Tuy nhiên, cả phần thực và phần ảo đều không đại diện cho cường độ tín hiệu tại các voxel tương ứng mà chính là biên độ của sóng. Biên độ này phụ thuộc vào mật độ photon tại vị trí khảo sát, T1, T2, TRi, TE. Sự chênh lệch biên độ Mii
tạo nên độ tương phản cho ảnh MRI thu được.
Hình 2.15
i TR: Time of Repetition
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI NHẬN TÍN HIỆU MRI
3.1. Các phƣơng pháp cơ bản2,4,5,8,9,10
Tín hiệu FID thực tế rất khó để ghi nhận vì thời gian suy giảm quá nhanh. Mục đích của các phương pháp này là kéo dài thời gian tồn tại tín hiệu MRI để có thể đo được một cách rõ ràng và chính xác.
Các phương pháp cơ bản để ghi nhận tín hiệu trong cộng hưởng từ hạt nhân gồm: Phương pháp SEi
Phương pháp IRii
Phương pháp GREiii
3.1.1. Phƣơng pháp SE
3.1.1.1. Giới thiệu
Phương pháp SE là phương pháp thu nhận hình ảnh cổ điển nhất trong cộng hưởng từ hạt nhân và vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay. Trong phương pháp này, tín hiệu không được thu nhận ngay sau xung 900-RF vì sự suy giảm nhanh như đã nói ở trên. Thay vào đó, bằng cách sử dụng một xung 1800-RF, các vector spin được hồi pha để kéo dài thời gian tồn tại và sau đó tín hiệu được thu nhận. Ta có thể mô tả cách thức hoạt động của hai xung RF này một cách đơn giản bằng hình sau đây:
Hình 3.1
Để tìm hiểu quá trình hồi pha, ta xem xét ví dụ sau: Trong một cuộc đua, mọi người đều xuất phát từ một điểm. Khi cuộc đua bắt đầu sẽ có người chạy trước và
i SE: Spin Echo
ii IR: Inversion Recovery
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM người chạy sau. Giả sử như ta có một tiếng còi của trọng tài yêu cầu mọi người chạy ngược lại về vạch xuất phát, như vậy những người chạy trước sẽ trở thành chạy sau và ngược lại. Nếu giữ cùng vận tốc vốn có của mỗi người thì kết quả là các vận động viên lại ở vạch xuất phát cùng lúc
Hình 3.2
Từ ví dụ trên, ta nhận thấy xung 1800
-RF có tác dụng giống như tiếng còi của trọng tài. Nó làm cho các vector spin (vốn đã bị lệch pha trước đó) nhanh chóng hồi pha và tạo ra tín hiệu echo. Cách hành sử của vector spin trong hình minh họa sau tương tự như các vận động viên trong ví dụ trên.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Tuy vector từ hóa Mxy bị đảo ngược chiều sau khi có xung 1800-RF nhưng tín hiệu không bị đảo chiều vì ta chỉ ghi nhận cường độ tín hiệu. Khi quan sát đồ thị với nhiều xung 1800-RF ta sẽ thấy rõ tín hiệu thu được thực sự sẽ như thế nào. Các xung 1800-RF theo sau xung 900-RF cho phép thu được nhiều ảnh hơn trong một chu kì. Chuỗi xung này được gọi là Multi-SE.
Hình 3.4
Tuy nhiên không phải sau mỗi xung 1800-RF thì tất cả các vector spin đều được hồi pha. Sẽ có một số vector spin không đáp ứng với các xung kích thích nữa. Điều này làm cho tín hiệu echo càng về sau càng suy giảm cường độ. Nếu kí hiệu S là cường độ tín hiệu thì S được tính bởi công thức:
k là hằng số phụ thuộc vào độ nhạy của cuộn thu
ρ là mật độ proton
3.1.1.2. Chuỗi xung SE
Chuỗi xung SE được đặc trưng bởi hai thông số:
Thời gian lặp xung – TR: là thời gian giữa hai xung 900-RF.
Thời gian echo – TE: là thời gian từ xung 900-RF đến đỉnh của tín hiệu echo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Hình 3.5
Xung 1800-RF xuất hiện sau thời gian ½ TE. Giá trị TE thông thường nằm trong khoảng 10 – 200ms. TR phải đủ dài để vector từ hóa dọc hồi phục và chuẩn bị cho các xung kích thích tiếp theo. Thông thường TR nằm trong khoảng 200 – 3000ms.
Giản đồ xung sau sẽ cho ta thấy rõ sự phối hợp các xung RF – Gz – Gy– Gx
nhằm tạo ra tín hiệu như thế nào. Đầu tiên, xung 900
-RF có tác dụng hình thành vector từ hóa ngang của một lớp cắt nào đó được định vị nhờ gradient chọn lớp cắt là Gz. Khi ngưng kích thích, vector từ hóa ngang bắt đầu quá trính tiến động và phát ra xung FID. Tín hiệu này không được thu nhận do suy giảm rất nhanh. Sau thời gian ½TE, một xung 1800
-RF
(đi kèm là gradient Gz để định vị lớp cắt) được phát ra có tác dụng hồi pha các vector spin. Tín hiệu Echo được tạo ra và được ghi nhận sau khoảng thời gian ½TE. Giữa hai xung 900-RF và 1800-RF là quá trình mã hóa pha và mã hóa tần số bằng gradient Gy và Gx. Lưu ý là quy trình trên được lặp lại cho mỗi bước mã hóa pha Gy khác nhau. Số lần lặp lại tùy thuộc vào kích thước ma trận ảnh.
3.1.1.3. Ứng dụng
2D SE được sử dụng trong:
Chụp hình não, hốc mắt, thần kinh thính giác
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Chụp khớp, chỉnh dây chằng, gân, cơ.
Chụp ảnh cột sống Chụp tim, phổi
Các ứng dụng trên chủ yếu là thể hiện cấu trúc giải phẫu. Nếu muốn đánh giá chức năng thì phương pháp GRE đem lại kết quả tốt hơn.
3.1.2. Phƣơng pháp IR
3.1.2.1. Giới thiệu
Phương pháp IR được sử dụng khi sự kết hợp giữa TR và TE trong phương pháp SE không đủ để tạo nên độ tương phản rõ ràng cho ảnh T1
Về cơ bản, phương pháp IR cũng tương tự như phương pháp SE. Điểm khác nhau duy nhất là : đối với phương pháp IR, xung 1800-RF sẽ được sử dụng đầu tiên – thay vì 900-RF như trong phương pháp SE – nhằm đảo chiều vector từ hóa dọc (xem thêm mục 1.4.3). Sau một khoảng thời gian nào đó, các xung của phương pháp SE sẽ được áp dụng và tín hiệu được thu nhận tương tự như trong phương pháp SE.
Hình 3.8 Hình 3.7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Trong phương pháp
IR xuất hiện một thông số mới, đó là thời gian đảo chiều TIi. TI được định nghĩa là khoảng thời gian giữa xung đảo chiều và xung kích thích. TI phụ thuộc vào đường đặc trưng T1 của môii. Việc lựa chọn TI là rất quan trọng trong việc thể hiện độ tương phản cho một loại mô nào đó và tạo ra ảnh T1.
Hai dạng đặc trưng nhất của phương pháp IR là tạo ảnh STIRiii
xóa mỡ và tạo ảnh FLAIRiv xóa dịch não tủy (CSFv). Hai loại ảnh này có được bằng cách chọn TI ở một giá trị đặc biệt phù hợp với đường đặc trưng T1 của mỡ hoặc dịch não tủy. Cơ chế hình thành hai dạng ảnh này được trình bày trong mục 4.2.4
3.1.2.2. Chuỗi xung IR
Cơ chế của chuỗi xung IR được diễn tả như sau: Trước hết, một xung đảo chiều 1800-RF có tác dụng làm cho vector từ hóa dọc Mz từ vị trí định hướng theo trục
i TI: Time of Inversion
ii
Xem thêm mục 4.2.4
iii STIR: Short TI Inversion Recovery
iv FLAIR: FLuid Attenuated Inversion Recovery (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
v CSF: CerebroSpinal Fluid
Hình 3.10 – Hai dạng hình ảnh đặc trưng của phương pháp IR
Hình 3.9 - Ảnh hưởng của TI lên sự chênh lệch cường độ tín hiệu
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM +Z chuyển sang định hướng theo trục –Z . Cùng lúc với xung đảo chiều là gradient Gz
để bảo đảm cho xung này chỉ tác dụng lên một lớp cắt được chỉ định mà thôi. Khi ngưng kích xung, vector từ hóa Mz sẽ hồi phục từ giá trị âm lên giá trị dương. Tốc độ hồi phục phụ thuộc vào T1 của mô tương ứng. Lúc này vẫn chưa xuất hiện vector từ hóa Mxy trên mặt ngang. Mxy chỉ xuất hiện khi có xung kích thích 900-RF và cường độ của nó bằng đúng cường độ của vector từ hóa dọc Mz trước khi có xung kích thích. Cơ chế sau đó của chuỗi xung IR giống như cơ chế của chuỗi xung SE
Hình 3.11
3.1.2.3. Ứng dụng
Phương pháp IR giúp tạo ra ảnh T1 có độ tương phản cao. Bù lại thời gian thu nhận ảnh kéo dài hơn một chút so với phương pháp SE.
Chọn TI phù hợp giúp tạo ra hai dạng ảnh đặc trưng STIR và FLAIR.
3.1.3. Phƣơng pháp GRE
3.1.3.1. Giới thiệu
Lúc đầu, mục đích của việc đưa ra các phương pháp ghi nhận ảnh khác nhau trong MRI là làm sao giảm được thời gian chụp, giảm xảo ảnh do chuyển động mà chất lượng ảnh phải đủ các thông tin cho chẩn đoán. Sau này, với sự tiến bộ của kĩ thuật chụp, các yêu cầu đó dần được đáp ứng mà một trong những giải pháp đầu tiên được đưa ra chính là phương pháp GRE. Về mặt tên gọi, phương pháp GRE còn được
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như FFEi
, FLASHii, GRASSiii tùy thuộc vào giá trị đặc biệt của các thông số α, TR, TE.
Để tìm hiểu về GRE, ta hãy so sánh GRE với SE. Cả hai đều sử dụng một xung RF kích thích vector từ hóa mạng: ở SE đó là xung 900
-RF, ở GRE đó là xung α-RF với α < 900. Cả hai đều sử dụng một tác nhân nào đó làm cho các vector spin hồi pha để tạo ra tín hiệu echo: ở SE, tác nhân đó là xung 1800
-RF; còn ở GRE, tác nhân đó là xung gradient được đảo chiều. Một điểm khác biệt nữa là cường độ
của tín hiệu echo trong phương pháp GRE được quyết định bởi T2*, chứ không phải T2 như trong phương pháp SE. Vì vậy TE và TR trong phương pháp GRE được rút ngắn đáng kể so với phương pháp SE
3.1.3.2. Chuỗi xung GRE
Chuỗi xung GRE được đặc trưng bởi ba thông số TR, TE và góc lật α. TE trong trường hợp này được định nghĩa là thời gian từ xung α-RF đến tín hiệu echo.
i FFE: Fast Field Echo
ii FLASH: Fast Low Angle SHot
iii GRASS: Gradient Recalled Acquisition in Steady State
Hình 3.12 – So sánh hai phương pháp GRE và SE về cơ bản
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Cơ chế của chuỗi xung GRE được mô tả như sau: đầu tiên, một xung α-RF được kích thích cùng lúc với gradient chọn lớp cắt Gz nhằm lật vector từ hóa Mo của lớp cắt đó lệch một góc α nhỏ so với trục +Z. Theo sau là quá trình mã hóa pha và mã hóa tần số bằng hai trường gradient Gy và Gx. Tiếp theo là quá trình hồi pha bằng gradient mã hóa tần số Gx được đảo chiều, nhờ đó tín hiệu MRI xuất hiện và được thu nhận ở cuộn thu. Lưu ý là tín hiệu này được đặc trưng bởi T2* chứ không phải T2 như trong phương pháp SE. Bởi vì xung kích thích tiếp theo xuất hiện rất nhanh sau đó (do TR của GRE ngắn), nhằm tránh ảnh hưởng của tín hiệu lần trước lên tín hiệu lần sau nên hai trường gradient Gy và Gx lại được áp dụng có tác dụng triệt tiêu vector từ hóa ngang còn sót lại ở quá trình thu nhận tín hiệu trước. Các bước trên cứ lặp lại với số lần tùy thuộc vào kích thước ma trận ảnh.
Một vấn đề nữa được đặt ra là ta nên chọn góc α là bao nhiêu để thu được tín hiệu tốt nhất? Điều này phụ thuộc vào TR và T1, góc lệch đặc biệt đó gọi là góc
Ernst θE và được tính bởi
Tỉ lệ TR/T1 của phương pháp SE vào khoảng >10 → θE ≈ 900.
3.1.3.3. Ứng dụng
Chuỗi FLASH cho độ tương phản giữa chất trắng và chất xám trong não tốt hơn GRASS nên được ưu tiên hơn trong các thăm khám không cần thời gian ngắn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chuỗi GRASS có hệ số tín hiệu trên nhiễu tốt hơn FLASH trong các khoảng thời gian ngắn nên thích hợp trong các thăm khám nhanh
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
3.1.4. Phƣơng pháp chụp đa lớp cắt và chụp khối 3D. 3.1.4.1. Giới thiệu
Trong thực tế, ta thường không thu từng ảnh MRI đơn lẻ mà là một tập hợp nhiều ảnh MRI (thường gọi là một “set”). Để làm được điều này ta có hai cách thực hiện: chụp đa lớp cắt trong một chu kì TR và chụp khối 3D. Chụp đa lớp cắt có nghĩa là từng lớp cắt đơn được thu nhận riêng lẻ và tập hợp lại thành một “set”. Chụp khối 3D có nghĩa là tín hiệu được thu nhận trên một khối lớn, sau đó
qua bước tái tạo ảnh, từng lớp cắt được hình thành.
3.1.4.2. Chụp đa lớp cắti
Khi chụp một lớp cắt nào đó, xung RF được lặp lại sau một khoảng thời gian nào đó (gọi là TR) để có thể thu toàn bộ dữ liệu cần thiết cho một tấm ảnh hoàn chỉnh. Thông thường giá trị TR này khá lớn. Để tận dụng khoảng thời gian chết giữa hai xung liên tiếp, ta lại kích thích các lớp cắt khác, vậy là ta có chế độ chụp đa lớp cắt mà không làm tăng thời gian chụp. Số lớp cắt có thể thu được trong một chu kì TR được tính bởi công thức:
Hình 3.16
i Multislice Scanning
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
3.1.4.3. Chụp khối 3Di
Khi ghi nhận hình ảnh của những bộ phận rất nhỏ hoặc cần chụp với lớp cắt rất mỏng , ảnh MRI 2D thường quy không thể đáp ứng được yêu cầu do SNR đạt được rất nhỏ. Phương pháp chụp khối 3D lúc này là một lựa chọn tốt để đáp ứng yêu cầu trên. Trong phương pháp này, xung RF không chỉ kích thích một lớp cắt mà là một khối mô nào đó. Cách này có ưu điểm là duy trì được SNR đủ lớn để có thể tái tạo ảnh trên những lớp cắt rất mỏng.
Để có thể phân biệt được các lớp cắt khác nhau trong một khối, ta không chỉ áp dụng các gradient mã hóa tần số và pha thông thường mà còn phải thêm vào đó một gradient mã hóa pha dọc theo gradient chọn lớp cắt. Số lớp cắt thu được phụ thuộc vào số bước mã hóa pha của
gradient mã hóa pha theo chiều thứ 3 này. Thời gian chụp khối 3D dài hơn thông thường và được tính bởi công thức:
Ví dụ trong chụp ảnh T1:
Phương pháp này thường không sử dụng với chuỗi xung SE vì thời gian chụp quá dài do TR dàiii. Có thể xem ví dụ sau để thấy sự khác biệt:
i 3D Scanning
ii Xem bảng 4.2
Hình 3.17
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Ta cũng cần phải lưu ý rằng chụp 3D không có nghĩa là ta sẽ quan sát được hình ảnh bề mặt của vật thể chụp, hay có một góc nhìn 3 chiều đối với vật thể đó. Dữ liệu như thế cần phải qua nhiều bước sử lý mới có được.
Bảng 3.1
Thuận lợi Khó khăn
Voxel hình lập phương
Dễ dàng xây dựng ảnh với rFOV Tái tạo ảnh ở những phương khác nhau Lớp cắt rất mỏng
Thời gian chụp dài
Quá trình xử lý dữ liệu dài
3.2. Các phƣơng pháp nâng cao2,4,11
3.2.1. Không gian k
Không gian k là một không gian toán học dùng để mô tả một cách trực quan quá trình tái tạo ảnh MRI bằng phương pháp biến đổi Fourier hai chiều. Không gian k
là một khái niệm tương đối trừu tượng với nhiều người vì các tính chất đặc biệt của nó Hình 3.19 sau đây sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về quy trình từ tín hiệu → không gian k → ảnh MRI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.19 – Không gian k
Trước tiên ta tìm hiểu về khái niệm k. Trong vật lý, k được sử dụng để mô tả sóng và được gọi là số sóng. Đơn vị của k là m–1.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Hình 3.20 – Số sóng k
Vậy từ quá trình mã hóa từ tín hiệu lên không gian k được thực hiện như thế nào? Ta đã biết rằng tín