CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÍ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI
2.2 Tìm hiểu nguyên lí
2.2.2 Từ tính của cơ thể
Sự quay của kim nam châm bị ảnh hưởng bởi sóng vô tuyến,vì vậy bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu kim la bàn trong cơ thể.
- Các tín hiệu cộng hưởng từ hầu hết có nguồn gốc từ các hạt nhân nguyên tử hidro (có nghĩa là các hạt nhân nguyên tử trong các nguyên tử hidro), hầu hết các nguyên tử được tìm thấy trong các phân tử nước trong cơ thể, một vài hạt nhân khác được sử dụng cho cộng hưởng từ.
- Hạt nhân hidro (còn gọi là proton) hoạt động như một kim la bàn nhỏ khi đưa nó vào trong một từ trường nó sẽ tự sắp xếp thành hàng song song.
Đó là do bản chất của sự quay hạt nhân gọi là spin hạt nhân (các hạt nhân quay như hình 2.6)
- Kim la bàn ( spin) được sắp xếp trong trường này nhưng do biến động và tương tác hạt nhân mà sự sắp trên chỉ xảy ra từng phần rất nhỏ (hình 2.8), chỉ có một số ít các spin dọc theo hướng của từ trường. Sự tương tác này ảnh hưởng đến hạt nhân hơn là từ trường ta đưa vào, phần lớn các spin hạt nhân vẫn chỉ theo hướng ngẫu nhiên, thay vì chúng ta đặt chúng vào một máy sấy quần áo đang hoạt động thì nó sẽ chỉ tất cả các hướng và hướng của từng la bàn sẽ thay đổi thường xuyên nhưng luôn có xu hướng chỉ về hướng bắc.
Tương tự như vậy các hạt nhân trong cơ thể con người luôn chuyển động hỗn loạn và thường xuyên va chạm và sinh ra nhiệt độ. Ở nhiệt độ cơ thể có một xu hướng nhỏ các hạt nhân hướng theo hướng bắc của máy quét.
Đồng thời nhiều hạt nhân tạo thành lớp từ hóa tổng (kim la bàn) được gọi là mạng từ hóa. Về nguyên tắc nó được tạo ra bằng cách kết hợp tất cả các spin tới mạng từ hóa. Nếu các mũi tên chỉ tất cả các hướng thì không thể tạo thành mạng từ hóa. Vì nó là tổng hợp của nhiều spin quay đồng bộ như kim la bàn , bản thân mỗi mạng từ hóa cũng dao động như một kim la bàn. Vì vậy việc theo dõi mạng từ hóa sẽ dẽ dàng hơn thay vì theo dõi từng spin riêng rẽ.
Như đã đề cập ở trên các hạt nhân trong cơ thể con người chuyển động hỗn độn mỗi lúc một khác (chuyển động nhiệt) và mạng từ hóa ở trạng thái
cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Sự tương tác giữa các hạt nhân lân cận thường xảy ra trong các chất lỏng nhưng chúng rất yếu bởi vì sự từ hóa của hạt nhân là nhỏ. Tùy theo tính chất và tần số của tương tác hạt nhân tiến động tương đối ổn định trong một thời gian (ví dụ khoảng 100ms). Tại một thời điểm bất kì cũng có xác xuất nhất định mà một hạt nhân va chạm với một hạt nhân khác vì vậy nó sẽ chỉ theo một hướng mới nhưng điều này ít khi xảy ra.
Mạng từ hóa tương đương với khoảng 3 triệu spin hạt nhân hướng theo hướng của từ trường (3ppm tại 1 tesla) điều này có nghĩa là một triệu liên kết hạt nhân hidro trong các máy quét một từ hóa tổng.
Hình 2.8: Các spin được hiển thị bằng các mũi tên
Hình 2.9: Ảnh trên chỉ ra phương thức của sóng vô tuyến ảnh hưởng đến sự tiến động của spin hạt nhân xung quanh từ trường Bo (trục tung) tại tần số Larmor.
Từ trường sóng vô tuyến quay xung quanh trục ở cùng một tần số gây ra sự quay đồng thời quanh trục hoành như biểu tượng mũi tên tròn như hình vẽ. Xu hướng tương đối của hạt nhân gần như không thay đổi và vì thế nó đủ để nhận ra mạng từ hóa (được biểu thị bằng mũi tên dày) bị ảnh hưởng bởi từ trường.
Trong cơ thể người tồn tại một số lượng lớn các hạt nhân hidro (khoảng 1027) do đó mạng từ hóa vẫn có thể đo đạc được. Nó tỉ lệ với từ trường này:
Một từ trường lớn sẽ tạo ra sự liên kết lớn và do đó sự từ hóa sẽ lớn, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tốt hơn (SNR). Nếu từ hóa mạng được đưa ra khỏi vị trí cân bằng thì mạng từ hóa không còn dọc theo hướng của từ trường nữa, và nó sẽ quay xung quanh từ trường này với một tần số 42 triệu vòng/giây ở 1 tesla (42 MHZ) điều này được minh họa ở hình 2.6. Cuối cùng nó lại quay lại vị trí cân bằng nhưng phải mất một khoảnh thời gian tương đối dài (ví dụ 100ms như đã mô tả ở trên). Trong khi đó cơ thể cũng có thể phát ra sóng vô tuyến ở tần số này. Chúng ta có thể đo lường và phân tích chúng, chú ý vị trí của hạt nhân là không thay đổi- chỉ có trục của nó quay.
Tần số tiến động được gọi là tần số Larmor trong cộng hưởng từ hạt nhân. Phương trình Larmor thể hiện mối quan hệ giữa tần số cộng hưởng và từ trường, nó được cho là phương trình quan trọng nhất trong cộng hưởng từ.
f B 0
Phương trình cho chúng ta biết rằng tần số f tỉ lệ thuận với từ trường
B0, hệ số tỉ lệ là 42MHZ/T đối với proton, nó được gọi là tỉ số hồi chuyển hoặc chỉ đơn giản là gamma. Như vậy, ví dụ tần số cộng hưởng của proton trong một máy quét 1,5 tesla là 63 MHZ
Phương trình Larmor rất quan trọng đối với MRI, cho phép các kĩ sư có thể thiết kế dựa trên sự sai khác tần số trong các trường không đồng nhất. Ví dụ như trong kĩ thuật xử lí ảnh, mã hóa chuyển động và quang phổ.
Nhưng làm thế nào để từ hóa quay từ điểm xuất phát của nó? Nó thực hiện được khi ta đưa sóng vô tuyến với tần số nói trên vào. Sóng vô tuyến là từ trường không thay đổi theo thời gian. Từ trường tĩnh mạnh sẽ đẩy từ hóa để tạo ra sự tiến động.
Tương tự như vậy các sóng vô tuyến đẩy sự từ hóa quay quanh từ trường sóng vô tuyến, nhưng khi trường sóng vô tuyến điện yếu đi nhiều so với từ trường tĩnh thì lực đẩy không còn nữa.
Vì lí do trên mà bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu một hiện tượng cộng hưởng: Nếu tác động một cách hệ thống nhịp nhàng ở tần số thích hợp (tần số cộng hưởng hệ thống), có thể thu được ảnh hưởng đáng kể ngay cả khi lực tương đối yếu. Một ví dụ điển hình: Đẩy một đứa trẻ đang ngồi trên một chiếc xích đu, nếu chúng ta đẩy đồng bộ với dao động của xích đu thì chúng ta sẽ thu được ảnh hưởng đáng kể chỉ với lực đẩy nhỏ. Mặt khác nếu chúng ta đẩy với tần số số khác với tần số dao động thì ảnh hưởng là không đáng kể .
Với sóng vô tuyến ở tần số thích hợp (từ trường sóng vô tuyến cộng hưởng) chúng ta có thể từ từ quay sự từ hóa đến trạng thái cân bằng. Sự quay
chậm ở đây có thể là 1ms cho một góc quay 900, đó là khoảng thời gian tương đối dài, như sự tiến động 42 triệu lượt mỗi giây tại 1 tesla.
Hình 2.9: Cho thấy một tập hợp các hạt nhân, tiến động xung quanh Bo và từ trường của sóng vô tuyến chúng cùng nhau tạo thành mạng từ hóa.
Cường độ sóng vô tuyến phát ra từ cơ thể phụ thuộc vào kích thích và định hướng của mạng từ hóa, mạng từ hóa dao động càng lớn thì sóng vô tuyến thu được càng nhiều. Cường độ tín hiệu tỉ lệ thuận với các thông số từ hóa mà nó vuông góc với từ trường (các từ hóa ngang) trong khi đó các thông số song song không có ảnh hưởng gì (được gọi là từ hóa theo chiều dọc), trong hình 2.7 kích thước của từ hóa ngang là bán kính của vòng tròn.
Nếu mạng từ hóa hướng dọc theo từ trường (như trong trạng thái cân bằng) thì ta không thu được sóng vô tuyến ngay cả khi hạt nhân tiến động riêng lẻ. Điều này là do tín hiệu sóng của hạt nhân hoạt động đơn lẻ trong từ trường có nghĩa là chúng không dao động vuông góc với từ trường, những điều đó làm mất đi mạng từ hóa dọc theo từ trường B0 (không có từ hóa ngang) .
Tần số của sóng vô tuyến trong dải tần FM, nếu mở cửa máy quét chúng ta có thể thấy sự truyền thông vô tuyến và tivi cũng như các tạo tác trong hình ảnh. Ở tần số thấp chúng ta chỉ thu được tần số dòng và sóng vô tuyến AM. Ở tần số cao hơn chúng ta thu được sóng vô tuyến truyền hình, sóng điện thoại di động và ở dải tần số cao hơn nữa ta sẽ thu được ánh sáng, tia X và bức xạ gamma, còn khi từ tần số tia cực tím trở lên sẽ bức xạ tạo thành ion hóa có nghĩa là nó có đủ năng lượng để phá vỡ các phân tử thành các nguyên tử đơn lẻ nhỏ hơn. Máy quét cộng hưởng từ MRI sử dụng nguồn năng lượng nhỏ hơn rất nhiều.