NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT ...

Nội dung

NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH, THIẾT BỊ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN, ỨNG DỤNG, 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 G S , G P , G f 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 [...]... moment từ (µ = 0), nói cách khác là chúng không có từ tính Vì vậy hạt nhân loại này không có cộng hưởng từ hạt nhân Những hạt nhân có I ≠ 0 gây ra một moment từ µ ≠ 0, loại này có hoạt động từ nên có cộng hưởng từ hạt nhân Tuy nhiên những hạt nhân có nhiều Hình 1.6 – Nguyên tử Hydro Nền tảng của ảnh MRI electron quay xung quanh thì lại không thích hợp trong tạo ảnh cộng hưởng từ do moment từ hạt nhân bị. .. 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... số cộng hƣởng Trong cộng hưởng từ hạt nhân, tần số của sóng RF phải bằng tần số Larmor Khi đó vector spin hạt nhân có thể hấp thu năng lượng của sóng RF và chuyển từ trạng thái định hướng cùng chiều sang định hướng ngược chiều với từ trường ngoài Tần số đó gọi là tần số cộng hưởng Phương trình (*) gọi là phương trình cộng hưởng 1.3.3 Vài tính chất của một số hạt nhân sử dụng trong sinh học Bảng 1.1 Hạt. .. 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. .. cao nhất do moment từ hạt nhân ít bị che chắn nhất 1.2.2 Định hƣớng của hạt nhân trong từ trƣờng Khi không có từ trường ngoài, các vector spin của hạt nhân hyđrô định hướng ngẫu nhiên trong không gian Chính vì thế tổng của tất cả các vector spin trong một mẫu thử nào đó là bằng không và không thể đo được Khi xuất hiện môi trường từ trường ngoài đồng nhất, các vector spin của hạt nhân hyđrô sẽ định... 6.6 Bản đồ khuếch tán ADC 105 6.7 Ảnh cộng hưởng từ khuếch tán bất đẳng hướng DTI 107 6.8 Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não 108 6.8.1 Tóm tắt một số bệnh lý não: 108 6.8.2 Các bất thường có thể thấy trên khảo sát MRI thường quy 110 6.8.3 Các dấu hiệu của U não trên MRI 110 6.8.4 Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não: 110 KẾT... spin hạt nhân: I = 0 đối với các hạt nhân chứa số proton chẵn và số neutron cũng chẵn Ví dụ các hạt nhân 16O, 12C, 32S … I = số nguyên (1, 2, 3, … ) đối với hạt nhân chứa số proton lẻ và số neutron cũng lẻ Ví dụ các hạt nhân 14N, 10B, 2D, … I = nửa số nguyên (1/2, 3/2, 5/2, … ) đối với các hạt nhân có số proton chẵn, số neutron lẻ hoặc ngược lại Ví dụ các hạt nhân 1H, 19F, 13C, 31P, 11 B, … Những hạt nhân. .. LÝ & PHẦN CỨNG CỦA MÁY MRI 88 5.1 Sơ đồ tổng quát 88 xi 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... lý ảnh MRI khuếch tán (DWI) và ứng dụng trong chụp ảnh bệnh lý não, đặc biệt là đột quỵ và chẩn đoán phân biệt u và viêm Trong thời đại công nghiệp hiện nay, các nguy cơ gây nên đột quỵ ngày càng nhiều và đe dọa sức khỏe cộng đồng Đột quy gây nên những hệ quả xấu như tổn thương trong bán cầu đại não gây liệt đối bên (50%); tổn thương thân não gây liệt tứ chi, rối loạn thị giác hay hội chứng khóa trong. .. nói đến cộng hưởng từ hạt nhân trong y học, hầu như ta chỉ quan tâm đến hạt nhân hydro vì các lý do sau: SVTH: LÊ MINH HÒA 9 GVHD: KS PHAN NHẬT ĐÁN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM Hydro là thành phần phổ biến nhất trong cơ thể con người (hiện diện trong các phân tử nước và chất béo) Hạt nhân hydro chỉ bao gồm một proton (I = ½) Trong tự nhiên, hydro là nguyên tố có độ nhạy từ cao . 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. 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

Ngày đăng: 01/04/2013, 14:28