5. Các bước thực hiện
6.5. Quá trình T2
Sự dao động hay tiến động của proton nhanh hay chậm là tùy thuộc vào cường độ từ trường. Với một proton cô lập, cách xa các proton khác thì chỉ bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường chính B0. Nhưng vì các proton gần như chuyển động đồng thời, cường độ từ trường mà chúng tạo ra bắt đầu có tác động ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Nếu từ trường của 1 proton tăng lên thì từ trường của proton thứ 2 sẽ bị tác động và làm proton này tiến động nhanh hơn tuy với cường độ rất nhỏ. Tác động qua lại giữa các proton sẽ không kéo dài lâu kết quả là chúng sẽ quay lại chuyển động với tần số riêng của nó với các góc pha khác nhau. Điều này làm cho thành phần từ hóa thực bắt đầu có sự di pha giữa các nhóm spin. Kiểu tương tác này gọi là tương tác spin-spin. Độ từ hoá mạng lưới bắt đầu làm lệch pha bởi mỗi gói spin làm lệch pha có một khác biệt nhỏ về từ trường và xoay với tần số Larmor của chính nó. Thời gian trôi đi càng lâu, sự khác biệt về pha càng lớn. Ở đây, vector từ hoá mạng lưới khởi đầu dọc theo trục +Y. Đối với trường hợp này và các ví dụ lệch pha khác, ta cần hiểu rằng vector này sẽ nằm chồng lên một số các vector nhỏ hơn tạo bởi các gói spin thông thường khác. Các tương tác ngẫu nhiên nhất thời trên tạo ra tích lũy về sự sai pha qua các spin kích thích, dẫn đến sự mất mát tổng thể của tín hiệu. Tương tự như thời gian hồi phục dọc T1, kết quả suy giảm tín hiệu từ thời gian nghỉ tương tác spin-spin được mô tả toán học bởi một đường cong hàm mũ
Hình 6.18: Sự suy giảm của thành phần từ hóa ngang.[4]
Hằng số thời gian miêu tả sự trở về trạng thái cân bằng của thành phần từ hóa ngang , Mxy , được gọi là thời gian hồi phục ngang T2
2 T t 0 xy xy M .e M (6.9)
Giá trị T2 là thời gian sau kích thích khi biên độ tín hiệu bị suy giảm tới 36,8% so với giá trị ban đầu. Giá trị T2 là đồng nhất với mọi mô đồng thời được quyết định chủ yếu bởi môi trường và có mối quan hệ nhỏ với cường độ từ trường T2 luôn nhỏ hơn hoặc bằng với T1 do mạng vecto từ hóa trong mặt phẳng XY luôn được điền đầy trước khi tăng ngược về phía trục Z để đạt được giá trị M0. Thực tế thì cả hai quá trình này xảy ra đồng thời cùng một lúc và 2 hằng số thời gian T1 và T2 này là hoàn toàn độc lập với nhau và cùng tạo ra sự suy giảm thành phần từ hóa dọc .
Hai yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm của của độ từ hoá ngang là: 1) Tương tác của các phân tử (do độ tinh khiết gây ra).
2) Sự thay đổi của B0 (do sự bất đồng dạng của từ trường gây ra).
Sự kết hợp của hai yếu tố này đã tạo ra sự thay đổi khá lớn trong sự suy giảm của thành phần từ hoá ngang. Hằng số thời gian tổng hợp được gọi là T*
2.
Mối quan hệ giữa T2 từ các quá trình xảy ra ở mức phân tử và thời gian là từ các hiệu ứng bất đồng dạng gây ra trong từ trường cho bởi biểu thức
inho 2 * 2 T 1 T 1 T 1 (6.10)
Tinho: là hằng số thời gian gia tăng thêm do sự bất đồng dạng của từ trường tĩnh. Bảng 4.1: Giá trị T1 và T2 với các loại mô khác nhau [4].
Mô T2 (ms) T1 – 0,5T (ms) T1 – 15T (ms) Mỡ 80 210 260 Gan 42 350 500 Cơ 45 550 780 Chất xám 90 500 870 Chất trắng 100 650 920 CSF 160 1800 2400 6.6. TR & TE.
Tín hiệu MR phụ thuộc rất nhiều vào TR và TE, vậy TR và TE là gì?
TR: (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu giãn dọc cho đến khi lấy tín hiệu MR. TR cũng là khoảng thời gian của chu kỳ thu nhận ảnh hoặc thời gian lặp lại chu kỳ.
TE: (Time of echo) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu giãn ngang cho tới khi lấy tín hiệu sau mỗi xung kích thích, biên độ từ hóa ngang của cả hai loại mô đều như nhau.
Hãy xét hai mô A và B là hai mô có thời gian T1 khác nhau. Nếu ta để TR quá dài, thì kể cả khi mô A có thời gian giãn T1 lớn hơn nhiều so với mô B, thì cả hai mô A và B đều giãn hoàn toàn được trước khi có xung RF tiếp theo. Như vậy thì đến khoảng thời gian giãn T2, biên độ của từ tổng ngang ban đầu sẽ là giống nhau đối với cả hai mô sau mỗi xung kích hoạt.
Xét khi TR rất dài, khi ảnh hưởng của T1 lên độ tương phản của mô hầu như không còn nữa, nếu như ta để TE đủ lớn, thì các mô có thời gian giãn T2 khác nhau sẽ tạo nên độ tương phản giữa các mô.
Thế nhưng nếu như T2 mà quá lớn, thì tín hiệu sẽ lại không còn nữa.
Hình 6.19: Đồ thị tương phản giữa hai mô với thời gian TR và TE.[6]
Ở đồ thị trên:
- Phần đầu của đồ thị là đường cong tương ứng với sự giãn dọc của từ hóa tổng M sau xung kích thích đầu tiên. Và TR chính là thời gian giữa hai xung kích thích.
- Phần sau của đồ thị là đường cong tương ứng với sự giãn ngang của từ hóa tổng M sau xung kích thích thứ hai.
2 1 0 1 exp .exp T TE T TR S S (6.11) Như vậy:
Đối với chuỗi xung có TR dài và TE ngắn, ta sẽ được ảnh trọng lượng mật độ proton.(TR > 2000msec, TE < 80msec). (hình 6.20b)
Đối với chuỗi xung có TR và TE đều ngắn, ta được ảnh trọng lượng T1(TR < 1000msec, TE < 30msec). (hình 6.20a)
Đối với chuỗi xung có TR và TE đều dài, ta được ảnh trọng lượng T2(TR > 2000msec, TE > 80msec). (hình 6.20c)
Còn khi chuỗi xung có TR ngắn, TE dài, thì sẽ không thu được tín hiệu nào.
a)
b)
c)
Hình 6.20: Các loại ảnh trọng lượng với TR và TE khác nhau
- Kết luận: Chương 6 nêu nên nguyên lý tạo ảnh trong cộng hưởng từ, sự mã hóa pha, mã hóa tần số và giải thích các khái niệm về thời gian khôi phục T1, T2, TE, TR
CHƯƠNG 7: CÁC CHUỖI XUNG THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ
7.1. PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
7.1.1. Tín hiệu NMR trong miền thời gian.
Khi thành phần từ hoá ngang quay xung quanh trục Z, nó sẽ cảm ứng 1 dòng điện trong cuộn dây đặt xung quanh trục X. Biểu thị dòng điện này theo thời gian sẽ cho ta một sóng dạng sin. Tất nhiên là sóng sin này cũng suy giảm với hằng số thời gian T*
2 bởi sự lệch pha của các gói spin. Tín hiệu sin này được gọi là một "sự suy giảm cảm ứng tự do - FID". Ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn làm thế nào FID được chuyển đổi thành phổ trong miền tần số trong phần tiếp theo.
Tín hiệu FID Tín hiệu sau biến đổi FT
Hình 7.1: Tín hiệu FID và biến đổi Fourier của nó [4]
7.1.2. Các quy ước về tần số -v/+v.
Các vector độ từ hoá ngang quay nhanh hơn hệ quy chiếu quay thì ta nói rằng nó quay ở tần số dương so với hệ quy chiếu quay (+); và ngược lại nếu các vector chuyển động chậm hơn thì chúng sẽ quay ở tần số âm so với hệ quy chiếu quay (-).
7.2. CÁC CHUỖI XUNG
7.2.1. 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 900-FID, vector độ từ hoá mạng lưới bị quay xuống mặt phẳng X'Y' với một xung 900. Vector này bắt đầu chuyển động xung quanh trục Z. Biên độ của vector này cũng giảm dần theo thời gian.
Hình 7.2: Tác động của xung 900 và FID thu được [4]
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 là mật độ của spin trong mẫu.
) e 1 .( . k S T1 T R (7.1)
7.2.2. Chuỗi xung Spin-Echo
Một chuỗi xung hay được sử dụng tiếp theo là chuỗi xung spin - echo. ở đây, một xung 900 sẽ được đưa vào hệ thống spin trước. Xung 900 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 900 được đưa vào, một xung 1800 được đưa vào tiếp, xung này sẽ làm quay độ từ hoá đi một góc 1800 xung quanh trục X'. Xung 1800 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 7.3: Chuỗi xung Spin echo và tín hiệu FID thu được.[4]
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 900 và biên độ cực đại của tín hiệu dội về.
2 1 T T E T T R e ) e 1 .( . k S (7.2)
TR là khoảng thời gian giữa hai xung RF 900. 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 7.4: Chuỗi xung Spin Echo [4]
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.
7.2.3. 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 1800 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 900
để làm quay ML(từ hoá dọc) trong mặt phẳng XY. Trong ví dụ này, xung 900 được đưa vào ngắn hơn sau xung 1800. 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:
S k. .(1 2e T1) T I (7.3)
Thời điểm đi ngang qua gốc 0 của tín hiệu này là TI = T1ln2
Hình 7.5: Chuỗi xung phục hồi nghịch đảo [4]
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 T R T T I (7.4)
7.3. 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 7.6: Mối liên hệ chung giữa các chế độ tạo ảnh [4]
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 7.6).
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 [6]
7.3.1 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 900, 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.