Luận văn Mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân bằng phần mềm Mallab

ừ hoá ngang như trong phương pháp tiếng vọng spin. Xung kích động làm suy giảm hoàn toàn thành phần véctơ từ hoá dọc về 0 (tức là bão hoà hoàn toàn) ở đầu mỗi chu kỳ tạo ảnh. Điều này có nghĩa là cần một thời gian TR tương đối dài để véctơ từ hoá dãn hồi. TR là một trong các yếu tố chủ yếu xác định thời gian thu nhận dữ liệu. Khi giá trị TR giảm, véctơ từ hoá ngang và cường độ tín hiệu RF tạo ra trong mỗi chu kỳ cũng giảm, dẫn đến tăng nhiễu loạn trong ảnh. Ngoài ra, việc sử dụng TR ngắn cùng với xung kích động 900 không thể tạo ra ảnh T2 hay ảnh mật độ proton.Một cách giảm TR để tăng tốc độ thu nhận dữ liệu mà loại bỏ được các nhược điểm kể trên là sử dụng xung kích động tạo góc quay nhỏ hơn 900. Hình 2.33: Phương pháp tiếng vọng Gradient LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 42 - Xung kích động tạo góc quay nhỏ (FA<900) chỉ biến đổi một phần véctơ từ hoá dọc thành véctơ từ hoá ngang. Điều này có nghĩa là véctơ từ hoá dọc không bị suy giảm hoàn toàn về 0. Việc giảm góc quay tạo ra hai hiệu ứng cần được khảo sát đồng thời. Hiệu ứng thứ nhất là véctơ từ hoá dọc không suy giảm hoàn toàn và vẫn giữ một giá trị khá lớn khi TR ngắn. Điều này làm tăng cường độ tín hiệu so với sử dụng xung kích động 900. Tuy nhiên khi góc quay nhỏ, chỉ một phần nhỏ của véctơ từ hoá dọc được chuyển thành véctơ từ hoá ngang làm giảm cường độ tín hiệu. Như vậy, khi thay đổi góc lệch sẽ ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu. Hình 2.34: Ảnh hưởng của xung kích động tạo góc lệch nhỏ đối với vectơ từ hoá dọc TR ngắn V éc tơ từ h oá d ọc C ườ ng đ ộ tín h iệ u Mạnh Yếu Thời gian Góc<900 Góc 900 900 Góc nhỏ (<900) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 43 - Hình 2.36 cho ta hình ảnh so sánh véctơ từ hóa của 2 mô khác nhau khi thay đổi góc lệch.Từ đó,ta có thể phân biệt rõ chất xám và chất trắng,2 loại mô có T1 và ρ khác nhau.Độ tương phản giữa 2 mô được biểu diễn bởi sự khác nhau về mức độ từ hóa.Về điểm này,giả sử có TE ngắn và chỉ xét độ tương phản liên quan đến vectơ từ hóa dọc,ảnh hưởng của vectơ từ hóa ngang sẽ được xét đến sau Trong phương pháp SAGE,góc lệch là một trong các tham số được điều chỉnh bởi người sử dụng,tuy nhiên điều này khá phức tạp do ảnh hưởng của góc lệnh còn bị biến đổi do tác động của Các tham số hay kỹ thuật khác được sử dụng để làm tăng một dạng tương phản nào đó. Góc lệch(độ) 0 45 90 Hình 2.35: Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và góc lệch V éc tơ từ h óa Dọc Ngang 6030 C ườ ng đ ộ tín h iệ u Cường độ tín hiệu Góc lệch(độ) 0 45 90 Hình 2.36: Ảnh hưởng của góc lệch đến độ tương phản V éc tơ từ h óa d ọc Độ tương phản T1 6030 C ườ ng đ ộ tín h iệ u T1 ngắn Độ tương phản ρ T1 dài ρ:ở đây là mật độ proton-PD LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 44 - 2.8.5. Góc Ernst Chúng ta đã biết rằng nếu T1 của mô dài thì thời gian TR ngắn,ta chỉ có được một độ từ hóa ngang nhỏ vì vậy sẽ ra một tín hiệu yếu.Tuy nhiên nếu biết cân đối thì trong trường hợp này chúng ta vẫn có thể thu được một tín hiệu cộng hưởng từ đủ mạnh.Về mặt lý thuyết,nếu chúng ta định dùng thời gian TR trên một mô có thời gian T1 đã biết,góc lật tối ưu cho phép tạo ra được tín hiệu mạnh nhất có thể ta có: Ta gọi véctơ từ hóa dọc tại thời gian TR thứ n là: Mz(n)=Mz Khi có một xung RF tác dụng thì véctơ từ hóa dọc lật đi một góc φ ta có: Mz=Mz(n)cosφ Sau khoảng thời gian TR là thời gian hồi phục T1 thứ (n+1) ta có: Mz(n+1)=M0-[M0-Mz(n)cosφ] 1/TR Te− Tại vị trí cân bằng ta có: 1 1 1 / / 0 / 0 / 1 ( 1) ( ) (1 cos . ) (1 ) (1 ) 1 cos . z z z TR T TR T z TR T z TR T M n M n M M e M e M e M e ϕ ϕ − − − − + = = − = − −⇒ = − Véctơ từ hóa ngang tại vị trí cân bằng là Mxy=Mzsinφ vậy ta có: 1 1 / 0 / (1 ).sin 1 cos . TR T xy TR T M e M e ϕ ϕ − − −= − Vậy tín hiệu mạnh nhất thu được khi 1 /cos TR TE eϕ −= 1 / cos( )RT T E arc eϕ −⇒ = (2.53) Eϕ =Ernst Angle (góc lật tối ưu tương ứng với các giá trị TR và T1 cho trước được gọi là góc Ernst) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 45 - CHƯƠNG III: CẤU TẠO,HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 3.1. Tồng quan về phần cứng: 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). Hình 3.1: Sơ đồ khối của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 46 - • 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 3.2. Chức năng và hoạt động của từng khối 3.2.1. Hệ thống nam châm ¾ Chức năng 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 (tùy 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… ¾ Sơ đồ chức năng của hệ thống nam châm: Hệ thống nam châm bao gồm nam châm,khối nguồn và khối kiểm soát nam châm.khối nguồn nhận dòng điện từ mạng điện và cung cấp cho nam châm.Khối kiểm soát nam châm bao gồm: • Mạch điều khiển tắt khẩn cấp nam châm • Mạch báo hiệu mức dung dịch Hêli • Mạch cảnh báo chung • Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng ¾ Hoạt động của hệ thống nam châm: Hệ thống phân phối nguồn cấp nguồn cho khối nguồn riêng của nam châm.Khối này đưa dòng điện vào dây siêu dẫn,dòng trong dây siêu dẫn tạo ra từ trường B0. Khi tắt hệ thống sau ngày làm việc,khối nguồn sẽ thực hiện phóng điện để ngắt dòng điện trong dây siêu dẫn.Hệ thống kiểm soát nam châm theo dõi hoạt động của nam châm. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 47 - Khi có sự cố cần dừng khẩn cấp hoạt động nam châm,nhân viên ấn nút tắt khẩn cấp,mạch tắt khẩn cấp làm việc sẽ tiến hành ngắt nguồn,phóng điện trong dây siêu dẫn và xả bỏ dung dịch Hêli nhằm nhanh chóng giảm cường độ từ trường chính về 0.Mạch báo hiệu mức Hêli theo dõi mức Hêli và hiển thị cảnh báo bằng đèn LED.Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng theo dõi nhiệt độ phòng và báo hiệu khi nhiệt độ phòng vượt quá 270C . ¾ Cấu trúc nam châm: Nam châm là thành phần đắt giá nhất trong hệ thống MRI.Đối với các thiết bị MRI sử dụng nam châm siêu dẫn thì nam châm siêu dẫn là một nam châm điện được sản xuất từ dây siêu dẫn. Nam châm Mạch điều khiển tắt khẩn cấp Hệ thống nguồn điện chung Báo hiệu mức Hêli Cảnh báo chung Nhiệt độ phòng Nút tắt khẩn cấp Hình 3.2: Hệ thống nam châm Khối nguồn của nam châm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 48 - Dây siêu dẫn có điện trở xấp xỉ bằng 0 khi được giữ lạnh ở nhiệt độ gần 00 tuyệt đối ( -2730C hay 00K) bằng cách nhúng vào dung dịch Hêli.Một dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn sẽ vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây khi nó được nhúng trong dung dịch Hêli.Một số mất mát có thể xảy ra do điện trở nhỏ hữu hạn của cuộn dây.Những mất mát này sẽ làm suy giảm từ trường ở mức độ khoảng một phần triệu từ trường chính trong một năm.Chiều dài siêu dẫn trong nam châm thường khoảng vài km.Cả cuộn dây và dung dịch Hêli được giữ trong hộp lớn.Trong thiết kế nam châm ban đầu hộp này thường được bao bọc trong các túi dung dịch Nitơ (77.40K) hoạt động như những bộ đệm nhiệt giữa nhiệt độ phòng và dung dịch Hêli.Trong thiết kế nam châm sau này vùng đệm nhiệt bằng dung dịch Nitơ được thay bằng vùng làm lạnh bởi máy lạnh.Thiết kế này loại bỏ được việc phải thêm dung dịch Nitơ vào thành phần nam châm 3.2.2. 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 Hình 3.3: Cấu tạo của một nam châm siêu dẫn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 49 - 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. Hình 3.4: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y Hình 3.5: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 50 - 3.2.3. 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. Hình 3.6: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục X LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 51 - 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 ν được xác định như sau: 1ν 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. Một số kiểu cuộn tạo ảnh thông dụng nhất sẽ được mô tả dưới đây.Việc mô tả sẽ chỉ ra chiều từ trường B1,phương thức tác động và các ứng dụng của cuộn dây Hình 3.7: Cấu tạo bên trong của cuộn dây bề mặt(A) và cuộn dây khối thể tích(B) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 52 - • Cuộn từ tính nhiều vòng tròn ( Multi Turn Solenoid ). • Cuộn bề mặt (Surface Coil). Cuộn bề mặt rất thông dụng vì chúng là cuộn thu và có tỉ số SNR cao Hình 3.8: Cuộn từ tính nhiều vòng Hình 3.9: Cuộn bề mặt Chiều nhạy cảm với tín hiệu RF LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 53 - • Cuộn lồng chim (Bird Cage Coil). Cuộn lồng chim được sử dụng khi tạo ảnh đầu và sọ não • Cuộn từ tính một vòng tròn (Single Turn Solenoid ). Cuộn từ tính một vòng tròn sử dụng tạo ảnh các phần đầu mút,ví dụ như tạo ảnh ngực và cổ tay Hình 3.10: Cuộn lồng chim Hình 3.11: Cuộn từ tính một vòng tròn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 54 - • Cuộn yên ngựa (Saddle Coil). • Cuộn mạng pha (Phased-Array Coil ). Cuộn bề mặt và cuộn mạng pha thường đóng vai trò cuộn thu.Khi cuộn bề mặt hay cuộn mạng pha được sử dụng,một cuộn dây khác trong thiết bị chụp cắt lớp sẽ được sử dụng làm bộ phát năng lượng tần số vô tuyến để phát các xung 900 và 1800 3.2.4. 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). 3.2.5. 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. Hình 3.12: Cuộn yên ngựa LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 55 - Hình 3.13: Sơ đồ bộ trộn cân bằng kép 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 3.14: Sơ đồ bộ tách sóng pha cầu phương LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 56 - 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 ω và ω0 được đưa vào, còn các thành phần Mx và My của véc tơ từ hoá ngang được lấy ra. 3.2.6. Hệ thống máy tính chuyên dụng, bàn điều khiển và hiển thị Toàn bộ hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN được điều khiển bởi phần mềm cài sẵn trên một hệ thống máy tính chuyên dụng có tốc độ xử lý cao. Tại đây quá trình chụp được điều khiển bởi các thủ tục lưu sẵn trong máy tính và do người sử dụng lựa chọn. Máy tính thực hiện quá trình tái tạo ảnh gồm các thuật toán biến đổi Fourier, Radon, tích cuộn…và hiển thị ảnh. Ảnh chụp cắt lớp tái tạo xong có thể quan sát trực tiếp trên màn hình máy tính hoặc in ra phim nhờ máy in phim. 3.2.7. Một số dạng phantom: Phantom là thiết bị mô phỏng bệnh nhân thực được sử dụng trong quá trình chụp kiểm tra chất kiểm tra chất lượng làm việc của hệ thống sau đây là một và dạng phantom thường được sử dụng: • Phantom đầu hình cầu: đường kính 17cm,thể tích dung dịch 2.571 lít,lượng chất nạp vào: 1.25gNiSO4.6H2O/lít • Phantom toàn thân hình cầu:đường kính 24 cm,thể tích dung dịch 7.236 lít lượng chất nạp 1.25gNiSO4.6H2O/lít • Phantom đầu lớn hình trụ:thể tích dung dịch 3.911 lít,lượng chất nạp vào 3gMnCl2.4H2O+3gNaCl/lít • Phantom đầu lớn hình trụ tròn rỗng:thể tích dung dịch 6.534 lít,lượng chất nạp vào 3gMnCl2.4H2O+3gNaCl/lít • Phantom toàn thân lớn,hình trụ elip rỗng:thể tích dung dịch 18.25 lít lượng chất nạp vào 3gMnCl2.4H2O+5gNaCl/lít • Phantom hình chai:đường kính 11.6 cm thể tích dung dịch 2 lít lượng chất nạp vào 1.25gNiSO4.6H2O+6gNaCl/lít LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 57 - • Phantom chung hình elip:thể tích dung dịch 7 lít lượng chất nạp vào 1.25gNiSO4.6H2O+5gNaCl/lít 3.3. Một số vấn đề về ảnh chụp cắt lớp CHTHN 3.3.1. Khái niệm và phân loại ảnh chụp cắt lớp CHTHN Chụp cắt lớp CHTHN có khả năng tạo ra các ảnh khác biệt khá nhiều so với các phương pháp tạo ảnh khác.Một khác biệt chủ yếu là chụp CHTHN có thể tạo ảnh chọn lọc nhiều đặc trưng khác nhau của mô.Ưu điểm của khả năng này là nếu quá trình bệnh lý không làm thay đổi một đặc trưng nào đó của mô thì cũng làm thay đổi đặc trưng khác,do đó ảnh tạo ra có hiệu quả chẩn đoán cao hơn.Điều này làm cho chụp cắt lớp CHTHN có phần nào hoàn thiện hơn hầu hết các phương pháp tạo ảnh khác Ảnh chụp cắt lớp CHTHN,gọi tắt là ảnh CHTHN hiển thị các đặc trưng sinh lý của mô.Ảnh CHTHN truyền thống hiển thị cường độ tín hiệu vô tuyến phát ra từ mô.Các vùng sáng trong ảnh tương úng với các mô phát ra tín hiệu có cường độ cao.Các vùng đen trong ảnh tương ứng với các mô không phát ra tín hiệu vô tuyến.Giữa hai điểm này là một khoảng cường độ tín hiệu được hiển thị bằng các mức xám khác nhau tùy theo sự khác biệt giữa các mô hay còn gọi là độ tương phản mô Trạng thái của các mô khi phát ra tín hiệu vô tuyến gọi là trạng thái bị kích thích hay trạng thái từ hóa.Trạng thái từ hóa xuất hiện khi bệnh nhân được đưa vào trong một từ trường mạnh (từ trường chính B0).Tuy nhiên,không phải toàn bộ các mô đều được từ hóa giống nhau.Độ từ hóa của mô trong quá trình thu nhận giữ liệu xác định cường độ tín hiệu vô tuyến và do đó xác định cả độ sáng trên ảnh.Ảnh CHTHN thực chất là ảnh của các mô bị từ hóa,các mô hay vật chất khác không bị từ hóa sẽ không quan sát thấy trên ảnh.Vật liệu từ hóa trong chụp cắt lớp CHTHN là hạt nhân nguyên tử Hydro(proton) có hầu hết trong các mô của cơ thể Ảnh CHTHN được phân loại chủ yếu theo đặc trưng mô thể hiện trong ảnh.Theo cách phân loại này ảnh CHTHN có các loại sau đây • Ảnh mật độ proton Đặc trưng của mô có thể tạo ảnh trực tiếp là sự tập trung hay mật độ proton.Trong ảnh mật độ proton,độ từ hóa của các mô,cường độ tín hiệu vô tuyến phát ra và do đó LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 58 - cả cường độ sáng trên ảnh phụ thuộc vào lượng proton chứa trong mô.Mô có lượng proton cao sẽ phát ra tín hiệu mạnh và hiển thị bằng màu sáng trên ảnh • Ảnh thời gian dãn hồi T1 và T2 Quá trình CHTHN được đặc trưng bằng 2 hằng số thời gian là thời gian dãn hồi spin-mạng T1 và thời gian dãn hồi spin-spin T2.Thời gian dãn hồi cũng có thể được sử dụng để tạo ra độ tương phản giữa các mô bình thường và các mô bệnh lý.Thông thường trong thực tế,ảnh tạo ra không chỉ do một đặc trưng của mô mà là sự kết hợp của toàn bộ các đặc trưng.Khi nói ảnh T1 chẳng hạn thì phải hiểu rằng hằng số T1 tham gia chính vào quá trình xác định độ tương phản mô nhưng đồng thời vẫn có đặc trưng kia tham gia với mức độ nhỏ • Ảnh dòng Chụp cắt lớp CHTHN có khả năng tạo ảnh dòng máu khi không cần sử dụng chất đối quang.Mặc dù hiệu ứng dòng xuất hiện trong hầu hết các ảnh và thường ảnh hưởng xấu đến chất lượng ảnh nhưng trong chụp mạch máu nó lại là nhân tố tạo tương phản chính 3.3.2. Các chỉ tiêu chất lượng của ảnh Một yêu cầu hết sức quan trọng là tạo ra được các ảnh có giá trị chẩn đoán cao.Chất lượng ảnh phụ thuộc vào khả năng vật lý và kỹ thuật tuy nhiên mối quan tâm chính của người sử dụng chỉ là hiệu quả chẩn đoán.Bỏ qua nội dung giải phẫu của ảnh ta đánh giá chất lượng ảnh trên cơ sở bốn chỉ tiêu sau: - Nhiễu tạp - Độ tương phản - Độ phân giải - Các mẫu giả(Artifacts) ¾ Nhiễu tạp Không thể quan sát được tín hiệu thuần nhất trên ảnh bởi vì giá trị mức xám của từng điểm ảnh bao gồm: - Cường độ tín hiệu đo được đối với phần tử thể tích tương ứng LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 59 - - Nhiễu tạp ngoài ý muốn. Nhiễu tạp trong ảnh là dao động thống kê của cường độ tín hiệu không mang thông tin ảnh.Nó xuất hiện dưới dạng các mẫu dạng có “hạt” hay không đồng đều Về nguyên lý,ảnh hưởng của nhiễu là không thể tránh khỏi bởi vì nguyên nhân xuất hiện của nhiễu trước hết là do các đặc điểm vật lý: - Nhiễu tạp điện từ trong cơ thể do chuyển động phân tử của các hạt mang điện - Nhiễu tạp do trở kháng điện của các quận thu và các mạch điện tử trong hệ thống thu Quan hệ giữa tín hiệu và nhiễu tạp,đó là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) SNR=Tín hiệu/Nhiễu ¾ Độ tương phản Chỉ riêng tỷ số tín hiệu/nhiễu cao chưa đảm bảo là ảnh có chất lượng cao.Sự khác biệt giữa các mô cũng rất quan trọng,tức là độ tương phản giữa các mô khác nhau,đặc biệt là giữa các mô lành và các mô bị bệnh.Độ tương phản mô là độ lệch tương đối về cường độ tín hiệu của hai loại mô khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tương phản: - Dãy xung:dãy xung tiếng vọng spin,đảo ngược phục hồi,tiếng vọng gradient,dãy xung Turbo….. - Tham số xung:TR,TE,TI,TS,góc lật. - Chất đối quang:ví dụ như Gadolium DTPA,DOTA….. Do ta luôn mong muốn đồng thời nhận được tỷ số tín hiệu/nhiễu cao và độ tương phản thích hợp,hai giá trị này có thể kết hợp vào một tiêu chuẩn chất lượng,đó là tỷ số độ tương phản trên nhiễu (Contrast to Noise Ratio-CNR).CNR biểu hiện sự khác biệt giữa tỷ số tín hiệu/nhiễu của hai loại mô tương ứng A và B: CNR=SNRA-SNRB ¾ Độ phân giải Độ phân giải thích hợp là một điều kiện tiên quyết khác đối với việc chẩn đoán các tổn thương bệnh lý nhỏ.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải bao gồm: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 60 - - Độ dày lớp cắt:Độ dày lớp cắt là chiều sâu không gian của lớp cắt được chụp - Trường quan sát (Field of View-FOV):Trường quan sát là phần diện tích có chứa vùng cần quan tâm của lớp cắt được chụp - Ma trận: Kích thước của ma trận là tích số hàng và cột của ma trận,ví dụ ma trận 128*256 gồm có 128 hàng và 256 cột Hãy bỏ qua độ dày lớp cắt và tập trung chú ý tới độ phân giải diện tích trên ảnh.Độ phân giải diện tích là một hàm của kích thước điểm ảnh.Kích thước điểm ảnh được xác định từ các tham số về trường quan sát và kích thước ma trận: Kích thước điểm ảnh=Trường quan sát/Kích thước ma trận Điểm càng nhỏ,độ phân giải diện tích càng cao: Bảng 3.1: Tương quan giữa trường quan sát,kích thước ma trận và điểm ảnh FOV [mm] Ma trận Điểm ảnh [mm x mm] 260 256 x 256 1,0 x 1,0 260 128 x 256 2,0 x 1,0 260 128 x 128 2,0 x 2,0 130 128 x 128 1,0 x 1,0 Độ dày lớp cắt là một yếu tố tạo nên độ phân giải không gian hoàn chỉnh.Độ phân giản không gian là hàm kích của kích thước phần tử thể tích (voxel) .Kích thước voxel được xác định từ các tham số về kích thích ma trận,FOV và độ dày lớp cắt: Kích thước ma trận=Kích thước pixel x Độ dày lớp cắt Voxel càng nhỏ,độ phân giải không gian càng cao nhưng tín hiệu đo được lại yếu hơn Việc kết hợp giảm kích thước voxel và giữ nguyên giá trị các tham số,đặc biệt là số lượt thu nhận không thể tránh được việc giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu.Do đó,chỉ riêng kích thước voxel nhỏ hơn không làm tăng chất lượng ảnh.Việc giảm SNR do tăng độ phân giải không gian có thể được bù bằng cách: - Tăng số lượt thu nhận LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 61 - - Thời gian TR dài hơn (có hiệu quả trong một số trường hợp) thông thường cũng làm tăng độ tương phản 3.3.3 Hiện tượng tạo mẫu giả trong ảnh Mẫu giả trong ảnh là bất kỳ đặc điểm nào xuất hiện trong ảnh nhưng không có trong đối tượng tạo ảnh.Mẫu giả đôi khi xuất hiện do hoạt động không chính xác của bộ tạo ảnh,cũng có thể do các quá trình tự nhiên hay đặc trưng bên trong cơ thể con người.Các mẫu giả thường được phân loại theo nguồn gôc gây ra chúng.Một sự cố đối với bộ tạo ảnh có thể biểu hiện ở một trạng thái khác nhau.Hơn nữa,không phải toàn bộ các mẫu giả trong một dạng đã nêu đều biểu hiện giống nhau.Sau đây ta sẽ khảo sát các mẫu giả cơ bản nhất. ¾ Mẫu giả do bộ tách sóng pha cầu phương Mẫu giả do bộ tách sóng pha cầu phương gây ra do các vấn đề trong mạch tách sóng.Cụ thể hơn,các vấn đề này thường gắn với phần cứng của bộ tách sóng cầu phương.Các vấn đề xuất hiện do quá trình làm việc không chính xác của hai kênh cầu phương.Ví dụ,nếu một trong các bộ khuếch đại có bù dòng một chiều ở đầu ra,dữ liệu sau biến đổi Fourier có thể hiển thị một vệt sáng ở trung tâm của ảnh.Nếu một kênh trong bộ tách sóng có hệ số khuếch đại cao hơn kênh kia sẽ dẫn đến có bóng mờ theo đường chéo của ảnh.Các mẫu giả kiểu này thường xuất hiện do có hỏng hóc về phần cứng và cần được xác định cụ thể bởi nhân viên có chuyên môn kỹ thuật ¾ Mẫu giả do sự không đồng nhất của từ trường B0 Tất cả các thiết bị tạo ảnh cộng hưởng từ đều có từ trường đồng nhất B0.Từ trường B0 không đồng nhất sẽ gây ra các nhiễu loạn trong ảnh.Các nhiễu loạn có thể là về mặt không gian hoặc cường độ hoặc cả hai.Nhiễu loạn cường độ xuất hiện do độ đồng nhất của từ trường tại một vùng trong đối tượng tạo ảnh cao hơn hay thấp hơn độ đồng nhất trong các vùng còn lại.Hằng số T2* trong vùng này sẽ khác và do đó tín hiệu cũng có khuynh hướng khác đi.Ví dụ,nếu độ đồng nhất nhỏ hơn,T2* sẽ nhỏ hơn và tín hiệu cũng nhỏ hơn.Nhiễu loạn không gian xuất hiện là do trường gradient trong từ trường chính B0 không đổi trong một khoảng rộng.Chúng làm cho các spin cộng hưởng ở các tần số Larmor khác với tần số quy định bởi dãy xung tạo ảnh ¾ Mẫu giả do trường gradient Các mẫu giả xuất hiện do các vấn đề nảy sinh trong trường gradient đôi khi khá giống với khi từ trường B0 không đồng nhất.Một trường gradient không ổn định theo một chiều gradient sẽ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 62 - gây nhiễu loạn đến ảnh.Điều này thường chỉ xảy ra khi cuộn dây gradient bị hỏng.Các mẫu giả khác có liên quan đến trường gradient do các dòng điện bất thường chạy qua cuộn dây gradient ¾ Mẫu giả do sự không đồng nhất của sóng vô tuyến Vấn đề không đồng nhất của sóng vô tuyến tức là có sự biến đổi cường độ qua ảnh.Nguyên nhân là do sự không đồng nhất của trường B1 hoặc sự không đồng nhất về độ nhạy của cuộn thu.Một số cuộn RF,chẳng hạn như cuộn bề mặt,có sự biến đổi vốn có về độ nhạy và luôn biểu hiện có mẫu giả loại này.Sự xuất hiện của mẫu giả loại này trong các cuộn dây khác biểu hiện có sự hư hỏng trong một phần nào đó của cuộn dây hoặc có vật liệu phi sắt từ trong đối tượng tạo ảnh.Ví dụ,một vật kim loại chặn trước chiều trường RF chiếu qua mô sẽ tạo ra một vùng trống không có tín hiệu trong ảnh ¾ Mẫu giả do dịch chuyển Mẫu giả do dịch chuyển gây ra do dịch chuyển của đối tượng tạo ảnh hoặc một phần của đối tượng tạo ảnh trong quá trình kích thích và thu nhận tín hiệu.Dịch chuyển của toàn bộ đối tượng tạo ảnh nhìn chung thường dẫn đến có vết ố trên toàn ảnh với ảnh có bóng mờ theo chiều mã hóa pha.Dịch chuyển của một phần nhỏ trong đối tượng tạo ảnh dẫn đến có vết ố của phần đó trên ảnh.Giải pháp khắc phục mẫu giả do dịch chuyển là phải cố định bệnh nhân hoặc đối tượng tạo ảnh.Dịch chuyển nhiều khi là do nhịp tim đập hay nhịp thở của bệnh nhân.Hai nguyên nhân này về nguyên tắc là không thể loại trừ được.Giải pháp trong trường hợp này là đồng bộ dãy xung tạo ảnh bằng xung nhịp tim (xung điện tâm đồ) hay xung nhịp hô hấp của bệnh nhân.Ví dụ như nếu mẫu giả sinh ra trong chụp mạch,một biện pháp là khởi động quá trình thu nhận các bước mã hóa pha ở thời điểm giữ chậm nhất định so với xung R (sóng R) trong chu kỳ nhịp tim.Bằng cách này mạch sẽ luôn nằm tại một vị trí,có thể tác động tương tự đối với chu kì hô hấp.Nhược điểm của kỹ thuật này là việc chọn thời gian TR thường phải xác định theo nhịp tim hay nhịp hô hấp.Các kỹ thuật thiết kế nhằm loại trừ mẫu giả do dịch chuyển thường có nhiều tên gọi khác nhau tùy theo nhà sản xuất thiết bị chụp cắt lớp CHTHN.Ví dụ,một số tên gọi của quá trình loại trừ mẫu giả do hô hấp là van lọc hô hấp,sự bù hô hấp hay phương pháp kích thích bằng xung nhịp hô hấp LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 63 - Kèm theo ảnh dọc trục đầu thường có mẫu giả do dịch chuyển.Mạch máu ở phía sau đầu dịch chuyển này gây ra mẫu giả dạng bóng mờ theo đường chéo của ảnh ¾ Mẫu giả do dòng chảy Mẫu giả do dòng chảy gây ra do dòng máu hoặc dòng chất dịch trong cơ thể.Dung dịch chảy qua lớp cắt cũng chịu tác động của xung RF và sau đó chảy ra khỏi lớp cắt trong thời gian thu nhận tín hiệu.Giả sử chúng ta sử dụng một dãy xung tiếng vọng spin để tạo ảnh lớp cắt.Trong giai đoạn có xung 900 chọn lớp,dòng máu trong lớp cắt cũng quay đi một góc 900.Trước khi đưa vào xung 1800,dòng máu đã chịu tác động của xung 900 chạy ra khỏi lớp cắt.Xung chọn lớp 1800 quay các spin trong lớp cắt 1800.Tuy nhiên,dòng máu trong lớp cắt có véctơ từ hóa dọc trục +Z trước khi xung kích thích và dọc trục –Z sau khi xung kích thích.Nó không tạo ra tín hiệu,trong thời gian thu nhận tiếng vọng lớp cắt chỉ chứa dòng máu không chịu tác động của xung 900 hoặc xung 1800.Kết quả là mạch máu,như chúng ta đã biết có mật độ hạt nhân Hydro (proton) cao sẽ không tạo ra tín hiệu G/chậm G/chậm Tín hiệu ECG Dòng máu Xung khởi tạo Dãy xung MRI Hình 3.15: Mô tả quá trình chụp đồng bộ từ nhịp tim LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 64 - Trong dãy xung cắt nhiều lớp,các lớp cắt có thể được định vị sao cho dòng máu đã chịu tác dộng của xung 900 ở một lớp cắt có thể chảy vào lớp cắt khác và chịu tác động của xung 1800 ở lớp cắt đó sau đó chảy vào lớp cắt thứ 3 và tạo ra tiếng vọng tại đó.Trong trường hợp này,mạch máu sẽ hiển thị với cường độ tín hiệu cao.Kết quả là một số lớp cắt có mạch máu có cường độ tín hiệu cao và một số mạch máu có cường độ tín hiệu thấp. ¾ Mẫu giả do dịch chuyển hóa học Mẫu giả do dịch chuyển hóa học gây ra do sự khác nhau về độ dịch chuyển hóa học (tần số Larmor) của nước và mô mỡ.Mẫu giả xuất hiện dưới dạng mất đồng bộ trong sắp xếp giữa các điểm ảnh nước và mô mỡ trong ảnh.Sự khác biệt về độ dịch chuyển hóa học giữa nước và mô mỡ xấp xỉ 3.5 ppm tương ứng với mức khác biệt tần số 220Hz ở từ trường 1.5T hoặc 147 Hz ở từ trường 1T.Trong suốt quá trình chọn lớp,có độ lệch nhỏ giữa vị trí của các spin trong nước và mô mỡ được quay đi bằng xung RF.Trong quá trình có xung mã hóa pha các spin trong nước và mô mỡ có được pha khác nhau.Kết quả là các spin trong nước và mô mỡ trong cùng một phần tử thể tích được mã hóa như là chúng ở trong các phần tử thể tích khác nhau,dẫn đến trong ảnh vị trí của spin sẽ dịch chuyển so với vị trí thực trong mô.Biên độ dịch chuyển tỷ lệ với biên độ từ trường chính B0 và tỷ lệ nghịch với tốc độ lấy mẫu theo chiều mã hóa tần số.Khi tốc độ lấy mẫu không đổi,từ trường chính B0 = 1.5T và tốc độ lấy mẫu là 16 kHz,độ dịch chuyển xấp xỉ 3.5 điểm ảnh.Khi B0 = 0.5T và tốc độ lấy mẫu 16 kHz độ dịch chuyển xấp xỉ 1 điểm ảnh Để loại trừ mẫu giả do dịch chuyển hóa học,ta có thể sử dụng biện pháp sau đây: • Sử dụng dãy xung có dải rộng hơn,chú ý rằng phương pháp này đồng thời làm tăng nhiễu tạp.Một dãy xung có dải thông hẹp hơn sẽ sử dụng một trường gradient đọc thấp hơn và gây ra các mẫu giả do dịch chuyển sẽ rõ ràng hơn.Khi thực hiện chụp não sự dịch chuyển không có liên quan đến chẩn đoán lâm sàng do cường độ tín hiệu từ mỡ có thể được chắn làm suy giảm so với tín hiệu từ nước.Trong trường hợp này có thể sử dụng dãy xung có dải thông hẹp hơn • Tráo đổi trường gradient mã hóa pha và tần số:Việc này làm thay đổi chiều xảy ra dịch chuyển hóa học • Sử dụng dãy xung đảo nghịch phục hồi ngắn STIR LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 65 - • Sử dụng phương pháp chắn tín hiệu từ mô mỡ ¾ Mẫu giả do phần tử thể tích Mẫu giả do phần tử thể tích là bất kỳ mẫu giả nào xuất hiện do kích thước của phần tử thể tích.Ví dụ,nếu phần tử thể tích nhỏ chỉ chứa một tín hiệu từ nước hay mô mỡ và một phần tử thể tích lớn hơn có chứa tổ hợp cả hai tín hiệu,phần tử thể tích lớn đó sẽ phát ra tín hiệu bằng trung bình trọng số của lượng nước và mô mỡ có trong phần tử thể tích.Một biểu hiện khác của mẫu giả loại này là giảm độ phân giải do nhiêu đặc tính có trong phần tử thể tích.Giải pháp khắc phục mẫu giả do thể tích không gian là chọn phần tử thể tích nhỏ hơn,tuy nhiên việc này có thể dẫn đến giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu trong ảnh ¾ Mẫu giả dạng che phủ Mẫu giả dạng che phủ là sự xuất hiện ở bên trong trường quan sát một phần của cấu trúc giải phẫu được tạo ảnh nằm bên ngoài của trường quan sát.Mẫu giả loại này xuất hiện do việc chọn trường quan sát nhỏ hơn so với kích thước đối tượng được tạo ảnh.Hoặc đặc biệt hơn cũng có thể do tốc độ số hóa (tần số lấy mẫu) nhỏ hơn khoảng tần số của tiếng vọng.Giải pháp khắc phục mẫu giả dạng che phủ là chọn trường quan sát lớn hơn,điều chỉnh vị trí của tâm ảnh hoặc chọn một cuộn dây tạo ảnh không kích thích hay thu nhận tín hiệu từ các mô bên ngoài trường quan sát mong muốn ¾ Mẫu giả dạng rung động Mẫu giả dạng rung động là một loạt các đường song song với các đường biên nơi có sự thay đổi đột ngột cường độ sáng.Nguyên nhân xuất hiện mẫu giả dạng rung động là do quá trình lấy mẫu đối với tiếng vọng chưa hoàn chỉnh.Điều này có nghĩa là tín hiệu không suy giảm đến 0 ở cuối quá trình thu nhận,và tiếng vọng không được số hóa đầy đủ.Mẫu giả loại này xuất hiện trên ảnh khi sử dụng ma trận thu nhận có kích nhỏ.Do đó,mẫu giả dễ dàng quan sát trên chiều 128 điểm của ma trận thu nhận 512 x 128.Giải pháp khác phục mẫu giả loại này là chọn kích thước ma trận hợp lý LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 66 - 3.4 Quy tắc an toàn trong khai thác và sử dụng thiết bị 3.4.1 Quy tắc bố trí thiết bị Thiết bị chụp cắt lớp CHTHN là một tổ hợp lớn có cấu trúc phức tạp do đó việc bố trí thiết bị cũng đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc.Nhìn chung,thiết bị được bố trí vào các phòng riêng biệt,bao gồm phòng hệ thống nguồn,phòng hệ thống nam châm,phòng chụp,phòng điều hành ngoài ra có thể bố trí phỏng rửa phim,phòng nhân viên…..Một cách bố trí đơn giản nhất được mô tả trên hình 3.16 I:Phòng hệ thống nguồn II:Phòng hệ thống nam châm III:Phòng chụp IV:Phòng điều hành 1:Nút tắt nam châm 2:Nút tắt khẩn cấp 3:Nút dừng bàn bệnh nhân Phòng hệ thống nam châm và phòng chụp có vách và cửa có khả năng chắn từ trường và sóng vô tuyến.Phần vách giữa bàn điều khiển và phòng chụp sử dụng vách kính trong có chắn từ trường và sóng vô tuyến.Nhiệt độ phòng yêu cầu 210C ± 30C độ ẩm tương đối 50-70 % 2 1 2 1 2 1 2 3 3 I II III IV Hình 3.16: Sơ đồ bố trí thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thông dụng I Bàn điểu khiển Bàn bệnh nhân Giá để các cuộn dây và phan tom LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 67 - 3.4.2. Quy tắc an toàn chung Người sử dùng cần nắm vững toàn bộ các quy tắc an toàn được đưa ra dưới đây và phải triệt để tuân thủ các quy tắc an toàn khi làm việc với thiết bị Việc sử dụng máy chụp cắt lớp chụp cắt lớp cộng hưởng từ bị cấm trong các trường hợp sau: • Đối với bệnh nhân có thiết bị điện,từ hay kim loại cấy ghép trong cơ thể như máy điều hòa nhịp tim,bơm insulin….do từ trường biến đổi tạo ra trong hệ thống có thể gây nhiễu cho các thiết bị đó • Đối với bệnh nhân có sử dụng kẹp mạch trừ khi nhân viên chuyên môn đảm bảo chắc chắn rằng kẹp mạch không hoạt động từ • Đối với bệnh nhân đã trải qua giải phẫu thẩm mỹ hay xăm mình trừ khi nhân viên chuyên môn bảo đảm chắc chắn rằng các sản phẩm đã sử dụng không hoạt động từ Cần hết sức đề phòng cẩn thận khi chụp cho các bệnh nhân sau: • Bệnh nhân có hội chứng sợ hãi hay có nguy cơ tai biến mạch máu • Bệnh nhân có triệu chứng ngừng tim • Bệnh nhân bất tỉnh,không có khả năng tự lực,tê liệt hay quá yếu,bệnh nhân mất cảm giác hay bị xúc động mạnh,trẻ em dưới 7 tuổi • Phụ nữ có thai Cần bố trí một khu vực cấp cứu ở vị trí thích hợp bên ngoài từ trường để xử trí các bệnh nhân cần trợ giúp khẩn cấp do mất an toàn hay do bị ảnh hưởng bởi các thiết bị nằm trong từ trường Trong quá trình vận hành thiết bị cần thực hiện đúng quy trình thao tác: • Mở và tắt hệ thống đúng theo các thủ tục chụp • Trong quá trình chụp phải liên tục giám sát hệ thống • Thường xuyên theo dõi bệnh nhân trong quá trình chụp thông qua màn hình,thiết bị theo dõi….. Nếu xảy ra trường hợp khẩn cấp như trạng thái nguy hiểm cho bệnh nhân,hệ thống không hoạt động….,phải tắt hệ thống ngay lập tức bằng cách ấn nút tắt khẩn cấp và cho nhân viên có thẩm quyền giải quyết.Những người có thiết bị cấy ghép hay mang các vật kim loại khác không vào phòng chụp.Cửa phòng chụp phải khóa lại khi không sử dụng LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 68 - ¾ Các quy tắc cơ bản Tuân theo đúng quy định của Nhà nước và địa phương có liên quan đến máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân Tuy nhiên,nên tuân thủ theo các hướng dẫn sử dụng ngay cả khi vượt chúng vượt quá quy định của Nhà nước và địa phương để bảo đảm an toàn cho bệnh nhân,nhân viên và các đối tượng khác. • Bình và ống dẫn Hêli (hoặc Nitơ) cần bảo đảm áp suất theo quy định • Cần có sổ tay ghi chép về hệ thống,về các nhân viên kỹ thuật • Ghi chép toàn bộ tình hình các tai nạn xảy ra để đáp ứng thích hợp yêu cầu của cơ quan quản lý,cơ quan chuyên môn và cơ sở đào tạo • Không sử dụng hệ thống trong môi trường cháy nổ • Các dấu hiệu cảnh báo và dấu hiệu an toàn thích hợp phải được niêm yết để quan sát được một cách rõ ràng • Ghi nhớ đầy đủ vị trí và chức năng của các nút tắt khẩn cấp • Tổ chức tốt việc huấn luyện,thẩm định trình độ cho nhân viên một cách thường xuyên ¾ Kiểm tra chức năng an toàn Đây là trách nhiệm của người sử dụng nhằm bảo đảm cho các chức năng an toàn hoạt động đúng như thiết kế: Các chức năng an toàn cần kiểm tra hàng năm là: • Chức năng dừng nam châm • Chức năng dừng bàn bệnh nhân • Chức năng nút tắt khẩn cấp • Chức năng nút mở khẩn cấp đối với cửa khí nén • Hệ thống thiết bị vô tuyến • Hệ thống nam châm • Các vật dẫn điện có vỏ bọc • Các phụ tùng đảm bảo an toàn • Các thành phần khác (hệ thống liên lạc,dấu hiệu cảnh báo….) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 69 - 3.4.3 Quy tắc an toàn đối với bệnh nhân và nhân viên ¾ Quy định về các nút khẩn cấp • Có ba loại nút khẩn cấp là:nút tắt nam châm,nút tắt khẩn cấp và nút dừng bàn bệnh nhân • Các dây cáp nguồn của hệ thống phải bố trí theo đường hợp lý qua một cầu trì do người sử dụng đặt hoăc qua một công tắc nối đất với nút tắt khẩn cấp • Nút tắt khẩn cấp chỉ sử dụng trong 3 trường hợp:ngăn chặn nguy hiểm cho người hay thiết bị,xảy ra sự cố cháy nổ và xảy ra tai nạn về điện • Nút tắt nam châm được sử dụng để bảo vệ an toàn cho người khi có trường hợp khẩn cấp do từ trường gây ra hoặc khi có sự cố cháy nổ.Thời gian để từ trường giảm đến mức không nguy hiểm (20 mT) là nhỏ hơn 3 phút. • Khi ấn tắt nút nam châm,chất làm lạnh Hêli thoát ra và bốc hơi nhanh chóng,nhiệt độ bảo đảm cho nam châm siêu dẫn không được duy trì.Để tránh nguy hiểm,không sờ vào lỗ thoát Hêli,lau sạch các hạt nhỏ ngưng tụ trên lỗ thoát ¾ Quy tắc liên quan đến sóng vô tuyến Trong quá trình phát xạ cơ thể sẽ hấp thụ năng lượng sóng vô tuyến.Năng lượng hấp thụ được đo bằng tốc độ hấp thụ riêng (Specific Absorption Rate-SAR) đó là năng lượng hấp thụ trên 1 kg trọng lượng cơ thể: SAR=Năng lượng sóng vô tuyến/giây/kg trọng lượng cơ thể=[W/kg] Nhiệt độ cơ thể sẽ tăng lên khi SAR vượt quá khả năng điều chỉnh thân nhiệt của cơ thể.Giới hạn của SAR tùy thuộc vào bộ phận cần chụp.Tỷ lệ này đối với toàn thân phải nhỏ hơn 0.4 W/kg.Đối với phần đầu trung bình phải nhỏ hơn 3.2 W/kg.Các dãy xung không được làm tăng nhiệt độ cơ thể lên quá 10C và không lớn hơn 380C đối với đầu,390C đối với thân và 400 đối với tứ chi.Cần nắm được trọng lượng bệnh nhân trước khi chụp và trong quá trình chụp phải liên tục theo dõi chỉ số SAR nhờ hệ thống kiểm soát ¾ Quy tắc an toàn liên quan đến chất làm lạnh Chất làm lạnh được sử dụng để duy trì tính siêu dẫn cho nam châm ở đây là dung dịch Hêli.Đây là dung dịch không màu,không mùi,không vị khó cháy,không độc hại nhưng làm bỏng da khi tiếp xúc. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 70 - Khi kiểm soát không đúng hay hệ thống hỏng dung dịch Hêli có thể thoát ra và hóa hơi ngay do nhiệt độ sôi của Hêli rất thấp (-2690C) .Khí Hêli lan tỏa rất nhanh trong phòng và thay thế khí ôxy trong không khí.Biểu hiện có khí Hêli là có cảm giác tê cóng hoặc nghẹt thở. Phần cơ thể tiếp xúc với không khí hoặc bị không khí thấm qua có thể bị tổn thương do khí Hêli trong không khí.Dung dịch Hêli sẽ ngưng đọng trên da và gây “cháy da”.Mắt là cơ quan sẽ bị tổn thương nặng nhất.Khi có hiện tượng này,cần cởi bỏ quần áo một cách cẩn thận,rửa nhẹ phần da bị tổn thương bằng nước,che bằng gặc tiệt trùng và nhanh chóng gọi bác sĩ,không được chà xát,xoa bóp vùng da bị tổn thương. 3.4.4 Quy tắc an toàn đối với thiết bị Các túi chất làm lạnh phải đượi bảo quản an toàn ở phía trên và có thiết bị bảo vệ chống nguy hiểm.Không được bố trí ở vị trí gây cản trở đến lối thoát khẩn cấp và hành lang.Từ trường được sử dụng đủ mạnh để có thể xóa mất thông tin trong các thiết bị lưu trữ từ như đĩa,băng,thẻ tín dụng,thẻ ngân hàng hay các thiết bị lưu trữ từ khác (từ trường 50 Gauss có thể xóa mất thông tin trong các thiết bị lưu trữ từ) cũng như phá hủy các thành phần nhạy cảm cơ khí trong đồng hồ,máy nhắn tin,máy trợ thính…Bảng sau đây chỉ ra ảnh hưởng của từ trường lên các thiết bị.Khoảng cách tính từ tâm của nam châm theo các trục x,y và z; x=y là bán kính,x là khoảng cách đối xứng theo trục nam châm Bảng 3.2 Ảnh hưởng của từ trường lên các thiết bị Từ trường Khoảng cách nhỏ nhất [m] Thiết bị chịu ảnh hưởng 3mT x = 1,80 m z = 2,90 m Động cơ nhỏ,đồng hồ,camera,thẻ tín dụng,vật lưu trữ dữ liệu từ 1mT x = 2,20 m z = 3,60 m Máy hiện sóng,bộ vi xử lý,ổ đĩa 0,5mT x = 2,40 m z = 4,30 m Màn hình đen trắng vật lưu trữ dữ liệu từ,máy điều hòa nhịp tim,bơm insulin 0,2mT x = 3,40 m z = 5,50 m Hệ thống máy chụp cắt lớp CT của Siemens sản xuất 0,1mT x = 4,50 m z = 6,70 m Màn hình màu,máy gia tốc tuyến tính của Siemens sản xuất 0,05mT x = 5,90 m z = 8,30 m Bộ khuếch đại ảnh tia X,gamma camera,máy gia tốc tuyến tính của các hãng khác LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 71 - Do đó,không được mang các thiết bị lưu trữ từ hay các vật sắt từ vào phòng chụp 3.5. Hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN Hệ thống máy tính, bao gồm máy chủ và khối điều khiển chính, điều khiển hoạt động của toàn bộ các thành phần khác. Hệ thống nam châm tạo ra từ trường chính B0 phục vụ thủ tục tạo ảnh. Thủ tục chụp do người điều hành quyết định dựa trên yêu cầu chẩn đoán và lựa chọn thông qua bàn điều khiển. Thủ tục chụp từ khối điều khiển chính đưa sang các hệ thống khác để điều khiển toàn bộ quá trình chụp. Bệnh nhân được đưa vào trong khoang chụp (trong vùng từ trường chính B0) nhờ thiết bị bàn bệnh nhân có điều khiển bằng máy tính; bàn này có khả năng định vị với độ chính xác rất cao.Tín hiệu điều khiển đưa sang khối phát xung gradient, được khuếch đại đến biên độ đủ lớn nhờ tầng công suất và sau đó, được đưa sang cuộn dây gradient tạo ra trường gradient Gx, Gy và Gz theo 3 trục X, Y, Z tương ứng với yêu cầu của quá trình chụp. Khối phát xung gradient phối hợp cùng khối điều khiển chính và hệ thống thu nhận dữ liệu để thu nhận và phân phối dữ liệu phát ra từ các mô trong cơ thể bệnh nhân. Tín hiệu điều khiển cũng được đưa sang khối phát và bộ tạo xung trong hệ thống RF. Khối nguồn xung vô tuyến phát tín hiệu hình sin tần số vô tuyến (trong một số thiết bị chụp cắt lớp là f = 42MHz) sau đó đưa sang bộ tạo xung. Xung vô tuyến tần số cao được khuếch đại và đưa đến các cuộn RF để phát ra nhằm thực hiện các quá trình kích thích. Đây là hệ thống tạo xung vô tuyến theo chương trình, tiến hành định dạng xung theo dãy xung tạo ảnh sử dụng trong thủ tục chụp đã chọn (tạo ra các xung hình sinc có độ rộng và chu kỳ lặp lại nhất định). Sau chu trình phát, chuyển mạch thu phát chuyển sang chế độ thu. Tín hiệu vô tuyến phát ra từ các mô trong cơ thể bệnh nhân sẽ được thu nhận bởi cuộn thu RF. Tín hiệu này qua chuyển mạch thu phát vào khối tiền khuếch đại, sau đó qua bộ tách sóng cầu phương. Tín hiệu sau bộ tách sóng cầu phương sẽ được chuyển đổi sang dạng số và lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính. Người điều hành có thể quan sát ảnh thu được trên màn hình ở bàn điều khiển hoặc bằng bản sao lấy ra từ máy in phim, đồng thời ảnh cũng được lưu trữ trong máy tính.Phòng chụp được bao quanh bằng các tấm chắn sóng vô tuyến để ngăn các xung tần số vô tuyến mang năng lượng cao lọt ra gây ảnh hưởng đến người và thiết bị khác.Đồng thời chắn không cho sóng vô tuyến từ thiết bị truyền thanh, truyền hình... lọt vào thiết bị chụp cắt lớp làm ảnh hưởng đến kết quả tạo ảnh.Phòng chụp còn được bao quanh bằng các tấm chắn từ tính với chức năng tương tự. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 72 - Trong các nam châm được chế tạo gần đây nhất, tấm chắn từ tính được đưa vào thành một phần của nam châm. 3.6. Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng và công cụ mô phỏng Hiện nay trên thế giới đã có một số phần mềm mô phỏng thiết bị chụp cắt lớp CHTHN, tuy nhiên hầu hết chỉ tập trung vào việc mô phỏng các quá trình xử lý dữ liệu có sẵn để tái tạo ảnh cộng hưởng từ và ảnh hưởng của một vài tham số lên chất lượng của ảnh. Các phần mềm này có giao diện sử dụng tương đối giống với thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thật. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với các y bác sỹ hay các kỹ thuật viên trong việc huấn luyện, thao tác sử dụng trước khi tiếp cận thực tế với loại máy phức tạp và hiện đại này. Với các sinh viên kỹ thuật y sinh thì các phần mềm mô phỏng này lại không mang lại hiệu quả nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của thiết bị. Ở đây có thể đưa ra một số phần mềm mô phỏng hiện có như sau: ● Phần mềm “Thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân ảo” của tác giả Thomas Hacklander tại Học viện kỹ thuật IFTM-Đức. Đây là một phần mềm tương đối lớn và đầy đủ mô phỏng các thủ tục cần thiết khi tiến hành thao tác chụp ảnh cộng hưởng từ của một thiết bị thật. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Java, có giao diện đẹp và dễ sử dụng. Giao diện chính của chương trình có dạng như sau: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 73 - Phần mềm cho phép tải dữ liệu sẵn có của một ảnh CHTHN thu được từ thiết bị thật, sau đó tiến hành xử lý bằng cách thay đổi các tham số của từng phương pháp tạo ảnh cụ thể để được các ảnh CHTHN có chất lượng khác nhau. Giao diện và các thao tác trên phầm mềm khá giống với thiết bị thật, nên chương trình có thể dùng như một công cụ ảo giúp các y bác sỹ, các nhân viên kỹ thuật,… tiến hành thao tác sử dụng trước khi làm việc với thiết bị thật. ● Một số phần mềm mô phỏng khác chủ yếu là các chương trình được viết trên MatLab. Bằng cách tải các dữ liệu và sử dụng các hàm có sẵn trong hộp công cụ xử lý ảnh của thư viện MatLab có thể tiến hành thay đổi các tham số khác nhau để tác động đến chất lượng của ảnh. Nhìn chung ở tất cả các sản phẩm này đều chỉ thực hiện mô phỏng khâu xử lý bằng phần mềm trong thiết bị chụp cắt lớp CHTHN thật, còn không đề cập tới các công đoạn xử lý bởi phần cứng. Hình 3.17: Giao diện chính của phầm mềm “Thiết bị cộng hưởng từ ảo” LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 74 - Do đó đối với các sinh viên kỹ thuật cần nghiên cứu các quá trình xử lý tín hiệu thực sự trên tất cả các khâu của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN chúng không mang lại hiệu quả cao, tuy nhiên chúng cũng là các tư liệu tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu thiết bị nói chung.Trở lại với mục tiêu của đề tài luận văn “Mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN bằng phần mềm Mallab”. Từ việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của thiết bị này trên tất cả các khâu xử lý cả bằng phần cứng lẫn phần mềm trong chương 2 và chương 3, ta nhận thấy các tín hiệu xử lý trên các khâu phần cứng của thiết bị đều có thể biểu diễn dưới dạng vector, ma trận. Ngoài ra các khâu xử lý bằng phần mềm của thiết bị có thể được thực hiện bằng các thuật toán thông dụng như phép biến đổi Fourier, tích chập, các hàm lượng giác… với các dữ liệu ở dạng vector, ma trận. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 75 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brian Hargreaves.Bloch Equation Simulation. Website: [2] TS.Huỳnh Lương Nghĩa.Cơ sở thiết bị chụp cắt lớp máy vi tính.Học viện kỹ thuật quân sự [3] Jerrold T.Bushberg “et al”(2002).The Essential Physics Of Medical Imaging.Lippincott Williams & Wilkins [4] Tamal Bose (2004).Digital Signal And Image Processing.John Wiley & Sons [5] Thomas Hacklander.Vitual Scaner MRI.IFTM Germany [6] BS.Trần Đức Quang (2007).Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ(MRI).Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [7] Joseph P.Hornak.The Basics Of MRI. Website:www.cis.rit.edu\htbooks\mri\inside.htm [8] Phạm Hồng Liên.Đặng Ngọc Khoa.Trần Thanh Phương (2006). Matlab và ứng dụng trong viễn thông.Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [9] John L.Semmlow (2004).Biosignal and Biomedical Image Processing MATLAB-Based Applications.Marcel Dekker [10] Website: www.cogsci.ucsd.edu\~sereno\276\notes.pdf [11] Zhenghui Zhang (2006).Field Inhomogeneity Compensation In High Field Magnetic Resonance Imaging (MRI). Website: etd.library.pitt.edu/ETD/available/etd-11132006-163142/unrestricted/zhz14_Thesis06.pdf