MRI nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân 1

CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN I
ThS nguyễn Văn Hòa
Các tính chất từ hoá
Phát và thu tín hiệu

Từ tính
•
Từ tính là tính chất cơ bản của vật chất
•
Tạo ra bởi các điện tích chuyển động,
thường là các electron
•
Từ tính của các chất trong cơ quan và của
chuyển động electron tạo ra các “miền” từ
sắp xếp ngẫu nhiên hoặc không ngẫu
nhiên.

Độ cảm từ
•
Độ cảm từ mô tả mức độ bò từ hoá
của các vật liệu đặt trong từ trường
•
Chất nghòch từ : có độ cảm từ hơi âm
và đối nghòch với từ trường
•
Ví dụ : calci, nước , và hầu hết các
vật chất hữu cơ .

•
Chất thuận từ : có độ cảm từ hơi dương và làm

tăng từ trường đòa phương, nhưng tự chúng
không có từ tính ( không đo được)
•
Ví dụ : phân tử oxygen (O
2
), vài sản phẩm
thoái hoá của máu, các chất tương phản
chứa gadolinium.
•
Chất sắt từ : chủ yếu làm tăng từ trường ngoài ;
nhiều khi tự có độ từ hoá. Ví dụ : sắt, cobalt,
và nickel
Độ cảm từ (tt)

Từ trường
•
Từ trường tồn tại như các lưỡng cực có các
đường sức đi từ cực Bắc về cực Nam.
•
Cùng cực đẩy nhau, đối cực hút nhau.
•
Cường độ từ trường, B, là số đường sức
trong một đơn vò diện tích
•
Đơn vò SI của B là tesla (T); một đơn vò
khác là gauss (G), 1 T = 10,000 G

Thanh nam chaõm
Cuoọn daõy mang doứng ủieọn

Từ tính hạt nhân
•
Hạt nhân có từ tính ở mức độ rất nhỏ
•
Từ tính bò chi phối bởi phân bố điện tích và spin
trong proton và neutron của hạt nhân .
•
Proton đang quay hay “Spin” của nhân hro
1
H(proton) tạo ra một lưỡng cực từ
•
Từ trường của neutron mạnh gần bằng và ngược
chiều so với từ trường của Proton
•
Momen từ (magnetic moment) mô tả từ tính của
hạt nhân.

Các tính chất cộng hưởng từ của
các hạt nhân dùng trong y học
Nhân Số lïng tử Spin Độ giàu đồng vò % Momen từ Mật độ tương đối Độ nhạy tương đối
*Ghi chú : tất cả đồng vò của một nguyên tố cho sẵn

Từ tính của các nguyên tố
•
Nguyên tố Hydro, có momen từ và độ giàu lớn
nhất, được dùng trong ghi phổ cộng hưởng từ
(MR Spectroscopy) và ghi hình cộng hưởng từ
(MRI). Vật lý cổ điển coi proton đang quay hay
“spin” như một thanh nam châm có 2 cực Bắc và
Nam.

•
Một Vector (có độ lớn và hướng) được dùng để
đánh giá tổng từ tính của nhiều proton.

Proton đang quay với từ
trường lưỡng cực
“Momen từ”
tương ứng

Tác dụng của từ trường ngoài
•
Dưới ảnh hưởng của một từ trường ngoài mạnh,
B
0
, các spin phân bố trong 2 trạng thái năng
lượng :
–
Xếp song song với B
0
ở mức năng lượng thấp.
–
Xếp đối song với B
0
ở mức năng lượng hơi cao
hơn.

Song song
Ñoái song
Momen töø
toång

Tần số Larmor
•
Các proton cũng chòu một lực xoắn từ Bo nên có chuyển
động quay đảo (precession), như chuyển động của con
quay đặt trong lực hấp dẫn của quả đất.
•
Tần số góc quay quanh trục (số vòng/ sec) tỉ lệ với B
0
•
và được mô tả bằng phương trình Larmor :
00
00
2

Bf
B
π
γ
γω
=
=
Trong đó γ là hệ số hồi chuyển của proton , f
o
là tần số
Larmor .


Hệ số hồi chuyển của các hạt
nhân thông dụng

Hạt nhân

Đònh hướng hình học
•
Theo qui ước, B
0
song song với trục z
•
Dùng 2 hệ qui chiếu :
–
Hệ phòng thí nghiệm : là hệ qui chiếu đứng
yên từ điểm nhìn của người quan sát.
–
Hệ quay : là hệ trục quay ở tần số góc bằng
tần số quay đảo của proton.


Vector từ hoá
(Megnetization vector)
•
Độ từ hoá dọc (Longitudinal magnetization), M
z
,
là thành phần vector của momen từ theo hướng
z.
•
Độ từ hoá ngang (Transverse Magnetization), M
zy
,
là thành phần vector của momen từ trong mặt

phẳng x-y.
•
Độ từ hoá cân bằng (Equilibrium magnetization),
M
0
, là độ từ hoá cực đại của mẫu (sample).


Phát và Thu
tín hiệu cộng hưởng từ
•
Đưa vào cơ thể một năng lượng tần số vô
tuyến (RF) đồng bộ với tần số quay của
các proton sẽ làm các momen từ trong
mẫu dòch khỏi vò trí cân bằng.
•
Khi momen từ quay về cân bằng sẽ phát
ra tín hiệu MR tỉ lệ với số lượng proton bò
kích thích, với mức độ phụ thuộc đặc trưng
các mô.

Cộng hưởng và kích thích
•
Nếu tần số của thành phần từ B
1
của xung
RF trùng hợp chính xác với tần số quay
của các proton thì hiện tượng cộng hưởng
(resonance) sẽ xãy ra , Vector từ hoá sẽ bò
dòch khỏi vò trí cân bằng.

•
Trong hệ quay, trường dừng B
1
tác dụng
một lực xoắn vào M
z
, làm nó quay xa khỏi
hướng dọc để về mặt phẳng ngang.

B
1
ụỷ tan soỏ Lamor
B
1
leọch coọng hửụỷng

Góc lệch
Góc lệch : là độ lệch của vector từ hoá
dọc để tạo ra từ hoá ngang.
•
Các góc thường dùng là 90
O
(π/2) và 180
O

(π)
•
Một xung 90
O
tạo ra độ từ hoá ngang lớn

nhất.

Góc lệch nhỏ Góc lệch lớn
Chiều xoắn trên M
o
Lệch 180
o

Lệch 90
o


Góc lệch (tt)
•
Các kỹ thuật MRI nhanh thường tạo góc
lệch ≤ 30
o
để rút ngắn thời gian tạo từ hoá
ngang.
•
Một góc lệch 45
o
chỉ cần nửa thời gian của
góc lệch 90
o
để tạo ra 70% tín hiệu, vì
phép chiếu vector trên mặt phẳng ngang
là sin 45
o
, bằng 0.707