A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 21
Tính không đồng nhất của từ trường trong MRI
Trần Trí Năng
|
Tính không đồng nhất của thỏi nam châm dùng trong từ trường máy Bo ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hình ảnh và sự tạo thành những quầng giả tạo trong hình. 1. Tính đồng nhất của từ trường Những vần đề liên quan đến tính không đồng nhất của từ trường bao gồm: sự chắn, bóng mờ (shading), biến dạng không gian (spatial distortion), độ nhòe (blurring), tổn thất về cường độ (intensity loss), mô dạng của lát cắt mặt cong (curved slice profiles), và những quầng giả tạo (artifacts) có dạng hình moiré ngựa rằn (zebra moiré banding artifacts). Tính đồng nhất ám chỉ độ thuần nhất của một từ trường ở trung tâm của máy quét lúc không có bệnh nhân. Tính đồng nhất của từ trường được đo bằng đơn vị phần triệu (parts per million hay ppm) qua đường kính của một thể tích hình cầu (diameter of a spherical volume hay được gọi tắt là DSV). Thường thì độ đồng nhất phải giữ ở mức độ nhỏ hơn 1 ppm. Một thí dụ điển hình của sự giới hạn này là trường hợp của nước và mỡ với độ cộng chấn khác nhau chỉ có 3.5 ppm. Một từ trường có độ không đồng nhất gần 3 ppm vì thế sẽ không thể phân biệt được hình ảnh của nước hay của mỡ! Hình 1 biểu hiện chi tiết hơn về phương pháp xác định độ không đồng nhất. Khi nói một thỏi nam châm 3.0 Tesla (T) có thể bảo đảm có một độ đồng nhất nhỏ hơn 1 ppm qua đường kính DSV 40 cm. Thế có nghĩa là không cò hai điểm nào trong vòng +- 20 cm của vùng trung tâm (isocenter) của thỏi nam châm khác nhau bởi một từ trường nhiều hơn 1 phần triệu, hay không quá 3T x (1/1.000.000) hay 0.000003T [1].
Hình 1. Tính đồng nhất của từ trường trong máy chụp hình cộng hưởng từ MRI. (a) Tính đồng nhất của từ trường được đo bằng đơn vị phần triệu (ppm) trên đường kính của một thể tích hình cầu (DSV). (b) Độ đồng nhất của từ trường được xác định từ nhiều góc độ trên những mặt phẳng khác nhau trong thể tích hình cầu [2]. 2. Sự chêm đệm Chêm đệm (shimming) là quá trình làm cho từ trường máy Bo đồng nhất hơn. Ngay cả với tiêu chuẩn rất nghiêm ngặt về độ dung sai (tolerances), tính đồng nhất của thỏi nam châm dùng trong MRI khi mới vừa giao đến khách hàng từ hãng chế tạo thường có khoảng 2 bậc khuếch đại độ lớn (orders of magnitude) lớn hơn tiêu chuẩn quy định ở trên. Khi thỏi nam châm được đặt trong hệ thống chụp hình MRI, từ trường sẽ biến dạng nhiều hơn nữa do chất kim loại trong đường ống, đường dây, ống dẫn (ducts) và hàng giàn của các cấu trúc trong môi trường thiết lập gần máy. Trường phụ (fringe fields) chung quanh của máy quét gần đó cũng ảnh hưởng đến từ trường của thỏi nam châm vừa mới áp đặt. Sự chêm đệm có thể chủ động, thụ động hay cả hai. Sự chêm đệm thụ động (passive shimming) được thực hiện bắng cách áp đặt một số đĩa đệm kim loại hay viên từ nhỏ (ferromagnetic pellets) vào nhiều lỗ hốc nằm chung quanh bánh rán. Một thí dụ của sự chêm đệm thụ động được biểu hiện ở Hình 2. Trong trường hợp của sự chêm đệm chủ động (active shimming), dòng diện được cho chạy xuyên qua những cuộn xoắn đặc biệt để cải thiện tính đồng nhất. Môi trường dẫn điện có thể hoặc theo dạng siêu dẫn hay theo dạng điện trở.
Hình 2. Chêm đệm thụ động được thực hiện bằng cách ráp đặt những đĩa đệm kim loại bên trong bánh rán (chiều mũi tên màu vàng). Nhân viên kỹ thuật có thể điều chỉnh những đĩa đệm này để đạt độ đồng nhất từ trường mong muốn [3]. 3. Một thí dụ (Ảnh hưởng của sự không đồng nhất từ trường trên T2*) Trên thực tế, thời gian suy giảm tín hiệu lại còn ngắn hơn dự kiến vì tác động từ trường trong các mô không đồng nhất. Thời gian này gọi là T2*. Thời vang (TE) càng dài thì ảnh hưởng của T2* càng rõ ràng hơn [4]. Như đã mô tả trong những bài viết trước [5-6], từ hóa ngang (dọc theo mặt x,y) mất nhanh ngay cả trước khi từ hóa dọc theo trục z khôi phục hoàn toàn vì sự dao động và va chạm của protons; vectơ từ hóa ngang suy giảm dần trong thời gian T2. Tuy nhiên trong môi trường cơ thể, tín hiệu cộng hưởng từ thường không tồn tại trong suốt thời gian T2 và mất khá nhanh. Thế có nghĩa là trên thực tế, thời gian hồi giãn ngang ngắn hơn so với thời gian hồi giãn ngang T2. Để phân biệt rõ ràng thời gian T2 thực tế với thời gian T2 thông thường, người ta dùng khái niệm thời gian hồi giãn ngang T2* (hay T2- star). Sự suy giảm nhanh chóng tín hiệu cộng hưởng từ này phần lớn là do tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học có sẵn giữa các proton của mỡ và của nước. Thuật ngữ T2 được dùng với ý nghĩa thông thường là thời gian hồi giãn ngang và mỗi mô cơ thể có một giá trị T2 khác nhau. Trong khi đó thuật ngữ T2* được dùng thay cho T2 trong những trường hợp đặc biệt với mục đích là khảo sát ảnh hưởng của những nguyên nhân khác như tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học. Nếu gọi T2* là thời gian quan sát (observed) hay hiệu lực (effective) của T2 dưới ảnh hưởng của sự không đồng nhất của từ trường, chúng ta có thể tính T2* dựa vào phương trình đưới đây: 1/T2*= 1/T2(true) + 1/T2 (inhomogeneity). T2* vì thế luôn luôn nhỏ hơn hay bằng T2 như có thể thấy ở Hình 3.
Hình 3. Sự biến đổi của T2 và T2 star với thời gian vang (echo time) TE [7]. Hình T2* có thể dùng để làm làm rõ nét sự hiện diện của những vật thể liên quan đến máu - như u tế bào não hay mô mạch máu não (cerebral haemangioma) như được chỉ định bằng mũi tên trong Hình 4.
Hình 4. T2* dùng để xác định rõ sự hiện diện của u tế bào não (cerebral haemangioma/ haemanglomia) với mũi tên trong hình [4]. 4. Lời kết Một trong những nguyên nhân tạo nên thời gian hồi giãn ngang T2* và vì thế ảnh hưởng chất lượng hình ảnh là tính không đồng nhất của từ trường của thỏi nam châm. Vì thế, sự chêm đệm và có thể một số phương pháp tương tự có thể được thực hiện nhằm cải thiện hình ảnh chụp được của máy quét cộng hưởng từ MRI. T2* còn đóng vai trò quan trọng, làm nền tảng cho một kỷ thuật khác có tên là chức năng MRI (functional MRI) mà chúng tôi sẽ thảo luận trong một số bài viết trong tương lai. 5. Tài liệu tham khảo https://mriquestions.com/why-shimming.html [2] Keller P. Technologies for precision field mapping. MetroLab Instruments (www.metrolab.com), Geneva, 2006 [3] Jezzard P. Shim coil design, limitations and implications . Abstracts from the International Society of Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) Annual Meeting, May, 2006. [4] [5] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2018-03082022.htm [6] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2019-03312022.htm https://pubs.rsna.org/doi/10.1148/rg.295095034
May 20, 2022
|
