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

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ------------oOo------------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN SVTH : LÊ MINH HÒA MSSV : K0200931 Tp. HCM, tháng 6 – 2007 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHBK TP. HCM Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG -------------------- -------------------------- Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 26 Tháng 02 Năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên: LÊ MINH HÒA MSSV: K0200931 Ngành: Vật lý kĩ thuật Khóa: 2002 - 2007 1. Tên luận văn: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN 2. Nhiệm vụ và nội dung: - Trình bày nguyên lý hoạt động của máy cộng hưởng từ hạt nhân. Các phương pháp cơ bản cũng như nâng cao trong ghi nhận tín hiệu cộng hưởng từ. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh và xảo ảnh. - Trình bày nguyên lý của kĩ thuật chụp ảnh khuếch tán và ứng dụng trong chẩn đoán các bệnh về não. 3. Ngày giao nhiệm vụ: 26-02-2007 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 09-06-2007 5. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: KS. PHAN NHẬT ĐÁN Ngày 26 Tháng 02 Năm 2007 Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm Bộ môn Chủ nhiệm Khoa iii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo và truyền đạt những kiến thức chuyên ngành làm nền tảng cho việc hoàn thành luận văn này. Xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến Viện trưởng – GS. TSKH. Vũ Công Lập, TS. Nguyễn Đông Sơn, Thầy Phan Nhật Đán, Cô Nguyễn Thị Thanh Phương và các thầy cô thuộc Phân Viện Vật Lý Y Sinh Học đã giúp tôi định hướng đề tài, tạo điều kiện cho tôi tiếp xúc với nguồn tài liệu rất phong phú, cũng như đã phản biện và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình tôi thực tập và hoàn thành luận văn tại đây. Xin gửi lời cảm ơn đến các bác sĩ khoa chuẩn đoán hình ảnh bệnh viện Nhân Dân 115 đã giúp tôi trong việc tìm hiểu các ứng dụng của ảnh cộng hưởng từ khuếch tán. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn Hà Thúc Nhân và bạn Phạm Như Ngọc đã giúp tôi rất nhiều trong việc hiệu chỉnh hình ảnh của luận văn này. Đặc biệt, luận văn không thể hoàn thành nếu thiếu sự động viên của gia đình và bạn bè. Sau cùng, xin kính chúc các thầy cô trong Bộ môn Vậy Lý Kỹ Thuật Y Sinh đạt được nhiều thành công trong công tác đào tạo và nghiên cứu. TP. Hồ Chí Minh tháng 6 năm 2007 Lê Minh Hòa iv TÓM TẮT LUẬN VĂN - . . . v ABSTRACT Medical Diagnostic Imaging has recently been an inevitable diagnosing department in most diagnostic activities and treatment procedures at medical clinics and hospitals. One of the most modern and most used is the Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner. After three decades since its existence, MRI has gone through many technical breakthrough improvements which could be considered as a big revolution noninvasive diagnostic imaging. The mastering of these techniques is significant not only in the repairing of any malfunction, but also in the making the most effective use of the MRI scanner. In this paper, the basics and principles of MRI will be presented most basically. Brain diseases such as brain haemorrhage, brain vein blocking, brain tumor, etc., are continuously increasing while early diagnostic tools like CT or conventional MRI prove to be less effective. In order to recommend a more effective early diagnoctic tool, this paper presents the basic principles and practical applications of Diffusion MRI, in comparison in effectiveness with Conventional MRI. In the aim of paving the way for deeper research, this paper does not give emphasis to the hardware, but rather to the principles and the evaluation of clinic applications. vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH A/D Analog-Digital Converter ADC Apparent Diffusion Coefficient CSF Cerebrospinal Fluid CT Computed Tomography DTI Diffusion Tensor Imaging DWI Diffusion Weighted Image ECG Electrocardiograph EPI Echo Planar Imaging ET Echo Train FFE Fast Field Echo FID Free Induction Decay FLAIR Fluid Attenuation Inversion Recovery fMRI Functional Magnetic Resonance Imaging FOV Field Of View FT Fourier Transform G Gradient GRE GRadient Echo GS Gated Sweep I Imaginary IR Inversion Recovery M Magnitude MA/MS Matrix size ME Multiple Echo MRA Magnetic Resonance Angiography MRI Magnetic Resonance Imaging vii NMR Nuclear Magnetic Resonance NSA Number of Signals Averaged pbw Pixel Bandwidth PD Proton Density PEAR Phase Encoded Artifact Reduction PT Prospective Triggering R Real RC Respiratory Compensation REST Regional Saturation Technique RF Radio Frequency rFOV Rectangular Field Of View RT Respiratory Trigger RT Retrospective Triggering SE Spin Echo SMART Serial Motion Artifact Ruduction Technique SNR Signal to Noise Ratio SR Slew Rate ST/THK Slice Thickness STIR Short TI Inversion Recovery TE Time of Echo TFE Turbo Field Echo T-GRE Turbo Gradient Echo TI Time of Inversion TR Time of Repetition TSE Turbo Spin Echo WFS Water Fat Shift viii MỤC LỤC ĐỀ MỤC Trang Trang bìa ............................................................................................................... i Nhiệm vụ luận văn ........................................................................................................ ii Lời cảm ơn ............................................................................................................ iii Tóm tắt luận văn ............................................................................................................. iv Abstract .............................................................................................................. v Danh sách các từ viết tắt ................................................................................................ vi Mục lục .......................................................................................................... viii PHẦN I : TỔNG QUAN ............................................................................................... 1 PHẦN II: NỘI DUNG ................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MRI .................................................. 3 1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 3 1.1.1. Lịch sử phát triển của cộng hưởng từ hạt nhân .......................................... 3 1.1.2. Cơ sở vật lý: Định luật cảm ứng Faraday ................................................... 5 1.1.3. Cơ sở toán học: Phép biến đổi Fourier ....................................................... 6 1.2. Hạt nhân trong từ trường ................................................................................... 9 1.2.1. Spin hạt nhân ............................................................................................... 9 1.2.2. Định hướng của hạt nhân trong từ trường................................................. 10 1.2.3. Hai mức năng lượng .................................................................................. 10 1.3. Tác dụng của sóng RF ..................................................................................... 11 1.3.1. Tần số Larmor ........................................................................................... 11 1.3.2. Tần số cộng hưởng .................................................................................... 12 1.3.3. Vài tính chất của một số hạt nhân sử dụng trong sinh học ....................... 12 1.3.4. Vector từ hóa mạng ................................................................................... 13 1.3.5. Tác dụng của từ trường tạo ra bởi sóng RF .............................................. 13 1.4. Các quá trình hồi phục ..................................................................................... 15 ix 1.4.1. Quá trình suy giảm T2 .............................................................................. 15 1.4.2. Quá trình suy giảm T2* ............................................................................ 17 1.4.3. Quá trình hồi phục T1 ............................................................................... 17 CHƢƠNG 2. MÃ HÓA KHÔNG GIAN VÀ TÁI TẠO ẢNH ........................... 20 2.1. Trường Gradient .............................................................................................. 20 2.2. Pixel, Voxel và FOV ........................................................................................ 20 2.3. Chọn lớp cắt ..................................................................................................... 21 2.4. Lớp cắt xiên ..................................................................................................... 22 2.5. Mã hóa pha và mã hóa tần số ........................................................................... 22 2.6. Ví dụ về tính toán GS, GP, Gf cho một lớp cắt. ................................................ 24 2.6.1. Gradient chọn lớp cắt ................................................................................ 24 2.6.2. Gradient mã hóa pha ................................................................................. 24 2.6.3. Gradient mã hóa tần số ............................................................................. 25 2.7. Ví dụ về tái tạo hình ảnh trên hai voxel ........................................................... 26 2.7.1. Thiết lập các trục tọa độ ............................................................................ 26 2.7.2. Tác dụng của gradient mã hóa tần số và gradient mã hóa pha. ................ 26 2.8. Kết quả đo ........................................................................................................ 27 2.8.1. Kết quả đo từ voxel thứ nhất ..................................................................... 28 2.8.2. Kết quả đo từ voxel thứ hai ....................................................................... 29 2.8.3. Biến đổi Fourier ........................................................................................ 29 2.8.4. Hình ảnh thu nhận ..................................................................................... 33 CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI NHẬN TÍN HIỆU MRI .................. 34 3.1. Các phương pháp cơ bản ................................................................................. 34 3.1.1. Phương pháp SE ........................................................................................ 34 3.1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................ 34 3.1.1.2. Chuỗi xung SE ................................................................................... 36 3.1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................ 37 3.1.2. Phương pháp IR ........................................................................................ 38 3.1.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 38 x 3.1.2.2. Chuỗi xung IR .................................................................................... 39 3.1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................ 40 3.1.3. Phương pháp GRE .................................................................................... 40 3.1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................ 40 3.1.3.2. Chuỗi xung GRE ................................................................................ 41 3.1.3.3. Ứng dụng ............................................................................................ 42 3.1.4. Phương pháp chụp đa lớp cắt và chụp khối 3D. ....................................... 43 3.2. Các phương pháp nâng cao .............................................................................. 45 3.2.1. Không gian k ............................................................................................. 45 3.2.2. Phương pháp TSE ..................................................................................... 49 3.2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 49 3.2.2.2. Chuỗi xung TSE ................................................................................. 50 3.2.2.3. Ứng dụng ............................................................................................ 51 3.2.3. Phương pháp T-GRE ................................................................................. 52 3.2.3.1. Giới thiệu ............................................................................................ 52 3.2.3.2. Chuỗi xung TFE ................................................................................. 54 3.2.3.3. Ứng dụng ............................................................................................ 55 3.2.4. Phương pháp EPI ...................................................................................... 56 3.2.4.1. Giới thiệu ............................................................................................ 56 3.2.4.2. Chuỗi xung EPI .................................................................................. 57 3.2.4.3. Ứng dụng ............................................................................................ 58 CHƢƠNG 4. CHẤT LƢỢNG HÌNH ẢNH .......................................................... 59 4.1. Các mục tiêu kĩ thuật của ảnh cộng hưởng từ ................................................. 59 4.2. Độ tương phản ................................................................................................. 61 4.2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 61 4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tương phản ................................................ 62 4.2.3. Độ tương phản trong phương pháp SE ..................................................... 63 4.2.4. Độ tương phản trong phương pháp Inversion Recovery (IR) ................... 67 4.2.5. Độ tương phản trong phương pháp Gradient Echo (GRE) ....................... 68 4.3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ........................................................................ 70 xi 4.3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 70 4.3.2. Ảnh hưởng của kích thước voxel. ............................................................. 71 4.3.3. Ảnh hưởng của thiết bị phần cứng ............................................................ 72 4.3.4. Ảnh hưởng của loại chuỗi xung sử dụng .................................................. 73 4.3.5. Ảnh hưởng của số lần thu nhận tín hiệu (NSA) ........................................ 73 4.3.6. Ảnh hưởng của rFOV................................................................................ 74 4.3.7. Ảnh hưởng của phương pháp quét bán phần ............................................ 75 4.3.8. Ảnh hưởng của phương pháp quét thu gọn ............................................... 75 4.3.9. Ảnh hưởng của phương pháp chụp khối 3D ............................................. 76 4.3.10. Ảnh hưởng của độ dịch chuyển hóa học (WFS) ................................... 76 4.4. Độ phân giải không gian .................................................................................. 77 4.5. Thời gian thu nhận ảnh .................................................................................... 79 4.6. Các loại xảo ảnh ............................................................................................... 79 4.6.1. Giới thiệu .................................................................................................. 79 4.6.2. Xảo ảnh do chuyển động của bệnh nhân .................................................. 80 4.6.3. Xảo ảnh do nhịp thở .................................................................................. 80 4.6.3.1. Kĩ thuật bù nhịp thở ........................................................................... 81 4.6.3.2. Kĩ thuật thu nhanh .............................................................................. 82 4.6.3.3. Kĩ thuật SMART ................................................................................ 82 4.6.3.4. Kĩ thuật bão hòa vector từ hóa cục bộ ................................................ 82 4.6.4. Xảo ảnh tim ............................................................................................... 83 4.6.4.1. Kĩ thuật đánh dấu sau sóng R ............................................................. 83 4.6.4.2. Kĩ thuật quét theo cổng ...................................................................... 84 4.6.4.3. Kĩ thuật thu ảnh liên tiếp đơn lớp cắt ................................................. 84 4.6.5. Xảo ảnh chồng lấn..................................................................................... 85 4.7. Tác nhân tương phản ....................................................................................... 85 4.7.1. Giới thiệu .................................................................................................. 85 4.7.2. Các loại tác nhân tương phản thường dùng .............................................. 86 CHƢƠNG 5. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ & PHẦN CỨNG CỦA MÁY MRI ............ 88 5.1. Sơ đồ tổng quát ................................................................................................ 88 xii 5.2. Hệ thống nam châm ......................................................................................... 89 5.3. Hệ thống Gradient ............................................................................................ 91 5.4. Hệ thống cuộn RF ............................................................................................ 91 PHẦN III: ỨNG DỤNG .............................................................................................. 96 CHƢƠNG 6. ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ KHUẾCH TÁN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH BỆNH LÝ NÃO .................................................................... 96 6.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 96 6.2. Quá trình khuếch tán của phân tử .................................................................... 96 6.2.1. Khuếch tán tự do, định luật Fick và phương trình Einstein ...................... 96 6.2.3. Khuếch tán bất đẳng hướng ...................................................................... 98 6.3. Ảnh hưởng của quá trình khuếch tán lên tín hiệu MRI ................................... 98 6.3.1. Chuỗi xung SE và Gradient cố định ......................................................... 99 6.3.2. Chuỗi xung ME và Gradient cố định ......................................................100 6.3.3. Chuỗi xung Stejskal-Tanner ...................................................................101 6.4. Ảnh hưởng của xung khuếch tán lên ảnh MRI ..............................................102 6.5. Ảnh cộng hưởng từ khuếch tán tự do DWI ...................................................103 6.6. Bản đồ khuếch tán ADC ................................................................................105 6.7. Ảnh cộng hưởng từ khuếch tán bất đẳng hướng DTI ....................................107