NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN

i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
------------oOo------------





LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG
HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN



GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
SVTH : LÊ MINH HÒA
MSSV : K0200931




Tp. HCM, tháng 6 – 2007

ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHBK TP. HCM Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
-------------------- --------------------------
Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 26 Tháng 02 Năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


Họ và tên: LÊ MINH HÒA MSSV: K0200931
Ngành: Vật lý kĩ thuật
Khóa: 2002 - 2007

1. Tên luận văn:

NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA THIẾT BỊ CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN
VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỤP ẢNH KHUẾCH TÁN

2. Nhiệm vụ và nội dung:

- Trình bày nguyên lý hoạt động của máy cộng hưởng từ hạt nhân. Các phương pháp cơ
bản cũng như nâng cao trong ghi nhận tín hiệu cộng hưởng từ.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh và xảo ảnh.
- Trình bày nguyên lý của kĩ thuật chụp ảnh khuếch tán và ứng dụng trong chẩn đoán các
bệnh về não.

3. Ngày giao nhiệm vụ: 26-02-2007

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 09-06-2007

5. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: KS. PHAN NHẬT ĐÁN


Ngày 26 Tháng 02 Năm 2007

Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm Bộ môn Chủ nhiệm Khoa


iii
LỜI CẢM ƠN


Xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh trường Đại
Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo và truyền đạt những kiến thức
chuyên ngành làm nền tảng cho việc hoàn thành luận văn này.
Xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến Viện trưởng – GS. TSKH. Vũ Công Lập, TS.
Nguyễn Đông Sơn, Thầy Phan Nhật Đán, Cô Nguyễn Thị Thanh Phương và các thầy
cô thuộc Phân Viện Vật Lý Y Sinh Học đã giúp tôi định hướng đề tài,
tạo điều kiện cho tôi tiếp xúc với nguồn tài liệu rất phong phú, cũng như đã phản biện
và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình tôi thực tập và hoàn thành luận văn tại
đây.
Xin gửi lời cảm ơn đến các bác sĩ khoa chuẩn đoán hình ảnh bệnh viện Nhân
Dân 115 đã giúp tôi trong việc tìm hiểu các ứng dụng của ảnh cộng hưởng từ khuếch
tán. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn Hà Thúc Nhân và bạn Phạm Như Ngọc
đã giúp tôi rất nhiều trong việc hiệu chỉnh hình ảnh của luận văn này.
Đặc biệt, luận văn không thể hoàn thành nếu thiếu sự động viên của gia đình
và bạn bè.
Sau cùng, xin kính chúc các thầy cô trong Bộ môn Vậy Lý Kỹ Thuật Y Sinh đạt
được nhiều thành công trong công tác đào tạo và nghiên cứu.

TP. Hồ Chí Minh tháng 6 năm 2007
Lê Minh Hòa





iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN

-
.


.
.




v
ABSTRACT

Medical Diagnostic Imaging has recently been an inevitable diagnosing
department in most diagnostic activities and treatment procedures at medical clinics
and hospitals. One of the most modern and most used is the Magnetic Resonance
Imaging (MRI) scanner. After three decades since its existence, MRI has gone through
many technical breakthrough improvements which could be considered as a big
revolution noninvasive diagnostic imaging. The mastering of these techniques is

significant not only in the repairing of any malfunction, but also in the making the
most effective use of the MRI scanner. In this paper, the basics and principles of MRI
will be presented most basically.
Brain diseases such as brain haemorrhage, brain vein blocking, brain tumor,
etc., are continuously increasing while early diagnostic tools like CT or conventional
MRI prove to be less effective. In order to recommend a more effective early
diagnoctic tool, this paper presents the basic principles and practical applications of
Diffusion MRI, in comparison in effectiveness with Conventional MRI.
In the aim of paving the way for deeper research, this paper does not give
emphasis to the hardware, but rather to the principles and the evaluation of clinic
applications.




vi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH


A/D
Analog-Digital Converter
ADC
Apparent Diffusion Coefficient
CSF
Cerebrospinal Fluid
CT
Computed Tomography
DTI

Diffusion Tensor Imaging
DWI
Diffusion Weighted Image
ECG
Electrocardiograph
EPI
Echo Planar Imaging
ET
Echo Train
FFE
Fast Field Echo
FID
Free Induction Decay
FLAIR
Fluid Attenuation Inversion Recovery
fMRI
Functional Magnetic Resonance Imaging
FOV
Field Of View
FT
Fourier Transform
G
Gradient
GRE
GRadient Echo
GS
Gated Sweep
I
Imaginary
IR

Inversion Recovery
M
Magnitude
MA/MS
Matrix size
ME
Multiple Echo
MRA
Magnetic Resonance Angiography
MRI
Magnetic Resonance Imaging


vii
NMR
Nuclear Magnetic Resonance
NSA
Number of Signals Averaged
pbw
Pixel Bandwidth
PD
Proton Density
PEAR
Phase Encoded Artifact Reduction
PT
Prospective Triggering
R
Real
RC
Respiratory Compensation

REST
Regional Saturation Technique
RF
Radio Frequency
rFOV
Rectangular Field Of View
RT
Respiratory Trigger
RT
Retrospective Triggering
SE
Spin Echo
SMART
Serial Motion Artifact Ruduction Technique
SNR
Signal to Noise Ratio
SR
Slew Rate
ST/THK
Slice Thickness
STIR
Short TI Inversion Recovery
TE
Time of Echo
TFE
Turbo Field Echo
T-GRE
Turbo Gradient Echo
TI
Time of Inversion

TR
Time of Repetition
TSE
Turbo Spin Echo
WFS
Water Fat Shift



viii
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC Trang
Trang bìa ............................................................................................................... i
Nhiệm vụ luận văn ........................................................................................................ ii
Lời cảm ơn ............................................................................................................ iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................................. iv
Abstract .............................................................................................................. v
Danh sách các từ viết tắt ................................................................................................ vi
Mục lục .......................................................................................................... viii
PHẦN I : TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
PHẦN II: NỘI DUNG ................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MRI .................................................. 3
1.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển của cộng hưởng từ hạt nhân .......................................... 3
1.1.2. Cơ sở vật lý: Định luật cảm ứng Faraday ................................................... 5
1.1.3. Cơ sở toán học: Phép biến đổi Fourier ....................................................... 6
1.2. Hạt nhân trong từ trường ................................................................................... 9
1.2.1. Spin hạt nhân ............................................................................................... 9
1.2.2. Định hướng của hạt nhân trong từ trường................................................. 10
1.2.3. Hai mức năng lượng .................................................................................. 10

1.3. Tác dụng của sóng RF ..................................................................................... 11
1.3.1. Tần số Larmor ........................................................................................... 11
1.3.2. Tần số cộng hưởng .................................................................................... 12
1.3.3. Vài tính chất của một số hạt nhân sử dụng trong sinh học ....................... 12
1.3.4. Vector từ hóa mạng ................................................................................... 13
1.3.5. Tác dụng của từ trường tạo ra bởi sóng RF .............................................. 13
1.4. Các quá trình hồi phục ..................................................................................... 15


ix
1.4.1. Quá trình suy giảm T2 .............................................................................. 15
1.4.2. Quá trình suy giảm T2* ............................................................................ 17
1.4.3. Quá trình hồi phục T1 ............................................................................... 17
CHƢƠNG 2. MÃ HÓA KHÔNG GIAN VÀ TÁI TẠO ẢNH ........................... 20
2.1. Trường Gradient .............................................................................................. 20
2.2. Pixel, Voxel và FOV ........................................................................................ 20
2.3. Chọn lớp cắt ..................................................................................................... 21
2.4. Lớp cắt xiên ..................................................................................................... 22
2.5. Mã hóa pha và mã hóa tần số ........................................................................... 22
2.6. Ví dụ về tính toán G
S
, G
P
, G
f
cho một lớp cắt. ................................................ 24
2.6.1. Gradient chọn lớp cắt ................................................................................ 24
2.6.2. Gradient mã hóa pha ................................................................................. 24
2.6.3. Gradient mã hóa tần số ............................................................................. 25
2.7. Ví dụ về tái tạo hình ảnh trên hai voxel ........................................................... 26

2.7.1. Thiết lập các trục tọa độ ............................................................................ 26
2.7.2. Tác dụng của gradient mã hóa tần số và gradient mã hóa pha. ................ 26
2.8. Kết quả đo ........................................................................................................ 27
2.8.1. Kết quả đo từ voxel thứ nhất ..................................................................... 28
2.8.2. Kết quả đo từ voxel thứ hai ....................................................................... 29
2.8.3. Biến đổi Fourier ........................................................................................ 29
2.8.4. Hình ảnh thu nhận ..................................................................................... 33
CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP GHI NHẬN TÍN HIỆU MRI .................. 34
3.1. Các phương pháp cơ bản

................................................................................. 34
3.1.1. Phương pháp SE ........................................................................................ 34
3.1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................ 34
3.1.1.2. Chuỗi xung SE ................................................................................... 36
3.1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................ 37
3.1.2. Phương pháp IR ........................................................................................ 38
3.1.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 38


x
3.1.2.2. Chuỗi xung IR .................................................................................... 39
3.1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................ 40
3.1.3. Phương pháp GRE .................................................................................... 40
3.1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................ 40
3.1.3.2. Chuỗi xung GRE ................................................................................ 41
3.1.3.3. Ứng dụng ............................................................................................ 42
3.1.4. Phương pháp chụp đa lớp cắt và chụp khối 3D. ....................................... 43
3.2. Các phương pháp nâng cao .............................................................................. 45
3.2.1. Không gian k ............................................................................................. 45
3.2.2. Phương pháp TSE ..................................................................................... 49

3.2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 49
3.2.2.2. Chuỗi xung TSE ................................................................................. 50
3.2.2.3. Ứng dụng ............................................................................................ 51
3.2.3. Phương pháp T-GRE ................................................................................. 52
3.2.3.1. Giới thiệu ............................................................................................ 52
3.2.3.2. Chuỗi xung TFE ................................................................................. 54
3.2.3.3. Ứng dụng ............................................................................................ 55
3.2.4. Phương pháp EPI ...................................................................................... 56
3.2.4.1. Giới thiệu ............................................................................................ 56
3.2.4.2. Chuỗi xung EPI .................................................................................. 57
3.2.4.3. Ứng dụng ............................................................................................ 58
CHƢƠNG 4. CHẤT LƢỢNG HÌNH ẢNH .......................................................... 59
4.1. Các mục tiêu kĩ thuật của ảnh cộng hưởng từ ................................................. 59
4.2. Độ tương phản

................................................................................................. 61
4.2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 61
4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tương phản ................................................ 62
4.2.3. Độ tương phản trong phương pháp SE ..................................................... 63
4.2.4. Độ tương phản trong phương pháp Inversion Recovery (IR) ................... 67
4.2.5. Độ tương phản trong phương pháp Gradient Echo (GRE) ....................... 68
4.3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ........................................................................ 70


xi
4.3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 70
4.3.2. Ảnh hưởng của kích thước voxel. ............................................................. 71
4.3.3. Ảnh hưởng của thiết bị phần cứng ............................................................ 72
4.3.4. Ảnh hưởng của loại chuỗi xung sử dụng .................................................. 73
4.3.5. Ảnh hưởng của số lần thu nhận tín hiệu (NSA) ........................................ 73

4.3.6. Ảnh hưởng của rFOV................................................................................ 74
4.3.7. Ảnh hưởng của phương pháp quét bán phần ............................................ 75
4.3.8. Ảnh hưởng của phương pháp quét thu gọn ............................................... 75
4.3.9. Ảnh hưởng của phương pháp chụp khối 3D ............................................. 76
4.3.10. Ảnh hưởng của độ dịch chuyển hóa học (WFS) ................................... 76
4.4. Độ phân giải không gian .................................................................................. 77
4.5. Thời gian thu nhận ảnh .................................................................................... 79
4.6. Các loại xảo ảnh ............................................................................................... 79
4.6.1. Giới thiệu .................................................................................................. 79
4.6.2. Xảo ảnh do chuyển động của bệnh nhân .................................................. 80
4.6.3. Xảo ảnh do nhịp thở .................................................................................. 80
4.6.3.1. Kĩ thuật bù nhịp thở ........................................................................... 81
4.6.3.2. Kĩ thuật thu nhanh .............................................................................. 82
4.6.3.3. Kĩ thuật SMART ................................................................................ 82
4.6.3.4. Kĩ thuật bão hòa vector từ hóa cục bộ ................................................ 82
4.6.4. Xảo ảnh tim ............................................................................................... 83
4.6.4.1. Kĩ thuật đánh dấu sau sóng R ............................................................. 83
4.6.4.2. Kĩ thuật quét theo cổng ...................................................................... 84
4.6.4.3. Kĩ thuật thu ảnh liên tiếp đơn lớp cắt ................................................. 84
4.6.5. Xảo ảnh chồng lấn..................................................................................... 85
4.7. Tác nhân tương phản ....................................................................................... 85
4.7.1. Giới thiệu .................................................................................................. 85
4.7.2. Các loại tác nhân tương phản thường dùng .............................................. 86
CHƢƠNG 5. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ & PHẦN CỨNG CỦA MÁY MRI ............ 88
5.1. Sơ đồ tổng quát ................................................................................................ 88


xii
5.2. Hệ thống nam châm ......................................................................................... 89
5.3. Hệ thống Gradient ............................................................................................ 91

5.4. Hệ thống cuộn RF ............................................................................................ 91
PHẦN III: ỨNG DỤNG .............................................................................................. 96
CHƢƠNG 6. ẢNH CỘNG HƢỞNG TỪ KHUẾCH TÁN VÀ ỨNG DỤNG
TRONG CHỤP ẢNH BỆNH LÝ NÃO .................................................................... 96
6.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 96
6.2. Quá trình khuếch tán của phân tử .................................................................... 96
6.2.1. Khuếch tán tự do, định luật Fick và phương trình Einstein ...................... 96
6.2.3. Khuếch tán bất đẳng hướng ...................................................................... 98
6.3. Ảnh hưởng của quá trình khuếch tán lên tín hiệu MRI ................................... 98
6.3.1. Chuỗi xung SE và Gradient cố định ......................................................... 99
6.3.2. Chuỗi xung ME và Gradient cố định ......................................................100
6.3.3. Chuỗi xung Stejskal-Tanner ...................................................................101
6.4. Ảnh hưởng của xung khuếch tán lên ảnh MRI ..............................................102
6.5. Ảnh cộng hưởng từ khuếch tán tự do DWI ...................................................103
6.6. Bản đồ khuếch tán ADC ................................................................................105
6.7. Ảnh cộng hưởng từ khuếch tán bất đẳng hướng DTI ....................................107
6.8. Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não ......................108
6.8.1. Tóm tắt một số bệnh lý não: ...................................................................108
6.8.2. Các bất thường có thể thấy trên khảo sát MRI thường quy ....................110
6.8.3. Các dấu hiệu của U não trên MRI ...........................................................110
6.8.4. Ứng dụng chụp hình khuếch tán MRI lên một số bệnh lý não: ..............110
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 116
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 117

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 1 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
PHẦN I: TỔNG QUAN

– MRI. Hiện nay trên cả nước có khoảng 30 hệ thống MRI các loại
với cường độ từ trường ngoài từ 1.5T trở xuống. Trong đó các hệ thống MRI siêu dẫn

(1T và 1.5T) chiếm khoảng 1/3 và tập trung chủ yếu tại hai thành phố lớn là Hà Nội (4
máy) và Tp. Hồ Chí Minh (6 máy). Ảnh MRI có giá trị chẩn đoán rất cao và nhu cầu
sử dụng MRI hiện nay là rất lớn.
Trực tiếp vận hành các hệ thống MRI trên phần lớn là kĩ thuật viên và một số ít
bác sĩ. Các cơ sở giảng dạy về MRI hiện tại có ĐH Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh -
Ngành Vật lý kĩ thuật và các khoa chẩn đoán hình ảnh của các đại học Y. Tài liệu
tham khảo tiếng Việt rất hạn chế, chủ yếu là các tài liệu dịch thuật lưu hành nội bộ với
các thông tin cung cấp ở dạng cơ bản. Sinh viên, các kĩ thuật viên và bác sĩ hoạt động
trực tiếp trong lĩnh vực này thường gặp nhiều khó khăn khi tiếp cận các khía cạnh kĩ
thuật cũng như ứng dụng của MRI vì bản chất phức tạp của nó.
Vì vậy, đối tượng mà luận văn hướng đến là: Sinh viên ngành Vật lý kĩ thuật,
các kĩ thuật viên và bác sĩ hoạt động trong lĩnh vực này với mục tiêu cung cấp một tài
liệu tham khảo hữu ích, tạo cơ sở cho việc tiếp cận các kĩ thuật mới được thuận lợi
hơn. Bên cạnh đó, đề tài được chọn là do có sự hỗ trợ về mặt chuyên môn và tài liệu kĩ
thuật của các kĩ sư nhiều kinh nghiệm, sự hỗ trợ về mặt ứng dụng của các bác sĩ trực
tiếp làm việc với MRI trong nhiều năm và đặc biệt là từ nhu cầu có thực của việc tìm
hiểu MRI một cách hệ thống.
Theo đó, luận văn được chia thành 6 chương với nội dung tóm tắt như sau.
Chương I: Trình bày nguyên lý cơ bản của MRI, cung cấp những kiến
thức nền tảng ban đầu.
Chương II: Trình bày quy trình mã hóa để tạo ra ảnh MRI.
Chương III: Trình bày các phương pháp cơ bản cũng như nâng cao dùng
để ghi nhận tín hiệu cộng hưởng từ. Ưu - nhược điểm của từng phương
pháp và các ứng dụng của nó.

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 2 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Chương IV: Trình bày về chất lượng hình ảnh MRI bao gồm: Các yếu tố
ảnh hưởng đến chất lượng ảnh; mối liên hệ giữa các yếu tố; các loại xảo
ảnh có thể xảy ra và cách khắc phục.

Chương V: Trình bày tổng quan về phần cứng của một hệ thống MRI
tiêu biểu.
Chương VI: Trình bày về nguyên lý ảnh MRI khuếch tán (DWI) và ứng
dụng trong chụp ảnh bệnh lý não, đặc biệt là đột quỵ và chẩn đoán phân
biệt u và viêm.
Trong thời đại công nghiệp hiện nay, các nguy cơ gây nên đột quỵ ngày càng
nhiều và đe dọa sức khỏe cộng đồng. Đột quy gây nên những hệ quả xấu như tổn
thương trong bán cầu đại não gây liệt đối bên (50%); tổn thương thân não gây liệt tứ
chi, rối loạn thị giác hay hội chứng khóa trong (25%); tổn thương khiếm khuyết; thậm
chí gây tử vong (khoảng 20% tử vong trong vòng 1 tháng, 5-10% trong vòng 1 năm).
Việc phát hiện sớm đột quỵ là một yêu cầu cấp thiết nhằm có những biện pháp can
thiệp sớm làm giảm các hệ quả xấu. DWI là một công cụ rất hữu hiệu trong việc chẩn
đoán sớm một số bệnh lý não, đặc biệt là đột quỵ. Hiện nay tại Tp. Hồ Chí Minh chỉ
có các bệnh viện lớn mới thực hiện được DWI như: bệnh viện Nhân Dân 115, bệnh
viện Chợ Rẫy, bệnh viện Đại học Y Dược. Riêng lĩnh vực DTI nhằm phát hiện các
bệnh lý về chất trắng hiện vẫn chưa có cơ sở y tế nào thực hiện được vì gặp nhiều hạn
chế về kĩ thuật và cả con người.




LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 3 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
PHẦN II: NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA MRI
1.1. Giới thiệu
1.1.1. Lịch sử phát triển của cộng hƣởng từ hạt nhân
1,2,3

Kĩ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân – gọi tắt là MRI

i
– bắt đầu hình
thành từ sau chiến tranh thế giới lần thứ II với nhiều khám phá quan trọng. Nhưng bản
thân MRI là sự thừa hưởng rất nhiều phám phá vĩ đại của con người trước đó. Có thể
kể ra đây một vài ví dụ:
Baptiste Joseph Fourier (Pháp) đặt nền tảng cho biến đổi toán học của
tín hiệu MRI bằng phép biến đổi mang tên ông.
1831: Michael Faraday (Anh) bằng phát minh ra định luật cảm ứng điện
từ, đã đặt nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu MRI
1911: Ernest Rutherford đưa ra mô hình hạt nhân nguyên tử.
1913: Niels Bohr (Đan Mạch) mở đầu kỉ nguyên cơ học lượng tử.
…..
Với nền tảng vững chắc đó, MRI đã được hình thành bằng những điểm sáng:
1946: Felix Bloch (ĐH Stanford)
và Edward M. Purcell (ĐH Harvard) độc lập
tìm ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Hai
ông đã đồng nhận giải Nobel vật lý cho công
trình này vào năm 1952.
1949: Erwin L. Hahn tìm ra
phương pháp Spin Echo và hiện tượng suy giảm
tín hiệu do lệch pha spin (FID
ii
).
1966 – 1975: Richard R.Ernst
tìm ra phương pháp biến đổi Fourier hai chiều
để xây dựng ảnh MRI từ tín hiệu thu đươc. Ông

i
MRI: Magnetic Resonance Imaging
ii

FID: Free Induction Decay

Felix Bloch Edward M.Prucell

Richard R.Ernst Paul C.Lauterbur

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 4 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
cũng là tác giả của góc Ernst tối ưu trong phương pháp GRE
i
.
1971: Paul C.Lauterbur xác định được vị trí không gian của vật mẫu,
là người đầu tiên đề ra việc áp dụng các vector gradient G
X
, G
Y
, G
Z
.
1973: Paul C. Lauterbur cho ra mắt ảnh MRI đầu tiên.
Ngày 3/6/1977, lúc 4 giờ 45
phút sáng: Raymond V.Damadian và
cộng sự cho ra đời máy MRI toàn thân đầu
tiên. Mở đầu thời kì MRI không còn bị giới
hạn trong phòng thí nghiệm mà đã thực sự
có những đóng góp cụ thể trong lĩnh vực y
tế. Cùng năm đó, Peter Mansfield khám
phá ra kĩ thuật EPI
ii
có thể chụp một bức

ảnh chỉ với 30 ms.
1987: Kĩ thuật EPI được sử dụng để thể hiện đoạn phim video thời gian
thực của một chu kì tim đập. Cùng năm đó, Charles Dumoulin chụp được ảnh MRA
iii

thể hiện dòng máu trong não mà không cần dủng tác nhân tương phản.
1993: MRI chức năng được phát triển, cho phép chụp ảnh chức năng của
các vùng khác nhau của não. Từ đây, EPI lại có thêm nhiều ứng dụng ngoài chức năng
thu ảnh thời gian thực vốn có của nó.
Xét về quá trình phát triển của phần cứng, ta có thể tóm tắt:
Thập niên 70 là quá trình MRI phát triển giới hạn trong phòng thí
nghiệm.
Thập niên 80 đến đầu thập niên 90 là quá trình hoàn thiện cuộn thu phát
sóng RF
iv
, cuộn Gradient và nam châm chính. Thời gian bật-tắt các cuộn gradient
nhanh hơn, tạo điều kiện cho các chuỗi xung nâng cao có những đóng góp thực tiễn.
Bộ phận nam châm đã có tính đồng nhất cao và cường độ từ trường ngày càng lớn.

i
GRE: GRadient Echo
ii
EPI: Echo Planar Imaging
iii
MRA: Magnetic Resonance Angiography
iv
RF: Radio Frequency

Raymon V.Damadian Peter Mansfield

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 5 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Thập niên 90 đến nay, nhờ tiến bộ của kĩ thuật máy tính mà các chương
trình điều khiển tiên tiến hơn đã được phát triển; tạo thuận lợi cho quá trình thu nhận,
xử lý, lưu trữ.
1.1.2. Cơ sở vật lý: Định luật cảm ứng Faraday
Định luật cảm ứng Faraday (hay còn gọi là định luật Faraday-Lenz) cho biết
mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện
trường dọc theo vòng đó.
Định luật cảm ứng Faraday được phát biểu như sau:
Một sức điện động cảm ứng
được sinh ra khi từ trường
quanh vật dẫn điện thay đổi
Độ lớn của sức điện động
cảm ứng tỷ lệ thuận với biến
thiên của từ thông qua vòng
mạch điện.
Công thức:
Dạng tích phân:

Dạng vi phân, tính theo từ trường B:

Trong trường hợp của một cuộn dây
có N vòng

Nhờ định luật cảm ứng Faraday mà tín hiệu MRI được thu nhận thông qua một
cuộn thu như hình 1.2.

Hình 1.1

Hình 1.2

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 6 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
1.1.3. Cơ sở toán học: Phép biến đổi Fourier
2

Biến đổi Fourier (FT
i
) là một phương pháp toán học dùng để chuyển đổi dữ liệu
từ miền thời gian qua miền tần số. Bất kì một hàm số nào cũng có thể được tách ra
thành tổng hoặc tích phân của nhiều hàm số sin cơ sở nhân với các hằng số khác nhau
(gọi là biên độ).
Nếu gọi X(f) là biến đổi Fourier của hàm x(t) thì ta có công thức:

Hàm x(t) ở miền thời gian cũng có thể được tính bằng phép biển đổi ngược của
hàm X(f) ở miền tần số như sau:

Trong tọa độ cực, biến đổi Fourier được biểu diễn bởi:

trong đó là thành phần biên độ và là thành phần pha
tương ứng bới tần số f.
Trong hình 1.3, cột đầu tiên mô tả vector từ hóa mạng có cường độ A và các
góc pha khác nhau. Bằng cuộn thu, một thành phần của vector từ hóa mạng được thu
nhận (trong hình minh họa là thành phần X) và hình thành một sóng sin. Góc pha của
vector từ hóa mạng quyết định góc pha ban đầu của tín hiệu sin. Tín hiệu này được thể
hiện ở cột II và được gọi là tín hiệu ở miền thời gian. Phép biến đổi Fourier của tín
hiệu ở miền thời gian tạo ra đồ thị phần thực (R
ii
) và phần ảo (I

iii
) của tín hiệu ở miền
tần số tại cột III.

i
FT: Fourier Transform
ii
R: Real
iii
I: Imaginary

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 7 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN

Hình 1.3 – Biến đổi Fourier của tín hiệu sin
Đồ thị phần thực và phần ảo được chuyển sang đồ thị biên độ - pha theo công
thức sau: và

Hình 1.4 – Biến đổi từ đồ thị phần thực – phần ảo sang đồ thị biên độ - pha

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 8 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Biến đổi Fourier của xung vuông ở miền thời gian tạo ra hàm sinc ở miền tần
số. Biên độ tối đa của hàm sinc tỉ lệ thuận với diện tích của xung vuông (= A*T). Biến
đổi Fourier của hảm sinc ở miền thời gian tạo ra một xung vuông ở miền tần số. Chu
kì của sóng sinc này tỉ lệ nghịch với băng thông của xung vuông. Hàm sinc ở miền
thời gian được sử dụng làm sóng mang cho sóng RF chọn lớp cắt và góp phần quyết
định độ dày của lớp cắt đó
i
.

Hình 1.5

i
Xem thêm mục 2.3

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 9 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
1.2. Hạt nhân trong từ trƣờng
2,4,5,6

1.2.1. Spin hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các neutron. Số lượng tử spin của
proton cũng như của neutron đều bằng ½. Tùy thuộc vào việc các spin của những hạt
nucleon đó có cặp đôi hay không mà hạt nhân của nguyên tử có thể được đặc trưng
bằng một số lượng tử spin hạt nhân I bằng không hoặc khác không. Nếu spin của tất cả
các nucleon đều cặp đôi thì số lượng tử spin của hạt nhân bằng không (I = 0). Nếu ở
hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I = ½. Nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I >1
Một số quy tắc kinh nghiệm để phỏng đoán số lượng tử spin hạt nhân:
I = 0 đối với các hạt nhân chứa số proton chẵn và số neutron cũng chẵn.
Ví dụ các hạt nhân
16
O,
12
C,
32
S ….
I = số nguyên (1, 2, 3, … ) đối với hạt nhân chứa số proton lẻ và số

neutron cũng lẻ. Ví dụ các hạt nhân
14
N,
10
B,
2
D, …
I = nửa số nguyên (1/2, 3/2, 5/2, … ) đối với các hạt nhân có số proton
chẵn, số neutron lẻ hoặc ngược lại. Ví dụ các hạt nhân
1
H,
19
F,
13
C,
31
P,
11
B, …
Những hạt nhân có I = 0 thì
không gây ra moment từ (µ = 0), nói
cách khác là chúng không có từ tính. Vì
vậy hạt nhân loại này không có cộng
hưởng từ hạt nhân.
Những hạt nhân có I ≠ 0 gây ra
một moment từ µ ≠ 0, loại này có hoạt
động từ nên có cộng hưởng từ hạt nhân.
Tuy nhiên những hạt nhân có nhiều
electron quay xung quanh thì lại không
thích hợp trong tạo ảnh cộng hưởng từ do moment từ hạt nhân bị che chắn bởi các đám

mây electron. Do đó khi nói đến cộng hưởng từ hạt nhân trong y học, hầu như ta chỉ
quan tâm đến hạt nhân hydro vì các lý do sau:

Hình 1.6 – Nguyên tử Hydro
Nền tảng của ảnh MRI

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 10 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
Hydro là thành phần phổ biến nhất trong cơ thể con người (hiện diện
trong các phân tử nước và chất béo).
Hạt nhân hydro chỉ bao gồm một proton (I = ½).
Trong tự nhiên, hydro là nguyên tố có độ nhạy từ cao nhất do moment từ
hạt nhân ít bị che chắn nhất.
1.2.2. Định hƣớng của hạt nhân trong từ trƣờng
Khi không có từ trường ngoài, các
vector spin của hạt nhân hyđrô định hướng
ngẫu nhiên trong không gian. Chính vì thế tổng
của tất cả các vector spin trong một mẫu thử
nào đó là bằng không và không thể đo được.
Khi xuất hiện môi trường từ trường
ngoài đồng nhất, các vector spin của hạt nhân
hyđrô sẽ định hướng cùng chiều hoặc ngược
chiều với hướng của từ trường ngoài.
1.2.3. Hai mức năng lƣợng
Hạt nhân có vector spin định hướng
ngược chiều với từ trường ngoài thì ở mức
năng lượng cao hơn hạt nhân có vector spin
định hướng cùng chiều (E
NgượcChiều
> E

CùngChiều
).
Chính vì vậy, về mặt phân bố, số lượng các
vector spin định hướng ngược chiều ít hơn số
lượng các vector spin định hướng cùng chiều
với tỉ lệ khoảng vài phần triệu. Tỉ lệ này sẽ
tăng lên nếu B
o
tăng.
Khi có sự thay đổi trạng thái vector spin từ cùng chiều sang ngược chiều, hạt
nhân cần một năng lượng ΔE đúng bằng hiệu của hai mức năng lượng đó.
ΔE = E
NgượcChiều
- E
CùngChiều

Giá trị của ΔE tăng tuyến tính với độ lớn của từ trường ngoài B
o

Hình 1.7 – Định hướng của vector
spin proton ở trạng thái chuyển
động nhiệt

Hình 1.8 – Định hướng của vector
spin proton trong từ trường ngoài

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 11 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
o
B

2
h
E

Với h là hằng số Plank
γ hằng số hồi chuyển từ
Tương quan giữa số lượng proton có vector spin định hướng cùng chiều hay
ngược chiều với từ trường ngoài tuân theo phân bố Boltzmann:
kT
E
CungChieu
NguocChieu
e
N
N

Với k là hằng số Boltzmann
T là nhiệt độ tuyệt đối, đo bằng thang Kelvin
Sự khác biệt giữa N
NgượcChiều
và N
CùngChiều
càng lớn thì giá trị của vector từ hóa
mạng M càng lớn (xem định nghĩa vector từ hóa mạng ở mục 1.3.4), dẫn đến tín hiệu
cộng hưởng từ hạt nhân thu được càng lớn
Tongo
NBcM

K
J

10380658,1k
T
Hz
106752,2
Js106260755,6h
T103,3
kT4
h
c
NNN
23
8
34
16
NguocChieuCungChieuTong

1.3. Tác dụng của sóng RF
2,7

1.3.1. Tần số Larmor
Thực tế các vector spin proton chuyển động tiến
động quanh trục của B
o
. Chuyển động tiến động là hiện
tượng trong đó trục của vật thể quay "lắc lư" khi mô men
lực tác động lên nó. Ví dụ như con quay trên mặt đất, nếu
trục không vuông góc tuyệt đối với mặt đất, moment xoắn
gây ra bởi lực của trọng trường của trái đất có xu hướng

Hình 1.9

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 12 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
làm đổ nó. Nhưng con quay không đổ nhờ vào chuyển động tiến động.
Vector spin chuyển động tiến động quanh trục của từ trường ngoài với tần số
góc tỉ lệ với độ lớn B
o
tại vị trí của hạt nhân.
o
o
B
2
f
B


Với ω = 2πf
Tần số của chuyển động tiến động còn được gọi là tần số Larmor. Hệ số tỉ lệ γ
được gọi là hệ số hồi chuyển.
B
T
MHz
577,42f
T
Hz
1067522,2
8

1.3.2. Tần số cộng hƣởng
Trong cộng hưởng từ hạt nhân, tần số của sóng RF phải bằng tần số Larmor.

Khi đó vector spin hạt nhân có thể hấp thu năng lượng của sóng RF và chuyển từ trạng
thái định hướng cùng chiều sang định hướng ngược chiều với từ trường ngoài. Tần số
đó gọi là tần số cộng hưởng. Phương trình (*) gọi là phương trình cộng hưởng.
1.3.3. Vài tính chất của một số hạt nhân sử dụng trong sinh học
Bảng 1.1
Hạt
nhân
Tỉ lệ trong
tự nhiên
(%)
Spin
(l)
Hệ số hồi
chuyển γ
(radian*Hz/T)
Độ nhạy
tương đối
Tần số cộng hưởng tại các độ
lớn từ trường (MHz)
0,19T 0.95T 1.49T
1
H 99,980 ½ 2,675.10
8
1,000 8,25 40,46 63,6
2
H 0,016 1 4,106.10
7
0,0097 1,24 6,20 9,74
13
C 1,110 ½ 6,725.10

7
0,016 2,03 10,17 15,95
14
N 99,640 1 1,933.10
7
0,001 0,58 2,92 4,58
15
N 0,360 -½ -2,711.10
7
0,001 -0,82 -4,10 -6,43
17
O 0,037 -5/2 -3,628.10
7
0,029 -1,10 -5,49 -8,60
19
F 100,000 ½ 2,517.10
8
0,83 7,61 38,06 59,69
23
Na 100,000 3/2 7,075.10
7
0,093 2,14 10,07 16,78
(*)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
SVTH: LÊ MINH HÒA 13 GVHD: KS. PHAN NHẬT ĐÁN
31
P 100,000 ½ 1,082.10
8
0,066 3,27 16,36 25,66

35
Cl 75,530 3/2 2,620.10
7
0,047 0,79 3,96 6,21
39
K 93,100 3/2 1,248.10
7
0,0005 0,38 1,89 2,96
1.3.4. Vector từ hóa mạng
Trong từ trường ngoài, góc pha của các vector spin có giá trị hoàn toàn ngẫu
nhiên. Chính vì vậy hình chiếu của các vector spin lên mặt phẳng ngang (OXY)hoàn
toàn triệt tiêu lẫn nhau. Chỉ còn tồn tại hình chiếu của các vector spin lên trục của từ
trường ngoài (trục Z). Do sự phân bố các vector spin định hướng cùng chiều và ngược
chiều là khác nhau nên tổng của chúng là một vector M
o
cùng chiều với từ trường
ngoài. M
o
được gọi là vector từ hóa mạng.

Hình 1.10 – Vector từ hóa mạng
1.3.5. Tác dụng của từ trƣờng tạo ra bởi sóng RF
Khi vector từ hóa mạng định hướng theo
trục Z, cường độ của nó được duy trì bởi sự hiện
diện của B
o
. Vì vậy không thể đo được giá trị của
M
o
ở trạng thái cân bằng. Để đo được M

o
, sóng RF
được sử dụng để kích thích M
o

Về cơ bản, sóng RF được tạo ra bằng cách
cho một dòng điện xoay chiều có tần số f bằng tần
số Larmor của mẫu cần khảo sát chạy trong một
cuộn dây, từ đó tạo ra từ trường B
1
(Hình 1.11).

Hình 1.11 – Sự tạo thành B
1