Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI

1.2. Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI. Tìm hiểu về sự kích hạt nhân cho việc tạo và thu ảnh MRI cho ta cái nhìn tổng quan về cách chụp ảnh dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ. Quan sát hình 1.1 ở dưới đây có thể thấy được nguyên lý cơ bản của việc tạo hình ảnh MR như sau: Hình 1.1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ. Bộ phận cần chụp được đưa vào một không gian có từ trường tĩnh là B0, sau có các cuộn dây phát sóng vô tuyến làm nhiệm vụ kích thích các hạt nhân quan tâm, đồng thời có một số cuộn dây khác tạo từ trường biến thiên (gradient), bằng một cách nào đó chỉ tạo cộng hưởng tại một mặt cắt cần thiết, sau đó thu tín hiệu cộng hưởng từ của mặt cắt đó bằng một cuộn dây (cuộn dây này có thể chính là cuộn phát tín hiệu RF kích thích); tín hiệu thu được đưa tới máy xử lý và tạo ảnh. Ảnh này chính là ảnh được chụp bằng phương pháp cộng hưởng từ. Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI có thể chia thành 4 giai đoạn: 4 1.2.1. Sắp hàng hạt nhân. Là giai đoạn đầu tiên, được thực hiện bằng cách đặt một từ trường ngoài B0 cỡ từ 0.5 Tesla tới vài Tesla vào xung quanh vật thể hay bộ phận cần chụp ảnh. Hình1.2: Chuyển động của proton Hydro trong từ trường đều. Mỗi hạt nhân trong môi trường vật chất đều có một mômen từ tạo ra bởi spin (xoay) nội tại của nó:    với  là hằng số từ hồi chuyển (gyromagnetic ratio); ví dụ  của H 1 là 42.58 MHz/T và  là mômen động lượng spin. Các hạt nhân đều sắp xếp một cách ngẫu nhiên và từ trường của chúng triệt tiêu lẫn nhau do đó không có từ trường dư ra để ghi nhận được. Khi có một từ trường mạnh tác động từ bên ngoài ( B0 ) các mômen từ của hạt nhân sẽ sắp hàng song song cùng hướng hoặc ngược hướng của từ trường như một ví dụ trong hình 1.3 ở dưới là sự sắp hàng của các hạt nhân Hydro khi đặt trong từ trường ngoài B0. Ngoài ra các hạt nhân còn tự chuyển động xoay tròn xung quanh hướng của từ trường bên ngoài đó. Tần số quay tròn này gọi là tần số Lamor:    B0 5 Hình 1.3: Sự ự xắp hàng h của ủa các proton Hydro khi có từ tr trường ngoài. Các vectơ từ ừ hoá: hoá Khi hạt ạt nhân chịu tác động của từ trường tr ngoài sẽ chuyển ển động quay quanh trục và v do các hạt ạt nhân mang điện tích nnên khi chuyển ển động trong từ trường tr nó sinh ra một từ có vectơ cảm ảm ứng từ là l vectơ NS từ hóa. Vectơ từ ừ hóa tổng: M   i với là tổng ổng số spin trong hệ. Vectơ Vect i 0 này hướng theo hướng ớng của từ trường tr bên ngoài - đó là tr trạng thái cân bằng. Trong trạng ạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào nào có thể th được ghi nhận. Khi trạng ạng thái cân bằng đó bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được đ ợc hình h thành. 1.2.2. Kích thích hạt nhân. nhân Là giai đoạn ạn thứ hai, được đ thực hiện bởi một từ trư ường B1 quay quanh B0 với ới một tốc độ quay bằng tần số tiến động ω0 của ủa proton hydro. Từ trường tr B1 do một ột máy phát ra sóng vô tuyến (RF frequency: 1MHz-500MHz) 1MHz được đặt trong một ột mặt phẳng thẳng góc với B0: B1  t   B1. x  t   iB1. y  t   B1  t  e  i t   6 (1.1) Chú ý: Tần số sóng mà máy phát phát ra phải bằng tần số của chuyển động tiến động Larmor - Điều kiện này rất cần thiết để tạo và quan sát hiện tượng cộng hưởng. Khi bị kích thích như vậy thì vectơ từ hóa sẽ chuyển động tiến động và bị lệch đi so với vị trí cân bằng một góc α gọi là góc lật (Flip Angle - FA). Chuyển động lệch đi của vectơ M trên thực tế là rất phức tạp. Bởi vì, dưới tác động phối hợp của từ trường B0 và B1 mômen từ tổng hợp M xa dần B0 và vẽ nên một đường xoắn ốc nội tiếp trong một hình cầu. Hình 1.4: Chuyển động tiến động của vectơ từ hóa khi có xung kích thích. Thêm vào đó, trong quá trình kích thích ta đặt thêm các từ trường gradient với mục đích chọn lớp cắt. Từ trường gradient khiến cho từ trường tổng cộng liên tục thay đổi theo vị trí một cách tuyến tính và mỗi mặt phẳng cắt sẽ có một giá trị từ trường tổng cộng khác nhau. Từ trường tổng cộng ấy xác định tần số Larmor cho các chuyển động quay của momen từ hạt nhân trong cơ thể. Nghĩa là mỗi lớp cắt trong cơ thể có một tần số Larmor khác nhau. Muốn tạo hình ảnh của lớp cắt nào ta phải chọn tần số sóng RF phát vào trùng hợp với tần số Larmor đó. 7 1.2.3. Ghi nhận tín hiệu. Ghi nhận tín hiệu cộng hưởng là giai đoạn thứ 3 trong quá trình chụp ảnh cộng hưởng từ. Khi kết thúc kích thích thì các phôton hydro sẽ phóng thích năng lượng dùng để sắp hàng chúng trở về vị trí cân bằng ban đầu. Tốc độ phóng thích các proton này dựa vào năng lượng được phóng thích. Thời gian cần thiết cho 63.2% độ lớn của vectơ từ hóa hồi phục từ theo chiều dọc gọi là T1 - cho biết khả năng của các proton bị kích thích thu hồi lại năng lượng nên còn gọi là thời gian hồi phục dọc (longitudinal relaxation time hay spin-lattice relaxation time). Khả năng đó thể hiện bằng độ lớn của T1 và nó cho tín hiệu cao, thấp hay trung gian vì vậy mà khi tạo ảnh ta có thể quan sát được đó là vùng tế bào như thế nào. T1 có giá trị từ 500ms đến 2000ms. Hình 1.5: Thời gian T1, T2. Thời gian cần thiết để cho 36.7% vectơ khôi phục từ theo chiều ngang gọi là T2 hay thời gian thư giãn từ ngang. T2 là hậu quả của sự tác động qua lại giữa các proton ở cạnh nhau - mỗi proton như một nam châm nhỏ, nó gây hỗn loạn (perturber) nhiều hay ít các proton bên cạnh. 8 Hình 1.6: Tín hiệu FID. Trong giai đoạn các phôton trở lại sắp hàng như cũ do ảnh hưởng từ trường bên ngoài chúng phóng thích năng lượng dưới dạng tín hiệu tần số vô tuyến là kết quả của sự phục hồi nên tín hiệu thu được dao động và giảm dần theo luật hàm mũ gọi là FID (Free Induction Decay). Cường độ tín hiệu của một loại mô phụ thuộc vào thời gian hồi phục lại từ tính T1 và T2, mật độ proton của nó. Cường độ phát ra từ một đơn vị khối lượng mô được thể hiện trên một thang màu từ trắng đến đen, trên đó màu trắng là cường độ tín hiệu cao, màu đen là không có tín hiệu. Do tính chất quy ước này nên ta có thể tạo được ảnh bằng cộng hưởng từ. Tín hiệu FID được thu bằng 1 cuộn dây, trong một số phương thức có thể cũng chính là cuộn dây dùng phát sóng RF. Vì vậy mà trong các máy MRI ta có thể thiết kế dùng cuộn dây chung cho việc phát và thu tín hiệu RF. 1.2.4. Tạo hình ảnh. Tạo hình ảnh có thể coi là giai đoạn cuối cùng của việc chụp ảnh cộng hưởng từ. Tín hiệu RF phát ra do hiện tượng cộng hưởng từ được thu bởi cuộn dây, đưa tới máy thu để xử lý và tạo ảnh. Tín hiệu thu được ở miền thời gian được số hóa bằng mã hóa theo tần số và mã hóa theo pha. Việc này có 9