5.2.1. Chuỗi xung 90o-FID.
Khi một bộ các xung RF được đưa vào một mẫu để tạo ra một dạng tín hiệu NMR cụ thể được gọi là một chuỗi xung. Trong chuỗi xung 90o-FID, vector độ từ hoá mạng lưới bị quay xuống mặt phẳng X'Y' với một xung 90o. Vector này bắt đầu chuyển động xung quanh trục Z. Biên độ của vector này cũng giảm dần theo thời gian.
Hình 5.2: Tác động của xung 900 và FID thu được
Khi chuỗi xung này được lặp lại, ví dụ khi việc cải thiện SNR là cần thiết, biên độ của tín hiệu sau khi được biến đổi Fourie (S) sẽ phụ thuộc vào T1 và thời gian giữa những lần lặp lại - được gọi là thời gian lặp lại (TR) của một chuỗi xung.Trong biểu thức của tín hiệu dưới đây, k là hằng số tỷ lệ, và ρ là mật độ của spin trong mẫu.
) e 1 .( . k S T1 TR − − ρ = (5.1)
5.2.2. Chuỗi xung Spin-Echo
Một chuỗi xung hay được sử dụng tiếp theo là chuỗi xung Spin-Echo. ở đây, một xung 90o sẽ được đưa vào hệ thống spin trước. Xung 90o này sẽ làm quay độ từ hoá xuống mặt phẳng X'Y'. Thành phần từ hoá ngang bắt đầu lệch pha.
Tại một thời điểm sau khi xung 90o được đưa vào, một xung 180o được đưa vào tiếp, xung này sẽ làm quay độ từ hoá đi một góc 180o xung quanh trục X'. Xung 180o này là nguyên nhân để các thành phần trùng pha trở lại và do đó tạo ra một tín hiệu gọi là tín hiệu dội hay tín hiệu phản hồi (echo).
Hình 5.3: Chuỗi xung Spin echo và tín hiệu FID thu được.
Biểu thức toán học của tín hiệu đối với một chuỗi xung spin-echo lặp lại như là một hàm của thời gian lặp lại (TR) và thời gian dội lại (TE) - được định nghĩa là thời gian giữa xung 90o và biên độ cực đại của tín hiệu dội về.
2 1 T TE T TR e ) e 1 .( . k S= ρ − − − (5.2)
TR là khoảng thời gian giữa hai xung RF 90 độ. Đối với chuỗi SE thông thường thì TR khoảng từ 100 ms đến 300 ms. TR là thời gian cho phép từ hóa dọc khôi phục lại (chính là thời gian dãn T1). Thời gian TR càng lớn, thì từ hóa dọc càng được khôi phục lại nhiều. Nếu thời gian TR mà ngắn, thì không phải mô nào cũng có T1 dãn hoàn toàn, thế cho nên độ tương phản ảnh sẽ trở nên phụ thuộc vào quá trình dãn của T1.
Chuỗi tạo ảnh dội spin sẽ chỉ được trình bày dưới dạng một biểu đồ thời gian như dưới đây.
Hình 5.4: Chuỗi xung Spin Echo
• RF: Xung kích thích RF.
• GSC: Gradient lựa chọn lát cắt.
• GCP: Gradient mã hóa pha.
• GCF: Gradient mã hóa tần số
• Signal: Tín hiệu MR.
Biểu đồ thời gian cho một chuỗi tạo ảnh dội spin có các đường vào cho các xung RF, các gradient trong từ trường và tín hiệu. Một xung RF 900 lựa chọn lát cắt được dùng kết hợp với một gradient lựa chọn lát cắt. Một khoảng thời gian bằng TE/2 trôi qua và một xung 1800 lựa chọn lát cắt 1800 được dùng kết hợp với gradient lựa chọn lát cắt.
Một gradient mã hóa pha sẽ được đưa vào giữa 2 xung 900 và 1800. Như trong các chuỗi tạo ảnh trước đây, gradient mã hóa pha có thể biến đổi trong 128 hoặc 256 mức giữa G m và -G m. Gradient mã hóa pha có thể được dùng sau xung 1800, tuy nhiên nếu chúng ta muốn giảm thiểu thời gian TE thì xung nên được đưa vào giữa 2 xung RF 900 và 1800.
Gradient mã hóa tần số được đưa vào sau xung 1800 trong khoảng thời gian mà xung dội được thu nhận. Tín hiệu được ghi lại là xung dội. FID – là tín hiệu xuất hiện sau mỗi xung 900 – thì không được sử dụng (Không thể hiện trên hình). Một gradient nữa được đưa vào giữa các xung 900 và 1800. Gradient này nằm cùng hướng với gradient mã hóa tần số. Nó làm lệch pha các spin sao cho các spin này hồi pha (rephase) tới tâm của tín hiệu dội. Gradient này có tác dụng chuẩn bị cho tín hiệu ở rìa của khoảng k (k-space) khi bắt đầu quá trình thu nhận tín hiệu dội.
Toàn bộ chuỗi sẽ được lặp lại cứ sau TR giây cho đến khi tất cả các bước mã hóa pha được ghi lại.
5.2.3. Chuỗi xung hồi phục ngược.
Một chuỗi xung hồi phục ngược cũng có thể được sử dụng để ghi lại tín hiệu NMR. Trong chuỗi xung này,ta sẽ đưa vào một xung 180o trước. Nó sẽ quay Mz xuống phía trục -Z. Mz sẽ hồi phục ngang (spin-lattice) và quay trở về vị trí cần bằng của nó dọc theo hướng +Z. Trước khi nó quay trở về vị trí cân bằng ta tiếp tục đưa vào một xung 90o để làm quay ML(từ hoá dọc) trong mặt phẳng XY. Trong ví dụ này, xung 90o được đưa vào ngắn hơn sau xung 180o. Độ từ hoá xuất hiện trong mặt phẳng XY, nó quay xung quanh trục Z lệch pha và tạo ra một tín hiệu FID. Tín hiệu là một hàm của TI (thời gian hồi phục ngược), khi chuỗi xung không được lặp lại là:
) e 2 1 .( . k S T1 TI − − ρ = (5.3)
Hình 5.5: Chuỗi xung phục hồi nghịch đảo
Khi một chuỗi xung hồi phục ngược được lặp lại trong khoảng thời gian TR(s), đối với các mục đích tạo ảnh hoặc trung bình hoá tín hiệu, biểu thức toán học của tín hiệu trở thành: ) e e 2 1 .( . k S 1 T1 TR T TI −− − + − ρ = (5.4) 5.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH
Có một số phương thức tạo ảnh khác nhau để tạo ảnh MR. Sự khác nhau giữa các phương thức tạo ảnh này là chuỗi các xung RF và các gradient được dùng trong quá trình thu nhận. Do vậy các phương thức khác nhau thường nhằm nói tới các dãy xung khác nhau (hình 5.6)
Sự lựa chọn phương thức tạo ảnh cụ thể và các thông số dựa trên yêu cầu về độ nhạy tương phản và tốc độ thu nhận. Tuy nhiên các đặc tính khác như tín hiệu trên nhiễu (S/N) và độ nhạy với các ảnh giả có thể làm thay đổi phương thức này sang phương thức khác. Dưới đây là các khái niệm cơ bản chỉ ra các hệ số tạo ảnh cụ thể cần được điều chỉnh để tạo ra các đặc tính ảnh mong muốn.
Một đặc tính chung cho tất cả các phương thức tạo ảnh là có hai pha khác nhau cho quá trình thu nhận ảnh trong một chu kỳ ảnh (hình 5.6).
Một pha đi cùng với nhiễm từ dọc và pha kia đi cùng với nhiễm từ ngang. Tương phản mật độ proton T1 dùng trong pha nhiễm từ dọc và tương phản T2 dùng trong pha nhiễm từ ngang. Tương phản xuất hiện trong ảnh được xác định bằng độ dài hai pha và chuyển tương phản từ pha dãn ngang sang pha dãn dọc
5.3.1 Tạo ảnh cắt lớp bằng biến đổi Fourier
Một trong những cách tốt nhất để tìm hiểu một quy trình tạo ảnh mới là kiểm tra lược đồ thời gian cho quy trình đó. Lược đồ thời gian cho một quy trình tạo ảnh có những thành phần: tần số radio, gradient từ trường và tín hiệu theo thời gian. Quá trình tạo ảnh FT đơn giản nhất bao gồm 1 xung chọn lớp cắt 90o, 1 xung gradient lựa chọn lớp cắt, 1 xung gradient mã hoá pha, 1 xung gradient mã hoá tần số và một tín hiệu. Xung với 3 gradient thể hiện biên độ và thời gian tồn tại của gradient từ trường.
Bước đầu tiên trong quy trình này là phát một gradient lựa chọn lớp cắt, xung RF lựa chọn lớp cắt được đưa vào cùng một lúc. Mỗi khi kết thúc một xung RF, gradient lựa chọn lớp cắt thì một gradient mã hoá pha được bật lên. Và mỗi khi xung gradient mã hoá pha tắt đi thì một xung gradient mã hoá tần số được bật lên và một tín hiệu sẽ được ghi lại. Tín hiệu này sẽ ở dạng FID. Quá trình điều khiển xung này sẽ được lặp lại từ 128 hoặc 256 lần để thu được các dữ liệu cần thiết để tạo ảnh. Thời gian giữa những lần lặp lại quy trình này được gọi là thời gian lặp, TR. Tại mỗi thời điểm quy trình này lặp lại, biên độ của gradient mã hoá pha sẽ được thay đổi. Biên độ được thay đổi ở những bước bằng nhau giữa giá trị Amax và Amin của gradient.
Gradient lựa chọn lớp cắt luôn được đưa vào trực giao với mặt phẳng cắt. Gradient mã hoá pha được đưa vào dọc theo một phía của mặt phẳng ảnh. Gradient mã hoá tần số sẽ được đưa vào cạnh còn lại của mặt phẳng ảnh. Ta có thể xác định vị trí của chúng thông qua bảng 5.1sau:
Bảng 5.1: Phân chia các gradient lựa chọn lớp cắt, mã hoá pha và tần số theo các trục và mặt phẳng toạ độ. Mặt phẳng cắt Gradient Cắt Pha Tần số XY Z X hoặc Y Y hoặc X XZ Y X hoặc Z Z hoặc X YZ X Y hoặc Z Z hoặc Y
Bây giờ chúng ta sẽ kiểm tra quy trình từ góc nhìn xa hơn, của các vector spin. Hãy tưởng tượng có một thể tích spin đặt trong một từ trường. Thể tích được hình thành từ một số đơn vị thể tích thành phần, mà mỗi thể tích nhỏ này có một vector độ từ hoá riêng của mình. Giả sử chúng ta muốn tạo ảnh một lớp cắt trong mặt phẳng XY. Từ trường B0 nằm dọc theo trục Z, gradient lựa chọn lớp cắt đưa vào dọc theo trục Z. Xung RF sẽ làm quay các gói spin bên trong thể tích thoả mãn điều kiện cộng hưởng. Những gói spin này được đặt trong một mặt phẳng, trong ví dụ này là mặt phẳng XY.Vị trí của mặt phẳng dọc theo trục Z so với tâm được cho bởi:
S G . z γ υ ∆ = (5.1) ở đó : ∆ν = ν - νo: chênh lệch tần số
GS: biên độ của gradient lựa chọn lớp cắt γ : Hệ số hồi chuyển từ.
Các spin nằm phía trên và phía dưới mặt phẳng này không bị ảnh hưởng của xung RF. Vì thế chúng sẽ được bỏ qua đối với các mục đích trong phần giới thiệu này. Để đơn giản và dễ hiểu, chúng ta sẽ đưa ra một tổ hợp 3x3 vector độ từ hoá mạng lưới. Sự phân bố spin được chỉ ra trong hình vẽ 5.8
Hình 5.7: Gradient lựa chọn lớp cắt
Mỗi khi quay tới mặt phẳng XY, những vector này sẽ chuyển động ở tần số Larmor do tác động của mỗi từ trường đang hoạt động. Nếu từ trường là đồng dạng, tốc độ chuyển động của cả 9 phần tử sẽ như nhau. Trong quá trình tạo ảnh, một gradient mã hoá pha được đưa vào sau gradient lựa chọn lớp cắt. Giả sử nó được đưa vào dọc theo trục x, các spin ở các vị trí khác nhau dọc theo trục x bắt đầu chuyển động ở những tần số Larmor khác nhau. Và khi gradient mã hoá pha tắt đi thì vector độ từ hoá mạng lưới sẽ chuyển động ở cùng vận tốc, nhưng có pha khác nhau. Pha được xác định bởi thời gian tồn tại và biên độ của xung gradient mã hoá pha.
Hình 5.8: Sự thay đổi hướng của các spin khi tác động các gradient
Khi gradient mã hoá pha bị tắt đi, một xung gradient mã hoá tần số nằm trong hướng -Y. Gradient mã hoá tần số là nguyên nhân làm cho các gói spin chuyển động ở các tốc độ phụ thuộc vào vị trí trên phương Y của chúng. Lưu ý rằng, giờ đây mỗi vector từ hoá mạng lưới trong 9 vector kia đặc trưng bởi một góc pha và tần số chuyển động duy nhất. Nếu chúng ta có một phương pháp nào đó để xác định pha và tần số của tín hiệu từ một vector từ hoá mạng lưới, ta có thể tìm ra vị trí của nó trong số 9 thành phần thể tích kia.
Biến đổi Fourie đơn giản có thể thực hiện công việc này đối với một vector từ hoá mạng nằm đâu đó bên trong thể tích 3x3. Ví dụ, nếu một vector nằm ở vị trí (X,Y) = (2,2), thì FID của nó có thể chứa một sóng sin có tần số 2 và pha 2.
Biến đổi Fourie của thành phần này có thể thu được một đỉnh ở tần số 2 và pha 2. Nhưng biến đổi Fourie một chiều lại không thực hiện được điều này khi có nhiều hơn một vector nằm trong ma trận 3x3 nằm ở vị trí, hướng mã hoá pha khác. Do đó cần phải có một bước gradient mã hoá pha đối với mỗi vị trí trong hướng của gradient mã hoá pha. Vì thế nếu có 3 vị trí trên hướng mã hoá pha, chúng ta sẽ cần đến 256 biên độ khác nhau của gradient mã hoá pha và sẽ thu được 256 FID khác nhau.
5.3.2 Tạo ảnh gradient ghi nhớ xung dội (Gradient recall echo):
Các chuỗi tạo ảnh được đề cập từ trước tới nay có một điểm bất lợi cơ bản. Đối với tín hiệu cực đại, chúng đều đòi hỏi thành phần từ ngang phải hồi phục trở về trạng thái cân bằng dọc theo trục Z trước khi chuỗi được lặp lại. Khi thời gian T1 là dài thì điều này có thể làm kéo dài đáng kể chuỗi tạo ảnh.
Nếu từ tính không được hồi phục đầy đủ về trạng thái cân bằng thì tín hiệu sẽ nhỏ hơn là khi nó được hồi phục đầy đủ (hình a). Nếu từ tính bị quay một góc θ nhỏ hơn 900 thì thành phần Mz của nó sẽ hồi phục về trạng thái cân bằng nhanh hơn rất nhiều nhưng sẽ có ít tín hiệu hơn bởi vì tín hiệu tỉ lệ với sinθ (hình b). Tức là chúng ta phải điều chỉnh cân bằng giữa tín hiệu và thời gian tạo ảnh. Trong một số trường hợp người ta có thể thu nhiều ảnh và tính trung bình để bù cho phần tín hiệu bị mất.
Hình 5.9: Thành phần từ hóa tổng M a) Góc lật bằng 90 độ b) Góc lật nhỏ hơn 90 độ
Chuỗi tạo ảnh gradient ghi nhớ xung dội là ứng dụng của những nguyên tắc này. Đây là biểu đồ thời gian của nó
Hình 5.10: chuỗi xung gradient echo
Có hai khác biệt lớn nhất giữa hai phương pháp Gradient echo và phương pháp
spin echo, đó là:
• Sử dụng xung kích thích với góc lật nhỏ hơn 90°
Góc lật nhỏ hơn 900 (partial flip angle) làm giảm thành phần từ hóa trên mặt phẳng ngang. Do đó nếu sử dụng xung kích hoạt góc nhỏ thì thời gian hồi phục của từ hóa dọc ngắn hơn, do đó ta có thể sử dụng thời gian TR/TE ngắn hơn, và cuối cùng là làm giảm thời gian quét.
Lợi ích của việc sử dụng xung kích thích góc nhỏ là thời gian chụp ngắn, có những tương phản mới giữa các mô và tín hiệu MR mạnh hơn khi sử dụng TR ngắn.
Trong chuỗi tạo ảnh gradient ghi nhớ xung dội, một xung RF lựa chọn lát cắt được đưa vào vật thể cần tạo ảnh. Xung RF này sẽ tạo ra một góc quay trong khoảng 100-900. Một gradient lựa chọn lát cắt được đưa vào cùng với xung RF.
Tiếp theo một gradient mã hóa pha được đưa vào. Gradient mã hóa pha biến đổi trong khoảng G m và -G m trong 128 hoặc 256 bước cũng giống như tất cả các chuỗi khác.
Một gradient mã hóa tần số lệch pha (dephasing gradient) được đưa vào cùng lúc với gradient mã hóa pha để làm cho các spin đồng pha ở tâm của thời kỳ thu nhận. Gradient này ngược dấu so với gradient mã hóa tần số được bật lên trong lúc thu nhận tín hiệu. Một xung dội được tạo ra khi một gradient mã hóa tần số được bật lên bởi vì gradient này tái hội tụ sự lệch pha nảy sinh từ gradient di pha.
Thời gian tín hiệu dội (TE) được định nghĩa là thời gian từ lúc bắt đầu xung RF cho đến khi tín hiệu đạt giá trị cực đại. Chuỗi này được lặp lại cứ sau mỗi TR giây (chu kì lặp xung). Khoảng thời gian TR có thể chỉ ngắn cỡ hàng chục ms.
Có thể sẽ có ích khi nhấn mạnh sự khác biệt giữa chuỗi dội gradient và chuỗi dội spin. Trong chuỗi xung dội gradient, một gradient được dùng thay cho một xung RF