backprojection MRI – Lauterbur
1975 Fourier Imaging – Ernst
1977 Echo-planar imaging – Mansfield
1980 FT MRI demonstrated – Edelstein
Gradient Echo Imaging
1986
NMR Microscope
1987 MR Angiography – Dumoulin
1991 Nobel Prize – Ernst

1992 Functional MRI
1994 Hyperpolarized 129Xe Imaging
2003 Nobel Prize – Lauterbur & Mansfield

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

4

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Isidor Rabi, một nhà vật lý người Mĩ đã tiến hành các thí nghiệm về cộng
hưởng từ hạt nhân cuối những năm 1930. Đến năm 1944, ông được nhận giải Nobel
về các thành công trong việc tìm ra phương thức cộng hưởng từ của chùm nguyên
tử và phân tử
Thành công đầu tiên về các thí nghiệm tạo ảnh cộng hưởng từ vào năm 1946
tại Mĩ do 2 nhà khoa học nghiên cứu độc lập. Felix Bloch tại đại học Stanford và
Edward Purcell tại đại học Harvard đã tìm ra khi hạt nhân chiếm chỗ trong trường
điện từ, chúng sẽ hấp thụ năng lượng trong dải tần số vô tuyến của phổ điện từ, và
sẽ tái bức xạ năng lượng này khi chuyển về trạng thái ban đầu. Hai ông được nhận
giải Nobel năm 1952
Cường độ từ trường và tần số phù hợp cũng nhanh chóng được tìm ra bởi ngài
Joseph Larmor
1950-1970 MRI được phát triển sử dụng trong phân tích tính chất vật lý và
hóa học của phân tử
Năm 1971, Raymond Damadian đã chỉ ra rằng các thời gian hồi phục từ hạt

nhân của các mô bình thường với các khối u là khác nhau, điều này đã thúc đẩy các
nhà khoa học nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân để phát hiện bệnh tật.
1973 trên cơ sở của chùm tia X, Hounsfielt giới thiệu máy cắt lớp điện toán
(CT). Nhưng do chi phí để tạo ảnh của máy CT là rất cao nên các nhà khoa học thực
nghiệm bắt đầu quan tâm đến cộng hưởng từ vì mục đích chữa bệnh. Paul Lauterhar
đã thí nghiệm tạo ảnh cộng hưởng từ đầu tiên trong một ống thử thí nghiệm nhỏ.
Ông sử dụng kỹ thuật Backprojection(chiếu lại qua tái dựng) tương tự như kỹ thuật
tái dựng hình ảnh được sử dụng trong kỹ thuật CT (cắt lớp vi tính)
1975 Richard Ernst đưa ra ảnh cộng hưởng từ sử dụng mã hóa pha và tần số
áp dụng biến đổi Fuorier. Đây chính là kĩ thuật cơ bản trong tạo ảnh cộng hưởng từ
ngày nay
1977 Raymond Damadian thí nghiệm tạo ảnh cộng hưởng từ mới gọi là cộng
hưởng từ hạt nhân trường tập trung, cùng năm đó, Perter Mansfield phát triển kĩ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

5

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

thuật kỹ thuật tạo ảnh dội lại hai chiều EPI (echo-planar imaging). Kĩ thuật này phát
triển nhanh trong các năm tiếp theo để tạo ra các ảnh có tỉ lệ video (30 ms/ảnh )
Năm 1980 Edelstein và các đồng nghiệp chứng minh ảnh của cơ thể sử dụng kĩ
thuật Ernst có thể tạo ảnh đơn trong thời gian 5 phút
1986 thời gian tạo ảnh giảm xuống còn 5s mà không làm ảnh hưởng đến chất

lượng ảnh và độ phân giải ảnh đã là 10 γs/1cm mẫu thử
1987 EPI được sử dụng trong tạo ảnh thời gian thực. Cùng năm Charles
Dumoielin đã hoàn thành kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ mạch máu MRA
(Magnetic Resonance Angiography) cho phép tạo ảnh dòng máu mà không cần
dùng chất phản quang
1991 Richard Ernst nhận giải Nobel hóa học vì đã sử dụng thành công phép
biến đổi Fuorier xung trong cộng hưởng từ hạt nhân và tạo ảnh cộng hưởng từ
1992 tạo ảnh cộng hưởng từ chức năng được phát triển, kĩ thuật cho phép tạo
bản đồ các vùng chức năng ở các bộ phận khác nhau của não. Sự phát triển này của
cộng hưởng từ đã tạo ra ứng dụng mới của kĩ thuật EPI trong tạo ảnh các vùng của
não với các thao tác điều khiển tự động
1994 Nghiên cứu tại đại học bang New York tại Stony Brook và đại học
Princeton chứng minh vai trò của khí 129 Xe khi tạo ảnh trong quá trình hô hấp
2003 có khoảng 10000 máy cộng hưởng từ trên toàn thế giới và xấp xỉ 75 triệu
ảnh cộng hưởng từ/ năm được thực hiện
1.1.2. Ứng dụng của máy cộng hưởng từ
MRI có giá trị rất lớn trong thăm dò não và cột sống. Các rối loạn trong não
thường kéo theo thay đổi lượng nước trong mô. Chỉ cần có thay đổi khoảng 1%
lượng nước là có thể phản ánh rất rõ trên MRI như xuất huyết não, viêm não, khối u
trong não. Ðặc biệt trong bệnh xơ cứng rải rác (multiple sclerosis) có viêm não và
tủy sống thì MRI dễ dàng phát hiện nơi nào bị viêm, nặng nhẹ ra sao và tác dụng
điều trị đến đâu. Rõ ràng MRI ưu việt hơn hẳn các phương pháp cũ trong chẩn đoán
và theo dõi điều trị bệnh.

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

6

Vũ Mạnh Thông

Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Trong chứng đau thắt lưng dưới, MRI cho phép phân biệt được đau tại cơ,
hay do tủy sống hay thần kinh bị chèn ép. Nếu là do đĩa đệm thì có hướng để điều
trị bằng phẫu thuật.
MRI cũng là một phương tiện trợ giúp cho việc chuẩn bị và tiến hành phẫu
thuật vì nó cho hình ảnh ba chiều của tổn thương nhờ đó phẫu thuật viên có thể biết
rõ vị trí của tổn thương và tìm ra phương pháp tiếp cận thuận lợi nhất.
Trong vi phẫu thuật não chữa chứng Parkinson, MRI cho hình ảnh đủ rõ để
phẫu thuật viên có thể đặt điện cực một cách chính xác vào các nhân não.
Trong chẩn đoán ung thư, MRI cho thấy rõ số lượng và giới hạn rõ ràng của
từng khối u, phần mô bị xâm lấn hay các hạch khi có di căn cho phép bác sỹ quyết
định phương pháp điều trị bằng tia xạ hay phẫu thuật và theo dõi kết quả các biện
pháp điều trị ung thư khác nhau.
Cuối cùng, MRI còn thay thế được một số thủ thuật thăm dò xâm nhập. Ví
dụ: để khảo sát ống dẫn mật và ống tuyến tụy người ta thường dùng ống nội soi để
bơm chất cản quang. Ngày nay dùng MRI có thể biết ngay tình trạng của các ống
mà không cần can thiệp làm đau đớn bệnh nhân. Ðối với bệnh tại khớp cũng vậy,
MRI cho phép khảo sát kỹ lưỡng tình trạng của sụn và dây chằng mà không phải
sinh thiết hay dùng những thủ thuật có nguy cơ gây bội nhiễm.
1.1.3. Tương lai phát triển của máy cộng hưởng từ
Nếu so sánh với lịch sử 100 năm ra đời và phát triển của tia X, thì máy cộng
hưởng từ mới được ứng dụng thực nghiệm rộng rãi trong khoảng 25 năm trở lại đây
nên trong tương lai máy cộng hưởng từ chắc chắn sẽ còn tiếp tục phát triển nhằm
hoàn thiện kĩ thuật tạo ảnh này
Một trong những cải tiến đáng kể cần được nhắc tới đó là sự tối ưu hóa kích
thước của bộ phận quét. Một bộ quét siêu nhỏ để tạo ảnh các bộ phận đặc biệt của

cơ thể đang được nghiên cứu phát triển và sẽ sớm được ứng dụng, bộ quét này sẽ
đặt trực tiếp vào cánh tay, chân, đầu gối hoặc bất cứ bộ phận cần tạo ảnh nào. Một
mảng lĩnh vực khác khá rộng là lập bản đồ các vùng chức năng của não đem lại các
hiểu biết rõ hơn về hoạt động của bộ não trên nguyên lí quét qua bộ não khi bệnh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

7

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

nhân đang thực hiện chính xác một tác vụ vật lí nào đó (như đang nhìn một dạng
bức tranh đặc biệt). Các nhà nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào chụp ảnh các bộ phận
động của cơ thể như tạo ảnh phổi sử dụng khí 3He siêu phân cực, chụp ảnh động
mạch và tĩnh mạch
1.2. Cấu tạo, hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân
1.2.1. Tổng quan về phần cứng

Hình 1.1: Sơ đồ khối thiết bị chụp cắt lớp CHTHN
Thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm một số các thành phần
chính như sau:
 Hệ thống nam châm gồm các cuộn nam châm siêu dẫn: tạo ra từ trường
chính cực mạnh không đổi
 Hệ thống các cuộn gradient: tạo trường gradient
 Các cuộn thu phát sóng vô tuyến RF: phát xung vô tuyến và thu tín hiệu

CHTHN.
 Hệ thống định vị và kiểm soát bệnh nhân (bàn bệnh nhân).

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

 Hệ thống thu nhận tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại, bộ tách sóng pha cầu
phương và thiết bị số hoá: xử lý tín hiệu CHTHN trước khi đưa vào hệ
thống máy tính để tái tạo ảnh
 Hệ thống máy tính chuyên dụng: Bao gồm hệ thống điều khiển (điều
khiển toàn bộ quá trình chụp), hệ thống lưu trữ,xử lý và tạo ảnh, hệ thống
phân tích hiển thị ảnh…
 Máy in phim : dùng để in ra ảnh
1.2.2. Chức năng và hoạt động của từng khối
1.2.2.1. Hệ thống nam châm
Hệ thống nam châm có chức năng tạo ra từ trường chính Bo. Để đáp ứng yêu
cầu cường độ từ trường rất lớn từ 1 Tesla đến 4 Tesla (tuỳ từng thiết bị cụ thể) và độ
đồng nhất cao nhằm khôi phục chính xác cấu trúc của đối tượng nên thông thường
nó là các nam châm điện từ với các cuộn dây siêu dẫn được giữ ở nhiệt độ gần 0 độ
K nhờ các hỗn hợp dung dịch làm lạnh như : Hêli, Nitơ…
1.2.2.2. Hệ thống tạo trường gradient
Đúng như tên gọi, hệ thống này có chức năng tạo ra từ trường gradient bổ

xung vào từ trường chính Bo để tham gia vào quá trình mã hoá và giải mã về không
gian cho tín hiệu CHTHN phát ra từ đối tượng.
Hệ thống tạo trường gradient gồm các cuộn gradient có cấu trúc thích hợp
nhằm tạo ra từ trường gradient có cường độ và định hướng mong muốn. Các cuộn
dây gradient thường bao gồm 3 cuộn: Cuộn Gx, cuộn Gy và cuộn Gz, tạo ra 3 từ
trường gradient tương ứng theo 3 trục X, Y và Z.

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

9

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Hình 1.2: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y

Hình 1.3: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z

Hình 1.4: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục X

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

10

Vũ Mạnh Thông

Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

1.2.2.3. Hệ thống thiết bị vô tuyến
Hệ thống thiết bị vô tuyến có chức năng tạo ra xung vô tuyến (hay từ trường
kích động B1) để kích thích tín hiệu CHTHN, sau đó thực hiện thu nhận và xử lý sơ
bộ tín hiệu vô tuyến phát ra từ các mô của đối tượng. Hệ thống vô tuyến gồm một
số thành phần chủ yếu như các cuộn dây RF, nguồn phát xung vô tuyến, các bộ
khuếch đại vô tuyến.
Xuất phát từ chức năng thu và phát tín hiệu vô tuyến, cuộn dây RF thường
chia làm 3 loại chính:
 Các cuộn kết hợp phát và thu (cuộn thu phát).
 Cuộn phát riêng.
 Cuộn thu riêng.
Cuộn thu phát vừa đóng vai trò bộ phát xung vô tuyến vừa là bộ thu năng
lượng sóng vô tuyến từ đối tượng cần được tạo ảnh. Cuộn phát riêng được sử dụng
chỉ để phát xung vô tuyến, còn cuộn thu riêng được sử dụng chỉ để thu nhận tín hiệu
từ các spin của đối tượng cần được tạo ảnh. Mỗi loại cuộn dây trên lại có rất nhiều
dạng khác nhau. Cuộn RF trong thiết bị chụp cắt lớp có thể được so sánh với thấu
kính của máy chụp ảnh. Giống như trong chụp ảnh sử dụng các loại thấu kính khác
nhau để chụp cảnh gần và chụp cảnh xa với góc nhìn thay đổi, trong chụp cắt lớp
cũng có nhiều loại cuộn dây RF để bảo đảm thích hợp với các trường hợp có thể
xảy ra.
Một cuộn dây tạo ảnh phải cộng hưởng hay lưu trữ năng lượng có hiệu quả ở
tần số Larmor. Tất cả các cuộn tạo ảnh đều có cấu trúc bao gồm các phần tử điện
cảm L và điện dung C hình thành mạch cộng hưởng LC với tần số cộng hưởng 
được xác định như sau:
ν

1
2π LC

Một số kiểu cuộn dây tạo ảnh được điều chỉnh phù hợp với từng bệnh nhân
bằng cách thay đổi điện dung theo một quy luật nào đó. Một yêu cầu khác của cuộn tạo
ảnh là từ trường B1 (do xung vô tuyến tạo ra) phải trực giao với từ trường chính B0.

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

11

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

1.2.2.4. Hệ thống định vị và kiểm soát bệnh nhân
Hệ thống định vị bệnh nhân hay còn được gọi là bàn bệnh nhân. Đây là hệ
thống cho phép dịch chuyển và định vị bệnh nhân với độ chính xác rất cao. Nó được
điều khiển bởi máy tính và cho phép bác sỹ hoặc thao tác viên có thể điều khiển
chọn các vùng cần chụp trên bệnh nhân.
Các thiết bị kiểm soát bệnh nhân bao gồm: Cảm biến xung, cảm biến hô hấp,
cảm biến điện tâm đồ dùng trong kiểm soát bệnh nhân và chụp đồng bộ sinh lý; điện
cực và đầu đo điện tâm đồ, cảm biến hồng ngoại, dây đai khí nén cố định ngực,
camera trong khoang chụp, thiết bị liên lạc với bệnh nhân và thiết bị gọi nhân viên
của bệnh nhân (bóng bóp báo động).
1.2.2.5. Hệ thống thu nhận tín hiệu

Bộ tách sóng cầu phương là thành phần chính của khối thu. Đây là một thiết
bị tách riêng các tín hiệu Mx và My từ tín hiệu thu được từ cuộn thu RF. Nó thực
hiện chuyển đổi tín hiệu CHTHN từ dạng tín hiệu vô tuyến (tần số hàng trăm MHz)
sang dạng tín hiệu âm tần (tần số khoảng chục KHz). Trung tâm của bộ tách sóng
cầu phương là bộ trộn cân bằng kép (Doubly Balanced Mixer - DBM). Bộ trộn cân
bằng có 2 đầu vào và một đầu ra. Nếu tín hiệu đầu vào là cos(A) và cos(B), tín hiệu
đầu ra sẽ là 1/2 cos(A+B) và 1/2 cos(A-B). Vì vậy bộ trộn này còn gọi là bộ tách
sóng nhân do đầu ra là tích của cos(A) và cos(B).

Hình 1.5: Sơ đồ bộ tách sóng pha cầu phương

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

12

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

Bộ tách sóng cầu phương thường có 2 bộ trộn cân bằng, 2 bộ lọc, 2 bộ
khuếch đại và 1 bộ dịch pha 900. Thiết bị có 2 đầu vào và 2 đầu ra. Tần số  và 0
được đưa vào, còn các thành phần Mx và My của véc tơ từ hoá ngang được lấy ra.
1.2.2.6. Phantom
Một phantom MRI là một đối tượng anthropogenic tạo ảnh để kiểm tra chức
năng hoạt động của hệ thống máy cộng hưởng từ. Phantom được cấu thành từ vật
liệu có thể cộng hưởng với tín hiệu từ. Ngay cả bản thân tín hiệu sinh ra trong
Phantom MRI cũng được sử dụng

Có 2 loại phantom cơ bản thường được sử dụng: phantom phân tích và
phantom RF đồng nhất
+ Phantom phân tích được sử dụng để kiểm tra tính không gian của ảnh. Tính
không gian này bao gồm: mặt phẳng phân tích, bề dằy lát cắt, độ tuyến tính và tỉ số
tín hiệu trên nhiễu. Đây là một hàm trạng thái. Phantom phân tích điển hình là nhựa.
Khi tạo ảnh, tín hiệu tại bộ phận hiển thị ảnh từ nước chuyển đến một phần của
nhựa để tạo thành phần kiểm tra. Một vài phantom phân tích còn có chuẩn tín hiệu
với các giá trị đã biết điều này cho phép phantom sử dụng có khả năng kiểm tra tỉ số
độ tương phản trên nhiễu

Hình 1.6: Phantom phân tích D= 24cm

Hình 1.7: Mặt cắt qua phantom

+ Phantom RF đồng nhất: được sử dụng để kiểm tra tính đồng nhất không gian
khi phát và thu tín hiệu sóng vô tuyến trong từ trường . Một trường phát RF ( B 1T )
là trường B1 được sử dụng cho vector từ hóa quay. Một trường phát RF ( B 1R ) là

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

13

Vũ Mạnh Thông


Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

mật độ của cuộn thu tín hiệu RF từ spin tiến động. Cuộn phát/thu lý tưởng là trường

phát RF B1T đảm bảo spin quay đồng nhất và trường thu RF B1R đảm bảo mật độ
đồng nhất qua đối tượng tạo ảnh
1.2.2.7. Hệ thống máy tính chuyên dụng, bàn điều khiển và hiển thị
Máy tính số là thành phần quan trọng trong máy cộng hưởng từ để tạo và
hiển thị ảnh.
Điều khiển thu nhận:
Bước đầu là việc thu nhận tín hiệu RF từ cơ thể người bệnh. Quá trình thu
nhận này bao gồm một số các chu kỳ tạo ảnh. Trong mỗi chu kỳ một dãy xung RF
được truyền vào cơ thể, các gradient được kích hoạt, và người ta thu được tín hiệu RF.
Nhưng một chu kỳ tạo ảnh không tạo đủ tín hiệu để tạo nên một ảnh. Do vậy cần lặp lại
một số lần các chu kỳ tạo ảnh. Thời gian yêu cầu để thu các ảnh được xác định bằng
khoảng chu kỳ tạo ảnh, được điều chỉnh bởi hệ số TR và số chu kỳ. Số chu kỳ được
dùng liên quan tới chất lượng ảnh. Nhiều chu kỳ hơn sẽ ra chất lượng ảnh cao hơn. Quá
trình thu nhận được điều khiển bằng các giao thức được lưu trữ trong máy tính và
người vận hành có thể lựa chọn tùy thuộc vào mục đích lâm sàng.
Tái tạo ảnh:
Dữ liệu tín hiệu RF được thu nhận trong quá trình thu nhận không phải là
dạng tín hiệu có thể hình thành trực tiếp thành ảnh. Tuy nhiên máy tính có thể dùng
các dữ liệu thu nhận được này để tạo hoặc tái tạo ra ảnh. Đó là qua khâu xử lý toán
học hay chính xác hơn là biến đổi Fourie, tương đối nhanh và không có ảnh hưởng
đáng kể đến thời gian tạo ảnh tổng thể.
Lưu trữ và khôi phục:
Ảnh tái tạo được lưu trữ trong máy tính phục vụ cho quan sát và những xử lý
tiếp theo. Số lượng ảnh lưu trữ phụ thuộc vào môi trường lưu trữ.

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

14

Vũ Mạnh Thông

Luận văn Thạc sĩ

Chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh

CHƯƠNG 2
CÁC KHÁI NIỆM TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ

2.1. Các khái niệm cơ bản
Ảnh cộng hưởng từ là phương thức tạo ảnh cắt lớp để tạo ảnh từ sự cộng hưởng từ
của hạt nhân (NMR) theo từng lớp cắt qua cơ thể bệnh nhân. Mỗi lát cắt có độ dày xác
định. Dạng ảnh này là 1 kiểu đối tượng chi tiết khi chặn đứng các nguyên tử trên lát cắt
và dưới lát cắt. Lát cắt bao gồm các phần tử thể tích gọi là các voxel . Thể tích các
voxel khoảng 3 mm3. Ảnh cộng hưởng từ bao gồm các đơn vị ảnh gọi là các pixel.
Mật độ các pixel tỉ lệ với mật độ tín hiệu sự cộng hưởng từ hạt nhân trên một
đơn vị thể tích tương ứng hoặc voxel của đối tượng tạo ảnh

Hình 2.1: Một lớp cắt với chiều dày thk

Hình 2.2: Một đơn vị thể tích của lớp cắt

Ảnh cộng hưởng từ dựa trên sự hấp thụ và phát xạ năng lượng trong phạm vi
tần số sóng vô tuyến của phổ điện từ

Hình 2.3: Bức xạ trường điện từ

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

15

Vũ Mạnh Thông