A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 22

 

Sự thiết đặt hệ thống chụp h́nh MRI trong bệnh viện

 

Trần Trí Năng
 

 

Trong bài viết này, người viết xin tŕnh bày một cách tổng quát cấu trúc và thiết kế của hệ thống chụp h́nh cộng hưởng từ MRI trong bệnh viện. 

1. Thiết kế tổng quát của các vùng an toàn trong hệ thống máy chụp MRI

Hội Phóng Xạ Học Mỹ (The American College of Radiology hay thường được gọi tắt là ACR) đă chỉ định tiêu chuẩn việc thiết lập bốn vùng an toàn của hệ thống máy quét MRI như được biểu hiện ở H́nh 1. Bốn vùng này được xếp theo thứ tự từ vùng I đến vùng IV tương đương với độ gia tăng phơi nhiễm từ trường (magnetic field exposure).    

American College of Radiology (ACR) safety zones MRI

H́nh 1. Bốn vùng an toàn của hệ thống chụp cộng hưởng từ MRI  theo tiêu chuẩn của ACR (The American College of Radiology) [1].

 

          

H́nh 2: Bốn vùng an toàn trong hệ thống máy chụp MRI [1]. Vùng I là khu dành cho tất cả mọi người muốn vào ra hệ thống MRI; vùng II dùng để kiểm chứng và xác nhận với bệnh nhân những thông tin liên quan đến điều kiện sức khỏe; bệnh nhân sẽ thay quần áo và cất giữ dụng cụ cá nhân trong một hộc tủ có ch́a khóa ở đây. Vùng III chỉ dành riêng cho bệnh nhân và nhân viên pḥng chụp MRI; và sau cùng, vùng IV là khu vực hạn chế chỉ có  bệnh nhân và kỹ thuật viên chụp h́nh MRI mới được vào.Trong khi chụp h́nh MRI, nhân viên phụ trách công tác chụp h́nh MRI sẽ điều khiển máy từ một pḥng nhỏ bên cạnh.

H́nh 2 dùng để cắt nghĩa chi tiết hơn bốn vùng an toàn trong H́nh 1 theo tiêu chuẩn của ACR:

Vùng I (MRI Zone I): mọi người  có thể ra vào mà không cần sự quản lư của nhân viên bệnh viện. Độ biên từ (magnetic fringe fields) trong vùng này ít hơn 5 Gauss (0.5 mTesla; 1 Tesla= 10,000 Gauss), gần bằng từ trường của trái đất, nên độ an toàn cao, không nguy hiểm đến sức khỏe con người.

Vùng II (MRI Zone II): vẫn c̣n được xem như khu công cọng; tuy nhiên được đặt dưới sự  kiểm soát  của nhân viên pḥng chụp MRI v́ đây là vùng ranh giới giữa vùng I không cần kiểm soát (unregulated zone I) và vùng III và vùng I, nơi cần có  sự kiểm soát chặt chẽ.  Bệnh nhân thay quần áo và để những vật dụng như điện thoại, thẻ tín dụng và những linh kiện điện tử khác ở đây.

Vùng III (MRI Zone III): vùng này gần pḥng có thỏi nam châm chính (magnet room) nơi  có biên tần số vô tuyến (fringe RF), cuộn xoắn tạo građiên, và những thiết bị có từ trường RF khác. Những từ trường này đủ mạnh để có thể gây nguy hiểm đến cơ thể những người chung quanh.

Vùng IV (MRI Zone IV): Pḥng thỏi từ MR (MR magnet room) nơi có từ trường máy mạnh nhất. Tất cả những vật có tính sắt từ (ferromagnetic objects) không được mang vào khu vực này.

Mục đích chính trong việc thiết kế với bốn vùng an toàn là để giảm thiểu độ nguy hiểm đến bệnh nhân và những nhân viên có công tác liên quan đến pḥng chụp MRI. Nên ghi nhận ở đây là sức mạnh của  từ trường máy có thể gây nguy hiểm đến người đứng gần do vật bị bắn tung ra (projectile accidents) bởi sức hút của từ trường máy và cũng có thể ảnh hưởng đến mức độ hoạt động và kiểm soát của những linh kiện được cấy vào (implanted devices) trong cơ thể bệnh nhân.  

Thiết kế với bốn vùng này của ACR đă và đang được phổ biến ở nhiều bệnh viện trên thế giới.  

2. Ba pḥng chính trong hệ thống chụp h́nh MRI

Nói một cách nôm na, bốn vùng an toàn của toàn hệ thống MR nói trên có thể chia thành ba vùng chính: (1) pḥng có thỏi nam châm (magnet room) nơi có bàn di động bệnh nhân, (ii) pḥng chứa dụng cụ /thiết bị và (iii) pḥng điều khiển.  

 Pḥng có thỏi nam châm nằm xen giữa pḥng dụng cụ/thiết bị và pḥng điều khiển các hoạt động của toàn hệ thống MRI.  Tùy theo sự lựa chọn, những thành phần và những vật liệu khác như ṿng xoắn, khăn trải giường và những hàng lưu kho khác có thể được lưu trữ chung pḥng với pḥng có thỏi nam châm hay cũng có thể được cất giữ ở một pḥng khác [2]. 

2.1  Pḥng chứa thỏi nam châm (magnet room)

 Gồm có  ngăn chứa, chân móng yểm trợ ( support footings) và bàn di động bệnh nhân.  Dây cáp, lỗ thông hơi khí, và đường dây thường được luồn vào ở phía trên bộ phận lắp ráp thỏi nam châm. Một số đường dây và ống luồn ở phía dưới dọc theo những cái rănh có sẵn dưới sàn.

Tường của pḥng này có nhiều lớp; mỗi lớp được sử dụng cho mỗi chức năng khác nhau:  màn chắn từ để hạn chế độ biên từ ; màn chắn âm nhằm hạn chế sự truyền nhiễu âm đến pḥng điều khiển và những pḥng nằm xa hơn; và màn chắn sóng radio nhằm  ngăn chận nhiễu điện từ len vào hay rời pḥng có máy quét (scanner).  

Sàn phải được thiết bị để đủ sức chịu đựng một trọng lượng lớn của thỏi nam châm, bàn di động bệnh nhân và những bộ phận liên hệ.  Chẳng hạn sức nặng của máy quét dùng thỏi nam châm siêu dẫn của máy chụp cộng hưởng từ 1.5 Tesla thường nặng vào khoảng 10,000 lbs (4,500 kg) trong khi trọng lượng của một máy quét với 3.0 Tesla có thể nặng tới 17,000 lbs (7,500 kg). Trọng lượng của thỏi nam châm siêu đẫn tương đối nhẹ nhất.  Để tham khảo và để so sánh sự khác nhau về trọng lượng của thỏi nam châm thuộc các thể loại khác nhau, chúng tôi xin đơn cử một thí dụ sau: trọng lượng của một thỏi nam châm vĩnh cửu với từ trường thấp hơn thỏi nam châm siêu dẫn 1.5 Tesla, có trọng lượng 35,000 lbs (16,000 kg); nặng gấp ba lần thỏi nam châm siêu dẫn 1.5 Tesla (4,500 kg). 

Pḥng chứa thỏi nam châm thường có pḥng đơn vị nhỏ (subset)  dành để chứa một số lớn thiết bị và dụng cụ liên quan đến máy MR kể cả  phantoms (dụng cụ đặc biệt dùng để kiểm soát/ điều chỉnh chất lượng h́nh ảnh), lớp đệm, vật sốp và hút nước (sponges), đai cột bệnh nhân, nêm (wedges) thường có h́nh tam giác lăng trụ  (prism), dây nối vào tim (cardiac leads)  từ những linh kiện điện tử như máy tạo nhịp tim (pacemakers), linh kiện đo xung chung quanh (peripheral pulse gating devices)  trong việc thu nhận h́nh ảnh và thông tin trong chu kỳ của nhịp đập tim, và ống dùng để đo chuyển động thổi hay hổ trợ  hô hấp (respiratory bellows).
Những thành phần khác cũng được giữ trong pḥng subset này: chẳng hạn như máy oxy hay máy hút (oxygen and suction equipment), dụng cụ tiêm chất tương phản và những vật liệu phụ dùng trong việc tiêm chất tương phản như ống tiêm, ống dẫn IV và băng keo.
Thêm vào đó, hệ thống đèn ánh sáng trong pḥng có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng ḍng điện một chiều với độ gợn sóng 5% (5% ripple) và công xuất có thể điều chỉnh từ bên ngoài pḥng có thỏi nam châm.  Dùng đèn LED hay bóng đèn có sợi dây đèn ngắn nhằm tránh sự chấn động và t́nh trạng mau cháy bóng. Không nên dùng đèn huỳnh quang (fluorescent) v́ khả năng có thể gây sự nhiễu với tần số vô tuyến RF của loại đèn này.
Ngoài ra, tùy theo sự chọn lựa, cửa sổ cũng có thể được  thiết lập ở các pḥng trang bị với hệ thống giám sát bằng video. 

2.2. Pḥng thiết bị (equipment room)

 Nằm ngay ở trong pḥng hay ngoài pḥng chứa thỏi nam châm. Ba hay bốn ngăn chứa của pḥng đơn vị subset cũng chứa nhiều dụng cụ dùng để kiểm soát và hổ trợ việc vận hành thỏi nam châm.
Dụng cụ liên quan đến máy quét MR gồm có: gra-đien và sóng vô tuyến RF, nguồn cung cấp điện tổng quát, máy bơm nước/bộ phận làm lạnh và máy bơm heli (helium pump). Về phía điện có buồng điện lực để điều chỉnh và phân phối, buồng gra- điên để gửi ḍng điện nhằm tạo  gra-điên và buồng RF để kiểm soát sự chuyển tải xung RF và lập lại tín hiệu NMR. Một số hệ thống MRI c̣n  có thêm những dụng cụ dùng cho những kỹ thuật đặc biệt như  đa quang phổ nguyên tử (multi-nuclear spectroscopy)  hay cộng hưởng từ chức năng (functional MRI) mà chúng tôi dự định sẽ thảo luận chi tiết hơn ở những bài viết kế tiếp trong tương lai.
 

2.3. Pḥng điều khiển (control room)

 Nằm ngay bên ngoài pḥng chứa thỏi nam châm. Pḥng này gồm những bộ phận cơ bản dùng trong việc kiểm soát và điều hành hệ thống MRI như bàn của người điều hành, bàn phím (keyboard), linh kiện truyền thông, máy điện năo đồ EKG (hay electrocardiography)  và máy kiểm soát lượng o-xy (oxygen monitors) và những máy tính để điều khiển bộ phận quét.  

3. Biên từ (fringe field)

3.1 Trục Z

Trục Z song song với bàn bệnh nhân chỉ định phương hướng di chuyển  bệnh nhân; tương tự như trục Z trong máy cắt lát CT trong h́nh 3 mà chúng tôi đă tŕnh bày ở những bài viết trước [3].  

 

 

H́nh 3. Các trục của máy chụp cắt lớp CT: Bàn bệnh nhân di chuyển theo trục Z; trong khi đó trục Y và trục X nằm thẳng góc với trục Z [3]. 

 

3.2 Isocenter

Điểm nằm ở trung tâm của thỏi nam châm máy nơi tọa độ (x,y,z) =0,0,0 ở được gọi  là isocenter của thỏi nam châm (H́nh 4a). Từ trường ở isocenter là Bo.

 

H́nh 4. (a): Isocenter  và (b): Phân phối của độ biên từ chung quanh thỏi nam châm siêu dẫn 1.5 Tesla.   

3.2 Độ biên từ (Fringe field)

Độ biên từ là từ trường nằm ngoài lơi từ (magnet core peripheral magnetic field) và có thể gây sự nhiễu đến những linh kiện điện tử  kể cả máy tạo nhịp tim. Tùy thuộc vào thiết kế của thỏi nam châm và pḥng chứa, một lượng biên từ tường đối lớn có thể lan rộng đến khoảng cách nhiều mét chung quanh, trên và dưới máy quét MR.
Đồ thị phân phối trường (field plots) tương tự như H́nh 4b trên được cung cấp bởi hăng chế tạo. Đối với máy quét h́nh trụ dựa vào chất siêu dẫn (cylindrical superconducting scanners), biên từ nhiều nhất nằm dọc theo hướng của trục bánh rán  dọc theo trục Z hay hướng Bo (H́nh 3).
Trên lư thuyết, độ biên từ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc ba của khoảng cách từ isocenter ( (1/r³, r là khoảng cách). Thế có nghĩa là, ở một  khoảng cách gấp hai lần khoảng cách ban đầu sẽ giảm biên từ (fringe field) bởi một tỉ lệ 1:8 hay 1/2³ = 1/8. [5].


4. Kết từ

Từ trường của hầu hết các máy chụp cộng hưởng từ MRI nằm trong khoàng từ 1 Tesla (T) đến 3 Tesla (T). Con số này lớn hơn từ trường của trái đất rất nhiều. Chẳng hạn như một từ trường 3T mạnh gấp  50,000 lần từ trường trái đất (khoảng 0.00006 Tesla). Sức mạnh này quá lớn đủ để hút những chất c̣ tính sắt từ chung quanh. Đây là một điều đă gây ra một số tai nạn vào cuối thập niên 90’s và đầu thập niên 2000’s và là mối quan tâm lớn đối với người sử dụng và bệnh viện. Thế nên việc thiết kế và kiểm soát các bộ phận liên quan đến máy chụp MRI luôn luôn đóng một vai tṛ rất quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe và sự an toàn của bệnh nhân và nhân viên pḥng chụp nơi bệnh viện.

Mặc dầu hệ thống bốn vùng của ACR tŕnh bày ở trên được chấp nhận và thực hiện  ở nhiều bệnh viện trên thế giới, một vài sửa đổi cũng được thực thi: chẳng hạn ở Anh, Hội Điều Hành Sản Phẩm Y Khoa và Chăm Sóc Sức Khỏe (the Medicines and Healthcare Products Regulatory Agency hay MHRA) đă thiết đặt hệ thống MRI theo 3 vùng : vùng kiểm soát lối ra vào MR (MR controlled access area), tương đương với vùng III của ACR; vùng môi trường MR (MR environment), tương đương với vùng IV của ACR;  và vùng  MR Projectile - một vùng subset  của môi trường MR environment với biên từ  nằm trong ṿng 3 mT. Ở Hà Lan (the Netherlands), Hội MRI Working Group cũng sử dụng sự thiết đặt với ba vùng tương tự như ở Anh : vùng có máy quét với thỏi nam châm siêu dẫn; vùng kiểm soát sự ra vào MR (controlled access area) nơi mà độ biên từ vượt qua 0.5 mT; và và vùng nằm xa vùng kiểm soát), nơi độ biên từ  nhỏ hơn 0.5 mT.

5. Tài liệu tham khảo

[1]  ACR Committee on MR Safety. ACR Manual on MR Safety, version 1.0. American College of Radiology, 2020.

[2]   Department of Veterans Affairs MRI Design Guide, 2008.  An official document to assist VA Hospitals in designing the layout for clinical MRI systems.  Contains many useful recommendations applicable to all sites.
[3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%209-05302021.htm

[4] https://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/chap-6/chap-6-h5.htm

[5]  Turner BD. Shielding issues for medical products. Conformity, May 2007, pp 48-53.  

 

June 13, 2022