MRI nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân 1

CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN I ThS nguyễn Văn Hòa Các tính chất từ hoá Phát và thu tín hiệu Từ tính • Từ tính là tính chất cơ bản của vật chất • Tạo ra bởi các điện tích chuyển động, thường là các electron • Từ tính của các chất trong cơ quan và của chuyển động electron tạo ra các “miền” từ sắp xếp ngẫu nhiên hoặc không ngẫu nhiên. Độ cảm từ • Độ cảm từ mô tả mức độ bò từ hoá của các vật liệu đặt trong từ trường • Chất nghòch từ : có độ cảm từ hơi âm và đối nghòch với từ trường • Ví dụ : calci, nước , và hầu hết các vật chất hữu cơ . • Chất thuận từ : có độ cảm từ hơi dương và làm tăng từ trường đòa phương, nhưng tự chúng không có từ tính ( không đo được) • Ví dụ : phân tử oxygen (O 2 ), vài sản phẩm thoái hoá của máu, các chất tương phản chứa gadolinium. • Chất sắt từ : chủ yếu làm tăng từ trường ngoài ; nhiều khi tự có độ từ hoá. Ví dụ : sắt, cobalt, và nickel Độ cảm từ (tt) Từ trường • Từ trường tồn tại như các lưỡng cực có các đường sức đi từ cực Bắc về cực Nam. • Cùng cực đẩy nhau, đối cực hút nhau. • Cường độ từ trường, B, là số đường sức trong một đơn vò diện tích • Đơn vò SI của B là tesla (T); một đơn vò khác là gauss (G), 1 T = 10,000 G Thanh nam chaõm Cuoọn daõy mang doứng ủieọn Từ tính hạt nhân • Hạt nhân có từ tính ở mức độ rất nhỏ • Từ tính bò chi phối bởi phân bố điện tích và spin trong proton và neutron của hạt nhân . • Proton đang quay hay “Spin” của nhân hro 1 H(proton) tạo ra một lưỡng cực từ • Từ trường của neutron mạnh gần bằng và ngược chiều so với từ trường của Proton • Momen từ (magnetic moment) mô tả từ tính của hạt nhân. Các tính chất cộng hưởng từ của các hạt nhân dùng trong y học Nhân Số lïng tử Spin Độ giàu đồng vò % Momen từ Mật độ tương đối Độ nhạy tương đối *Ghi chú : tất cả đồng vò của một nguyên tố cho sẵn Từ tính của các nguyên tố • Nguyên tố Hydro, có momen từ và độ giàu lớn nhất, được dùng trong ghi phổ cộng hưởng từ (MR Spectroscopy) và ghi hình cộng hưởng từ (MRI). Vật lý cổ điển coi proton đang quay hay “spin” như một thanh nam châm có 2 cực Bắc và Nam. • Một Vector (có độ lớn và hướng) được dùng để đánh giá tổng từ tính của nhiều proton. Proton đang quay với từ trường lưỡng cực “Momen từ” tương ứng [...]... đặc trưng các mô Cộng hưởng và kích thích • Nếu tần số của thành phần từ B1 của xung RF trùng hợp chính xác với tần số quay của các proton thì hiện tượng cộng hưởng (resonance) sẽ xãy ra , Vector từ hoá sẽ bò dòch khỏi vò trí cân bằng • Trong hệ quay, trường dừng B1 tác dụng một lực xoắn vào Mz, làm nó quay xa khỏi hướng dọc để về mặt phẳng ngang B1 ở tần số Lamor B1 lệch cộng hưởng Góc lệch Góc... z • Độ từ hoá ngang (Transverse Magnetization), Mzy, là thành phần vector của momen từ trong mặt phẳng x-y • Độ từ hoá cân bằng (Equilibrium magnetization), M0, là độ từ hoá cực đại của mẫu (sample) Phát và Thu tín hiệu cộng hưởng từ • Đưa vào cơ thể một năng lượng tần số vô tuyến (RF) đồng bộ với tần số quay của các proton sẽ làm các momen từ trong mẫu dòch khỏi vò trí cân bằng • Khi momen từ quay... của các hạt nhân thông dụng Hạt nhân Đònh hướng hình học • Theo qui ước, B0 song song với trục z • Dùng 2 hệ qui chiếu : – Hệ phòng thí nghiệm : là hệ qui chiếu đứng yên từ điểm nhìn của người quan sát – Hệ quay : là hệ trục quay ở tần số góc bằng tần số quay đảo của proton Vector từ hoá (Megnetization vector) • Độ từ hoá dọc (Longitudinal magnetization), Mz, là thành phần vector của momen từ theo... lệch cộng hưởng Góc lệch Góc lệch : là độ lệch của vector từ hoá dọc để tạo ra từ hoá ngang • Các góc thường dùng là 90O (π/2) và 18 0O (π) • Một xung 90O tạo ra độ từ hoá ngang lớn nhất Góc lệch nhỏ Góc lệch lớn Chiều xoắn trên Mo Lệch 90o Lệch 18 0o Góc lệch (tt) • Các kỹ thuật MRI nhanh thường tạo góc lệch ≤ 30o để rút ngắn thời gian tạo từ hoá ngang • Một góc lệch 45o chỉ cần nửa thời gian của góc...Tác dụng của từ trường ngoài • Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài mạnh, B0, các spin phân bố trong 2 trạng thái năng lượng : – Xếp song song với B0 ở mức năng lượng thấp – Xếp đối song với B0 ở mức năng lượng hơi cao hơn Đối song Momen từ tổng Song song Tần số Larmor • Các proton cũng chòu một lực xoắn từ Bo nên có chuyển động quay đảo (precession), như chuyển... mô trong cấu trúc mẫu sẽ gây tương tác spin-spin, các spin sẽ quay khác tần số vì cường độ từ trường hơi khác nhau • Tiến trình mất đồng pha càng tăng nhanh do từ trường ngoài phân bố không đồng nhất (nam châm không hoàn thiện) hoặc do các chất thuận từ hay sắt từ tạo nên Thời gian hồi phục T2 (tt) • Mẫu mô có từ tính riêng, trong đó các tương tác spinspin sẽ gây mất đồng pha làm tín hiệu ngang bò suy... ngắn thành T2* • T2* phụ thuộc vào độ đồng nhất của từ trường chính và các chất cảm từ có trong mô Tái lập cân bằng : Thời gian hồi phục T1 • Hồi phục spin – mạng là sự tăng về lại giá trò cân bằng ban đầu của Mz, phụ thuộc đặc trưng tương tác giữa spin và mạng (cách sắp xếp và cấu trúc) • Hằng số hồi phục T1 là thời gian cần để hồi phục 63% độ từ hoá dọc, Mz • Sự hồi phục của Mz theo thời gian sau... phục của Mz theo thời gian sau xung 90o được diễn tả toán học như sau : M Z (t ) = M 0 (1 − e − t / T1 ) Xung 90o Thời gian Cân bằng Xung 90o Thời gian trì hoãn Ngắn Trung bình Dài Hồi phục dọc Xung 90o Tín hiệu FID tạo ra iaD ø ur T nag N é Hồi phục Mz Thời gian (s) Thời gian hồi phục T1 (tt.) • Thời gian hồi phục T1 phụ thuộc tốc độ tiêu tán năng lượng hấp thụ vào mạng phân tử bao quanh • Sự truyền... lượng hiệu quả nhất khi tần số quay của proton kích thích trùng với tần số dao động của mạng phân tử • Phụ thuộc nhiều vào thuộc tính vật lý của các mô Kích thước và đặc tính phân tử Trung bình, dính T1 ngắn i gnơư n ơ ä o Đ á t ù l Nhỏ , lỏng T1 dài Thấp Lớn , dừng T1 dài nhất Tần số Cao ... Larmor, cuộn thu (anten) bò cảm ứng từ tạo ra tín hiệu điện hình sin giảm dần gọi là tín hiệu suy giảm cảm ứng tự do (FID) • Biên độ tín hiệu FID bò suy giảm vì các spin bò mất đồng pha do từ trường biến thiên Hệ quay Cân bằng Mx-y= 0 Xung RF 90o Mx-ylớn Lệch pha Mx-y suy giảm Lệch pha Mx-y= 0 Thời gian Hệ Lab Anten thu Thời gian Thời gian hồi phục T2 (tt) • Sự biến thiên từ trường vi mô trong cấu trúc . cực từ • Từ trường của neutron mạnh gần bằng và ngược chiều so với từ trường của Proton • Momen từ (magnetic moment) mô tả từ tính của hạt nhân. Các tính chất cộng hưởng từ của các hạt nhân. tính hạt nhân • Hạt nhân có từ tính ở mức độ rất nhỏ • Từ tính bò chi phối bởi phân bố điện tích và spin trong proton và neutron của hạt nhân . • Proton đang quay hay “Spin” của nhân hro 1 H(proton). nguyên tố • Nguyên tố Hydro, có momen từ và độ giàu lớn nhất, được dùng trong ghi phổ cộng hưởng từ (MR Spectroscopy) và ghi hình cộng hưởng từ (MRI) . Vật lý cổ điển coi proton đang quay hay