Luận văn Nguyên lý tạo ảnh của thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân và ứng dụng trong chụp ảnh khuếch tán

NỘI DUNG: 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.

pdf130 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 03/06/2013 | Lượt xem: 7216 | Lượt tải: 43download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Luận văn Nguyên lý tạo ảnh của thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân và ứng dụng trong chụp ảnh khuếch tán, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
nhanh (như GRE, Turbo-GRE), ta thu toàn bộ dữ liệu cần thiết để tái tạo ảnh mà xảo ảnh chuyển động không ảnh hưởng đến chất lượng ảnh. 4.6.3.3. Kĩ thuật SMART Kĩ thuật này được áp dụng khi NSA ≥ 2. Khi đó thứ tự thu nhận các dữ liệu với cùng cường độ vector gradient mã hóa pha sẽ được thay đổi nhằm mục đích tối thiểu hóa tín hiệu nhiễu. 4.6.3.4. Kĩ thuật bão hòa vector từ hóa cục bộ Kĩ thuật này được sử dụng khi vùng cần thăm khám độc lập với vùng có xảo ảnh chuyển động. Như ví dụ sau, hình bên trái không sử dụng REST nên có xảo ảnh chuyển động ở vùng ngực. Hình giữa mô tả vị trí kĩ thuật REST tác động, kết quả được thể hiện ở hình bên phải. Cơ chế của kĩ thuật này là các mô trong vùng REST được cung cấp một xung RF để các vector từ hóa đều nằm trên mặt phẳng ngang. Khi đó không tồn tại vector từ hóa dọc để có thể tạo ra độ tương phản T1. Hình 4.38 Hình 4.39 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 83 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 4.40 4.6.4. Xảo ảnh tim Trong chụp ảnh vùng ngực, một bộ phận rất khó để thu ảnh đó là tim vì tim luôn đập. Chuyển động đó làm cho ảnh của vùng tim bị mờ, nhòe và tạo ra các ảnh giả. Có 3 kĩ thuật thường được sử dụng nhằm tránh loại xảo ảnh do tim gây ra, đó là: Kĩ thuật đánh dấu sau sóng R (PTi) Kĩ thuật quét theo cổng (GSii) Kĩ thuật thu ảnh liên tiếp đơn lớp cắt (RTiii) Các kĩ thuật này đều dựa vào tín hiệu điện tim của bệnh nhân làm tham chiếu cho các quá trình thu dữ liệu. 4.6.4.1. Kĩ thuật đánh dấu sau sóng R Kĩ thuật này dùng một xung đánh dấu (xung trigger) sau sóng R của tín hiệu ECG iv ở một khoảng thời gian trễ Tdelay nào đó nhằm hướng dẫn quá trình thu. Mỗi nhịp thở hoặc một vài nhịp thở lại thu một dòng dữ liệu nên kĩ thuật này có thời gian thu dài và chỉ thu dữ liệu đơn lớp cắt. i PT: Prospective Triggering ii GS: Gated Weep iii RT: Retrospective Triggering iv ECG: Electrocardiograph LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 84 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 4.41 4.6.4.2. Kĩ thuật quét theo cổng Trong kĩ thuật này, dữ liệu bắt đầu được thu tại một thời điểm cố định sau sóng R trong một thời gian nào đó tùy thuộc vào độ mở của cổng thu. Kĩ thuật này thường được dùng trong chụp ảnh mạch máu não (MRA) Hình 4.42 4.6.4.3. Kĩ thuật thu ảnh liên tiếp đơn lớp cắt Kĩ thuật này thu dữ liệu liên tiếp nhau trong một chu kì điện tim. Chú ý là các dữ liệu này chỉ của một lớp cắt nhưng ở các thời điểm khác nhau trên đồ thị ECG, do đó kĩ thuật này được sử dụng để theo dõi hoạt động của tim LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 85 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 4.43 4.6.5. Xảo ảnh chồng lấn Xảo ảnh chồng lấn xảy ra khi mẫu cần chụp có kích thước vượt quá FOV. Nguyên nhân là do pha ở vùng ngoài FOV trùng với pha bên trong FOV phía đối diện. Có 3 cách để tránh xảo ảnh chồng lấn. Cách đơn giản nhất là tăng FOV sao cho có thể chứa được đầy đủ các chi tiết giải phẫu. Nếu các chi tiết vẫn nằm ngoài FOV, ta có thể dùng kĩ thuật Oversampling hoặc gây bão hòa vector từ hóa tại vùng gây xảo ảnh. 4.7. Tác nhân tƣơng phản6,14 4.7.1. Giới thiệu Mặc dù MRI có nhiều cách để can thiệp vào độ tương phản so với các phương pháp ghi nhận hình ảnh khác, nhưng vẫn có những mục đích chẩn đoán đòi hỏi phải có thêm tác nhân tương phản như: Cần quan sát kĩ đặc điểm của một mô nào đó Theo dõi chức năng của một bộ phận Cần độ nhạy tương phản cao Cần cho việc đưa ra các chẩn đoán và điều trị nâng cao Hình 4.45 Hình 4.44 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 86 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Giảm xảo ảnh Giảm thời gian chụp Tác nhân tương phản sử dụng trong MRI cần phải đáp ứng những yêu cầu sau: Tính thẩm thấu Tính nhạy từ An toàn cho bệnh nhân Không độc Ổn định Đào thải nhanh Tương thích sinh học 4.7.2. Các loại tác nhân tƣơng phản thƣờng dùng Có 2 loại tác nhân tương phản thường dùng, đó là: Tác nhân tích cực: chứa các nguyên tố có tính thuận từ cao như Mn2+, Fe 2+ , Gd 3+, …. Mục đích là làm ảnh hưởng đến thời gian hồi phục T1 và thời gian suy giảm T2, mà quan trọng nhất là làm giảm T1 của mô. Thực tế Gd3+ được sử dụng rộng rãi nhất do có nhiều electron độc thân ở lớp ngoài cùng và hệ số c phù hợp. Ảnh T1 của vùng mô có chất tương phản trở nên sang hơn so với vùng xung quanh Hình 4.46 - Ảnh hưởng của Gd lên T1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 87 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Một số tác nhân tương phản thường dùng được trình bày trong bảng sau: Bảng 4.10 Tên hóa học Tên thƣơng mại Gd-DTPA Magnevist® Gd-DOTA Dotarem® Gd-DTPA-BMA Omniscan® Gd-HP-DO3A ProHance® Tác nhân thụ động: chứa các nguyên tố có tính thuận từ cực cao như Dy 3+ , Ho 3+ , Eu 2+ … Mục đích là làm ảnh hưởng đến thời gian hồi phục T1 và thời gian suy giảm T2, mà quan trọng nhất là làm giảm T2 và T2* của mô. Ảnh T2 hoặc T2* của vùng mô có chất tương phản trở nên tối hơn so với vùng xung quanh. Hình 4.47 - Ảnh hưởng của chất tương phản lên T2* LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 88 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN CHƢƠNG 5. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ & PHẦN CỨNG CỦA MÁY MRI 5.1. Sơ đồ tổng quát2,10,15 Một hệ thống MRI thực tế rất phức tạp, bao gồm nhiều khối chức năng chính và phụ đan xen và phụ thuộc vào nhau rất chặt chẽ. Để đơn giản hóa sự phức tạp đó, ta xem xét sơ đồ khối tổng quát sau đây: Hình 5.1 – Sơ đồ khối tổng quát Hộp cấp nguồn: cung cấp năng lượng cho các khối khác hoạt động. Bộ phận này sẽ tự động ngắt khi có sự cố. Máy chủ: có nhiệm vụ tính toán các thông số, phát lệnh điều khiển, tái tạo ảnh, lưu trữ Hệ thống RF: có nhiệm vụ cung cấp xung kích thích và tiếp nhận tín hiệu MRI để đưa qua hệ thống máy chủ xử lý. Hệ thống Gradient: tạo ra các trường gradient có tác dụng chọn lớp cắt, mã hóa pha và mã hóa tần số (phục vụ cho quá trình tái tạo ảnh). Khoang chụp: là trái tim của một hệ thống MRI, tại đây đặt hệ thống nam châm chính, tạo ra một từ trường mạnh, ổn định và đồng nhất. Hệ thống theo dõi và phản hồi: theo dõi toàn bộ hoạt động của hệ thống, đưa ra các cảnh báo hoặc báo động nếu có sự cố. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 89 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hệ thống ngắt khẩn cấp: có nhiệm vụ xả toàn bộ He, làm cho nam châm hoàn toàn mất từ tính khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra cho hệ thống. 5.2. Hệ thống nam châm4,10,16 Một hệ thống MRI thường được phân chia dựa vào độ lớn của từ trường ngoài. Đơn vị của từ trường là Tesla (T) hoặc Gauss (G) trong đó 1 T = 10.000 G. Theo đó ta có các hệ thống MRI với từ trường thấp, trung bình, cao và siêu cao. Bảng 6.1 sau cho ta cái nhìn tổng quan về cách phân loại ở trên: Bảng 5.1 Loại Cƣờng độ B0 (T) Hãng sản xuất Thấp < 0.2 Siemens, GE, Toshiba, Philips, Hitachi, Instrumentarium … Trung bình 0.2 – 1.0 Cao 1.0 – 3.0 Siêu cao > 3.0 Trong y tế, cường độ từ trường ngoài cho phép sử dụng vào khoảng 0.2 – 3.0 T. Có 3 dạng nam châm tạo từ trường ngoài bao gồm: Nam châm vĩnh cửu, nam châm điện và nam châm siêu dẫn: Nam châm vĩnh cửu: có từ trường thấp, bản thân không cần nguồn nuôi, trọng lượng rất nặng (20 – 100 tấn). Từ trường tạo được không quá 0.2 T, thông thường ở 0.1 T và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. SNR đạt được thấp, giá thành rẻ. Nam châm điện: dùng một dòng điện có cường độ lớn chạy qua một cuộn dây để tạo từ trường trong lòng cuộn dây. Loại nam châm này nặng khoảng 5 – 10 tấn, có thể ngưng hoạt động bằng cách cắt nguồn điện nhằm giảm chi phí năng lượng. Cường độ từ trường tạo được không quá 0.3 T. Chi phí rẻ, dễ lắp đặt, SNR thấp. Hình 5.2 – Nam châm vĩnh cửu Hình 5.3 – Nam châm điện LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 90 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Nam châm siêu dẫn: hoạt động dựa vào hiện tượng siêu dẫn của vật chất. Vật liệu thường được sử dụng để làm lõi siêu dẫn cho nam châm loại này là Nb/Ti (tính chất siêu dẫn xuất hiện ở ~10 0 K). Lõi được ngâm trong He lỏng (~4 0K). Từ trường tạo được > 0.32T, độ đồng nhất cao đến 0.1 ppm. SNR cao, hỗ trợ nhiều chế độ quét nhanh. Tuy nhiên giá thành rất cao, quy trình lắp đặt phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, chi phí bảo trì mắc, hệ thống đòi hỏi làm việc liên tục, tạo hội chứng sợ nhốt cho bệnh nhân. Khi lắp đặt cuộn nam châm cho hệ thống MRI cần phải quan tâm đến cản từ cho nam châm vì các đường sức từ cường độ cao có thể làm hại đến các thiết bị điện tử khác. Có hai cách cản từ cho nam châm là cản từ bị động và cản từ chủ động. Phương pháp cản từ bị động được thực hiện bằng cách bọc cả hệ thống MRI bằng một lượng lớn các cuộn dây cản từ. Cách này tốn kém và làm cho cả hệ thống thêm nặng nề, thường có mặt ở các đời máy cũ. Phương pháp cản từ chủ động (thường có trong loại nam châm siêu dẫn) sử dụng một cuộn siêu dẫn khác để tạo một từ trường nghịch chiều với từ trường chính, nhờ đó giảm được cường độ của các đường sức từ xung quanh hệ thống. (a) (b) Hình 5.6 – Cản từ bị động (a) và cản từ chủ động (b) Hình 5.5 – Cường độ các đường sức từ Hình 5.4 – Nam châm siêu dẫn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 91 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN 5.3. Hệ thống Gradient2,4,17 Một hệ thống MRI điển hình có 3 cuộn gradient, tạo ra trường gradient theo 3 trục x- y-z như hình 6.7. Một hệ thống Gradient được đặc trưng bằng các thông số: I/U, Gradientmax, Imax, Upwr.max, thời gian đáp ứng tối ưu Tmin, hệ số đáp ứng SR (SRi = Gradientmax/Tmin). Bảng 5.2 mô tả các thông số trên trong một số hệ thống Gradient của hãng Siemens. Bảng 5.2 Đời máy I/U (A/V) Gradientmax (mT/m) Imax (A) Upwr.max (V) Tmin (µs) SR Open 40 15 110 300 900 17 Impact/Expert 15/20 320 300 900/1200 17 Vision 25 250 600 600 42 Har/Sym 20 300 800 400 50 Concerto 50 20 150 400 500 40 Har/Sym Quantum 30 380 2000 300 100 Sonate 40 500 2000 200 200 5.4. Hệ thống cuộn RF2,18 Sơ đồ khối: Hình 5.8 i SR: Slew Rate Hình 5.7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 92 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Bộ điều biên và tổng hợp: Tính toán tần số trung tâm, hình dạng sóng mang. Bộ khuếch đại công suất RF: tăng công suất sóng RF lên đủ để tạo nên một góc lật thích hợp. Từ trường càng lớn thì công suất của bộ khuếch đại yêu cầu càng lớn. Công suất bộ khuếch đại RF cho một hệ thống MRI phụ thuộc vào: tần số Larmor, hệ số suy giảm từ bộ khuếch đại tới cuộn phát, thiết kế của cuộn phát. Bảng 5.3 sau cho biết một vài thông số của bộ khuếch đại công suất RF được sử dụng trong các hệ thống MRI của hãng Siemens. Bảng 5.3 Đời máy Cƣờng độ từ trƣờng Độ lợi bộ khuếch đại Công suất ra/ Hiệu điện thế sử dụng Open 0.2 T 63 dB 2 kW/320 V Concerto 0.2 T 63 dB 2 kW/320 V Impact/Expert 1.0 T 70 dB 10 kW/707 V Harmony 1.0 T 70 dB 10 kW/707 V Vision 1.5 T 71.8 dB 15 kW/866 V Symphony 1.5 T 71.8 dB 15 kW/866 V Sonate 1.5 T 71.8 dB 15 kW/866 V Bộ chuyển đổi thu – phát: Hoạt động như một công tắc để lựa chọn các chế độ thu – phát. Bộ đo công suất RF: Tính toán hệ số hấp thụ RF (SAR) sao cho phù hợp với từng bệnh nhân Bộ hiệu chỉnh trở kháng: bảo đảm cho hiệu suất phát sóng RF và hiệu suất thu tín hiệu MRI được tối ưu. Bộ khuếch đại tín hiệu MRI: Tín hiệu MRI thu được vốn vất nhỏ (cỡ mV) nên cần phải khuếch đại để có thể xử lý được. Bộ chuyển đổi A/D: số hóa tín hiệu MRI tương tự để xử lý trên hệ thống tái tạo ảnh. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 93 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Như đã đề cập trong chương 1, cuộn RF trong hệ thống MRI giữ 2 vai trò: Tạo từ trường B1 để lật vector từ hóa một góc nào đó tùy vào chuỗi xung Nhận tín hiệu MRI để chuyển về hệ thống tái tạo ảnh Vì vậy về chức năng, ta có thể phân các cuộn RF ra làm 3 dạng: Cuộn thu-phát RF Cuộn chỉ phát RF Cuộn chỉ thu RF Về mặt hình dạng, ta có thể phân các cuộn RF ra làm 7 dạng: Cuộn RF đa vòng Cuộn RF đơn vòng Cuộn RF bề mặt Cuộn RF lồng chim Cuộn RF yên ngựa Cuộn RF Phased-Array Cuộn RF Litz. Các cuộn RF cũng có thể được phân loại dựa vào chức năng chuyên biệt của chúng như: cuộn RF dùng cho vùng đầu, vai, xương sống, các chi, ngực, toàn thân … Có một điều rất quan trọng cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng các cuộn RF là mỗi cuộn chỉ được thiết kế để sử dụng với độ lớn từ trường cố định. Hiện nay đã có một số loại sử dụng được với nhiều độ lớn từ trường khác nhau, nhưng không phải là tất cả. Bảng 6.4 sau cung cấp một số hình ảnh và thông số của các cuộn RF thông dụng. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 94 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Bảng 5.4 Hình dạng Phân loại theo: Từ trƣờng hoạt động FOVmax Chức năng Hình dạng Chuyên biệt Chỉ thu Phased Array Đầu 1.5 T 8 – 24 cm Chỉ thu Phased Array Xương sống 3.0 T 48 cm Chỉ thu Phased Array Ngực 0.7 T 20 cm (1 bên) 40 cm (2 bên) Thu – Phát Yên ngựa Khớp gối 3.0 T 20 cm Chỉ thu Phased Array Khớp cùi chỏ, cổ tay 1.5 T 20 cm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 95 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Chỉ thu Phased Array Mạch máu ngoại biên 1.0 T 1.5 T 40 – 45 cm tùy hệ thống Chỉ thu Phased Array Vai 0.2 – 0.7 T 1.5 T 20 cm Chỉ thu Phased Array Thân trên và xương chậu 1.5 T 34 cm (thân trên) 30 cm (xương chậu) Chỉ thu Phased Array Cổ 0.2 – 0.7 T 1.0 T 1.5 T 26 cm Chỉ thu Phased Array Chi 1.5 T 12 cm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 96 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN PHẦN III: ỨNG DỤNG CHƢƠNG 6. ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ KHUẾCH TÁN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH BỆNH LÝ NÃO. 19,20,21,22,23 6.1. Giới thiệu24 Nguyên lý cơ bản của cộng hưởng từ khuếch tán đã được giới thiệu giữa những năm 80. Đó là hình ảnh cộng hưởng từ với sự mã hóa các hiệu ứng khuếch tán của phân tử trong tín hiệu NMR bằng cách sử dụng các xung gradient từ trường phân cực. Sự chuyển động của các phân tử nước bị ảnh hưởng bởi các thành phần của mô (thành và các màng tế bào, các bộ phận nội bào, các phân tử lớn) nên quá trình khuếch tán có thể bị giới hạn theo mọi hướng hay theo một hướng xác định trong các voxel – ví dụ trong các mô có cấu trúc như chất trắng trong não. Tạo ảnh MRI khuếch tán (DWI) là kỹ thuật tạo ảnh duy nhất cho phép thăm khám không xâm lấn dựa trên việc khảo sát sự khuếch tán vi mô, cung cấp các hình ảnh có độ phân giải cao của các bộ phận nằm sâu trong cơ thể mà không can thiệp đến sự khuếch tán của chúng. Dựa trên sự chuyển động khuếch tán của phân tử nước, DWI sẽ cung cấp thông tin cấu trúc phân tử của mô não mà thông thường không thể thực hiện với các kỹ thuật MRI thường quy. Do kích thước của voxel thông thường của một ảnh DWI chỉ vài mm3, DWI sẽ phân tích các hiệu ứng khuếch tán biểu diễn chuyển động Brown của các phân tử nước và cung cấp các dữ liệu riêng biệt về cấu trúc tổ chức của các mô. Trong khoảng thời gian khuếch tán thông thường (theo yêu cầu khoảng 10s), các phân tử nước khuếch tán trong não với khoảng cách hàng µm và tương tác với các thành phần vi mô của mô như màng tế bào, màng mỡ và các phân tử lớn. Với các thông số thích hợp cho các chuỗi xung, hình MRI khuếch tán cho các thông tin hữu ích ở thùy não, các mô của não mà trước đến nay vẫn không thể xâm nhập. Việc thay đổi các tham số gradient (cường độ, hướng) tạo ra các hình ảnh khuếch tán khác nhau và cho thấy rõ sự khác biệt về bệnh lý, sinh lý của bệnh nhân. 6.2. Quá trình khuếch tán của phân tử 6.2.1. Khuếch tán tự do, định luật Fick và phƣơng trình Einstein Khi một giọt mực rơi vào một cốc nước, giọt mực sẽ khuếch tán từ từ vào toàn bộ thể tích nước. Đây là một ví dụ trực quan minh họa cho định luật Fick. Định luật LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 97 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Fick phát biểu như sau: nồng độ của một chất hòa tan phụ thuộc tuyến tính vào gradient nồng độ của chất đó theo một hệ số tỉ lệ gọi là hệ số khuếch tán D. J là tổng số vật chất đi ngang qua một đơn vị mặt cắt ngang vuông góc với phương x C là nồng độ chất tan (mol/m3) D là hệ số khuếch tán (m2/s) x là khoảng cách (m) Hiện tượng khuếch tán của phân tử là kết quả của các chuyển động đều vi mô mang tính ngẫu nhiên theo mọi hướng, hay còn gọi là chuyển động Brown. Trong quá trình chuyển động, các phân tử va chạm ngẫu nhiên với nhau. Do đó ta không thể xác định cụ thể vị trí của phân tử tại một thời điểm t, nhưng ta có thể mô tả vị trí trung bình của nó qua rất nhiều thí nghiệm lặp lại. Công cụ để mô tả vị trí đó của phân tử chính là phương trình Einstein, theo đó ta có thể cho rằng phân tử nằm ở một vị trí nào đó trong khối cầu bán kính r phụ thuộc vào thời gian t. Hình 6.1 r là khoảng cách của phân tử tại thời điểm t D là hệ số khuếch tán 6.2.2. Khuếch tán giới hạn biên Trong thực tế, khuếch tán tự do như trên ít xảy ra. Thay vào đó là hiện tượng khuếch tán giới hạn biên (hay còn gọi là khuếch tán bão hòa). Hiện tượng này xảy ra khi phân tử bị hạn chế trong một thể tích nào đó. Khi khuếch tán đến biên của thể tích, các phân tử bị dội ngược trở lại vào trong khối thể tích đó. Vì vậy khoảng cách r trong phương trình Einstein không còn tăng tỉ lệ với căn bậc 2 của thời gian như là trường hợp khuếch tán tự do. Thay vào đó, r sẽ bị “bão hòa” khi tất cả các phân tử đều khuếch tán đến biên của khối thể tích. Nếu chỉ xét trong một khoảng thời gian t đủ nhỏ, ta có thể xem như phương trình Einstein vẫn đúng cho khuếch tán bão hòa. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 98 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Một thực tế khác có thể xảy ra là quá trình bão hòa xảy ra không triệt để do tính thẩm thấu của màng biên làm một số phân tử có thể lách qua đó và khuếch tán tiếp tục. Hiện tượng này được ứng dụng để đo tính thẩm thấu của các màng sinh học (như màng tế bào …) 6.2.3. Khuếch tán bất đẳng hƣớng Trong thực tế thường xảy ra quá trình khuếch tán bất đẳng hướng hơn là khuếch tán đẳng hướng. Khuếch tán bất đẳng hướng là một quá trình xảy ra trong không gian 3 chiều và tính chất chuyển động của phân tử theo các hướng là khác nhau. Tính bất đẳng hướng này xảy ra do tính chất vật lý của khối chất không đồng nhất theo các phương. 6.3. Ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán lên tín hiệu MRI Như đã trình bày trong mục 2.6., một vector gradient được sử dụng trên trục z sẽ làm cho từ trường trên trục đó thay đổi tuyến tính theo phương trình: Theo đó tần số tiến động ω được tính bởi: Khi đó pha của vector từ hóa tại một vị trí r có sự hiện diện của bất kì vector gradient G nào được tính bởi: (*) Trong đó Φ0 là pha của vector spin tại vị trí r = 0 Do hiện tượng khuếch tán đã nói ở trên (hoặc do tính không đồng nhất của từ trường ngoài) mà các vector spin động có pha thay đổi so với pha của các vector spin tĩnh. Giả sử r trong công thức (*) được xác định bởi r = vt với v là vận tốc. Suy ra: Trong một voxel thực tế, các vector spin di chuyển độc lập với nhau theo các hướng khác nhau và với các vận tốc khác nhau. Điều này dẫn đến sự thay thế ngẫu nhiên các spin này bằng một spin khác lệch pha. Giả sử như ta sử dụng xung 1800-RF để hồi pha nhằm tạo ra tín hiệu MRI thì chính những sự thay thế ngẫu nhiên ở trên đã làm giảm số spin được hồi pha, dẫn đến suy giảm tín hiệu MRI. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 99 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 6.2 Sau đây ta sẽ xem xét mức độ suy giảm tín hiệu ở một số loại chuỗi xung. 6.3.1. Chuỗi xung SE và Gradient cố định Ảnh hưởng của hiện tượng khuyếch tán lên tín hiệu SE đã được quan tâm từ những ngày đầu của cộng hưởng từ hạt nhân. Do xác xuất xảy ra sự thế chỗ spin này bằng spin khác có dạng phân bố Gauss, nên hệ số suy giảm A của tín hiệu SE có dạng: với D là hệ số khuếch tán và b là hệ số chỉ phụ thuộc vào trường gradient. Ví dụ, với một trường gradient G tác dụng trong một khoảng thời gian TE của chuỗi xung SE, hệ số b được tính như sau: Khi đó tín hiệu SE có cường độ là: Trong đó N đặc trưng cho mật độ spin. Từ công thức trên, mặc dù ta thấy b tỉ lệ với bình phương của G và tỉ lệ với bậc 3 của TE, nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ có thể nhận thấy rõ khi ta có một gradient mạnh hoặc thời gian TE tương đối dài bởi vì hệ số khuếch tán trong các mô sinh học rất bé. Ví dụ trong môi trường nước tinh khiết, G phải lớn hơn 4 Gauss/cm ta mới có thể nhận thấy sự suy giảm tín hiệu SE cỡ 20% với LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 100 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN TE = 100ms. Vì sự khuếch tán nước trong mô nhỏ hơn nhiều trong nước tinh khiết, do đó sự suy giảm càng khó nhận thấy. Hình 6.3 mô tả cách tìm ra hệ số khuếch tán bằng thực nghiệm trên não của mèo với hệ thống MRI 4.7 T. Bằng cách áp dụng một loại chuỗi xung SE và đo độ suy giảm tín hiệu A, ta xác định được D = - lnA/b. Hình 6.3 6.3.2. Chuỗi xung MEi và Gradient cố định Trong những năm đầu tiên phát triển cộng hưởng từ hạt nhân, từ trường của nam châm không có tính đồng nhất cao như những nam châm hiện tại. Tính không đồng nhất đó đủ để tạo ra sự suy giảm tín hiệu rõ rệt gây ra bởi khuếch tán. Để giải quyết vấn đề này, Carr và Purcell đề nghị sử dụng chuỗi xung ME thay vì chỉ là các xung echo đơn lẻ. Trong trường hợp này, bời vì quá trình hồi pha ở mỗi xung echo mà thời gian đo khuếch tán bị chia ra tùy thuộc vào số echo sử dụng. Khi đó hệ số b được tính như sau: Trong đó n là số echo trong một chu kì TE. Bởi vì hệ số n2, hiện tượng khuếch tán ít ảnh hưởng đến tín hiệu thu nhận. Vì vậy, khuếch tán càng ảnh hưởng mạnh thì xung Echo đơn và Multiecho không thích i ME: Multiple Echo LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 101 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN hợp cho việc tạo ảnh. Nếu muốn giảm ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán, tốt hơn hết nên sử dụng xung ME, đặc biệt khi thu ảnh T2. Hình 6.4 6.3.3. Chuỗi xung Stejskal-Tanner Một tiến bộ đáng chú ý trong việc đo mức độ khuếch tán với xung SE đã được Stejskal và Tanner tìm ra (tên hai ông đã được đặt cho tên của chuỗi xung như ở trên). Bằng cách sử dụng hai xung gradient phân cực nhanh và mạnh nằm đối xứng ở hai bên của xung 1800-RF trong chuỗi xung SE (Gradient có cường độ hàng trăm Gauss/cm và tác dụng trong một vài ms). Hai xung này đối xứng do đó không ảnh hưởng đến các spin tĩnh nhưng lại có tác dụng đo khuếch tán rất chính xác, thậm chí với hệ số khuếch tán nhỏ. Trong chuỗi xung này, hệ số b được tính bởi: Trong đó δ là thời gian tác dụng của mỗi xung gradient và Δ là khoảng thời gian tách biệt hai khởi đầu xung. Trong chuỗi xung này, ta nhận thấy thời gian δ hoàn toàn độc lập với TE và thời gian đo khuếch tán là (Δ – ) có thể điều chỉnh được. Điều này rất thuận lợi cho việc đo khuếch tán bão hòa. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 102 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 6.5 Các xung Gradient đối xứng này có thể được tạo ra trên trục mã hóa tần số, hoặc có thể trên các trục khác bất kì, hoặc phối hợp giữa các trục khác nhau. Khi thay đổi biên độ các xung này sẽ cho ra các hình ảnh khuếch tán với các mức độ khác nhau. 6.4. Ảnh hƣởng của xung khuếch tán lên ảnh MRI Ảnh hưởng của các gradient khuếch tán trên các ảnh SE cho thấy các mô có dòng nước (như dịch não tuỷ - CSF) - khuếch tán mạnh - hiện ra tối trên ảnh thu nhận, phản ánh sự lệch pha của các spin. Cường độ tín hiệu trên hình ảnh khuếch tán vẫn chịu các ảnh hưởng mật độ proton, thời gian phục hồi T1 và thời gian suy giảm T2; do đó vùng thương tổn có cường độ tín hiệu cao trong ảnh khuếch tán có thể phản ánh ảnh hưởng T2 (hiệu ứng “sáng” T2) thay vì khuếch tán suy giảm. Quá trình khuyếch tán phân tử có thể được đánh giá thông qua việc sử dụng các kĩ thuật MRI với các chuỗi xung cực nhanh có tính chất nhạy với chuyển động. Đặc biệt tạo ảnh cộng hưởng từ khuếch tán thường được kết hợp với các chuổi xung SE hay EPI. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 103 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN 6.5. Ảnh cộng hƣởng từ khuếch tán tự do DWIi Ảnh khuếch tán DWI đánh giá sự khuếch tán trung bình của phân tử theo mọi hướng với các hệ số khuếch tán khác nhau. Sự khuếch tán này phải loại bỏ các hiệu ứng khuếch tán không đẳng hướng. Quá trình đánh giá được thực hiện bằng phép tính: với Dxx, Dyy, Dzz là các hệ số khuếch tán dọc theo 3 trục. Hệ số khuếch tán trung bình: Như vậy có thể nói DWI là trung bình các hình ảnh khuếch tán riêng biệt của các xung Gradient thêm vào theo các trục x, y và z. Tuy nhiên các hệ số khuếch tán thu nhận theo cách này thông thường không trùng khớp với Dxx, Dyy và Dzz trừ khi sự khuếch tán là đẳng hướng và sự phân bố của mỗi xung Gradient tới hai trục còn lại là không đáng kể. Sự đánh giá là chính xác khi mà các hướng khuếch tán được xác định hoàn toàn. Sự khuếch tán theo cách tính như trên, sẽ tương ứng với sự dịch chuyển của toàn bộ phân tử nước có trong chất trắng và chất xám, trên hình DWI các thành phần mô có sự khuếch tán cao sẽ cho các tín hiệu cường độ thấp (Ví dụ như dịch não tủy), trong khi các thành phần mô bị hạn chế khuếch tán sẽ cho ra tín hiệu cao. Thông thường độ tương phản chất trắng - chất xám trong các ảnh DWI không cao. Dựa vào sự thay đổi bất thường tín hiệu DWI trên các mô não người ta có thể đưa ra các chẩn đoán về bệnh lý não. Ưu điểm của DWI được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu chứng thiếu máu não. Nó đóng một vai trò cơ bản trong quá trình chẩn đoán bệnh thiếu máu cấp tính. Một nghiên cứu cho thấy sự khuếch tán của nước trong não mèo sẽ giảm trước khi xảy ra hiện tượng thiếu máu não và giảm đến 50% so với giá trị thông thường. Điều này được lý giải bởi việc tăng thể tích các ngăn nội bào khuếch tán chậm so với thể tích ngăn ngoại bào khuyếch tán nhanh làm suy giảm hệ số khuếch tán trung bình. Đồng thời với sự co lại của không gian ngoại bào tạo ra sự chảy vòng là làm giảm sự dịch chuyển của phân tử nước. Kết quả nghiên cứu trên động vật cũng như trên đột quị ở người cho thấy hình ảnh khuếch tán DWI có thể phát hiện thiếu máu trong vài giờ, i DWI: Diffusion Weighted Imaging LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 104 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN hay thậm chí vài phút đầu tiên. Với việc phát hiện sớm, vùng mô não bị thiếu máu có thể được cứu với những điều trị thích hợp. Phương pháp tạo ảnh DWI đặt biệt hữu dụng khi kết hợp với tạo ảnh cộng hưởng từ tưới máu ( Perfusion MRI) từ đó có thể tối ưu hóa các phương pháp chữa bệnh, theo dõi quá trình tiến triển của bệnh nhân và dự đoán trước kết quả trong các trường hợp thiếu máu não cấp. Mặc dù có độ nhạy cao, đặt biệt với chứng thiếu máu não, nhưng các hiện tượng khuyếch tán không đẳng hướng thỉnh thoảng làm xuất hiện những vùng giống hệt các vùng thiếu máu não, đặc biệt các khoang gần tĩnh mạch. Các hiện tượng khuếch tán không đẳng hướng thường ở các vùng chất trắng do giới hạn sự khuếch tán bởi màng tế bào và bao myelin. Vì vậy nếu độ nhạy khuếch tán được áp đặt chỉ theo một hướng thì vùng chất trắng đặt nằm vuông góc với hướng nhạy Gradient sẽ hiện lên sáng hơn. Do đó nếu sử dụng hệ số khuếch tán thích hợp có thể loại bỏ loại xảo ảnh này. Một số hình ảnh DWI thực tế: Ảnh DWI của một bệnh nhân nam 53 tuổi bị u nguyên bào thần kinh. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 6.6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 105 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Các hình ảnh từ 6.6a – 6.6c được tạo ra bởi chuỗi xung EPI với TR = 800ms, TE = 123ms, SL = 6mm, với 3 xung khuếch tán Gradient biên độ khác nhau trên chiều trục X. Phần dịch não tủy có độ sáng tín hiệu cao trên hình (a) hoàn toàn bị biến mất trong hình 3 bởi xung khuếch tán. Trong hình (c), phần phù nề dạng mạch máu quanh khối u thấy rõ nhờ hiệu quả tăng biên độ xung khuếch tán Gradient và tín hiệu T2 sáng bởi phù nề. Hình (d) là hình T2-Axial với chuỗi xung TSE, TR = 5000ms, TE = 128ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x512. Hình (e) là hình ảnh T1 với chuỗi xung SE, TR = 520ms, TE = 14ms, độ dày lớp cắt 6mm, FOV = 179x256. Hình (f) là hình ảnh T1 với chuỗi xung SE có các thông số như hình (e) nhưng có sự tham gia của chất tương phản Gadolinium. 6.6. Bản đồ khuếch tán ADCi Như đã đề cập trong phần trước, cường độ tín hiệu trên các ảnh khuếch tán cũng phụ thuộc vào mật độ proton, T1, T2, TR và TE. Để loại bỏ các ảnh hưởng này và đạt được hoàn toàn chỉ các thông tin khuếch tán, chúng ta có thể đưa ra các bản đồ hệ số khuếch tán. Một bản đồ khuếch tán có thể được đưa ra bằng cách kết hợp ít nhất hai ảnh khuếch tán có sự khuếch tán khác nhau nhưng vẫn đồng nhất với các thông số khác (T1, T2, TR và TE). Ví dụ, bằng cách sử dụng ảnh S0 với yếu tố b = 0 và một ảnh khuếch tán (b > 0), chúng ta có thể tính toán giá trị D cho mỗi pixel với phương trình: Một ảnh tham số bao gồm các dữ liệu này gọi là bản đồ khuếch tán ADC. Giá trị D thu được với quá trình này sẽ phụ thuộc vào các điều kiện thực tế (ví dụ như hướng của gradient nhạy và thời gian khuếch tán Δ). Sự khuếch tán phân tử trong một volxel cho trước thông thường được giả thiết là có một hệ số khuếch tán riêng biệt. Trong thực tế, hầu hết các mô bao gồm ngăn con. Ở các ngăn nội bào và ngoại bào có sự phân phối tương ứng khoảng 82,5% và 17,5% mô não, chúng có các giá trị ADC nội tại khác nhau trong đó sự khuếch tán ngoại bào nhanh hơn. Giá trị ADC đo được phụ thuộc vào giá trị b sử dụng (lên đến 1200 s/mm 2). Dữ liệu thu với giá trị b thấp sẽ rất nhạy với thành phần khuếch tán nhanh, tức là với các thành phần ngoại bào linh hoạt. Trong các nghiên cứu Y khoa và i ADC: Apparent Diffusion Coefficient LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 106 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN các kinh nghiệm trên động vật, sự linh hoạt của các không gian ngoại bào có thể được giải thích dựa trên các dữ liệu thu nhận được từ các mẫu khuyếch tán, thậm chí khi cả ngăn ngoại bào này rất nhỏ. Sự thay đổi của giá trị ADC có thể xem như là sự thay đổi của hệ số khuếch tán trong không gian ngoại bào (trạng thái quanh co, vòng vèo) và trong thể tích nội bào. Điều này giải thích vì sao các nghiên cứu khuếch tán được công nhận trong chẩn đoán thiếu máu não cục bộ (brain ischeamia) và động kinh. Việc tạo ảnh khuếch tán là phương pháp định lượng. Hệ số khuếch tán là một thông số tự nhiên phản ảnh trực tiếp các đặc tính tự nhiên của mô theo hướng chuyển dịch của các phân tử một cách ngẫu nhiên. Vì vậy các hệ số khuếch tán thu được ở các thời gian khác nhau trong một bệnh nhân, hoặc trên các bệnh nhân khác nhau hay thậm chí các bệnh viện khác nhau, có thể đem so sánh mà không cần chuẩn hóa. Bảng 6.1: Hệ số khuếch tán trong não Loại mô Hệ số khuếch tán (x10-3 mm2/giây) Dịch não tủy 2.94 ± 0.05 Chất xám 0.76 ± 0.03 Chất trắng Dọc sợi trục 1.07 ± 0.06 Vuông góc với sợi trục 0.64 ± 0.05 Tuy nhiên cần chú ý rằng D phụ thuộc vào thời gian khuếch tán. Sự phụ thuộc này có thể dẫn đến đánh giá thấp về sự linh động của các phân tử nước không bị hạn chế nếu thời gian đo khuếch tán không được tính toán kĩ. Một số hình ảnh ADC thực tế: Ảnh ADC của bệnh nhân nam 53 tuổi, bị u nguyên bào thần kinh (a) (b) (c) (d) Hình 6.7 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 107 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình 6.7a – 6.7c là hình ảnh MRI với chuỗi xung EPI, TR = 800ms, TE = 123ms, ST = 6mm theo 3 cường độ xung khuếch tán Gradient khác nhau: b = 0, 300 và 1200 s/mm 2 hường theo trục X. Hình (d) là hình ADC tương ứng. Sự phù nề mạch máu quanh khối u, dịch não tủy và thành phần hoại tử của khối u sẽ làm tăng tín hiệu trên hình ADC. 6.7. Ảnh cộng hƣởng từ khuếch tán bất đẳng hƣớng DTIi Sự khuếch tán tự do có hệ số khuếch tán như nhau với tất cả các hướng, hay còn gọi là sự khuếch tán đẳng hướng. Nếu các phân tử nước khuếch tán trong môi trường có nhiều vách ngăn, sự khuếch tán sẽ không đồng đều hay còn gọi là khuếch tán không đẳng hướng, các vách ngăn có thể là màng tế bào, sợi trục thần kinh, bao myelin … Nhưng đối với thành phần chất trắng thì vách ngăn chủ yếu được tạo ra từ chất myelin bao bọc quanh dây thần kinh. Các bó dây thần kinh sẽ tạo ra những vách ngăn vuông góc với chiều khuếch tán và đường dẫn khuếch tán song song tạo ra chùm sợi dọc theo hướng khuếch tán. Sự tạo hình khuếch tán không đẳng hướng trong cộng hưởng từ (còn gọi là DTI hay kỹ thuật Tractography) sẽ cho thấy hình ảnh biểu thị các bó dây thần kinh. Khác với ảnh khuếch tán DWI, ảnh khuếch tán DTI đánh giá sự khuếch tán của phân tử theo từng hướng khác nhau với các hệ số khuếch tán khác nhau tương ứng. Để tạo ra hình ảnh DTI người ta sử dụng sáu gradient hay nhiều hơn. Lúc đó gradient định hướng không chỉ dọc theo 3 trục chính, mà còn theo các trục zx, zy, xy … Việc tạo ảnh DTI có thể được hiển thị như một khối elip có ba trục chính tạo thành hệ tọa độ trực giao. Trục chính dài nhất của hình elip khuếch tán là trục giá trị và hướng của khuếch tán lớn nhất (sự khuếch tán càng dài thì sự không đẳng hướng càng cao), trong khi trục ngắn nhất là giá trị và hướng của khuếch tán nhỏ nhất. Nếu ba trục bằng nhau, thì sự khuếch tán là đẳng hướng và elip khuếch tán sẽ trở thành dạng hình cầu. i DTI: Diffusion Tensor Imaging Hình 6.8 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 108 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Như đã nói ở trên, DTI được sử dụng để mô tả các mô có cấu trúc tạo ra khuếch tán không đẳng hướng của phân tử nước, đặc biệt trong bó sợi chất trắng, nơi được đặc biệt quan tâm trong đột quỵ và ung thư. Thông tin này được xử lý mã hóa tạo ra các bản đồ màu của bó sợi thần kinh. Thông thường màu đỏ hiển thị theo trục X, từ phải qua trái hay ngược lại, màu xanh lá cây hiển thi theo trục Y từ sau ra trước hoặc ngược lại, màu xanh biển hiển thi cho trục Z, từ chân đến đầu hoặc từ đầu đến chân. Dữ liệu của ảnh DTI còn có thể được sử dụng để dựng ảnh các bó sợi chất trắngi. Kĩ thuật này sử dụng trục chính của DTI để tính toán độ dài của các sợi chất trắng. Trong DTI, cường độ biểu diễn giá trị của sự không đẳng hướng, trong đó giá trị không đẳng hướng càng lớn thì hình ảnh càng trắng. Các hướng khác nhau của khuếch tán như đã nói ở phần trên được mã hóa theo màu. Hình ảnh sợi trong DTI có thể sử dụng thay thế hay kết hợp với tạo ảnh MRI chức năng (fMRI ii) để cung cấp các công cụ cho việc phân tích đặc điểm giải phẫu và chức năng của não. 6.8. Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não 6.8.1. Tóm tắt một số bệnh lý não: Bệnh lý não bao gồm: Dị dạng bẩm sinh Bệnh lý mạch máu não U não và các khối giống u Tổn thương nhiễm trùng Bất thường chất trắng Bệnh lý thoái hóa. i Còn gọi là ảnh Tractography ii fMRI: functional MRI Hình 6.9 Hình 6.10 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 109 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN A. Bệnh lý mạch máu não Xuất huyết trong sọ: Do dị dạng mạch máu não và túi phình, Do u tăng sinh và kén Chấn thương sọ não Túi phình mạch máu trong sọ Dị dạng mạch máu trong sọ, dị dạng tĩnh mạch Đột quị: Xơ vữa động mạch, nhũn não – thiếu máu não, hẹp - tắc nghẽn động mạch không do xơ vữa (bất thường bẩm sinh, viêm mạch, bệnh lý mạch máu), tắc nghẽn tĩnh mạch B. U não và các khối giống U: Phân loại theo mô học có: U nguyên phát và U di căn Phân loại theo tuổi và vị trí giải phẫu đặc trưng: o U nguyên phát ở trẻ em / U nguyên phát ở người lớn o 7 vùng giải phẫu đặc trưng: 1) Vùng tuyến tùng 2) Trong não thất 3) Vùng góc cầu tiểu não 4) Vùng lỗ chẩm 5) Vùng trong và trên yên 6) Vùng nền sọ và xoang hang 7) Ở da đầu, ở vòm sọ và màng não C. Nhiễm trùng não: Nhiễm trùng bẩm sinh, sơ sinh Viêm màng não: cấp do vi trùng sinh mủ, mãn tính Nhiễm trùng mô não do vi trùng sinh mủ: viêm não, áp-xe. Viêm não: HIV, viêm não hậu nhiễm Nhiễm lao, nấm - nhiễm ký sinh trùng D. Rối loạn chuyển hóa, bệnh lý chất trắng, bệnh lý thoái hóa do di truyền Rối loạn ảnh hưởng nguyên phát đến chất trắng Rối loạn ảnh hưởng nguyên phát đến chất xám Rối loạn ảnh hưởng đến cả chất trắng và xám Rối loạn của nhân xám trung ương E. Rối loạn chuyển hóa, Bênh lý chất trắng, Bênh lý thoái hóa do mắc phải Rối loạn thoái hóa thần kinh chất trắng: nhiễm virus, hậu nhiễm virus, hủy myelin do nhiễm độc, chấn thương, bệnh lý mạch máu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 110 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Rối loạn thoái hóa thần kinh chất xám: Alzheimer và các mất trí do vỏ não khác, rối loạn ngoại tháp và các mất trí do dưới vỏ, Parkinson, các thoái hóa vận động và tiểu não 6.8.2. Các bất thƣờng có thể thấy trên khảo sát MRI thƣờng quy Bất thường tín hiệu (của não, màng não, dịch não tủy) Hiệu ứng choáng chỗ (ổ, vùng, lan tỏa, lan tỏa toàn thể) Biến dạng / bóp méo cấu trúc giải phẫu bình thường Mất thể tích não (ổ, vùng, lan tỏa) Tăng quang bất thường (trong mạch/ ngoài mạch) Bất thường dòng chảy (động mạch, tĩnh mạch, xoang, dịch não tủy) Đầu nước (tắc nghẽn / có thông thương ...) 6.8.3. Các dấu hiệu của U não trên MRI Hiệu ứng choáng chỗ (trong trục / ngoài trục) Bất thường về cấu trúc, tín hiệu / đậm độ (có thể rất ít) Phá vỡ hàng rào máu não (bắt thuốc bất thường) Tăng sinh mạch máu Có tăng trưởng (hầu hết là ác tính) Ghi nhận tất cả các đặc điểm hình ảnh học đó, kết hợp với các thông tin lâm sàng để đưa ra các chẩn đoán phân biệt. Các thông tin lâm sàng cần chú ý gồm: Diễn tiến bệnh cấp tính/ bán cấp/ mãn tính/ tiến triển Tuổi, tiền sử du lịch, vùng dịch tễ Mối liên quan giữa lâm sàng và bệnh học 6.8.4. Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não: Nhồi máu cấu Phân biệt các nhồi máu cấp và bán cấp U và viêm A. Nhồi máu cấp Trong 6 giờ sau khi xảy ra đột quỵ, các dấu hiệu trên ảnh CT của chứng thiếu máu cục bộ lên não rất không rõ rệt. Còn trong các ảnh MR thông thường, các dấu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 111 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN hiệu hình thái học (được tạo ra bởi sự sưng phồng của mô) của chứng nghẽn mạch cấp có thể được tìm thấy tới 50%. Tuy nhiên, các tín hiệu khác thường lại khó nhận biết. Với tạo ảnh khuếch tán trên các vùng xảy ra chứng nghẽn mạch cấp, các vùng chỉ định sẽ cho những kết quả chẩn đoán rõ ràng. Như ta đã biết, sự ngưng đột ngột của dòng máu não tạo sự đột quỵ nhanh chóng (tính theo phút) của quá trình trao đổi năng lượng và các ion. Điều này tạo ra một sự dịch chuyển của nước từ ngoại bào vào trong ngăn nội bào và tạo ra một vùng có cường độ tín hiệu cao trên các hình ảnh khuếch tán. Do đó tạo ảnh khuếch tán là kĩ thuật tốt nhất để kiểm tra lại một chẩn đoán đột quỵ trong thời điểm hiện tại để điều trị với phương pháp thích hợp. Giá trị của tạo ảnh MR tưới máu và khuếch tán trong các quyết định điều trị bệnh nhân vẫn chưa được nghiên cứu hết. Các hình ảnh minh họa: Hình ảnh MRI của bệnh nhân nam 77 tuổi, bị đột quỵ cấp trước khi chụp MRI tử 3 đến 4 giờ: (a) (b) (c) Hình 6.11 Hình (a) là ảnh T2 với chuỗi xung TSE, TR = 5000ms, TE = 128ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x512 Hình (b) là ảnh IR với chuỗi xung FLAIR, TR = 6000ms, TE = 105ms, TI = 2200ms, độ dày lớp cắt 6mm, FOV = 182x256. Ảnh T2 cũng như FLAIR không thể đưa ra một kết luận nào cho bệnh nhân. Hình (c) là hình DWI trên xung EPI, TR = 800ms, TE = 123ms, ST = 6mm. Phần tăng tín hiệu tập trung ở vùng chất trắng dưới vỏ não và chèn lên võ não ở phía bên vách thùy não phải, chỉ cho thấy tồn tại sự nhồi máu cấp (theo mũi tên). LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 112 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Hình ảnh MRI của bệnh nhân nam 64 tuổi bị đột quỵ cấp khoảng 4 giờ trước khi chụp, đang bị liệt bán thân bên phải. (a) (b) (c) (d) Hình 6.12 Hình (a), (b) là ảnh T2-axial, với chuỗi xung TSE, TR = 5000ms, TE = 128ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x256. Ảnh (a), (b) trên các nhát cắt khác nhau không thể lý giải được vì sao bệnh nhân liệt toàn thân bên phải Hình (c), (d) là ảnh DWI theo trục z trên cơ sở chuỗi xung EPI, TR = 800ms, TR = 123ms, ST = 6mm. Ta có thể thấy vùng tăng tín hiệu tập trung bởi một nang phía bên trái não chứng tỏ sự nhồi máu dạng bán cấp. B. Phân biệt nhồi máu cấp và bán cấp Sau khi xảy ra nghẽn mạch cấp từ 5 đến 10 ngày, các giá trị suy giảm (trung bình khoảng 50%) của giá trị hệ số khuếch tán (ADC) sẽ tăng trên mức trung bình. Trên các hình ảnh khuếch tán, điều này được mô tả bởi một “bước nhảy vọt” từ vùng thương tổn có cường độ tín hiệu cao thành vùng thương tổn có cương độ tín hiệu thấp. Trên các bản đồ ADC, vùng thương tổn có cường độ tín hiệu thấp và do đó trở nên đáng chú ý. Điều này rất có ích trong các trường hợp sau: Bệnh nhân có nhiều vùng thương tổn (nghẽn mạch), khi đó, tạo ảnh T2 thường không thể phân biệt vùng thương tổn cấp tính và vùng thương tổn cũ. Hay một sự mở rộng của vùng thương tổn hiện tại cũng thường rất khó xác định với các ảnh T2. Các hình ảnh minh họa Bệnh nhân 74 tuổi có tiền sử nhồi máu cấp, bị đột quỵ tái diễn trước khi chụp MRI 3 ngày: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 113 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN (a) (b) (c) (d) Hình 6.13 Hình (a), (b) là hình T2-axial dùng chuỗi xung SE, TR = 5000ms, TE = 128ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x512. Các hình ảnh T2 nói trên không thể giúp chúng ta phân biệt giữa một tổn thương cấp tính và một tổn thương cũ. Hỉnh (c), (d) là hình DWI lấy theo trục Z trên cơ sở xung multishot EPI, TR = 800ms, TE = 123ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x512. Trên hình DWI cho thấy nhồi máu vừa xảy ra. C. Các khối u Như ta đã biết, sự khác nhau của các hệ số khuếch tán (ADC) và sự khuếch tán không đẳng hướng cho phép sự phân biệt giữa vùng chất trắng thông thường và các khối u nang, u rắn hay vùng máu đọng. Theo kinh nghiệm, tạo ảnh khuếch tán không có nhiều giá trị trong việc phân biệt khối u và vùng phù nề. Nhưng quan trọng hơn, sự xâm lấn khối u của chất trắng và phù nề có thể tìm thấy khi mà tất cả kỹ thuật MR thông thường không thể giải quyết được. Các biểu hiện của U hạt viêm và các áp xe trên các hình ảnh khuếch tán rất có tác dụng trong việc chẩn đoán phân biệt với các khối U hoại tử. Trong một trường hợp đa u hạt chất nhầy ở một bệnh nhân có hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải, tổn thương đã xuất hiện với cường độ tín hiệu cao trên ảnh khuếch tán với những giá trị của ADC trong khoảng 0.39. Trong một trường hợp của áp xe do nhiễm liên cầu khuẩn, cường độ tín hiệu thậm chí còn cao hơn, chỉ với một giá trị ADC rất thấp 0.29. Các biểu hiện này giúp chẩn đoán phân biệt giữa khối U nguyên bào thần kinh đệm hoại tử với khối U dạng áp xe. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 114 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Các hình ảnh minh họa: Hình ảnh MRI của một người đàn ông 60 tuổi với khối U đa hạt: (a) (b) (c) (d) Hình 6.14 Hình 7.14(a) là ảnh TSE-T2, hình (b) là ảnh SE-T1, hình (c) là ảnh khuếch tán EPI (800/123) với 5 lần thu dữ liệu – SL = 6mm, hình (d) là bản đồ ADC tương ứng chỉ ra các vùng có cường độ tín hiệu cao, đồng nhất với các chẩn đoán về khối U. Ảnh MRI của một phụ nữ 57 tuổi với khối U di căn trong não (a) (b) (c) (d) Hình 6.15 Hình 6.15(a) là ảnh TSE-T2, hình (b) là ảnh SE tăng cường độ tương phản T1, cho phép chẩn đoán phân biệt giữa U di căn và các khối áp xe. Hình (c) là ảnh khuếch tán EPI (800/123) lấy từ 5 lần thu nhận dữ liệu trung bình và ST = 6mm. Hình (d) là bản đồ ADC tương ứng chỉ ra các vùng có cường độ tín hiệu cao. D. Viêm Việc phân biệt giữa các khối u trong não và các vùng áp xe thường rất khó khăn trên các hình ảnh MRI thông thường. Các vùng áp xe có cường độ tín hiệu cao trên các hình ảnh MR khuếch tán với giá trị hệ số khuếch tán khoảng 0,3 – 0,4. Do đó, ảnh MRI khuếch tán và các giá trị ADC tương ứng sẽ rất có ích trong việc chẩn đoán phân biệt các khối bên trong não. Sự xuất hiện của một vùng trung tâm có cường độ cao LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 115 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN trên hình ảnh MRI khuếch tán với các giá trị ADC rất thấp được giải thích bởi sự có mặt của vùng áp xe hay mủ. Đặc tính này cũng được đưa ra trong chứng nghẽn mạch cấp. Tuy nhiên, quầng sáng tăng cao thường xuất hiện trong chứng đột quỵ do thiếu máu cấp, và giá trị ADC cao hơn sau 8 giờ. Quầng sáng bao quanh khối với trung tâm tăng cao trong DWI và giá trị ADC tăng cao gợi ý chẩn đoán chứng u thần kinh đệm hoặc u di căn. Các hình ảnh minh họa: Ảnh MRI của một người đàn ông 70 tuổi có tiền sử bệnh hay chóng mặt và choáng. (a) (b) (c) (d) Hình 6.16 Hình 6.16(a) là ảnh TSE-T2, hình (b) là ảnh SE tăng cường độ tương phản T1. Hình (c) là ảnh khuếch tán EPI (800/123) lấy từ 5 lần thu nhận dữ liệu trung bình và ST = 6mm. Hình (d) là bản đồ ADC tương ứng. Chẩn đoán trước khi mổ dựa vào ảnh MRI thường quy cho kết quả U nguyên bào đệm hoặc U di căn. Tuy nhiên giá trị ADC rất thấp (0.3) chỉ ra đây có thể là áp xe hoặc xuất huyết mãn tính. Kết quả sau phẫu thuật tìm thấy một khối áp xe với ổ viêm liên cầu khuẩn. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 116 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN KẾT LUẬN Luận văn về cơ bản đã giải quyết được những mục tiêu đã đề ra tại phần tổng quan. Các kiến thức được trình bày trong phần nội dung là nền tảng quan trọng cho việc hiểu và tiếp thu các kĩ thuật mới của MRI. Phần ứng dụng đã nêu ra được một hướng tiếp cận ứng dụng cụ thể của MRI mà hiện nay vẫn đang tiếp tục có những đóng góp quan trọng trong chẩn đoán bệnh lý não. Lĩnh vực cộng hưởng từ hạt nhân là một lĩnh vực rất rộng. Do đó trong khuôn khổ luận văn khó có thể đề cập đến tất cả các khía cạnh kĩ thuật cũng như ứng dụng vốn rất phong phú của MRI. Vì vậy tác giả đề ra một số hướng phát triển như sau: Cần tìm hiểu sâu hơn về phần cứng của hệ thống MRI. Điều này đòi hỏi một nền tảng kiến thức điện tử thực sự vững vàng để có thể nắm bắt vấn đề một cách thấu đáo. Phân tích kĩ các loại xảo ảnh với hình ảnh minh họa cụ thể. Điều này rất có ích cho công việc chẩn đoán thực tế hiện nay Tìm hiểu các mảng ứng dụng lớn khác của MRI bao gồm: MRI tưới máu não (Perfusion MRI), MRI chụp mạch (MRA), Spectroscopy, DTI … LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 117 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Tài liệu tham khảo 1 Peggy Woodward – Roger Freimarck (1995). MRI for Technologists. McGraw-Hill Press 2 Siemens (2004). MR1BASICS: Training Document. 3 . Introductions to MRI history. [ CDNUH/nf-history.html] 4 Nguyễn Hữu Đĩnh – Trần Thị Đà (1999). Ứng dụng một số phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc phân tử. NXB Giáo Dục. 5 Philips (2004). Understanding MRI. 6 Từ Văn Mạc, GS., TSKH., (2003). Phân tích hóa lý: Phương pháp phổ nghiệm nghiên cứu cấu trúc phân tử. NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 7 Joseph P.Hornak, Ph.D (2000). Basics of MRI. 8 David D. Stark, M.D – William G.Bradley, Jr., M.D., PhD (1995). Magnetic Resonance Imaging – Second Edition. Mosby Year Book 9 Donald G. Mitchell, MD (1999). MRI Principles. W.B. Saunders Company. 10 Perry Sprawls, Jr., Ph.D, FACR, (1993). Physical principles of medical imaging – Second Edition. An Aspen Publication. 11 Peggy Woodward – Roger Freimarck (1995). MRI for Technologists. McGraw-Hill Press 12 Siemens (2004). MAGNETOM Symphony Applications Guide. 13 Jerrold T. Bushberg, J. Anthony Seibert et al (2002). The essential physics of medical imaging – Second Edition. Lippincott Williams&Wilkins. 14 Allen D.Elster, M.D (1994). Questions and Answers in Magnetic Resonance Imaging. Mosby Press 15 John G. Webster, John W. Clark, Jr., et al (1998). Medical instrumentation: Application and Design – Third Edition. John Wiley&Sons, Inc. 16 John Enderle, Susan Blanchard, Joseph Bronzino (2000). Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press. 17 Siemens (2001). Funtional Description – Concerto. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM SVTH: LÊ MINH HÒA 118 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN 18 US Instruments, Inc (2002). Operating instructions and Tips. 19 Denis Le Bihan, MD, Ph.D et al (2001). Diffusion Tensor Imaging: Concepts and Applications. Jounal of MRI ,13:534-546. 20 Susumu Mori – Jiangyang Zhang (2006). Principles of diffusion tensor imaging and it’s applications to basic neuroscience research. Elsevier Inc. 21 Alexandre, F.M., Dasilva, D.D.S., et al (2003). A primer on diffusion tensor imaging of anatomical substructures. Neurosurg Focus, 15, Article 4. 22 Martha E. Shenton, Ph.D., Marek Kubicki, M.D., Ph.D., Robert W. McCarley, M.D. Diffusion Tensor Imaging – Image Acquisition and Processing Tools. Surgical Planning Laboratory, Technical Report No.354 23 Vũ Anh Nhị, PGS., TS (Chủ biên) (2003). Thần kinh học. Nhà xuất bản Y Học. 24 Diffusion Tensor Imaging. []

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfNguyên lý tạo ảnh của thiết bị cộng hƣởng từ hạt nhân và ứng dụng trong chụp ảnh khuếch tán.pdf
Luận văn liên quan