Nghiên cứu thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân, ứng dụng trong chẩn đoán điều trị.

- CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MRI : Magenetic Resonance Imaging - Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân CHTHN : Cộng hƣởng từ hạt nhân Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân : Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân FID : Free Induction Decay - Tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do NMR : Nuclear Magnetic Resonance - Cộng hƣởng từ hạt nhân Voxel : Phần tử thể tích MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU.
- 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1.
- Khái niệm chung về chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Quá trình phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Cơ sở vật lý của thiết bị chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Hiện tƣợng cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Kích thích tín hiệu cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Phƣơng pháp mã hóa không gian tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Quá trình thu nhận tín hiệu và vai trò của bộ tách sóng pha cầu phƣơng trong việc xử lý tín hiệu.
- Lấy mẫu và chuyển đổi tín hiệu FID tƣơng tự sang dạng số.
- Quá trình xử lý và tái tạo ảnh trong Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Các phƣơng pháp tạo ảnh.
- 29 CHƢƠNG II CẤU TẠO, HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN ĐIỀU TRỊ 2.1.
- Chức năng và hoạt động của từng khối.
- Hệ thống thiết bị vô tuyến.
- Hệ thống thu nhận tín hiệu.
- Hoạt động của thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân………..49 2.4.
- Ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 3.1.
- Tổng quan về một số phần mềm mô phỏng về MRI hiện có .
- Khảo sát một số phần mềm mô phỏng về MRI hiện có.
- Mô phỏng từng công đoạn xử lý của thiết bị.
- Mô phỏng quá trình kích thích và tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu bằng bộ tách sóng pha cầu phƣơng.
- Mô phỏng quá trình xử lý và hiển thị ảnh.
- Mô phỏng toàn bộ quy trình xử lý của thiết bị.
- Chƣơng trình mô phỏng.
- 78 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1.
- Mô phỏng công đoạn kích thích và tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Mô phỏng công đoạn thu nhận và xử lý tín hiệu bằng bộ tách sóng pha cầu phƣơng.
- Mô phỏng công đoạn xử lý và hiển thị ảnh.
- 91 Phụ lục I : Chƣơng trình mô phỏng quá trình kích thích và tạo giả tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- 91 Phụ lục II: Chƣơng trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu bằng bộ tách sóng pha cầu phƣơng.
- 103 Phụ lục III: Chƣơng trình mô phỏng quá trình xử lý và hiển thị ảnh.
- 111 Phụ lục IV: Chƣơng trình mô phỏng toàn bộ nguyên lý hoạt động của thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- 119 Phụ lục V: Các hàm định nghĩa dùng trong quá trình mô phỏng.
- 131 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ nói chung, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật và công nghệ phục vụ trong lĩnh vực y tế cũng không ngừng lớn mạnh.
- Cùng với sự phát triển này là sự xuất hiện của một chuyên ngành kỹ thuật mới, đó chính là chuyên ngành Kỹ thuật Y Sinh.
- Trong lĩnh vực Kỹ thuật y sinh, một bộ phận hết sức quan trọng là nghiên cứu khai thác sử dụng các loại trang thiết bị y tế.
- Trong đó nhóm các thiết bị chẩn đoán hình ảnh chiếm số lƣợng tƣơng đối lớn và đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong y tế hiện nay.
- Thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân (Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân) là một trong những thiết bị chẩn đoán hình ảnh rất phức tạp và đắt tiền.
- Với điều kiện nƣớc ta hiện nay, thiết bị này mới chỉ đƣợc trang bị ở các bệnh viện tuyến trên.
- Do đó, việc đƣợc tiếp cận thực tế với thiết bị để có thể tiến hành nghiên cứu, khai thác sử dụng một cách hiệu quả là rất hạn chế và khó khăn.
- Mặt khác, xuất phát từ thực tế học tập, nghiên cứu và giảng dạy trong chuyên ngành Kỹ thuật y sinh, một chuyên ngành vẫn còn mới mẻ ở nƣớc ta nên chƣa có nhiều các công cụ và mô hình thí nghiệm phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu.
- Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy giáo Nguyễn Đức Thuận, tôi đã thực hiện luận văn tốt nghiệp về thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân này.
- Nghiên cứu thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân 2 ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị.
- Đây là một luận văn mô tả cấu tạo chức năng của máy chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân ứng dụng trong y tế và mô phỏng hoạt động của máy chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân bằng phần mềm với mục đích xây dựng một công cụ thí nghiệm ảo mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh và các chuyên ngành kỹ thuật có liên quan khác.
- Trên thực tế đã có một số thiết bị mô phỏng về thiết bị này nhƣng mới chỉ tập trung vào việc xử lý và hiển thị ảnh với các dữ liệu có sẵn chủ yếu phục vụ cho việc huấn luyện của các y bác sỹ.
- Nội dung luận văn gồm 4 chƣơng : Chương 1: Tổng quan về thiết bị chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Chương 2: Cấu tạo, hoạt động của thiết bị Chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị.
- Chương 3: Mô hình toán học và sơ đồ thuật toán mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Chương 4: Kết quả mô phỏng.
- Trong quá trình nghiên cứu, do còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.
- 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1.
- Khái niệm chung về chụp cắt lớp Cộng hưởng từ hạt nhân Chụp cắt lớp cộng hƣởng từ hạt nhân (Magenetic Resonance Imaging - MRI) là một kỹ thuật tạo ảnh thƣờng sử dụng chủ yếu trong y học để tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trƣờng và sóng radio.
- MRI dựa trên cơ sở nguyên lý cộng hƣởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR), một kỹ thuật phân tích phổ sử dụng trong nghiên cứu khoa học để thu đƣợc các thông tin vi mô về cấu trúc vật lý hay hóa học của phân tử.
- MRI ban đầu đƣợc sử dụng làm một phƣơng pháp chụp cắt lớp, tức là tạo ra một ảnh tín hiệu NMR trong một lớp cắt mỏng xuyên qua cơ thể con ngƣời.
- Máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ 4 Chụp MRI là phƣơng pháp đƣa cơ thể vào vùng từ trƣờng cực mạnh đang hoạt động theo một chiều nhất định, tất cả các nguyên tử của các mô trong cơ thể đang chuyển động tự do theo nhiều chiều và dƣới sự tác động của từ trƣờng có định hƣớng của hệ thống MRI sẽ thay đổi chiều chuyển động theo một hƣớng nhất định sau đó các hệ thống thu tín hiệu sẽ bắt đƣợc chiều chuyển động của các nguyên tử này để truyền về hệ thống vi tính xử lý tín hiệu và tạo ra hình ảnh.
- Quá trình phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp Cộng hưởng từ hạt nhân Năm 1946, Felix Bloch và Edward Purcell đã phát hiện ra hiện tƣợng cộng hƣởng từ độc lập với nhau, giải Nobel vật lý năm 1952 cho hai nhà vật lý này đã tạo tiền đề cho việc phát triển MRI.
- Từ năm 1950 đến năm 1970, cộng hƣởng từ đã đƣợc phát triển và sử dụng cho phân tích phân tử về vật lý và hoá học.
- Năm 1971, Raymond Damadian chỉ ra rằng thời gian dãn hồi (hồi phục) từ nguyên tử của các mô và khối u khác nhau, từ đó thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu việc ứng dụng cộng hƣởng từ trong chẩn đoán bệnh.
- Năm 1973, Hounsfield giới thiệu máy chụp cắt lớp vi tính (Computer Tomography - CT) trên cơ sở tia X quang.
- Đây là thời điểm quan trọng đối với MRI bởi vì các bệnh viện đã sẵn sàng bỏ ra những khoản tiền lớn đầu tƣ cho thiết bị chụp ảnh y học.
- Ông sử dụng kỹ thuật chiếu ngƣợc tƣơng tự nhƣ trong CT.
- Năm 1975, Richard Ernst đề xuất MRI sử dụng việc mã hoá pha và tần số và biến đổi Fourier.
- Kỹ thuật này là nền tảng của kỹ thuật MRI hiện nay.
- Năm 1977, Raymond Damadian trình bày phƣơng pháp MRI toàn bộ cơ thể.
- Cũng trong năm đó, Peter Mansfield phát triển kỹ thuật chụp ảnh hai chiều 5 tiếng vọng (Echo Planar Imaging - EPI).
- Kỹ thuật này đƣợc phát triển những năm sau đó để chụp ảnh đƣợc ở tốc độ thu hình (30ms /ảnh).
- Năm 1980, chiếc máy cộng hƣởng từ đầu tiên ra đời và sử dụng cho việc chụp ảnh y tế.
- Edelstein tiến hành chụp ảnh cơ thể theo phƣơng pháp của Ernst, một ảnh đơn có thể đƣợc thu nhận trong khoảng 5 phút theo kỹ thuật này.
- Năm 1987, phƣơng pháp chụp ảnh hai chiều tiếng vọng đƣợc sử dụng để chụp ảnh chuyển động thời gian thực của một chu kỳ nhịp tim đơn.
- Cũng trong năm này, Charles Dumoulin đã hoàn thiện kỹ thuật chụp mạch cộng hƣởng từ (Magnetic Resonance Angiography - MRA), cho phép chụp ảnh dòng chảy của máu mà không cần sử dụng chất tăng tƣơng phản (chất đối quang).
- Kỹ thuật này cho phép ánh xạ về chức năng của các vùng khác nhau trong bộ não con ngƣời.
- Những năm gần đây, nhiều nhà chẩn đoán muốn phát triển các ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật chụp hai chiều tiếng vọng vào chụp tim thời gian thực.
- Sự phát triển của FMRI mở ra một ứng dụng mới cho EPI về chụp ánh xạ chức năng các vùng của bộ não đáp ứng kiểm tra tƣ duy và vận động của dây thần kinh.
- Ngày nay, với các hệ thống MRI hiện đại lồng kín sử dụng nam châm siêu dẫn (các hệ thống có từ lực từ 1 Tesla trở lên) đã có các ƣu thế vƣợt trội về độ phân giải, tốc độ chụp, độ dày lát chụp.
- Các đặc điểm của MRI Hiện nay trong các phƣơng pháp ứng dụng cho chẩn đoán hình ảnh thì chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân là một phƣơng pháp tiên tiến và hiện đại vì thế nên đây cũng là phƣơng pháp đem lại giá trị chẩn đoán và điều trị cao.
- Hình ảnh MRI cho phép tiếp cận trực quan đến nhiều cấu trúc phức tạp trong cơ thể để đánh giá các chức năng hoạt động của chúng mà không cần xâm nhập.
- MRI là phƣơng pháp tạo ảnh dựa trên nguyên lý cộng hƣởng từ trƣờng mà không sử dụng tia X nên tránh cho bệnh nhân khỏi ảnh hƣởng của tia X.
- MRI là vùng từ trƣờng mạnh nên nếu bệnh nhân có các vật hoặc thiết bị hỗ trợ bằng kim loại trong cơ thể sẽ gây nhiễu hình ảnh hoặc không đƣợc chỉ định chụp.
- Cơ sở vật lý của thiết bị chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân 1.2.1.
- Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Hiện tƣợng cộng hƣởng từ hạt nhân là sự tƣơng tác có chọn lựa của các hạt nhân nguyên tử đặt trong từ trƣờng không đổi với thành phần từ tính của sóng điện từ đi qua.
- Trong khuân khổ của luận văn chỉ hạn chế nghiên cứu một số nội dung cần thiết có liên quan đến nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Momen spin từ (mômen động lƣợng riêng) của một số hạt nhân nguyên tử đƣợc xác định theo công thức.
- L là mômen động lƣợng của hạt nhân.
- (1.2) Thuật ngữ voxel đƣợc dùng ở đây là muốn nói đến một thành phần thể tích vô cùng nhỏ của mô ∆V, nhƣng chứa đủ số lƣợng nguyên tử (khoảng 1020 nguyên tử) để có thể sử dụng cách tiếp cận vĩ mô.
- Giá trị của từ hoá M của mỗi voxel tỷ lệ thuận với mật độ proton trong nó, giá trị này sẽ quyết định đến cƣờng độ điểm ảnh trong ảnh cộng hƣởng từ sau này.
- Chuyển từ mômen từ của từng hạt nhân sang véctơ từ hoá M tại điểm xác định trong không gian, ta có: οHMγdtMd (1.6) Giả sử bằng một cách kích động nào đó véctơ M sẽ lệch khỏi véctơ οH một góc.
- 9 Hình 1.2: Quá trình dãn hồi của vectơ từ hóa Hằng số thời gian T1 đặc trƣng cho quá trình giảm về giá trị ở trạng thái cân bằng của thành phần Mz.
- Hằng số thời gian T2 đặc trƣng cho quá trình dãn hồi về vị trí cân bằng của véctơ từ hoá ngang Mxy đƣợc gọi là thời gian dãn hồi spin - spin.
- Kích thích tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân Để kích hoạt sự chƣơng động của các hạt nhân với mục đích sau đó ghi nhận tín hiệu Cộng hƣởng từ hạt nhân phát ra, ngƣời ta sử dụng trƣờng điện từ cao tần đƣợc định hƣớng một cách đặc biệt trong không gian.
- Giả sử, véctơ dao động của trƣờng này song song với trục Ox, hay chính xác hơn là thành phần từ trƣờng của nó đƣợc mô tả dƣới dạng phân cực tròn sau jtittHjtittHtHb)(sin)(cos)()(sin)(cos)()(11.
- (1.8) Một trong những trƣờng phân cực tròn sẽ tác động tƣơng hỗ với các hạt nhân (khi tần số  trùng với tần số chƣơng động Larmor ) có chứa mômen từ.
- Đây chính là bản chất của hiệu ứng Cộng hƣởng từ hạt nhân.
- Giả sử hiệu ứng Cộng hƣởng từ hạt nhân đƣợc xác định bởi thành phần đầu tiên trong biểu thức (1.8), lúc này biểu thức jtittHtHb)(sin)(cos đƣợc gọi là trƣờng hiệu quả.
- Khi tác động lên hạt nhân đặt trong từ trƣờng tĩnh ban đầu H0 một trƣờng cao tần phƣơng trình (1.9) sẽ có dạng sau.
- kHjttHitHtHo))(sin())(cos Sử dụng biểu thức (1.11) trong vai trò trƣờng bên ngoài có thể viết phƣơng trình (1.10) dƣới dạng các thành phần nhƣ sau: 11011( )sin( )cos( )sin ( )cosxy o zyzxzxydMM H M H t tdtdMM H t t M HdtdMM H t t M H t tdt.
- (1.12) Kết hợp (1.10) và (1.12) và thực nghiệm quá trình dãn hồi có dạng hàm mũ theo thời gian ta nhận đƣợc phƣơng trình: 1oz2yxοTk)M(MTjMiMHMγddtMd.
- (1.13) Phƣơng trình (1.13) mô tả vĩ mô hiện tƣợng tiến động của véctơ từ hoá có tính đến các quá trình giãn hồi và đƣợc gọi là phƣơng trình Bloch.
- Chúng ta sử dụng phƣơng trình Bloch để xác định trƣờng (1.9) tác động nhƣ thế nào đến véctơ từ hoá (t)M

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt