เครื่องสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ

การนำแม่เหล็กแรงสูง มาใช้ร่วมกับการกระตุ้นด้วยคลื่นวิทยุที่สัมพันธ์กับค่าพลังงานของอะตอม ทำให้เกิดสัญญาณได้ มีคนที่ช่างสังเกต ช่างคิด นำสัญญาณเหล่านี้มาผ่านระบบคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างออกมาเป็นภาพ และนำไปใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ได้ ดีจังเลย

สวัสดีครับ

วันนี้ขอนำเสนอเรื่อง MRI เนื่องจากมีนักศึกษา ผู้สนใจขอมา เพื่อการทบทวน และเป็นแนวทางในการเรียนต่อไป ครับ

เครื่องสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ

(Magnetic Resonance Imaging :MRI)

หลักการของเครื่องสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ

เครื่องมือสร้างภาพชนิดหนึ่งที่ใช้การสร้างภาพจากหลักการกำทอนของนิวเคลียสในสนามแม่เหล็กแรงสูง เป็นวิธีการสร้างภาพตัดขวาง (Cross section images) เหมือนกับวิธีการแบบเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ แต่การสร้างภาพโดยวิธีการเอ็มอาร์ไอใช้ผลของอันตรกิริยา (interaction) ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับนิวเคลียสของอะตอมซึ่งอยู่ภายใต้ สนามแม่เหล็กแรงสูง (ความเข้มของสนามแม่เหล็กที่สูงในทางการแพทย์ใช้ค่าประมาณ 0.5-3 เทสลา , 1 tesla = 10,000 gauss) โดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีค่าความถี่ในย่าน ความถี่ของคลื่นวิทยุ (Radio frequency) ที่ทำให้นิวเคลียสของอะตอมถูกกระตุ้นให้ออกจากสภาวะที่นิวเคลียส สมดุลภายใต้สนามแม่เหล็กนั้น ไปสู่สภาวะกระตุ้นและจะทำการรับสัญญาณคลื่นวิทยุที่นิวเคลียสให้ออกมา ในขั้นตอนที่นิวเคลียสนั้นกลับเข้าสู่สภาวะสมดุลอีกครั้ง หลังจากที่หยุดรบกวนด้วยคลื่นวิทยุ ซึ่งมีอุปกรณ์รับสัญญาณ ส่งเข้าระบบคอมพิวเตอร์ โดยที่ข้อมูลของแต่ละจุดในภาพ (picture element : pixel) ที่ได้มาจากเครื่องสร้างภาพเอ็มอาร์ไอแสดงถึงความหนาแน่นของนิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นในปริมาตร (voxel) ของอวัยวะหรือเนื้อเยื่อ ณ ตำแหน่งนั้น ซึ่งสัญญาณนี้เกิดจากปรากฎการณ์ของการกำทอนหรือสั่นฟ้อง (resonance) และปริมาณความแรงของสัญญาณจากเอ็มอาร์ไอขึ้นกับความหนาแน่นของนิวเคลียสที่กำทอนและคุณสมบัติทางเคมีของโมเลกุล รวมถึงสิ่งแวดล้อมที่นิวเคลียสนั้นอยู่ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้ เรียกว่า ค่าเวลาในการผ่อนคลาย (relaxation time) แล้วนำมาสร้างเป็นภาพในลักษณะที่เรียกว่า T1weigthed image (T1w) และ T2 weigthed image (T2w) รวมถึงค่าน้ำหนักของโปรตอน (Proton density : PD)

การสร้างภาพเอ็มอาร์ไอที่แสดงออกมาเป็นภาพ และเอ็มอาร์เอสแสดงออกมาเป็นสเปคตัมของตำแหน่งสารที่แตกต่างกัน สำหรับการวินิจฉัยและการรักษาโรค

การสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ

เมื่อนำผู้ป่วยเข้าห้องตรวจโดยให้อยู่ในบริเวณกึ่งกลางของสนามแม่เหล็กแรงสูงแล้ว เราจะส่งคลื่นวิทยุเข้าไปกระตุ้นโปรตอนของไฮโดรเจน โดยมีค่าความถี่วิทยุจะต้องตรงกับค่าความถี่ของไฮโดรเจนในอวัยวะที่สนใจที่อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูง ผลของการกระตุ้นจะทำให้เกิดการกำทอนหรือสั่นพ้อง ซึ่งทำให้ผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของไฮโดรเจน เกิดการเปลี่ยนแปลงจากแนวของสนามแม่เหล็กหลักไปตามมุมและระยะ เวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (ขึ้นกับความต้องการภาพการตรวจชนิดใด T1, T2,PD หรืออื่นๆ) หลังจากนั้นจะหยุดการกระตุ้นด้วยคลื่นวิทยุแล้ว ผลที่ตามมา คือ อิทธิพลของสนามแม่เหล็กและความไม่สม่ำเสมอของแม่เหล็กหลักหรือสนามแม่เหล็กเกรย์เดียนต์ จะมามีผลต่อผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของไฮโดรเจนอีกครั้ง โดยผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของไฮโดรเจนจะกลับคืนสู่สภาพสมดุล พร้อมกับเกิดการเปลี่ยนแปลงเกี่ยวกับการสูญเสียการร่วมเฟสระหว่างผลรวมของโมเมนต์แม่เหล็กของไฮโดรเจนของอวัยวะที่มีลักษณะที่แตกต่างกัน หรือ ความหนาแน่นของโปรตอนแตกต่างกัน เช่น น้ำ ไขมัน เนื้อเยื่อ เป็นต้น ผลที่เกิดขึ้นที่กล่าวมานี้ เราจะนำอุปกรณ์รับสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงนี้ คือ ขดลวด ซึ่งเป็นตัวกลางในการนำสัญญาณดังกล่าวส่งผ่านเข้าระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อทำการแยกประเภทของความถี่ แยกตำแหน่งของเฟส หรือ ความหนาแน่นของสัญญาณที่ได้รับ แล้วแปลงของมาเป็นภาพเอ็มอาร์ไอ ชนิดต่างๆ เช่น T1, T2 ,PD หรืออื่นๆที่เลือกไว้แล้ว ซึ่งขึ้นกับชนิดของพารามิเตอร์ที่กำหนด (ตัวอย่างในภาพข้างล่าง เช่น TR, TE, Type of RF pulse, NEX. etc)

ภาพที่แสดงในลักษณะ T1w : การกลับคืนสู่สมดุล magnetization ของ Fat และ CSF แตกต่างกัน เมื่อเก็บสัญญาณทำให้เกิดความแตกต่างของสัญญาณ ซึ่งในภาพชนิด T1 นั้น Fat มีสัญญาณมากกว่า CSF ซึ่งทำให้ Fat ภาพปรากฏเป็นสีขาว และ CSF มีสัญญาณน้อยกว่า Fat ทำให้ CSF ภาพปรากฏเป็นสีดำ

ภาพแสดงในลักษณะ T2w : การสูญเสียการร่วมเฟสในแนวขวาง (Transverse) หรือ Mxy ของ Fat และ CSF แตกต่างกัน เมื่อเก็บสัญญาณทำให้เกิดความแตกต่างของสัญญาณ ซึ่งในภาพชนิด T2 นั้น Fat มีสัญญาณน้อยกว่า CSF ซึ่งทำให้ Fat ภาพปรากฏเป็นสีดำ และ CSF มีสัญญาณมากกว่า Fat ทำให้ CSF ภาพปรากฏเป็นสีขาว

ขบวนการสร้างภาพ

ตัวอย่างของสมอง เริ่มจากการผู้ป่วยอยู่ให้ในสนามแม่เหล็กแรงสูง หลังจากนั้นจะกระตุ้นด้วยคลื่นวิทยุเข้าไปในบริเวณสมองของผู้ป่วย (ที่อยู่ในขดลวดรับส่งสัญญาณ) ร่วมกับทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเกรย์เดียนต์ชั่วระยะเวลาหนึ่ง และเกิดอันตรกิริยาระหว่างคลื่นวิทยุกับนิวเคลียสของอะตอมซึ่งอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก โดยนิวเคลียสของอะตอมถูกกระตุ้นให้ออกจากสภาวะที่สมดุล หลังการนั้นเมื่อหยุดการกระตุ้นด้วยคลื่นวิทยุ นิวเคลียสนั้นกลับเข้าสู่สภาวะสมดุลอีกครั้งและจะเกิดสัญญาณจากขึ้นการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว ซึ่งจะมีอุปกรณ์รับสัญญาณที่เกิดขึ้น คือ ขดลวด เพื่อเก็บข้อมูลที่ในแกนต่างๆ เข้า K-space และส่งเพื่อประมวลผลด้วยขบวนการทางคณิตศาสตร์ ทำการเปลี่ยนรหัสของความถี่ตามเวลาที่เปลี่ยนแปลง เปลี่ยนรหัสตำแหน่ง และความแรงสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน ด้วยหลักการแปลงฟูเรียร์ (Fourier transform) เพื่อแปลงข้อมูลทั้งหมดออกมาเป็นภาพต่อไป

ขบวนการสร้างภาพและคุณภาพของภาพที่ได้จากการตรวจด้วยเครื่องมือสร้างภาพ การที่จะได้ภาพที่มีคุณภาพดีนั้นจะเกี่ยวข้องกับการใช้งานหรือผู้ควบคุมเครื่อง เช่น นักฟิสิกส์ นักรังสีเทคนิค ควรต้องมีความเข้าใจในหลักการทำงาน การสร้างภาพ และสามารถเลือกใช้พารามิเตอร์ต่างๆที่มีอยู่ภายในตัวเครื่องได้เหมาะสมเป็นอย่างดี จะช่วยทำให้ได้ภาพที่ดีมีประโยชน์ต่อการวินิจฉัยโรคต่างๆได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของภาพที่ได้จากการตรวจ อาจแยกออกเป็นสองชนิดง่ายๆ คือ ปัจจัยภายในที่มาจากผู้ป่วย (Intrinsic parameters) เช่น พยาธิสภาพของอวัยวะในร่างกายเป็นเช่นไร ขนาดรูปร่างและตำแหน่งของอวัยวะที่ทำการตรวจ การให้ความร่วมมือในการตรวจมากน้อยเพียงใด การเคลื่อนไหวของอวัยวะ ซึ่งเป็นสิ่งที่ควบคุมได้ยาก ปัจจัยภายนอก (Extrinsic parameters) มาจากระบบการทำงานของเครื่อง เช่น การกำหนดหรือเลือกใช้ชนิดพารามิเตอร์ชนิดต่างๆที่ใช้ในการตรวจ เครื่องมือ เป็นต้น เหล่านี้เป็นสิ่งที่สามารถควบคุมได้ง่ายกว่าปัจจัยที่มาจากผู้ป่วย

ศึกษา พัฒนา นำมาซึ่งความเจริญ

[ขจิต ฝอยทอง]

ตามมาอ่านเครื่องมือสร้างภาพ อาจารย์สบายดีนะครับ

[กิตติพัฒน์]

• สวัสดีครับท่านอาจารย์
• มาขอบคุณท่านที่เข้าไปทักทายผมที่อาศรมนะครับ
• ขอให้ท่านมีความสุขทุก ๆ วันนะครับ

[สุ-มหาวิทยาลัยชีวิต ที่ไม่มีวันปิดทำการ]

ขอบคุณคะ คงจะเหมือนเครื่องเอ๊กซเรย์แต่เก่งกว่าใช่ไหมคะ  มาเรียนรู้ ความสามารถของเครื่องมือด้วยคะ ขอบคุณที่เข้าไปเยี่ยมสุนะคะเลยตามมาเรียนรู้ แล้วจะย้อนรอยเรื่องที่ยังไม่ได้อ่านด้วยคะ

[วิไลวรรณ]

เรียน อ.เพชรากร ที่เคารพ

   พอดีหนูกำลังศึกษาเรื่องการสร้างภาพของ MRI ค่ะ เลยมีข้อสงสัยว่า Phase encoding และ Frequency encoding มีความสัมพันธ์ยังไงค่ะ

                                                         ขอบคุณมากค่ะ^^

[รศ.ดร. เพชรากร หาญพานิชย์]

สวัสดีครับ

การสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ จะเก็บข้อมูลใน 3 แกน คือ x,y และ z

การเลือกตำแหน่งที่ตัด เรียก Slice selection

ถ้า ตัดภาพในลักษณะ Axial เครื่องจะกำหนด Slice selection ในแนวของแกน z

Coronal slecelection is y , Sagital slice selection is x

ส่วนที่เหลือจะเป็นการเก็บข้อมูลสัญญาณของ Phase และ Frequency ที่เปลี่ยนแปลง จึงเรียกว่า Phase encoding และ Frequency encoding

ตัวอย่าง

ภาพ Axial

Slice selection is Z

Phase encoding is X or Y

Frequency encoding is Y or X

ที่ระบุไม่ได้ว่าเป็น X หรือ Y เนื่องจาก การกำหนดทิศทางที่ให้คลื่นวิทยุ เพราะในการตรวจบางครั้งต้องปล่อยคลื่นวิทยุในหลบจากการเคลื่อนที่ของการหายใจ เพราะต้องการลดการเคลื่อนไหวบริเวณช่องท้องในภาพที่ปรากฏ

เป็นต้น

หวังว่าคงพอจะเข้าใจนะครับ

หากสงสัยก็สอบถามมาได้ ครับ