Nguyên lý ứng dụng trong tạo ảnh cộng hưởng từ

NGUYÊN LÝ ỨNG DỤNG TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Bs Đào Danh Vĩnh Nội dung Nội dung • Giới thiệu • Giới thiệu • Từ trường hạt nhân • Từ trường hạt nhân • Hiện tượng cộng hưởng từ • Hiện tượng cộng hưởng từ • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Thời gian TR; TE • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh • Nguyên lý tạo ảnh Giới thiệu Giới thiệu So với CTscan, MRI có nhiều khó khăn tiếp cận: • Tạo ảnh cấp độ siêu vi (hạt nhân nguyên tử) • 1882: Nikola Tesla phát đo lường từ trường • 1946: Felix Block & Edward Purcell công bố tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nobel price: 1952) • 1972: Raymond Damadian giới thiệu mô hình máy MRI • 1978: hệ thống chụp cộng hưởng từ ứng dụng đời • Không nhìn thấy, không sờ thấy thực tế • Nhiều tham số tạo ảnh: T1, T2, PD, TE, TR… (CT: hấp thụ tia X) • Nhiều phương thức hiển thị: T1WI, T2WI, DWI, MRS…(CT: tỷ trọng) http://www.two-views.com/mri-imaging/history.html#sthash.aK4mSuMk.dpbs Nội dung Từ trường hạt nhân • Giới thiệu • Cấu trúc nguyên tử bất kỳ: • Hạt nhân: điện (+), trung tâm • Từ trường hạt nhân • Hiện tượng cộng hưởng từ • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Electron: điện (-), quay xung quanh • Nguyên tử Hydro • Hạt nhân có proton • Phổ biến thể • Hằng số hồi chuyển từ lớn • Thời gian TR; TE • Khi hạt proton quay quanh trục, gọi “spin” • Nguyên lý tạo ảnh Từ trường hạt nhân Đặc tính proton • Moment quay: proton tự quay xung quanh trục riêng • Moment từ: mang điện tích nên quay, proton tạo xung quanh Từ trường hạt nhân Sự tiến động: • Các proton bị đảo lắc đồng thời quay quanh trục • Tần số tiến động (Lamor): phụ thuộc từ trường • Sự phức tạp không gian chiều -> hệ quy chiếu xyz (vector) từ trường bao quanh, gọi từ trường hạt nhân • Trái đất: quay quanh trục, lệch góc 23,5 độ, hình thái từ trường trái đất Từ trường hạt nhân Sự tiến động: • RF (-): Nội dung • Giới thiệu • Trạng thái ổn định • Tần số tiến động • Từ trường hạt nhân • RF (+): • Thay đổi phương, chiều, tần số tiến động • Hiện tượng cộng hưởng từ • Không ổn định: tích luỹ lượng từ kích thích RF • Thời gian thư duỗi T1; T2 • RF (-): • Trở lại trạng thái ổn định • Hoàn trả lượng nhận từ RF: phát tán môi trường xung quanh phát tán hạt nhân • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cảm ứng từ Hiện tượng cảm ứng từ Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cảm ứng từ Cộng hưởng dao động học • Bo ON: proton xếp ngẫu nhiên hỗn độn • Biên độ dao động đạt cực đại khi: • Bo OFF: proton bị xếp lại song song theo phương Bo, số • Tần số kích thích trùng tần số dao động riêng chiều (năng lượng cao), số ngược chiều (năng lượng thấp) • Sự chênh lệch cùng/ngược chiều: phụ thuộc mức độ từ hoá mô • Phương chiều kích thích trùng phương chiều dao động cường độ Bo (0,3T; 1T; 1,5T; 3T…) Cộng hưởng từ trường • Tần số kích thích sóng RF trùng tần số tiến động (Lamor) proton • Sự tiến động proton đạt cực đại => tín hiệu thu tối ưu Nội dung Thời gian thư duỗi T1 • Giới thiệu • Không có RF: Mo // Bo • RF - ON: Mo => Mz + Mxy (Mz = 0) • RF - OFF: • t < T1: < Mz < Mo • t = T1: Mz = 63% Mo • t > T1: Mz = Mo • Bản chất: proton hoàn trả lượng nhận RF (spin – lattice) • Từ trường hạt nhân • Hiện tượng cộng hưởng từ • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh Mz = Mz = 63% Mo Mz = Mo Thời gian thư duỗi T2 Thời gian thư duỗi T2 Pha (phase) proton: • Không có RF: Mo // Bo • RF - ON: Mxy = Max • RF - OFF: • t < T2: < Mxy < Max • t = T2: Mxy = 37% Max • t > T2: Mxy = • Bản chất: proton tiến động lệch pha, triệt tiêu lượng (spin – spin) • Hình chiếu vector momen từ proton mặt phẳng (xy) • Nhiều pha khác nhau, chia nhóm: – Đồng pha (inphase): Mxy = Mmax – Lệch pha (dephase): Mxy < Mmax (do triệt tiêu lượng nhau) Đồng pha Sớm pha Trễ pha Mxy = Max Mxy = 37% Max Mxy = Thời gian thư duỗi T1; T2 Thời gian thư duỗi T1; T2 • Bản chất độc lập, khác biệt với • Ít nhiều diễn thời điểm • Độ lớn T1; T2 phụ thuộc: • Cường độ từ trường (Bo) • Chuyển động nội proton mô (chuyển động Brown) • Mô khác T1, T2 có giá trị khác nhau; mật độ proton (PD) o khác • Mô mỡ có T1; T2 ngắn nước • Ý nghĩa việc xác định thời gian thư duỗi T1; T2 tạo hình ảnh khác (T1W, T2W, PD…) nhờ lựa chọn giá trị TR/TE phù hợp • Các mô thể (Bo = 1.5T): T1 • T1: 500-5.000 msec T2 • T2: 100-300 msec T2W TE dài/TR dài Tương phản mô • MRI: nhiều yếu tố (parameters) tham gia tạo ảnh: T1, T2, PD… • Các parameters định độ tương phản mô (tissue contrast) hình T1W TE ngắn/TR vừa ảnh MRI thu • T1W: ảnh có độ tương phản chủ yếu T1 định (ưu thế) • T2W: ảnh có độ tương phản chủ yếu T2 định (ưu thế) PD TE ngắn/TR dài Nội dung • Giới thiệu • Từ trường hạt nhân • Hiện tượng cộng hưởng từ • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh Thời gian TR Thời gian TE • TR (msec): repetition time • TE (msec): time echo • Thời gian lặp lại: khoảng thời gian • Echo: lượng proton hoàn trả lần kích thích sóng RF liên tiếp • TR định đặc tính thư duỗi T1 ảnh MRI • Khi TR dài (T2WI): • Mz phục hồi nhiều • Nhiều proton sẵn sàng cho kích thích • Tín hiệu thu mạnh Thời gian TE/TR RF (-) phận cảm biến (coils) thu trạng thái đồng pha (inphase) • TE: khoảng thời gian từ bắt đầu kích thích RF đến thu đỉnh tín hiệu echo lớn • TE định đặc tính thư duỗi T2 ảnh MRI Thời gian TE/TR Nội dung • Giới thiệu • Từ trường hạt nhân • Hiện tượng cộng hưởng từ • Thời gian thư duỗi T1; T2 • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh • Sử dụng hệ thống chênh từ G (gradient) • Bản chất cuộn dây dẫn điện Đặc tính proton (spin): (coils) siêu nhậy • Có hệ thống chênh từ tương • Vị trí không gian ứng với toạ độ không gian • Tần số tiến động chiều (xyz): Gx; Gy; Gz • Trạng thái phase • Nhiệm vụ chênh từ thay đổi theo mặt phẳng cắt lớp (axial, Gradient chọn lớp Gradient mã hoá tần số coronal, sagital) Gradient mã hoá pha Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh Gradient chọn lớp: Gradient mã hoá theo tần số (theo cột) • CT scan: chuyển động bàn vuông góc với mặt phẳng cắt lớp bóng phát tia X cảm biến (detector) tạo • Tạo chênh từ có cường độ giảm dần • MR scan: • Tần số cộng hưởng (tần số Larmor) (tăng dần) từ trái sang phải ng n ố hưởng – Tần số RF cộng hưởng => tín hiệu cực đại proton (spin) giảm dần (tăng dần) tương ứng Hệ thống chênh từ: ON • Các spin cột có tần số cộng hưởng (được thu tín hiệu) Tần số cộng hưởng RF • Các spin nằm cột khác – Tần số RF không cộng hưởng => tính hiệu yếu, không thu nhận có tần số cộng hưởng khác Slice selection gradient Nguyên lý tạo ảnh Frequency encoding gradient Nguyên lý tạo ảnh Gradient mã hoá theo pha (theo hàng) • Các proton phía tiến động nhanh so với proton phía • Khi G bật (ON): chuyển dịch pha proton lớp khác nhau, hàng chuyển pha nhiều hàng • Khi G tắt (OFF): spin trở lại tần số tiến động ban đầu pha bị thay đổi • Các proton hàng có trạng thái pha • Proton hàng khác có pha khác Phase encoding gradient Nguyên lý tạo ảnh Gradient mã hoá tần số Nguyên lý tạo ảnh Gradient mã hoá pha Thu tín hiệu mã hoá proton Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh Kết luận Tài liệu tham khảo • Tạo ảnh cộng hưởng từ dựa sở hoạt động hạt nhân Westbrook C, Kaut C MRI in practice 2nd ed Oxford, nguyên tử hydro (proton): nguyên tố phổ biến thể • Mỗi proton có từ trường riêng, có đặc tính ứng dụng tạo ảnh cộng hưởng từ tần số tiến động (tần số Lamor) trạng thái pha: bị ảnh hưởng kích thích bên Bo, RF • Tạo ảnh cộng hưởng từ dựa nhiều yếu tố (multi parameters), nhất: T1, T2, PD, TR, TE • Các phận trực tiếp tham gia tạo ảnh cộng hưởng từ: hệ thống chênh từ Gx, Gy, Gz, thu phát RF England: Blackwell Science, 1998 Evert J Blink MRI physics: For anyone who does not have a degree in physics November, 2004 Richard Bitar et al MR Pulse Sequences: What Every Radiologist Wants to Know but Is Afraid to Ask RadioGraphics 2006; 26:513–537 … 48 2017 Trân trọng cảm ơn ! ... gradient Nguyên lý tạo ảnh Gradient mã hoá tần số Nguyên lý tạo ảnh Gradient mã hoá pha Thu tín hiệu mã hoá proton Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh Kết luận Tài liệu tham khảo • Tạo ảnh cộng hưởng. .. • Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh Nguyên lý tạo ảnh • Sử dụng hệ thống chênh từ G (gradient) • Bản chất cuộn dây dẫn điện Đặc tính proton (spin): (coils) siêu nhậy • Có hệ thống chênh từ. .. nhận từ RF: phát tán môi trường xung quanh phát tán hạt nhân • Thời gian TR; TE • Nguyên lý tạo ảnh Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cộng hưởng từ Hiện tượng cảm ứng từ Hiện tượng cảm ứng từ