Vật lý học cộng hưởng từ

Hiểu rõ những khái niệm vật lý của hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân là bước quan trọng đầu tiên giúp chúng ta nắm bắt được cơ chế của quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ. Bản thân hiện tượng cộng hưởng từ đến lượt nó lại dựa trên cơ sở những hiện tượng có liên quan đến trường và sóng điện từ. Vì vậy trong bốn chương đầu tiên của cuốn sách này, chúng ta sẽ cố gắng thiết lập những nguyên lý căn bản nhất làm nền tảng cho các kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ

Chương Hiện tượng Cộng hưởng từ Hạt nhân Hiểu rõ khái niệm vật lý tượng cộng hưởng từ hạt nhân bước quan trọng giúp nắm bắt chế trình tạo ảnh cộng hưởng từ Bản thân tượng cộng hưởng từ đến lượt lại dựa sở tượng có liên quan đến trường sóng điện từ Vì bốn chương sách này, cố gắng thiết lập nguyên lý làm tảng cho kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ: Chương tượng vật lý có liên quan đến cộng hưởng từ tín hiệu cộng hưởng từ Trong Chương trình bày hiệu ứng cộng hưởng từ mô thể Sau tìm hiểu nguyên lý tương phản Chương 3, Chương nghiên cứu trình đo tín hiệu tạo ảnh cộng hưởng từ Với hiểu biết đó, tiếp tục tìm hiểu sâu kỹ thuật cộng hưởng từ chương sách Bây giờ, khởi đầu tượng vật lý bản: • Từ tính từ trường • Khả từ hóa chất • Trường sóng điện từ • Từ tính hạt nhân nguyên tử • Hiện tượng cộng hưởng từ • Tín hiệu cộng hưởng từ CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1 TỪ TÍNH VÀ TỪ TRƯỜNG Trong đời sống hàng ngày, gặp số vật có khả hút vật khác đặt gần Những vật có khả thường gọi nam châm (magnet) Từ tính nam châm Ngoài tượng hút số vật, nam châm có khả đẩy số vật khác Khả hút đẩy vật khác xem tính chất vốn có nam châm gọi tính chất từ hay từ tính (magnetism) Khi đặt hai nam châm gần nhau, người ta nhận thấy có hai đầu rõ rệt: Lấy đầu A đặt gần đầu B, bò đầu hút đầu đẩy Kết ngược lại dùng đầu lại A: đầu đẩy đầu hút Người ta nhận thấy trái đất nam châm (khổng lồ) Từ tính trái đất biết đến từ lâu nhận xét đầu kim la bàn, vốn nam châm, hướng bắc (north) đầu hướng nam (south) Dựa theo tên gọi “nam châm trái đất”, đầu hướng nam nam châm gọi cực bắc N (North); đầu hướng bắc nam châm gọi cực nam S (South) Khi đặt hai nam châm gần nhau, hai cực tên đẩy hai cực khác tên hút (Hình 1.1) bắc cực S S N N S N S N nam cực Hình 1.1: Cực nam châm đặt tên dựa theo cực trái đất Các cực tên đẩy cực khác tên hút 1.2 KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT Từ trường Khi có diện nam châm, môi trường xung quanh bò tác động từ tính nam châm, hình thành môi trường “có từ tính” gọi từ trường (magnetic field) Sức tác động nam châm môi trường gọi cường độ từ trường (magnetic field strength) thường đo đơn vò Tesla (T).1 Trái đất, dù xem nam châm khổng lồ, lại có cường độ từ trường nhỏ Thực tế, cường độ từ trường Tesla gấp khoảng 20.000 lần cường độ từ trường trái đất Do với loại máy chụp cộng hưởng từ có cường độ từ trường khoảng 0,2 đến Tesla, ảnh hưởng từ trường trái đất xem không đáng kể Vectơ biểu diễn từ trường Để mô tả cường độ từ trường cách trực quan, người ta hay vẽ mũi tên (đoạn thẳng có hướng) Hướng vectơ hướng tác động cường độ từ trường Chiều dài vectơ biểu thò độ lớn cường độ Trong phạm vi sách mô tả khái niệm cách đònh tính nhiều đònh lượng, không câu nệ vào đơn vò đo chiều dài cụ thể để quy cường độ từ trường mà cảm nhận thật đơn giản: vectơ dài, cường độ lớn (Hình 1.2) B0 M0 Mxy Hình 1.2: Biểu diễn từ trường vectơ Trong hình tên chiều tác động số từ trường thường gặp; chiều tác động vẽ theo quy ước chung Độ dài vectơ biểu thò cách tương đối cường độ từ trường: vectơ dài, cường độ từ trường lớn 1.2 KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT Khi đưa thỏi sắt vào từ trường nam châm, người ta nhận thấy thỏi sắt bò hút mạnh phía nam châm Điều cho thấy thỏi sắt bò “nhiễm từ” hay bò từ hóa biến thành nam châm Nghóa là, thỏi sắt có khả hút nam châm Hiện tượng gọi tượng từ hóa (magnetization) Cường độ từ trường thường đo đơn vò Gauss (G) với 1T = 10.000G 4 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Lập lại thí nghiệm với thỏi nhôm, người ta thấy thỏi nhôm bò từ hóa yếu, nhận quan sát thật kỹ Tuy nhiên thay thỏi nhôm miếng bismut, người ta chẳng thấy miếng bismut bò nam châm hút mà thấy bismut bò đẩy khỏi nam châm (dù yếu) Qua ba thí nghiệm nêu nhiều thí nghiệm tương tự, người ta nhận đònh phân chia chất thành ba nhóm với khả từ hóa khác nhau: chất sắt từ (ferromagnetic material), chất thuận từ (paramagnetic material) chất nghòch từ (diamagnetic material) Chất sắt từ Sắt từ nhóm chất có khả từ hóa mạnh giống sắt thí nghiệm nêu Những chất bò từ hóa tạo từ trường mạnh làm thay đổi tín hiệu cộng hưởng từ mô thể Vì nên vật dụng có chứa chất thuộc nhóm sắt từ (điện thoại, thẻ từ, chìa khóa, vân vân) không đưa vào phòng cộng hưởng từ Một số bệnh nhân có thiết bò cấy ghép không chụp cộng hưởng từ Chất thuận từ Chất thuận từ nhóm chất có khả từ hóa yếu (giống nhôm thí nghiệm nêu) nên “nhiễm từ” mức độ đònh Một số trình bệnh lý, chẳng hạn xuất huyết não, sản sinh chất thuận từ làm tăng tín hiệu cộng hưởng từ vùng não bò tổn thương.2 Chất nghòch từ Chất nghòch từ nhóm chất “dò ứng” với từ trường giống bismut thí nghiệm nêu Chúng hoàn toàn “trơ” nam châm phản ứng “nghòch từ” yếu nên không ảnh hưởng đến tình trạng từ tính nam châm Đa số chất thể sống thuộc nhóm 1.3 TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ Vật lý học đại chứng minh mối liên hệ điện trường từ trường qua hai luận điểm Maxwell: (1) từ trường biến thiên theo thời gian sinh điện trường; (2) ngược lại điện trường biến thiên theo thời gian sinh từ trường Hiện tượng biến đổi điện trường thành từ trường ngược lại đặt tên tượng cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) Điện trường từ trường tạo thành môi trường thống gọi chung trường điện từ (electromagnetic field) Một số tài liệu phân đònh thêm nhóm chất gọi superparamagnetic material (chất nhạy từ) có khả từ hóa trung gian chất sắt từ chất thuận từ 1.3 TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ Khi làm cho trường điện từ thay đổi theo thời gian, trường điện từ biến thiên lan truyền không gian tạo thành sóng điện từ (electromagnetic wave) Chúng ta hình dung sóng điện từ lan truyền không gian tương tự gợn sóng lan truyền mặt nước ném cục đá nhỏ xuống hồ nước phẳng lặng Thực tế sóng radio (sóng vô tuyến), tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X, tia gamma sóng điện từ Trong kỹ thuật cộng hưởng từ, xung tín hiệu cộng hưởng từ sóng radio (radiofrequency, viết tắt sóng RF xung RF) mà có dạng hình sine tương tự Hình 1.3 Những tham số mô tả sóng gồm có chu kỳ (cycle), tần số (frequency), bước sóng (wave length), biên độ (amplitude) pha (phase) Để dễ nắm bắt khái niệm vừa liệt kê, thử hình dung có vận động viên chạy “đều bước” Quan sát bàn chân anh ta, chẳng hạn bàn chân phải, thấy cách thức hoạt động trông tương tự sóng hình sine Hình 1.3 Nếu xem vò trí khởi đầu vò trí bàn chân sát mặt đất, đưa cao dần lên vò trí cao bắt đầu hạ thấp dần xuống chạm lại mặt đất Sau trình lập lại nhiều lần hoàn toàn giống Theo đó, khoảng thời gian hai lần bàn chân phải chạm đất (một bước chạy) gọi chu kỳ Khoảng thời gian hai lần duỗi thẳng trước khoảng thời gian hai lần chạm đất xem chu kỳ biên độ chu kỳ thời gian Hình 1.3: Hình ảnh sóng hình sine điển hình Trục dọc biểu diễn cho độ lớn (biên độ) sóng; trục ngang biểu diễn thời gian Khoảng thời gian để sóng truyền hai điểm đánh dấu hình (đoạn vẽ đậm) gọi chu kỳ 6 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Nếu đếm số bước chạy (số chu kỳ) giây, gọi tần số Chẳng hạn vận động viên chạy 15 bước giây, nói tần số 15 chu kỳ/giây hay 15 hertz (Hz) Trong nhiều trường hợp, tần số tính megahertz (MHz) với MHz = 106 Hz (một triệu Hz) Chiều dài bước chạy tính khoảng cách hai lần bàn chân phải chạm đất Khi xem tương ứng với bước sóng sóng điện từ Bây đến lượt khái niệm biên độ, khoảng cách vò trí cao thấp mà bàn chân đạt tới Đối với sóng, biên độ cho biết độ lớn sóng Trong Hình 1.3, trục dọc biểu diễn biên độ tức độ lớn sóng Vì thân tín hiệu cộng hưởng từ sóng radio nên biên độ tín hiệu cao, thân tín hiệu mạnh Để minh họa cho khái niệm pha sóng, giả sử quan sát hai bàn chân Hoạt động chúng hoàn toàn nhòp bước với nhau, nghóa tần số, ngoại trừ điểm bàn chân phải chạm đất bàn chân trái lơ lửng vò trí cao ngược lại Chúng ta nói hai bàn chân hoạt động nghòch pha với Nếu thay chạy, vận động viên lại “nhảy bao bố” nói hai bàn chân hoạt động pha với nhau, nghóa nhòp bước song song với Đối với khái niệm pha sóng, cần nói xác Giả sử có hai sóng hình sine tần số, nghóa giây, số lần sóng trở lại vò trí giống trước Nếu so ghép hai sóng vào hình theo trục thời gian, hai sóng trùng khớp lên (Hình 1.4(a)) lệch (Hình 1.4(b)) thời gian (a) (b) (c) Hình 1.4: Pha hai sóng hình sine (a) Hai sóng pha, độ chênh lệch pha chúng 0o 360o (b) Hai sóng lệch pha, độ chênh lệch pha chúng giá trò từ đến 360o (c) Hai sóng nghòch pha, độ chênh lệch pha chúng 180o 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Trong Hình 1.4(a), có hai sóng pha nói chúng có pha chênh góc 0o Nếu giữ yên sóng xê dòch tới trước sóng cho chúng lại trùng khớp với nhau, nói hai sóng có pha chênh góc 360o Tuy nhiên đơn giản, xem hai sóng pha hai sóng có pha chênh 0o Trong Hình 1.4(b), hai sóng chênh chút chưa đủ để chúng lại trùng khớp với Hình 1.4(a) Khi nói hai sóng có pha chênh góc với giá trò nằm khoảng từ 0o đến 360o Trường hợp đặc biệt xảy Hình 1.4(c) với hai sóng gọi nghòch pha (chênh 180o) thời điểm, sóng vò trí cao sóng vò trí thấp Một điểm quan trọng cần ghi nhận đây: hai sóng pha, sức mạnh tổng hợp chúng tăng lên (nhảy bao bố); hai sóng lệch pha (chân thấp chân cao), sức mạnh giảm Đặc biệt, sức mạnh chúng triệt tiêu lẫn trường hợp chúng nghòch pha Phổ sóng điện từ Để độc giả hình dung tranh tổng thể vai trò sóng điện từ an toàn sóng radio dùng cộng hưởng từ, trình bày phổ sóng điện từ phân chia dựa vào tần số chúng Hình 1.5 Trong hình thấy dải tần số ánh sáng nhìn thấy hẹp, quanh quẩn dải tần 1015 Hz; dải tần số sóng radio rộng, trải dài từ khoảng tần số 103 Hz đến 1010 Hz Nên biết tia X dùng để chụp X quang CT loại sóng điện từ có tần số cao Từ dải tần số trở lên, sóng điện từ bắt đầu có khả ion hóa gây hại cho tế bào Bây sau ôn lại khái niệm vật lý bản, tìm hiểu từ tính hạt nhân nguyên tử mà chủ yếu hạt nhân nguyên tử hydro (chỉ có hạt proton) Sau tìm hiểu tượng cộng hưởng từ hạt nhân, tượng sở kỹ thuật cộng hưởng từ 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Như biết qua hai luận điểm Maxwell Phần 1.3, điện trường biến thiên sinh từ trường Các hạt nguyên tử có mang điện tích proton (mang điện dương) electron (điện tử mang điện âm), với thuộc tính vốn có tự quay quanh trục (tính chất spin) chúng, sinh từ trường nhỏ xem nam châm Khi nghiên cứu tính chất spin hạt bản, người ta thường gọi nam châm tí hon spin Trong sách này, hai thuật ngữ spin proton dùng lẫn lộn xem đồng nghóa 8 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 1020 tia gamma tia X 1018 tia tử ngoại 16 10 ánh sáng nhìn thấy 1014 tia hồng ngoại 1012 sóng viba 1010 108 106 sóng radio 104 Tần số (Hz) Hình 1.5: Phổ tần số sóng điện từ Các sóng có tần số lớn 1016 Hz (vạch đậm ngang) có khả ion hóa gây hại cho tế bào sống Hạt nhân hydro Nguyên tử hydro chứa proton electron Vì có proton hạt nhân (không có hạt neutron), hạt nhân hydro thường gọi đơn giản proton Mặt khác, hydro chiếm lượng lớn thành phần nước mỡ, chất vốn có mặt hầu hết mô thể, đóng vai trò quan trọng việc tạo hình ảnh cộng hưởng từ Trong phần sau đây, bàn luận chủ yếu tính chất spin proton (hạt nhân nguyên tử hydro) Độ từ hóa thực Khi tác dụng từ trường bên ngoài, proton hay spin quay quanh trục chúng với hướng trục quay hoàn toàn ngẫu nhiên Khi từ trường chúng tương tác bù trừ qua lại làm triệt tiêu từ trường chung (Hình 1.6) 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Hình 1.6: Trục quay ngẫu nhiên proton làm cho từ trường chung zero tác dụng từ trường Khi có tác động từ trường bên ngoài, ký hiệu B0, proton chòu tác động từ trường đònh hướng lại trục quay theo từ trường B0: số có trục quay chiều với chiều tác động từ trường B0; số khác lại có trục quay ngược chiều với chiều tác động (Hình 1.7) Thực tế đo đạc lâm sàng cho thấy ứng với triệu proton thể, số lượng proton chiều với B0 nhiều hai so với số proton ngược chiều Sự khác biệt “nhỏ bé” độ từ hóa thực M0 (net magnetization), mà thấy phần sau, vốn từ trường làm sở để tạo tín hiệu cộng hưởng từ Độ từ hóa thực tăng lên cường độ từ trường B0 tăng tín hiệu cộng hưởng từ tỷ lệ với cường độ từ trường B0 Trạng thái lượng proton Khi proton có trục quay chiều với chiều tác động từ trường, trạng thái lượng thấp bền vững Khi proton có trục quay ngược chiều với chiều tác động từ trường, trạng thái lượng cao, bền vững có xu hướng giải phóng lượng để trở trạng thái lượng thấp (cùng chiều với từ trường) Theo lý thuyết lượng tử, proton có khả giải phóng hay hấp thụ lượng vừa đủ để chuyển bật từ trạng thái lượng cao sang trạng thái lượng thấp ngược lại (Hình 1.8) Năng lượng quang tử (photon) 10 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Hình 1.7: Khi có tác dụng từ trường B0, proton đònh lại trục quay ngược chiều với chiều tác động từ trường Chênh lệch số proton chiều ngược chiều tạo từ trường thường gọi độ từ hóa thực Trong thực tế, proton không nguyên trạng thái mà tương tác với (tương tác spin-spin) với môi trường xung quanh (tương tác spin-lattice), giải phóng hấp thu lượng để chuyển bật qua lại trạng thái Tuy nhiên nhìn tổng thể, số proton chiều ngược chiều với từ trường hoàn toàn ổn đònh quang tử Hình 1.8: Chuyển bật từ trạng thái lượng cao sang trạng thái lượng thấp giải phóng quang tử; ngược lại chuyển bật từ trạng thái thấp sang trạng thái cao hấp thụ quang tử 1.5 HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ 11 Tần số cộng hưởng Tốc độ quay proton giống phụ thuộc vào từ trường Mối liên hệ tốc độ quay proton cường độ từ trường diễn tả công thức đơn giản sau đây, gọi phương trình Larmor: f = γB f tần số quay (số vòng quay giây) hay tần số cộng hưởng (resonance frequency), B cường độ từ trường γ giá trò không đổi gọi số Larmor Đối với proton, γ có giá trò xấp xỉ 42,58 MHz/T (42,58 triệu chu kỳ giây cho Tesla từ trường) Theo phương trình Larmor, tính tần số cộng hưởng proton từ trường khác Thí dụ tần số cộng hưởng proton từ trường Tesla 42,58 MHz, tần số cộng hưởng proton từ trường 1,5 Tesla 63 MHz, vân vân 1.5 HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance, viết tắt NMR) phát hoàn toàn độc lập Felix Bloch Edward Purcell năm 1946 (cả hai nhận giải Nobel năm 1952) Khi cộng hưởng từ hạt nhân sử dụng phổ biến y khoa vào cuối thập niên 1970 đầu thập niên 1980, tính chất “nhạy cảm” thuật ngữ hạt nhân (thường liên quan đến vấn đề phóng xạ), người ta có xu hướng bỏ thuật ngữ hạt nhân mà nói đơn giản cộng hưởng từ (magnetic resonance, viết tắt MR) chụp cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging, MRI) Trọng tâm phần nhằm trả lời cho câu hỏi: cộng hưởng từ gì? Vectơ độ từ hóa thực Để mô tả tượng cộng hưởng từ, trước tiên xây dựng hệ trục tọa độ vuông góc với ba trục xyz Hình 1.9 Trục z trục thẳng đứng theo chiều tác dụng từ trường B0, mặt phẳng xy vuông góc với trục z Từ trường B0 gây độ từ hóa thực M0 có vectơ hướng chiều với B0, độ từ hóa thực gọi độ từ hóa dọc Mz (longitudinal magnetization) Cần nhớ vào thời điểm này, proton quay với tần số cộng hưởng γB0 Xung kích thích Bây cho phát xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB0, tạo từ trường B1 vuông góc với B0.3 Do B1 quay quanh z với Vì sóng radio sóng điện từ (Phần 1.3) nên lan truyền, tạo từ trường 12 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN tần số cộng hưởng γB0 proton nên proton, từ trường B1 “không chuyển động” Có nghóa chúng, từ trường B1 từ trường tónh giống từ trường B0 z x M0 B0 y Hình 1.9: Từ trường B0 tạo độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc Dưới tác dụng từ trường B1 thời gian đònh, vectơ M0 thay đổi lệch khỏi trục z góc α α gọi góc lật (flip angle)4 có giá trò tùy thuộc vào cường độ từ trường B1 thời gian phát xung Để cho đơn giản, người ta dùng α để xung RF tạo Chẳng hạn góc lật 90o xung phát gọi xung RF 90o hay xung 90o; góc lật 180o gọi xung 180o Cộng hưởng từ hạt nhân Cho tới lúc này, câu hỏi “Cộng hưởng từ gì?” trả lời Từ trường B1 quay quanh trục quay proton (hạt nhân) theo tần số quay γB0 proton cộng hưởng với chúng, làm cho độ từ hóa thực lệch khỏi trục quay góc lật α Xung 90o Chúng ta sâu tìm hiểu chi tiết xung đặc biệt dùng phổ biến nhất: xung 90o (Hình 1.10) Dưới tác dụng xung kích thích kéo dài khoảng thời gian với tần số thích hợp, độ từ hóa thực hướng theo trục z bò lật ngang (90o) nằm hẳn mặt phẳng xy Độ từ hóa thực chuyển hoàn toàn thành độ từ hóa ngang Mxy (transverse magnetization) quay quanh z với tần số cộng hưởng γB0 Độ từ hóa dọc lúc hoàn toàn biến Chúng ta tìm hiểu tác dụng góc lật Chương Hiện quan tâm đến góc lật 90o 1.6 TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ 13 z x Mxy y Hình 1.10: Xung 90o làm lật ngang hướng M0, khiến lúc nằm mặt phẳng xy vuông góc với trục z gọi độ từ hóa ngang Mxy Quá trình hồi giãn dọc Bây ngừng phát xung (tắt từ trường B1) Các proton lúc chòu tác dụng từ trường B0 có xu hướng giải phóng phần lượng hấp thu từ xung vào môi trường xung quanh để trở trạng thái lượng thấp (cân bằng) Tương tác có tên tương tác spin-lattice.5 Trong trình tương tác spin-lattice, độ từ hóa dọc, tác dụng từ trường B0 ban đầu khôi phục lại (Hình 1.11) Quá trình khôi phục độ từ hóa dọc Mz gọi trình hồi giãn dọc (longitudinal relaxation).6 Khoảng thời gian cần thiết cho trình hồi giãn dọc gọi thời gian hồi giãn dọc hay thời gian T1 Trong thực tế, T1 xem thời gian cần thiết để độ từ hóa dọc khôi phục lại khoảng 63% giá trò ban đầu M0 Trong Chương biết T1 tham số đặc trưng cho mô dùng để tạo độ tương phản mô hình cộng hưởng từ 1.6 TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ Như nói phần trước, cho từ trường B1 dạng xung radio quay quanh trục z, vuông góc với có tần số quay với tần số quay proton, từ trường B1 cộng hưởng với proton, làm lệch độ từ hóa thực M0 ban đầu góc lệch α so với trục z Nếu dùng xung 90o (α = 90o), độ từ hóa thực M0 dần bò lật ngang rơi vào mặt phẳng xy thành độ từ hóa Lattice có nghóa môi trường xung quanh Một số tài liệu gọi trình hồi giãn spin-lattice 14 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ngang Mxy quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB0 Nếu ngừng phát xung trình bày Phần 1.3, từ trường biến thiên Mxy sinh sóng điện từ (ở sóng radio) phát thiết bò chuyên dụng, chẳng hạn ăng-ten Sóng radio tín hiệu cộng hưởng từ (magnetic resonance signal) Quá trình tạo tín hiệu cộng hưởng từ gọi trình cảm ứng cộng hưởng từ (magnetic resonance induction) z Mz M Mxy x y Hình 1.11: Quá trình hồi giãn dọc sau ngừng phát xung Độ từ hóa ngang Mxy giảm dần độ từ hóa dọc Mz lớn dần lên, khôi phục lại độ từ hóa thực M0 Từ trường tổng hợp chúng lúc M Như vậy, tín hiệu cộng hưởng từ có nguồn gốc từ độ từ hóa thực M0 bò lật ngang thành độ từ hóa ngang Mxy thế, cường độ tín hiệu phụ thuộc vào độ lớn độ từ hóa thực M0 Quá trình hồi giãn ngang Sau tắt xung, nguyên tắc độ từ hóa ngang hẳn độ từ hóa dọc khôi phục hoàn toàn Tuy nhiên thực tế, độ từ hóa ngang thường nhanh, đồng nghóa với tín hiệu cộng hưởng từ lâu trước độ từ hóa dọc khôi phục xong Do tác dụng trước xung kích thích nên sau tắt, proton quay pha với Theo thời gian, proton va chạm với lệch pha Chúng “mất đoàn kết nội bộ”, dẫn đến tình trạng “nội lực tổng hợp” Mxy suy giảm dần hẳn Quá trình này, gọi trình hồi giãn ngang (transverse relaxation), vốn xảy nhanh so với trình hồi giãn dọc Khoảng thời gian xảy trình hồi giãn ngang gọi thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2 Cần nhớ trình hồi giãn dọc hồi giãn ngang xảy hoàn toàn 1.6 TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ 15 độc lập với chế vật lý chúng hoàn toàn khác nhau: nguyên nhân trình hồi giãn dọc tương tác spin môi trường (tương tác spin-lattice) làm giải phóng lượng hấp thụ từ xung kích thích; nguyên nhân trình hồi giãn ngang tương tác spin (tương tác spin-spin) làm chúng dần lệch pha với nhau, dẫn đến sức mạnh tổng hợp chúng giảm dần hẳn Tuy nhiên cần biết tương tác spin-spin, độ từ hóa ngang hẳn độ từ hóa dọc khôi phục lại hoàn toàn Vì thời gian T2 dài thời gian T1 Nói cách khác, thời gian T1 cận thời gian T2 Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự Do chế trình hồi giãn ngang, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu có cường độ lớn nhất, suy giảm dần hẳn (Hình 1.12) Hiện tượng gọi tượng suy giảm cảm ứng tự FID (free induction decay) Thời gian suy giảm cảm ứng thời gian T2 M0 t Hình 1.12: Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự FID: Theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu có độ lớn M0 giảm dần hẳn Theo kết vừa nêu, thời gian T2 có mối liên hệ chặt chẽ với mức độ suy giảm tín hiệu cộng hưởng từ Tương tự thời gian T1, thực tế người ta xem T2 thời gian tín hiệu khoảng 63% độ lớn so với ban đầu Nói cách khác, T2 thời gian tín hiệu lại khoảng 37% độ lớn so với ban đầu Tham số T2 dùng để tạo độ tương phản cấu trúc khác hình cộng hưởng từ Chương làm sáng tỏ điều Đậm độ proton Cho đến lúc biết hai tham số quan trọng có ảnh hưởng đến độ tương phản cấu trúc hình cộng hưởng từ thời gian T1 16 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN T2 Để cho hoàn chỉnh, xem xét tham số gọi đậm độ proton (proton density) Tham số không liên quan với thời gian hồi giãn nào; biểu thò cho số lượng proton có tế bào mô Trong phần trước chúng chênh lệch số proton có trục B0 Điều cho thấy lớn độ từ hóa thực ta biết độ từ hóa thực biểu thò cho quay chiều trái chiều với từ trường số lượng proton nhiều, chênh lệch lớn Theo đó, rõ ràng tín hiệu cộng hưởng từ phải phụ thuộc vào số lượng proton có mặt mô tế bào: đậm độ proton cao, tín hiệu cộng hưởng mạnh Câu hỏi cuối đặt (nhưng chưa giải đáp rõ ràng) là: Những tác nhân làm ảnh hưởng đến tín hiệu cộng hưởng từ? Câu trả lời tổng quát là: từ trường B0, từ trường B1 (xung kích thích RF), đậm độ proton yếu tố ảnh hưởng đến tình trạng quay quanh trục proton làm thay đổi cường độ tín hiệu cộng hưởng từ Qua bối cảnh cụ thể chương sau, nêu giải thích ảnh hưởng yếu tố trình suy giảm cảm ứng tự FID trình bày kỹ thuật khôi phục lại tín hiệu cho vào thời điểm cần thiết, tín hiệu cần đo đủ mạnh Diễn tiến tượng cộng hưởng từ Tổng kết lại dễ nhớ, mô tả diễn tiến tượng cộng hưởng từ qua kiện sau đây: Áp đặt từ trường B0 thật mạnh (theo trục z) để điều chỉnh lại trục quay proton trạng thái cân bằng: số có trục quay chiều với từ trường (hướng theo trục z), số có trục quay ngược chiều (ngược hướng với z); chúng tạo độ từ hóa thực M0 hay độ từ hóa dọc Mz Dùng xung kích thích RF làm lật ngang độ từ hóa thực M0 vào mặt phẳng xy; độ từ hóa thực lúc trở thành độ từ hóa ngang Mxy Độ từ hóa ngang (hay từ trường ngang) quay quanh trục z làm xuất sóng radio đo được, tín hiệu cộng hưởng từ Tín hiệu cộng hưởng từ lúc phụ thuộc vào đậm độ proton Do tương tác proton nên tắt xung kích thích, độ từ hóa ngang giảm dần hẳn, kéo theo tín hiệu cộng hưởng từ giảm dần hẳn (hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do) Khoảng thời gian thời gian hồi giãn ngang T2 Đồng thời với trình hồi giãn ngang, tác dụng từ 1.7 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ 17 trường B0 sau tắt xung kích thích, proton tương tác với môi trường xung quanh, giải phóng phần lượng hấp thu từ xung kích thích, trở lại trạng thái cân khôi phục lại độ từ hóa thực M0 ban đầu Thời gian dài T2 gọi thời gian hồi giãn dọc T1 1.7 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ • Một vật có từ tính tạo xung quanh từ trường Đơn vò đo từ trường thường dùng Tesla (T) hay Gausse (G) • Mọi vật có khả bò từ hóa mức độ khác nhau: chất sắt từ bò từ hóa mạnh nhất, chất thuận từ bò từ hóa yếu cuối chất nghòch từ hoàn toàn “trơ” với từ trường phản ứng “nghòch” lại với từ trường • Từ trường biến thiên tạo điện trường ngược lại Thực tế, từ trường điện trường hình thái biểu khác trường thống gọi trường điện từ • Trường điện từ biến thiên tạo sóng điện từ Sóng radio, dạng sóng điện từ, dùng làm xung kích thích để tạo từ trường hình thái tín hiệu cộng hưởng từ mà ghi nhận • Nguyên tử hydro chứa proton nhân mang điện tích dương Hạt proton quay quanh trục với tần số γB0 tạo từ trường xem nam châm tí hon • Khi có tác động từ trường B0, hạt nam châm tí hon proton đònh lại trục quay chiều (năng lượng thấp) ngược chiều (năng lượng cao) với chiều B0 Sự khác biệt số proton chiều ngược chiều tạo từ trường gọi độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc • Khi có tác động từ trường B1 (xung kích thích) quay tần số với proton, chúng cộng hưởng với làm cho độ từ hóa dọc nghiêng khỏi hướng ban đầu chúng góc lật α Nếu góc lật 90o, độ từ hóa dọc bò lật ngang vào mặt phẳng xy gọi độ từ hóa ngang • Khi tắt xung kích thích, độ từ hóa dọc khôi phục lại qua trình hồi giãn dọc Thời gian hồi giãn dọc T1 xem khoảng thời gian để độ từ hóa dọc khôi phục khoảng 63% giá trò ban đầu • Song song độc lập với trình hồi giãn dọc trình hồi giãn 18 CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ngang làm dần độ từ hóa ngang Về mặt tín hiệu, trình đồng nghóa với tượng suy giảm cảm ứng tự FID Thời gian hồi giãn ngang T2 xem khoảng thời gian tín hiệu khoảng 63% giá trò ban đầu • Đậm độ proton tế bào mô, với tham số T1 T2, dùng để tạo độ tương phản cấu trúc hình cộng hưởng từ