Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ NINH

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG
TỪ SONG SONG PMRI
Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2013


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Trần Quang
Huy, thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ cho em hoàn thành tốt khóa luận tốt
nghiệp này.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Tổ vật lý
kỹ thuật và các thầy cô giáo trong Khoa đã dạy dỗ em trong suốt 4 năm học
và tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa luận của mình.
Qua đây, em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người
thân đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như
trong qua trình làm khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2013
Sinh viên thưc hiện

Nguyễn Thị Ninh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận này do tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dưới
sự hướng dẫn của thầy Trần Quang Huy. Đề tài này không trùng với kết quả
của bất kỳ khóa luận nào trước đây. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

Hà Nội, tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Ninh


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

EPI

Echo plane imaging

Mặt phẳng ảnh phản hồi

FID

Free induction decay

Phân rã cảm ứng độc lập

NMR

MRI

Nuclear magnetic
resonance
Magnetic resonance
imaging
Parallel magnetic

PMRI
PI
PPI

resonance imaging
Parallel imaging
Partially parallel
imaging

Cộng hưởng từ hạt nhân

Tạo ảnh cộng hưởng từ

Tạo ảnh cộng hưởng từ song song
Tạo ảnh song song
Tạo ảnh song song từng phần

RF

Radio frequency

Sóng vô tuyến

TE

Time to Echo event

Thời gian phản hồi

TR

Time of Repetition

Thời gian lặp lại

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ.
Hình 1.2: Chuyển động của proton Hydro trong từ trường đều.
Hình 1.3: Sự xắp hàng của các proton Hydro khi có từ trường ngoài.
Hình 1.4: Chuyển động tiến động của vector từ hóa khi có xung kích thích.
Hình 1.5: Thời gian T1, T2.
Hình 1.6: Tín hiệu FID.
Hình 2.1: Sử dụng hai cuộn dây để phân biệt không gian.

Hình 2.2: Cuộn dây điển hình của cột sống.
Hình 2.3: Sự tăng lên của từ hóa dọc trong quá trình hồi phục.
Hình 2.4: Hồi phục của từ hóa ngang.
Hình 2.5: Mật độ tương phản proton.
Hình 2.6: Sự tăng mật độ tương phản proton.
Hình 2.7: Tương phản T1.
Hình 2.8: Giá trị T1 và T2 với các loại mô khác nhau.
Hình 2.9: Tương phản T2.
Hình 2.10: So sánh phân rã từ hóa của các mô có giá trị T2 khác nhau.
Hình 3.1: Ảnh song song MRI của não bộ.
Hình 3.2: Sử dụng cuộn dây đa kênh.
Hình 3.3: Sơ đồ trình tự xung.
Hình 3.4: Ảnh hưởng của không gian trong lấy mẫu chiến lược khác nhau.
Hình 3.5: Thu nhận ảnh với một dãy phản hồi.
Hình 3.6: Thu nhận ảnh trong không gian K.
Hình 3.7: Minh họa của việc giảm FOV và răng cưa với các yếu tố tăng tốc
R=2.
Hình 3.8: Minh họa một ví dụ đơn giản của hình ảnh song song với yếu tố
tăng tốc R=2.


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
NỘI DUNG ................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH ..................................................... 3
CỘNG HƯỞNG TỪ MRI ............................................................................ 3
1.1. Tổng quan về MRI. .............................................................................. 3
1.2. Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI. ........................................................ 4
1.2.1. Sắp hàng hạt nhân. ............................................................................ 5

1.2.2. Kích thích hạt nhân. .......................................................................... 6
1.2.3. Ghi nhận tín hiệu. .............................................................................. 8
1.2.4. Tạo hình ảnh. .................................................................................... 9
1.2.5 Các phương trình Bloch. .................................................................. 11
1.3.1. Công nghệ CW. ............................................................................... 12
1.3.2. Công nghệ sử dụng xung đã được biến đổi Fourier. ........................ 13
1.3.3. Ngẫu nhiên (Stochastic)................................................................... 13
1.3.4. Quét nhanh và tạo phổ tương quan. ................................................. 13
1.3.5. Quét ảnh với biến đổi Fourier. ........................................................ 13
1.3.6. Thời gian hồi phục cực ngắn. .......................................................... 14
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ
SONG SONG .............................................................................................. 15
2.1. Khái niệm PMRI. ............................................................................... 15
2.2. Tóm tắt về ảnh cộng hưởng từ song song. .......................................... 16
2.3. Lý do tạo ảnh song song. .................................................................... 17
2.4. Các khái niệm cơ bản. ........................................................................ 17
2.4.1. Hồi phục. ......................................................................................... 17
2.4.2. Độ từ hóa mô. .................................................................................. 18
2.4.3. Thời gian lặp lại TR......................................................................... 20


2.4.4. Thời gian phản hồi TE. .................................................................... 20
2.4.5. Mật độ Proton. ................................................................................ 20
2.4.6. Thời gian hồi phục dọc T1. .............................................................. 21
2.4.7. Thời gian hồi phục ngang T2. .......................................................... 22
CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG ....................... 24
TỪ SONG SONG PMRI ............................................................................ 24
3.1. Giới thiệu tạo ảnh song song MRI. ..................................................... 24
3.1.1. Phương thức tạo ảnh song song MRI. .............................................. 24
3.1.2. Phương thức hoàn thiện sự quét tạo ảnh song song MRI. ................ 25

3.1.3. Các ứng dụng tạo ảnh song song MRI. ............................................ 25
3.1.4. Bản tóm tắt tạo ảnh song song trong quét MRI. ............................... 26
3.1.5. Ba cách để tái tạo lại thông tin quét. ............................................... 27
3.2. Mục đích của MRI song song. ............................................................ 28
3.3. Nguyên tắc MRI song song. ............................................................... 28
3.4. Kiến thức cơ bản về tạo ảnh song song PMRI. ................................... 29
3.4.1. Mã hóa không gian trong MRI......................................................... 29
3.4.2. Không gian K. ................................................................................. 34
3.4.3. Thu nhận không gian K. .................................................................. 36
3.5. Thuật toán tái tạo. ............................................................................... 38
KẾT LUẬN ................................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 41


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài.
Theo thời gian, xã hội ngày càng phát triển và tiến bộ, đời sống của con
người ngày càng được nâng cao, cùng với đó là sự xuất hiện của nhiều loại
bệnh khó phát hiện. Đối với con người sức khỏe là vốn quý giá vì thế nhu cầu
phát hiện ra các loại bệnh ảnh hưởng tới sức khỏe để có thể chữa trị kịp thời
là nhu cầu cấp bách.
Chúng ta đang sống trong thời đại khoa học kỹ thuật công nghệ phát
triển như vũ bão kỹ thuật công nghệ đã được ứng dụng rộng rãi trong đời
sống và sản xuất, vì thế để bắt kịp với xu thế thời đại, nhiều nhà khoa học đã
tiến hành nghiên cứu ứng dụng của kỹ thuật công nghệ vào y học. Có rất
nhiều sản phẩm kỹ thuật công nghệ ra đời phục vụ hữu ích cho y học. Trong
đó có máy chụp X-quang, chụp cắt lớp, siêu âm... với nhiều ứng dụng giúp
bác sĩ: phát hiện khối u, dị dạng mạch máu, thiếu máu, khối máu tụ giáp não,
các loại bệnh liên quan đến xương khớp... tuy nhiên các phương pháp này vẫn

còn nhiều hạn chế và độ chính xác không cao.
Qua thời gian tìm hiểu tôi thấy rằng chụp cộng hưởng từ (MRI) là
phương pháp tiến bộ, nó khắc phục được những hạn chế mà các phương pháp
chụp khác mắc phải. Chụp MRI được sử dụng rộng rãi bởi độ chính xác cao
an toàn và không xâm nhập cơ thể, MRI đã đáp ứng và thay thế cho một số
phương pháp phải sử dụng thiết bị xâm nhập cơ thể gây nguy hiểm đến tính
mạng cũng như đau đớn cho bệnh nhân. Đặc biệt, ảnh cộng hưởng từ song
song (PMRI) với việc rút ngắn thời gian thu tín hiệu MRI đã giải quyết được
nhu cầu cấp bách của con người hiện nay là phát hiện bệnh nhanh và chính
xác nhất để có thể chữa trị kịp thời. Với lý do trên, tôi quyết định nghiên cứu
đề tài “Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song (PMRI)”.

1


2. Mục đích nghiên cứu.
Qua đề tài nhằm đưa ra lượng kiến thức cơ bản về ảnh cộng hưởng từ
và ảnh cộng hưởng từ song song để người đọc có thể hiểu thêm về lĩnh vực
này. Đồng thời có thể tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
3.1. Phạm vi nghiên cứu.
- Tạo ảnh cộng hưởng từ song song MRI.
- Tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI.
- Ứng dụng của ảnh cộng hưởng từ song song.
3.2 Đối tượng nghiên cứu.
Kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ song song.
4. Giả thuyết khoa học.
Việc nghiên cứu tốt nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song và ứng
dụng tiện ích của ảnh cộng hưởng từ trong thực tiễn góp phần tăng thêm hiểu
biết cho bản thân nói riêng và góp phần đưa ra tài liệu cơ bản cho người đọc.

5. Nhiệm vụ nghiên cứu.
- Tìm hiểu về cấu tạo của ảnh cộng hưởng từ song song PMRI.
- Nghiên cứu về nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song PMRI.
6. Phương pháp nghiên cứu.
Lý thuyết.
7. Cấu trúc luận văn.
Gồm 3 chương:
Chương 1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ.
Chương 2: Giới thiệu chung về tạo ảnh cộng hưởng từ song song.
Chương 3: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ song song.

2


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH
CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

1.1. Tổng quan về MRI.
Chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging - MRI) hay nói đầy
đủ là chụp cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magnetic resonance imaging NMRI) là một kỹ thuật chụp ảnh dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân
( Nuclear magnetic resonance - NMR). Trong công nghệ MRI, người ta kích
thích các hạt nhân bằng sóng vô tuyến (Radio frequency - RF), thu tín hiệu
phát ra từ sự cộng hưởng của các hạt nhân (như hydro... ) để tạo ảnh của các
cơ quan bên trong cơ thể người.
Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân được Bloch và Purcell phát hiện
vào năm 1946 và đã đạt được giải Nobel vật lý năm 1952. Những hình ảnh
cộng hưởng từ (Magnetic resonance - MR) đầu tiên được công bố năm 1973;
các hình mặt cắt ngang đầu tiên của một con chuột sống được chụp bằng
phương pháp MRI được công bố vào tháng Giêng năm 1974; các nghiên cứu

đầu tiên thực hiện trên con người đã được công bố vào năm 1977. Năm 1980
chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động để tạo
ảnh cơ thể người. Hình ảnh về người đầu tiên X-ray được chụp vào năm 1985.
Hiện nay các công nghệ này được ứng dụng mạnh trong y học góp phần phát
hiện và chuẩn đoán bệnh một cách hiệu quả bởi tính chính xác và an toàn cao.
Nó thay thế được một số phương pháp chuẩn đoán phải dùng một thiết bị xâm
nhập cơ thể do đó tránh được nhiều rủi ro cũng như giảm sự đau đớn cho
bệnh nhân. MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể,
nó giúp ta thấy hình ảnh các lớp cắt của các bộ phận cơ thể từ nhiều góc độ
trong khoảng thời gian ngắn.

3


1.2. Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI.
Tìm hiểu về sự kích hạt nhân cho việc tạo và thu ảnh MRI cho ta cái
nhìn tổng quan về cách chụp ảnh dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ.
Quan sát hình 1.1 ở dưới đây có thể thấy được nguyên lý cơ bản của
việc tạo hình ảnh MR như sau:

Hình 1.1: Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ.
Bộ phận cần chụp được đưa vào một không gian có từ trường tĩnh là
B0, sau có các cuộn dây phát sóng vô tuyến làm nhiệm vụ kích thích các hạt
nhân quan tâm, đồng thời có một số cuộn dây khác tạo từ trường biến thiên
(gradient), bằng một cách nào đó chỉ tạo cộng hưởng tại một mặt cắt cần thiết,
sau đó thu tín hiệu cộng hưởng từ của mặt cắt đó bằng một cuộn dây (cuộn
dây này có thể chính là cuộn phát tín hiệu RF kích thích); tín hiệu thu được
đưa tới máy xử lý và tạo ảnh. Ảnh này chính là ảnh được chụp bằng phương
pháp cộng hưởng từ.
Sự kích thích tạo và thu ảnh MRI có thể chia thành 4 giai đoạn:

4


1.2.1. Sắp hàng hạt nhân.
Là giai đoạn đầu tiên, được thực hiện bằng cách đặt một từ trường
ngoài B0 cỡ từ 0.5 Tesla tới vài Tesla vào xung quanh vật thể hay bộ phận cần
chụp ảnh.

Hình1.2: Chuyển động của proton Hydro trong từ trường đều.
Mỗi hạt nhân trong môi trường vật chất đều có một mômen từ tạo ra bởi
spin (xoay) nội tại của nó:    với  là hằng số từ hồi chuyển
(gyromagnetic ratio); ví dụ  của H 1 là 42.58 MHz/T và  là mômen động
lượng spin.
Các hạt nhân đều sắp xếp một cách ngẫu nhiên và từ trường của chúng
triệt tiêu lẫn nhau do đó không có từ trường dư ra để ghi nhận được.
Khi có một từ trường mạnh tác động từ bên ngoài ( B0 ) các mômen từ
của hạt nhân sẽ sắp hàng song song cùng hướng hoặc ngược hướng của từ
trường như một ví dụ trong hình 1.3 ở dưới là sự sắp hàng của các hạt nhân
Hydro khi đặt trong từ trường ngoài B0. Ngoài ra các hạt nhân còn tự chuyển
động xoay tròn xung quanh hướng của từ trường bên ngoài đó. Tần số quay
tròn này gọi là tần số Lamor:    B0

5


Hình 1.3: Sự
ự xắp hàng
h
của

ủa các proton Hydro khi có từ tr
trường ngoài.
Các vectơ từ
ừ hoá:
hoá Khi hạt
ạt nhân chịu tác động của từ trường
tr
ngoài sẽ
chuyển
ển động quay quanh trục và
v do các hạt
ạt nhân mang điện tích nnên khi
chuyển
ển động trong từ trường
tr
nó sinh ra một từ có vectơ cảm
ảm ứng từ là
l vectơ
NS

từ hóa. Vectơ từ
ừ hóa tổng: M   i với

là tổng
ổng số spin trong hệ. Vectơ
Vect

i 0

này hướng theo hướng

ớng của từ trường
tr
bên ngoài - đó là tr
trạng thái cân bằng.
Trong trạng
ạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào
nào có thể
th được ghi nhận.
Khi trạng
ạng thái cân bằng đó bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được
đ ợc hình
h
thành.
1.2.2. Kích thích hạt nhân.
nhân
Là giai đoạn
ạn thứ hai, được
đ
thực hiện bởi một từ trư
ường B1 quay quanh
B0 với
ới một tốc độ quay bằng tần số tiến động ω0 của
ủa proton hydro. Từ trường
tr
B1 do một
ột máy phát ra sóng vô tuyến (RF frequency: 1MHz-500MHz)
1MHz
được
đặt trong một
ột mặt phẳng thẳng góc với B0:

B1  t   B1. x  t   iB1. y  t   B1  t  e  i t  

6

(1.1)


Chú ý: Tần số sóng mà máy phát phát ra phải bằng tần số của chuyển
động tiến động Larmor - Điều kiện này rất cần thiết để tạo và quan sát hiện
tượng cộng hưởng.
Khi bị kích thích như vậy thì vectơ từ hóa sẽ chuyển động tiến động và
bị lệch đi so với vị trí cân bằng một góc α gọi là góc lật (Flip Angle - FA).
Chuyển động lệch đi của vectơ M trên thực tế là rất phức tạp. Bởi vì, dưới tác
động phối hợp của từ trường B0 và B1 mômen từ tổng hợp M xa dần B0 và vẽ
nên một đường xoắn ốc nội tiếp trong một hình cầu.

Hình 1.4: Chuyển động tiến động của vectơ từ hóa khi có xung kích thích.
Thêm vào đó, trong quá trình kích thích ta đặt thêm các từ trường
gradient với mục đích chọn lớp cắt. Từ trường gradient khiến cho từ trường
tổng cộng liên tục thay đổi theo vị trí một cách tuyến tính và mỗi mặt phẳng
cắt sẽ có một giá trị từ trường tổng cộng khác nhau. Từ trường tổng cộng ấy
xác định tần số Larmor cho các chuyển động quay của momen từ hạt nhân
trong cơ thể. Nghĩa là mỗi lớp cắt trong cơ thể có một tần số Larmor khác
nhau. Muốn tạo hình ảnh của lớp cắt nào ta phải chọn tần số sóng RF phát vào
trùng hợp với tần số Larmor đó.

7

1.2.3. Ghi nhận tín hiệu.
Ghi nhận tín hiệu cộng hưởng là giai đoạn thứ 3 trong quá trình chụp
ảnh cộng hưởng từ. Khi kết thúc kích thích thì các phôton hydro sẽ phóng
thích năng lượng dùng để sắp hàng chúng trở về vị trí cân bằng ban đầu. Tốc
độ phóng thích các proton này dựa vào năng lượng được phóng thích. Thời
gian cần thiết cho 63.2% độ lớn của vectơ từ hóa hồi phục từ theo chiều dọc
gọi là T1 - cho biết khả năng của các proton bị kích thích thu hồi lại năng
lượng nên còn gọi là thời gian hồi phục dọc (longitudinal relaxation time hay
spin-lattice relaxation time). Khả năng đó thể hiện bằng độ lớn của T1 và nó
cho tín hiệu cao, thấp hay trung gian vì vậy mà khi tạo ảnh ta có thể quan sát
được đó là vùng tế bào như thế nào. T1 có giá trị từ 500ms đến 2000ms.

Hình 1.5: Thời gian T1, T2.
Thời gian cần thiết để cho 36.7% vectơ khôi phục từ theo chiều ngang gọi là
T2 hay thời gian thư giãn từ ngang. T2 là hậu quả của sự tác động qua lại giữa
các proton ở cạnh nhau - mỗi proton như một nam châm nhỏ, nó gây hỗn loạn
(perturber) nhiều hay ít các proton bên cạnh.

8


Hình 1.6: Tín hiệu FID.
Trong giai đoạn các phôton trở lại sắp hàng như cũ do ảnh hưởng từ
trường bên ngoài chúng phóng thích năng lượng dưới dạng tín hiệu tần số vô
tuyến là kết quả của sự phục hồi nên tín hiệu thu được dao động và giảm dần
theo luật hàm mũ gọi là FID (Free Induction Decay). Cường độ tín hiệu của
một loại mô phụ thuộc vào thời gian hồi phục lại từ tính T1 và T2, mật độ
proton của nó. Cường độ phát ra từ một đơn vị khối lượng mô được thể hiện
trên một thang màu từ trắng đến đen, trên đó màu trắng là cường độ tín hiệu
cao, màu đen là không có tín hiệu. Do tính chất quy ước này nên ta có thể tạo

được ảnh bằng cộng hưởng từ.
Tín hiệu FID được thu bằng 1 cuộn dây, trong một số phương thức có
thể cũng chính là cuộn dây dùng phát sóng RF. Vì vậy mà trong các máy MRI
ta có thể thiết kế dùng cuộn dây chung cho việc phát và thu tín hiệu RF.
1.2.4. Tạo hình ảnh.
Tạo hình ảnh có thể coi là giai đoạn cuối cùng của việc chụp ảnh cộng
hưởng từ. Tín hiệu RF phát ra do hiện tượng cộng hưởng từ được thu bởi
cuộn dây, đưa tới máy thu để xử lý và tạo ảnh. Tín hiệu thu được ở miền thời
gian được số hóa bằng mã hóa theo tần số và mã hóa theo pha. Việc này có

9


thể được biểu diễn giống như phép biến đổi fourier theo hai hướng của
  x, y  -hàm phân bố spin theo vị trí, với m là số lần đo được lặp lại:


S m t   c 
 





 i xG t  ymG t 
  x, y  e 
dxdy  ei t
x

y G

0





(1.2)

Tín hiệu chuyển sang miền số là dữ liệu được lẫy mẫu và lưu giữ trong
không gian K (k-space). Như vậy không gian này là một không gian ảnh tạm
thời lưu trữ các dữ liệu được số hóa của tín hiệu MR, thường dưới dạng ma
trận cỡ N  M với N là số mẫu được lấy trong 1 lần đọc tín hiệu, M là số lần
kích thích lặp lại của gradient pha ( Gy ). Với t là khoảng thời gian lấy mẫu
thì tìn hiệu thu được biểu diễn bởi phương trình:

s  n, m   c 











 iy xG nt  ymG t 
  x, y  e 

dxdy
x

y G

(1.3)

0n N
M
M
1  m 
2
2



Để biểu diễn trong không gian k ta đặt:
kx   ntGx

(1.4)

k y   mtG Gy

(1.5)

Khi đó:

s  kx , k y   c 











 i xk
  x, y  e 

x  yk y



dxdy

(1.6)

Như vậy tín hiệu cộng hưởng được thu trong miền thời gian, biến đổi
fourier, lấy mẫu và lưu trữ trong không gian K (có thể gọi là không gian tần
số); từ dữ liệu đó biến đổi fourier ngược sẽ thu được ước lượng của hàm
  x, y  tức là hàm phân bố các spin. Theo nguyên lý lấy mẫu Nyquist thì tần

số lấy mẫu cần đáp ứng yêu cầu là lớn hơn hoặc bằng hai lần phổ tần của tín
hiệu thu được để có thể hồi phục được. Khi không gian K đầy đủ (tại lần quét
theo pha cuối cùng) thì dữ liệu được xử lý toán học để tạo ra một ảnh cuối
10

cùng. Ngoài ra, các thông số trong chụp ảnh cộng hưởng từ (T1, T2, TR, TE)
biến đổi theo vị trí tạo nên sự khác nhau về tín hiệu thu được khi quét ở các
mô có vị trí khác nhau. Vì vậy mà mỗi đơn vị phần tử của vật có thời gian T1
và T2 khác nhau được hiển thị bằng độ xám của các phần tử ảnh tương ứng.
1.2.5 Các phương trình Bloch.
Do các hạt nhân quan tâm – Các hạt nhân mà người ta muốn thu ảnh
của chúng đều có tần số góc quay trong từ trường ngoài là tần số Larmor, vậy
nên một ứng dụng rất quan trọng của hệ trục quay (rotating frame) đó là các
phương trình Bloch. Phương trình mô tả chuyển động của hạt nhân trong từ
trường ngoài dưới tác dụng của xung RF:
dM  t 
 M t   B t   R  M t   M 0 
dt

(1.7)

Ở đây: M  t  là vectơ từ hóa tổng; B  t  là từ trường tổng
B  t   B0  B1  t  và R là ma trận phản hồi (relaxation matrix). Nếu đặt vật thể

cần chụp ảnh trong không gian có từ trường ngoài là B0 theo hướng trục z của
hệ trục vuông góc Oxyz thì khi xét từng thành phần cụ thể của vectơ từ hóa tại
mỗi thời điểm sẽ được biểu diễn theo từ trường tổng bởi các phương trình:
dM Z  t 
M t   M 0
   M x  t  By  t   M y  t  Bx  t    Z
dt
T1

dM x  t 

dt
dM y  t 
dt

   M y  t  Bz  t   M z  t  By  t   
   M z  t  Bx  t   M x  t  Bz  t   

(1.8)

M x t 

(1.9)

T2
M y t 
T2

(1.10)

Ví dụ, xét trong một hệ trục tọa độ quay đơn giản: trục z giữ nguyên và
quay mặt phẳng xy với tần số là    B0 khi đó vectơ từ hóa coi như không
thay đổi trong mặt phẳng ngang mà chỉ biến đổi theo trục HYPFRLINK :

11


dM z  t 
dt

   M x  t  Byy  t   M y  t  Bxy  t   

M z t   M 0

dM x  t 
M t 
 M y  t    M z  t  Byy  x
dt
T2
dM y  t 
dt

 M x  t    M z  t  Bxy 

M y t 
T2

T1

(1.11)

(1.12)
(1.13)

Dựa trên các phương trình bloch và ứng dụng của nó trong hệ trục quay
mà ta có thể tính toán và quan sát được sự thay đổi của vectơ từ hóa trong
không gian theo thời gian.
1.3. Các phương pháp kích thích trong tạo ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
Như đã nói ở trên thì trong MRI, sự cộng hưởng của các hạt nhân quan
sát được do sự kích thích của từ trường sóng vô tuyến. Hiện nay thì các công
nghệ NMR và MRI sử dụng 3 dạng kích thích cơ bản: liên tiếp, đồng thời và

ngẫu nhiên. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Sau
đây là một số công nghệ hiện tại đang được áp dụng: CW (Continous Wave –
sóng liên tục); Xung (pulse); Ngẫu nhiên (Stochastic); Quét nhanh và tạo phổ
tương quan (Rapid scan correlation spectroscopy); Quét ảnh với biến đổi
Fourier (Sweep imaging with fourier transform); Thời gian hồi phục cực ngắn
(Ultra-short Echo Time).
1.3.1. Công nghệ CW.
Sử dụng xung kích thích RF với các tần số cộng hưởng khác nhau theo
thời gian, nhưng biên độ thấp. Sự thay đổi về độ lớn của xung là rất chậm để
duy trì trạng thái bền và bão hòa của tín hiệu do vậy nên xung RF lớn không
được áp dụng. Ngoài ra nếu kích thích ở tốc độ cao thì nó sẽ xuất hiện hiện
tượng lay động - “wiggles”. Trong công nghệ này, tín hiệu cộng hưởng được
thu ở miền tần số. Công nghệ này cho chất lượng tốt về độ phân giải phổ ảnh
của một mẫu chất lỏng, nhưng tốc độ thu chậm, tốn thời gian và không được
áp dụng nhiều trong y học.
12


1.3.2. Công nghệ sử dụng xung đã được biến đổi Fourier.
Sử dụng xung kích thích tạo cộng hưởng liên tục ở thời gian ngắn vì
vậy mà tốn ít thời gian. Hiệu quả và nhạy hơn công nghệ CW. Công suất cao.
Tín hiệu thu là hàm theo thời gian. Phổ của hệ thống H(  ) được thu từ biến
đổi fourier trong suốt quá trình lấy mẫu, xung được lặp lại nhiều lần và lỗi
được tính trung bình. Được ứng dụng chụp ảnh các mô mềm.
1.3.3. Ngẫu nhiên (Stochastic).
Công nghệ này sử dụng một một chuỗi xung chỉ tạo góc lật nhỏ mà pha
và biên độ của nó thì được điều chế theo phương pháp ngẫu nhiên. Khi đó hệ
thống các spin được duy trì trong vùng tuyến tính... Ảnh thu bị ảnh hưởng
nhiều bởi nhiễu ngẫu nhiên và nhiễu trong quá trình thu ảnh. Thuật toán
Blackprojection được sử dụng để xây dựng lại ảnh. Phương pháp này hạn chế

biên độ kích thích không được quá cao.
1.3.4. Quét nhanh và tạo phổ tương quan.
Phương pháp này kết hợp giữa FT-NMR nhanh và vùng chuyển động
của CW-NMR. Sử dụng 1 chuỗi xung chirp – là một chuỗi xung tuyến tính có
tần số thay đổi theo thời gian để kích thích hạt nhân. Trong phương pháp này
tín hiệu thu được nhân chập với chuỗi xung chirp đã được dùng kích thích để
tìm phổ của hệ thống cần đo. Phương pháp này có tốc độ nhanh hơn so với
CW-NMR.
1.3.5. Quét ảnh với biến đổi Fourier.
Quét ảnh với biến đổi Fourier (SWIFT) là một phương pháp tạo ảnh
nhanh và tĩnh. Tín hiệu cộng hưởng được thu trong miền thời gian theo
phương thức chia sẻ thời gian (time-share) trong suốt quá trình kích thích hạt
nhân. Trong phương pháp này sử dụng tín hiệu kích thích RF là xung không
tuyến tính.

13


1.3.6. Thời gian hồi phục cực ngắn.
Thời gian hồi phục cực ngắn (UTE) là phương pháp tạo ảnh với thời
gian thư giãn nhanh và thu FID. Tuy nhiên phải kết hợp tăng các gradient và
thu tín hiệu đồng thời.

14


CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ
SONG SONG
2.1. Khái niệm PMRI.

Hình 2.1: Ở hình trên hai cuộn dây được sử dụng để phân biệt không
gian. Nếu ta cần chụp ảnh đối tượng nào đó thì chúng ta sẽ sử dụng hai cuộn
dây này được sắp xếp như trên hình vẽ, sau đó từ trường do hai cuộn dây này
tạo ra ảnh.
Các cuộn dây định vị tạo ra một mức độ của mã hóa không gian. Nếu
chúng ta có thể xem xét một hệ thống tạo ảnh đơn giản gồm hai cuộn dây
trong đó cuộn dây thứ nhất được đặt ở bên trái của não bộ và cuộn dây thứ hai
được đặt ở bên phải, chúng ta có thể nhìn thấy ở hình 2.1 có một số phần dư
trong mã hóa không gian. Nếu hướng mã hóa pha là từ trái sang phải, thì
trong thí nghiệm này, chúng ta đã thực hiện 256 thí nghiệm NMR để mã hóa
256 voxels (điểm ảnh ba chiều) cần thiết để chiếm toàn bộ đối tượng theo
hướng này. Thời gian tạo ảnh là 256 × TR. Nếu chúng ta nhìn vào ảnh thu
được từ cuộn dây 1 thì sẽ thấy có rất ít tín hiệu từ phía bên phải của bộ não và
ngược lại đối với cuộn dây 2. Điều này cho thấy rằng chúng ta không cần phải
mã hóa các vùng này. Trong ví dụ này, chúng ta có thể làm giảm thời gian thu
15


nhận ảnh cỡ hai lần bằng cách mã hóa chỉ có 128 voxels. Điều này sẽ tạo ra
hai ảnh được hiển thị trong cột thứ ba của hình 2.1. Những ảnh này có thể
được kết hợp để tạo ra một ảnh đầy đủ của não bộ trong một nửa thời gian
mặc dù xảy ra những tạo tác nghiêm trọng. Phương pháp này đã được đề xuất
như là một phương pháp tái cấu trúc ảnh có thể được thực hiện (nhà khoa học
Griswold và cộng sự 2000) nhưng có một vấn đề đối với giải pháp này là ảnh
cuối cùng mà ta thu được chịu ảnh hưởng lớn bởi các tạo tác và răng cưa. Vai
trò của thuật toán tái cấu trúc PI là để thực hiện việc tái cấu trúc chính xác từ
những dữ liệu và để loại bỏ các răng cưa.
2.2. Tóm tắt về ảnh cộng hưởng từ song song.
Trong thập kỷ qua, sự tạo ảnh song song đã có sự đổi mới lớn nhất
trong ảnh cộng hưởng từ - MRI. Bằng việc sử dụng nhiều cuộn dây thu để

tăng thêm thời gian mã hóa Fourier đã giảm đáng kể thời gian thu nhận ảnh.
Sự gia tăng tốc độ xảy ra tại thời điểm khi các phương pháp khác giảm thời
gian thu nhận ảnh đã đạt được kỹ thuật và giới hạn của con người. Một bản
tóm tắt ngắn gọn về mã hóa không gian trong MRI sau phần giới thiệu về các
vấn đề tạo ảnh song song được thiết kế để giải quyết. Có một số lượng lớn các
thuật toán tái tạo song song, trong luận văn này chúng tôi xem xét lại một mặt
cắt ngang, SENSE, Smash, g-Smash và Grappa, được lựa chọn để chứng
minh các phương pháp tiếp cận khác nhau. Lý thuyết (hệ số-g) và thực tế
(thiết kế cuộn dây) hạn chế tốc độ thu nhận ảnh. Triển khai của việc thu nhận
ảnh song song cũng được xem xét, đặc biệt là hiệu chuẩn cuộn dây. Các ứng
dụng như chụp động mạch, chụp hình tim, các ứng dụng tạo ảnh hai chiều có
sự phản hồi và chúng ta xem xét về những ứng dụng điển hình của việc tạo
ảnh song song. Cuối cùng, qua thực nghiệm chúng tôi thấy rằng sự tạo ảnh
song song được sử dụng để cải thiện chất lượng dữ liệu.

16


2.3. Lý do tạo ảnh song song.
Muốn có một phương pháp để tăng tốc việc tạo ảnh chúng ta có một số
tính chất sau:
- Nó được áp dụng đối với tất cả các chuỗi xung mà có ảnh hưởng đến
độ tương phản của ảnh.
- Nó được bổ sung cho tất cả các phương pháp tăng tốc hiện có.
- Nó không tạo ra các tạo tác (do ảnh hưởng của sự va chạm giữa các hạt
nhân gần nhau) hoặc ảnh hưởng xấu đến SNR.

Hình 2.2. Một cuộn dây của cột sống điển hình trong đó sử dụng một
mảng của bốn cuộn dây được sắp xếp thẳng hàng phản ánh giải phẫu mở rộng
của cột sống. Mỗi phần tử cuộn dây C tạo ra một hình ảnh riêng biệt hiển thị như

C1-C4, hình ảnh dưới cùng là một sự kết hợp tối ưu của những hình ảnh này.
2.4. Các khái niệm cơ bản.
2.4.1. Hồi phục.
Khi một hạt nhân đang ở trạng thái kích thích, nó chịu một momen
quay tăng nên từ trường thúc đẩy nó sắp xếp lại. Hạt nhân có thể quay lại vị
trí ban đầu bằng cách truyền năng lượng dư thừa cho hạt nhân khác. Quá trình

17


này gọi là hồi phục. Hồi phục không xảy ra ngay sau kích thích mà nó chỉ xảy
ra khi có khả năng truyền năng lượng. Quá trình truyền năng lượng phụ thuộc
vào đặc tính của vật liệu.
2.4.2. Độ từ hóa mô.
Khi mô đặt trong từ trường, một số hạt nhân sắp xếp theo trường, hiệu
ứng kết hợp giữa chúng tạo ra từ hóa mô theo hướng của từ trường. Sự từ hóa
cực đại phụ thuộc vào 3 yếu tố: mật độ của hạt nhân trong voxel (điểm ảnh 3
chiều) mô, độ nhạy của hạt nhân và cường độ của từ trường. Thời gian sự từ
hoá đạt cực đại chỉ trong vài giây và giữ cố định khi có các xung RF tác động
hoặc thay đổi từ trường.
Có hai từ hóa dọc và ngang theo hướng của từ trường.
2.4.2.1. Hồi phục và từ hóa dọc.
Khi mô đặt trong từ trường, nó trở nên bị nhiễm từ theo hướng dọc
(hướng song song với hướng của từ trường). Nó duy trì trạng thái khi có một
xung RF tác động. Nếu sự nhiễm từ tạm thời được định hướng lại bằng một
xung RF, sau một thời gian nào đó nó sẽ trở về vị trí ban đầu. Sự nhiễm từ
dọc lại tăng lên gọi là quá trình hồi phục, nó xảy ra sau một kích thích.
Sự nhiễm từ dọc không tăng tuyến tính mà nó tăng theo hàm mũ như
trong hình 2.3.
Khi tạo ảnh theo đặc tính T1, cường độ pixel liên quan đến mức từ hóa

khi ảnh được chụp. Nó tăng theo thời gian.

18