Luận văn Mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân bằng phần mềm Mallab

háp biến đổi Fourier 2 chiều (2-D FFT). Công thức toán học của phép biến đổi Fourier có dạng sau: Với các dữ liệu dạng mảng một chiều (các vector) thì ta có cặp biến đổi Fourier một chiều: Phép biến đổi Fourier 1 chiều thuận: ( ) ( ) exp( . )F f t i t dtω ω= −∫ (2.49) Phép biến đổi Fourier 1 chiều ngược: 1( ) ( ) exp( . ) 2 f t F i t dω ω ωπ= ∫ (2.50) Với các dữ liệu dạng mảng nhiều chiều thì ta sẽ có cặp biến đổi Fourier nhiều chiều tương ứng, nhưng trong thực tế ta thường chỉ xét đến các phép biến đổi Fourier hai chiều thực hiện trên dữ liệu là mảng hai chiều hay các ma trận. Ở đây ta có cặp biến đổi Fourier hai chiều sau: Phép biến đổi Fourier 2 chiều thuận: ( , ) ( , ) exp[ ( )]F u v f x y i ux vy dxdy= − +∫∫ (2.51) Phép biến đổi Fourier 2 chiều ngược: 2 1( , ) ( , ) exp[ ( )] (2 ) f x y F u v i ux vy dudvπ= +∫∫ (2.52) Bây giờ ta sẽ xem xét chi tiết hơn về dữ liệu lưu trong bộ nhớ thu được sau bộ cầu phương. Dữ liệu này còn được gọi là dữ liệu thô (raw data), biểu diễn miền thời gian của nó có dạng sau: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 29 - Mỗi tín hiệu FID tương ứng với một chu kỳ thu nhận tín hiệu hay một bước mã hoá pha. Số bước mã hoá pha này phải bằng với kích thước của ma trận ảnh theo chiều mã hoá pha. Điều này có ý nghĩa trong việc thực hiện phép biến đổi Fourier theo chiều thứ hai trong quá trình xử lý và tái tạo ảnh.Đầu tiên phép biến đổi Fourier được thực hiện trên tập hợp dữ liệu thô theo chiều mã hoá tần số. Kết quả cho ta các đỉnh quang phổ tần số của mỗi tín hiệu riêng biệt theo chiều mã hoá tần số tương ứng với các vị trí trên trục X: Hình 2.21: Dạng biểu diễn của ma trận dữ liệu thô LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 30 - Ta xét đối với một cột tần số trên trục X có dạng sau : Hình 2.22: Dạng dữ liệu khi biến đổi Fourier theo chiều mã hoá tần số LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 31 - Ta có thể thấy được các đỉnh tần số trong một cột trên trục X dao động theo chiều mã hoá pha. Khi đó nhìn theo chiều mã hoá pha ta có thể coi các đỉnh tần số dao động này như là một tín hiệu dao động theo thời gian: Khi thực hiện phép biến đổi Fourier theo chiều mã hoá pha ta sẽ thu được các đỉnh tần số đơn của mỗi tín hiệu tại các vị trí trên ma trận ảnh tương ứng với vị trí của voxel phát ra tín hiệu đó. Hình 2.23: Sự thay đổi giá trị theo chiều mã hoá pha trong một cột tần số Hình 2.24: Biểu diễn sự thay đổi giá trị như một tín hiệu thay đổi theo thời gian LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 32 - Toàn bộ quy trình xử lý bằng phép biến đổi Fourier hai chiều có thể được tóm tắt trong hình vẽ 2.26 sau: Hình 2.25: Sau khi biến đổi Fourier theo chiều mã hoá pha LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 33 - Khi này ta đã xác định được ma trận ảnh với các vị trí điểm ảnh tương ứng với tín hiệu phát ra từ voxel của mô có các tần số và pha khác nhau. Hình 2.26: Quá trình xử lý dữ liệu thô bằng phép biến đổi Fourier 2 chiều Hình 2.27: Sự tương ứng về vị trí giữa voxel của mô và điểm ảnh nhận được LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 34 - Giá trị biên độ của mỗi đỉnh tần số sẽ tỷ lệ thuận với cường độ sáng trên ảnh. Và khi đó bằng cách đối chiếu mức xám (gán giá trị cường độ với một mức xám nhất định) ta sẽ nhận được ảnh cộng hưởng từ hạt nhân của một lớp cắt đối tượng tương ứng với ma trận điểm ảnh vừa thu được. Cường độ sáng hay tối của điểm ảnh tuỳ thuộc vào giá trị biên độ của nó. Giá trị biên độ càng lớn, điểm ảnh sẽ càng sáng và ngược lại giá trị biên độ càng nhỏ thì điểm ảnh sẽ càng tối. Như vậy tùy thuộc vào mật độ proton bên trong cấu trúc mô sẽ cho các mức độ sáng tối khác nhau tương ứng với nó trên ảnh, và chính điều này cho phép phản ánh đúng được cấu trúc thực sự của các vùng mô bên trong cơ thể bệnh nhân 2.8. Các phương pháp tạo ảnh 2.8.1. Giới thiệu chung Trong phần trên chúng ta đã biết làm thế nào để tạo ra được một ảnh CHTHN từ một đối tượng, bắt đầu từ việc kích thích tín hiệu, đến việc mã hoá thông tin về vị trí, thu nhận tín hiệu và cuối cùng là tái tạo lại ảnh. Trong phần này sẽ tập trung vào kết quả cuối cùng, đó chính là các ảnh CHTHN. Cụ thể chúng ta sẽ nghiên cứu làm thế nào để có thể thay đổi được độ tương phản của ảnh nhờ một số các phương pháp tạo ảnh cơ bản.Trên thực tế có nhiều phương pháp tạo ảnh khác nhau dựa trên nguyên lý CHTHN,các phương pháp này khác nhau chủ yếu ở phương pháp kích thích và thu nhận dữ liệu hay chính là kiểu dãy xung RF và trường gradient được sử dụng. Hình 2.28: Một dạng ảnh cắt lớp CHTHN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 35 - Mỗi phương pháp có một tập hợp các tham số cần điều chỉnh để nhận được các đặc tính nhất định của ảnh. Việc lựa chọn tối ưu các tham số này nhằm cải thiện độ tương phản của ảnh tạo ra ảnh có chất lượng tốt và có thể giảm thời gian chụp.Các phương pháp đều có quá trình thu nhận dữ liệu gồm hai giai đoạn, một giai đoạn gắn với sự từ hoá dọc và một giai đoạn gắn với sự từ hoá ngang. Quá trình dịch chuyển từ véctơ từ hoá dọc sang véctơ từ hoá ngang được thực hiện bằng cách sử dụng một xung kích động vô tuyến, quá trình này gọi là quá trình kích động và thường được thực hiện do véctơ từ hoá ngang biểu hiện trạng thái không ổn định hay trạng thái bị kích thích rõ hơn so với véctơ từ hoá dọc.Xung kích động đặc trưng bởi góc quay (Flip Angle - FA). Góc quay 900 sẽ biến đổi toàn bộ thành phần véctơ từ hoá dọc thành véctơ từ hoá ngang. Dạng xung này được sử dụng trong hầu hết các phương pháp, tuy nhiên cũng có phương pháp sử dụng xung kích động với FA < 900. Phương pháp góc quay nhỏ (Small Flip Angle - SFA) chỉ biến đổi một phần véctơ từ hoá dọc thành véctơ từ hoá ngang, phương pháp này chủ yếu sử dụng để làm giảm thời gian chụp.Giai đoạn từ hoá ngang kết thúc tại thời điểm xuất hiện tín hiệu vô tuyến, tức là tín hiệu phát ra từ các mô và sử dụng để tạo ảnh. 2.8.2. Phương pháp tiếng vọng spin Phương pháp tiếng vọng spin được đặc trưng bởi dãy xung tạo tín hiệu và tiếng vọng gồm một xung kích động 900 và sau đó sẽ tác dụng tiếp một xung 1800. Hình 2.29: Phương pháp tạo ảnh tiếng vọng spin LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 36 - Quá trình này có thể được giải thích như sau: Đầu tiên dùng một xung vô tuyến 90 độ kích thích tín hiệu CHTHN, sau khi kích thích bằng xung vô tuyến này thì hạt nhân sẽ xuất hiện các thành phần từ trường ngang, chúng quay cùng vận tốc với nhau, hay là cùng pha với nhau quanh phương của từ trường ngoài. Sự quay này chính là sự chương động tự do, tốc độ chương động hay tần số cộng hưởng phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài. Các hạt nhân ở các vị trí khác nhau trong từ trường thì sẽ chương động với các tần số khác nhau. Đối với mỗi phần tử thể tích (một voxel) của mô, có một sự khác biệt nhỏ về cường độ từ trường. Kết quả, sẽ có khác nhau nhỏ về tần số chương động của các hạt nhân trong voxel đó. Sau một khoảng thời gian ngắn, các hạt nhân đó sẽ không còn chương động cùng pha với nhau nữa. Khi đó hướng của các thành phần từ trường ngang của các hạt nhân sẽ không còn giống nhau nữa, và kết quả thành phần từ trường ngang của voxel đó sẽ giảm đi. Hiện tượng này được gọi là sự di pha. Nếu lúc này ta tác dụng vào một xung vô tuyến 1800 thì nó sẽ làm quay các thành phần từ trường ngang đang quay của mỗi hạt nhân này đi một góc 1800 theo mặt phẳng ngang và sẽ làm đảo ngược hướng quay của nó. Quá trình này sẽ dẫn đến sự hội tụ pha trở lại của các hạt nhân, và kết quả là sau một khoảng thời gian đúng bằng khoảng thời gian giữa hai lần kích thích đó thì tất cả các hạt nhân trong một voxel sẽ cùng pha trở lại. Khoảng thời gian TE từ khi kích thích xung vô tuyến 900 đến khi có sự đồng pha trở lại được gọi là khoảng thời gian xẩy ra tiếng vọng. Lúc này cường độ của thành phần từ trường ngang của một voxel là lớn nhất, dẫn đến cường độ của tín hiệu tiếng vọng cũng sẽ là lớn nhất.Mặt khác ta biết rằng quá trình suy giảm của thành phần từ trường ngang được đặc trưng bởi hằng số dãn hồi T2 của mô.Trong hầu hết các quá trình tạo ảnh, cường độ của tín hiệu xác định độ sáng tương ứng của điểm ảnh, và mức độ tương phản đối với từng thành phần riêng biệt của mô được điều chỉnh thông qua giá trị TR và TE.Hình 2.30 mô tả sự phân biệt độ tương phản giữa 2 loại mô A và B.Quá trình thực tế vượt quá một chu kỳ tạo ảnh.Mặc dù bản chất quá trình đối với 2 loại mô giống nhau nhưng sẽ dễ quan sát hơn khi biểu diễn như trên hình vẽ Chu kỳ thứ nhất bắt đầu bằng một xung 900 biến đổi hoàn toàn thành phần véctơ từ hóa dọc thành thành phần véctơ từ hóa ngang,do đó chu kỳ bắt đầu với độ bão hòa hoàn toàn hay không có thành phần véctơ từ hóa dọc.Véctơ từ hóa bắt đầu dãn hồi với vận tốc xác định bởi T1 đối với từng mô cụ thể. Nếu 2 mô có thời gian T1 khác nhau sẽ có véctơ từ hóa khác nhau và sự xuất hiện sự tương phản giữa 2 mô,đây là độ tương phản T1. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 37 - Khi véctơ từ hóa của mô bắt đầu đạt đến giá trị lớn nhất,mật độ proton (Proton Density-PD) trở thành yếu tố ảnh hưởng chính đến mức độ từ hóa và độ tương phản của các mô.Chu kỳ này kết thúc và chu kỳ thứ hai bắt đầu cũng bởi một xung 900.Xung này ngắt quãng quá trình dãn hồi của véctơ từ hóa và biến đổi nó trở lại thành véctơ từ hóa ngang.Véctơ từ hóa ngang của mỗi chu kỳ được khởi tạo từ véctơ từ hóa dọc của chu kỳ trước. Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ thứ hai,2 mô có độ từ hóa ngang khác nhau xuất phát từ độ từ hóa dọc trong chu kỳ trước.Đây là sự tổ hợp giữa mô tương phản T1 và độ tương phản mật độ proton.Tuy nhiên khi véctơ từ hóa ngang bắt đầu suy giảm chúng sẽ có tốc độ suy giảm khác nhau nếu có thời gian T2 khác nhau,dẫn tới sự xuất hiện độ tương phản T2. 900 Mô A Mô B Cường độ sáng của điểm ảnh Tín hiệu Trắng Chu kỳ đầu Véc tơ từ hóa TR 250-2500ms TE 15-150ms Hình 2.30: Xác định độ tương phản trong ảnh Đen Chu kỳ thứ hai T1 PD T2 1800 900 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 38 - Chúng ta nhận thấy sự suy giảm thành phần véctơ từ hóa ngang có liên quan đến đặc trưng của mô hơn là của ảnh hưởng của từ trường.Tại thời điểm thích hợp xung 1800 được đưa vào để tạo ra tín hiệu tiếng vọng spin từ véctơ từ hóa ngang.Cường độ tín hiệu tỷ lệ với độ từ hóa ngang.Cường độ tín hiệu xác định cường độ sáng khi hiển thị mô trong ảnh.Trong ảnh 2 mô sẽ có độ tương phản nếu cường độ tín hiệu của chúng khác nhau Để tạo ra độ tương phản trong ảnh dựa trên sự khác nhau về T1 giữa 2 mô cần khảo sát 2 nhân tố.Thứ nhất là do độ tương phản T1 bộc lộ rõ trong giai đoạn sớm pha của véctơ từ hóa dọc cần sử dụng giá trị TR nhỏ để tạo ra sự tương phản.Thứ 2 giữ nguyên độ tương phản T1 trong quá trình hồi giãn ngang.Vấn đề cơ bản là nếu độ tương phản T2 được phép biểu hiện sẽ làm trung hòa mất độ tương phản T1.Điều này là do các mô có giá trị T1 ngắn cũng có T2 ngắn.Vấn đề xuất hiện vì các mô có T1 ngắn thường hiển thị bằng màu sáng,trong khi các mô có T2 ngắn làm giảm cường độ sáng khi độ tương phản T2 được hiển thị.T2 biểu hiện trong khoảng thời gian TE,do đó TE ngắn sẽ cực tiểu hóa độ tương phản T2 và sự suy giảm độ tương phản T1.Một ảnh T1 được tạo ra với giá trị TR và TE ngắn. Độ tương phản mật độ proton biểu hiện khi véctơ từ hóa dọc đạt đến giá trị cực đại và được xác định bằng mật độ proton của từng mô riêng biệt.Do đó đòi hỏi thời gian TR tương đối dài khi muốn tạo ảnh tương phản mật độ proton.Thường sử dụng giá trị TR ngắn để làm giảm độ tương phản T2 và duy trì cường độ tín hiệu tương đối lớn.Bước đầu khi tạo ảnh độ tương phản T2 đáng kể là chọn một giá trị TR tương đối lớn.Điều này sẽ cực tiểu hóa độ tương phản T1 và quá trình dãn hồi ngang bắt đầu ở một mức độ từ hóa tương đối cao.Sau đó sử dụng TE dài để cho phép biểu hiện rõ độ tương phản T2. 2.8.3. Phương pháp đảo nghịch phục hồi Phương pháp đảo nghịch phục hồi chính là phương pháp tiếng vọng spin ứng dụng nhằm đạt được một số kết quả xác định. Một trong các ứng dụng là tạo ra độ tương phản T1 cao và ứng dụng thứ hai nhằm chắn tín hiệu dẫn đến thay đổi cường độ sáng (mức xám) của mô mỡ. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 39 - Dãy xung đảo nghịch phục hồi nhận được từ dãy xung tiếng vọng spin bằng cách thêm vào một xung đảo ngược 1800. Xung này đưa vào đầu mỗi chu kỳ tạo ảnh để quay véctơ từ hoá đi một góc 1800 trở thành đảo nghịch của véctơ từ hoá ban đầu. Quá trình dãn hồi của véctơ từ hoá bắt đầu từ giá trị âm chứ không phải từ giá trị 0 như trong phương pháp tiếng vọng spin. Giống như phương pháp tiếng vọng spin, phương pháp đảo nghịch phục hồi cũng sử dụng một xung kích động 900 để tạo ra thành phần véctơ từ hoá ngang và một xung 1800 để tạo ra tín hiệu tiếng vọng. Khoảng thời gian thêm vào là thời gian giữ chậm từ xung đảo nghịch (xung 1800 khởi tạo) đến xung kích động 900; được gọi là thời gian đảo nghịch TI (Inversion Time). Việc điều chỉnh TI được thực hiện bởi người sử dụng nhằm điều chỉnh độ tương phản. Hình 2.31: Phương pháp đảo nghịch phục hồi LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 40 - TI • Độ tương phản T1 Đặc tính cơ bản mang tính nguyên lý của ảnh sử dụng phương pháp đảo nghịch phục hồi là có độ tương phản T1 cao. Điều này xuất hiện do tổng thời gian dãn hồi dọc tăng lên vì quá trình dãn hồi dọc bắt đầu từ vị trí đảo nghịch. • Hiệu ứng chắn tín hiệu từ mô mỡ Chúng ta biết rằng mô mỡ có giá trị T1 tương đối nhỏ, nó sẽ hoàn thành quá trình dãn hồi dọc nhanh hơn các mô khác. Vấn đề cốt lõi ở đây là véctơ từ hoá của mô mỡ tiến động qua vị trí 0 trước các mô khác. Nếu chọn TI thích hợp (trùng với thời điểm véctơ từ hoá tiến động qua vị trí 0), mô mỡ sẽ không tạo ra tín hiệu tiếng vọng. Việc này được thực hiện bằng cách chọn thời gian TI tương đối ngắn. Phương pháp này thường gọi là phương pháp đảo nghịch phục hồi ngắn (Short TI Inversion Recovery - STIR). Tín hiệu Véc tơ từ hóa dọc TE Hình 2.32: Mô tả thời gian của phương pháp đảo nghịch phục hồi Xung đảo nghịch STI 1800 900 1800 Xung kích Xung tiếng vọng spin STI: thời gian TI ngắn(trong phương pháp STIR) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 41 - 2.8.4. Phương pháp tiếng vọng gradient Kỹ thuật tiếng vọng gradient thường sử dụng cùng với xung kích động tạo góc quay nhỏ hơn 900. Vì vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp tiếng vọng gradient góc quay nhỏ, viết tắt là SAGE (Small Angle Gradient Echo-SAGE). Phương pháp SAGE đòi hỏi thời gian thu nhận dữ liệu ngắn hơn so với phương pháp tiếng vọng spin. Phương pháp này cũng tăng khả năng điều chỉnh độ tương phản do góc quay cũng là một tham số để điều chỉnh. Chức năng của xung kích động chính là biến đổi hay làm lệch véctơ từ hoá dọc thành véctơ từ hoá ngang. Khi sử dụng xung kích động tạo góc quay là 900 toàn bộ thành phần véctơ từ hoá dọc chuyển thành thành phần véctơ từ hoá ngang như trong phương pháp tiếng vọng spin. Xung kích động làm suy giảm hoàn toàn thành phần véctơ từ hoá dọc về 0 (tức là bão hoà hoàn toàn) ở đầu mỗi chu kỳ tạo ảnh. Điều này có nghĩa là cần một thời gian TR tương đối dài để véctơ từ hoá dãn hồi. TR là một trong các yếu tố chủ yếu xác định thời gian thu nhận dữ liệu. Khi giá trị TR giảm, véctơ từ hoá ngang và cường độ tín hiệu RF tạo ra trong mỗi chu kỳ cũng giảm, dẫn đến tăng nhiễu loạn trong ảnh. Ngoài ra, việc sử dụng TR ngắn cùng với xung kích động 900 không thể tạo ra ảnh T2 hay ảnh mật độ proton.Một cách giảm TR để tăng tốc độ thu nhận dữ liệu mà loại bỏ được các nhược điểm kể trên là sử dụng xung kích động tạo góc quay nhỏ hơn 900. Hình 2.33: Phương pháp tiếng vọng Gradient LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 42 - Xung kích động tạo góc quay nhỏ (FA<900) chỉ biến đổi một phần véctơ từ hoá dọc thành véctơ từ hoá ngang. Điều này có nghĩa là véctơ từ hoá dọc không bị suy giảm hoàn toàn về 0. Việc giảm góc quay tạo ra hai hiệu ứng cần được khảo sát đồng thời. Hiệu ứng thứ nhất là véctơ từ hoá dọc không suy giảm hoàn toàn và vẫn giữ một giá trị khá lớn khi TR ngắn. Điều này làm tăng cường độ tín hiệu so với sử dụng xung kích động 900. Tuy nhiên khi góc quay nhỏ, chỉ một phần nhỏ của véctơ từ hoá dọc được chuyển thành véctơ từ hoá ngang làm giảm cường độ tín hiệu. Như vậy, khi thay đổi góc lệch sẽ ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu. Hình 2.34: Ảnh hưởng của xung kích động tạo góc lệch nhỏ đối với vectơ từ hoá dọc TR ngắn V éc tơ từ h oá d ọc C ườ ng đ ộ tín h iệ u Mạnh Yếu Thời gian Góc<900 Góc 900 900 Góc nhỏ (<900) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 43 - Hình 2.36 cho ta hình ảnh so sánh véctơ từ hóa của 2 mô khác nhau khi thay đổi góc lệch.Từ đó,ta có thể phân biệt rõ chất xám và chất trắng,2 loại mô có T1 và ρ khác nhau.Độ tương phản giữa 2 mô được biểu diễn bởi sự khác nhau về mức độ từ hóa.Về điểm này,giả sử có TE ngắn và chỉ xét độ tương phản liên quan đến vectơ từ hóa dọc,ảnh hưởng của vectơ từ hóa ngang sẽ được xét đến sau Trong phương pháp SAGE,góc lệch là một trong các tham số được điều chỉnh bởi người sử dụng,tuy nhiên điều này khá phức tạp do ảnh hưởng của góc lệnh còn bị biến đổi do tác động của Các tham số hay kỹ thuật khác được sử dụng để làm tăng một dạng tương phản nào đó. Góc lệch(độ) 0 45 90 Hình 2.35: Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và góc lệch V éc tơ từ h óa Dọc Ngang 6030 C ườ ng đ ộ tín h iệ u Cường độ tín hiệu Góc lệch(độ) 0 45 90 Hình 2.36: Ảnh hưởng của góc lệch đến độ tương phản V éc tơ từ h óa d ọc Độ tương phản T1 6030 C ườ ng đ ộ tín h iệ u T1 ngắn Độ tương phản ρ T1 dài ρ:ở đây là mật độ proton-PD LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 44 - 2.8.5. Góc Ernst Chúng ta đã biết rằng nếu T1 của mô dài thì thời gian TR ngắn,ta chỉ có được một độ từ hóa ngang nhỏ vì vậy sẽ ra một tín hiệu yếu.Tuy nhiên nếu biết cân đối thì trong trường hợp này chúng ta vẫn có thể thu được một tín hiệu cộng hưởng từ đủ mạnh.Về mặt lý thuyết,nếu chúng ta định dùng thời gian TR trên một mô có thời gian T1 đã biết,góc lật tối ưu cho phép tạo ra được tín hiệu mạnh nhất có thể ta có: Ta gọi véctơ từ hóa dọc tại thời gian TR thứ n là: Mz(n)=Mz Khi có một xung RF tác dụng thì véctơ từ hóa dọc lật đi một góc φ ta có: Mz=Mz(n)cosφ Sau khoảng thời gian TR là thời gian hồi phục T1 thứ (n+1) ta có: Mz(n+1)=M0-[M0-Mz(n)cosφ] 1/TR Te− Tại vị trí cân bằng ta có: 1 1 1 / / 0 / 0 / 1 ( 1) ( ) (1 cos . ) (1 ) (1 ) 1 cos . z z z TR T TR T z TR T z TR T M n M n M M e M e M e M e ϕ ϕ − − − − + = = − = − −⇒ = − Véctơ từ hóa ngang tại vị trí cân bằng là Mxy=Mzsinφ vậy ta có: 1 1 / 0 / (1 ).sin 1 cos . TR T xy TR T M e M e ϕ ϕ − − −= − Vậy tín hiệu mạnh nhất thu được khi 1 /cos TR TE eϕ −= 1 / cos( )RT T E arc eϕ −⇒ = (2.53) Eϕ =Ernst Angle (góc lật tối ưu tương ứng với các giá trị TR và T1 cho trước được gọi là góc Ernst) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 45 - CHƯƠNG III: CẤU TẠO,HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ CHỤP CẮT LỚP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 3.1. Tồng quan về phần cứng: Thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm một số các thành phần chính như sau: • Hệ thống nam châm gồm các cuộn nam châm siêu dẫn: tạo ra từ trường chính cực mạnh không đổi • Hệ thống các cuộn gradient: tạo trường gradient • Các cuộn thu phát sóng vô tuyến RF: phát xung vô tuyến và thu tín hiệu CHTHN. • Hệ thống định vị và kiểm soát bệnh nhân (bàn bệnh nhân). Hình 3.1: Sơ đồ khối của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 46 - • Hệ thống thu nhận tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại, bộ tách sóng pha cầu phương và thiết bị số hoá: xử lý tín hiệu CHTHN trước khi đưa vào hệ thống máy tính để tái tạo ảnh • Hệ thống máy tính chuyên dụng: Bao gồm hệ thống điều khiển (điều khiển toàn bộ quá trình chụp), hệ thống lưu trữ,xử lý và tạo ảnh, hệ thống phân tích hiển thị ảnh… • Máy in phim : dùng để in ra ảnh 3.2. Chức năng và hoạt động của từng khối 3.2.1. Hệ thống nam châm ¾ Chức năng Hệ thống nam châm có chức năng tạo ra từ trường chính Bo. Để đáp ứng yêu cầu cường độ từ trường rất lớn từ 1 Tesla đến 4 Tesla (tùy từng thiết bị cụ thể) và độ đồng nhất cao nhằm khôi phục chính xác cấu trúc của đối tượng nên thông thường nó là các nam châm điện từ với các cuộn dây siêu dẫn được giữ ở nhiệt độ gần 0 độ K nhờ các hỗn hợp dung dịch làm lạnh như : Hêli, Nitơ… ¾ Sơ đồ chức năng của hệ thống nam châm: Hệ thống nam châm bao gồm nam châm,khối nguồn và khối kiểm soát nam châm.khối nguồn nhận dòng điện từ mạng điện và cung cấp cho nam châm.Khối kiểm soát nam châm bao gồm: • Mạch điều khiển tắt khẩn cấp nam châm • Mạch báo hiệu mức dung dịch Hêli • Mạch cảnh báo chung • Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng ¾ Hoạt động của hệ thống nam châm: Hệ thống phân phối nguồn cấp nguồn cho khối nguồn riêng của nam châm.Khối này đưa dòng điện vào dây siêu dẫn,dòng trong dây siêu dẫn tạo ra từ trường B0. Khi tắt hệ thống sau ngày làm việc,khối nguồn sẽ thực hiện phóng điện để ngắt dòng điện trong dây siêu dẫn.Hệ thống kiểm soát nam châm theo dõi hoạt động của nam châm. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 47 - Khi có sự cố cần dừng khẩn cấp hoạt động nam châm,nhân viên ấn nút tắt khẩn cấp,mạch tắt khẩn cấp làm việc sẽ tiến hành ngắt nguồn,phóng điện trong dây siêu dẫn và xả bỏ dung dịch Hêli nhằm nhanh chóng giảm cường độ từ trường chính về 0.Mạch báo hiệu mức Hêli theo dõi mức Hêli và hiển thị cảnh báo bằng đèn LED.Mạch báo hiệu nhiệt độ phòng theo dõi nhiệt độ phòng và báo hiệu khi nhiệt độ phòng vượt quá 270C . ¾ Cấu trúc nam châm: Nam châm là thành phần đắt giá nhất trong hệ thống MRI.Đối với các thiết bị MRI sử dụng nam châm siêu dẫn thì nam châm siêu dẫn là một nam châm điện được sản xuất từ dây siêu dẫn. Nam châm Mạch điều khiển tắt khẩn cấp Hệ thống nguồn điện chung Báo hiệu mức Hêli Cảnh báo chung Nhiệt độ phòng Nút tắt khẩn cấp Hình 3.2: Hệ thống nam châm Khối nguồn của nam châm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 48 - Dây siêu dẫn có điện trở xấp xỉ bằng 0 khi được giữ lạnh ở nhiệt độ gần 00 tuyệt đối ( -2730C hay 00K) bằng cách nhúng vào dung dịch Hêli.Một dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn sẽ vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây khi nó được nhúng trong dung dịch Hêli.Một số mất mát có thể xảy ra do điện trở nhỏ hữu hạn của cuộn dây.Những mất mát này sẽ làm suy giảm từ trường ở mức độ khoảng một phần triệu từ trường chính trong một năm.Chiều dài siêu dẫn trong nam châm thường khoảng vài km.Cả cuộn dây và dung dịch Hêli được giữ trong hộp lớn.Trong thiết kế nam châm ban đầu hộp này thường được bao bọc trong các túi dung dịch Nitơ (77.40K) hoạt động như những bộ đệm nhiệt giữa nhiệt độ phòng và dung dịch Hêli.Trong thiết kế nam châm sau này vùng đệm nhiệt bằng dung dịch Nitơ được thay bằng vùng làm lạnh bởi máy lạnh.Thiết kế này loại bỏ được việc phải thêm dung dịch Nitơ vào thành phần nam châm 3.2.2. Hệ thống tạo trường gradient Đúng như tên gọi, hệ thống này có chức năng tạo ra từ trường gradient bổ xung vào từ trường chính Bo để tham gia vào quá trình mã hoá và giải mã về không gian cho tín hiệu CHTHN phát ra từ đối tượng Hình 3.3: Cấu tạo của một nam châm siêu dẫn LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 49 - Hệ thống tạo trường gradient gồm các cuộn gradient có cấu trúc thích hợp nhằm tạo ra từ trường gradient có cường độ và định hướng mong muốn. Các cuộn dây gradient thường bao gồm 3 cuộn: Cuộn Gx, cuộn Gy và cuộn Gz, tạo ra 3 từ trường gradient tương ứng theo 3 trục X, Y và Z. Hình 3.4: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Y Hình 3.5: Cuộn dây tạo trường gradient theo trục Z LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM SVTH:NGÔ ĐỨC NGỌC - 50 - 3.2.3. Hệ thống thiết bị vô tuyến Hệ thống thiết bị vô tuyến có chức năng tạo ra xung vô tuyến (hay từ trường kích động B1) để kích thích tín hiệu CHTHN, sau đó thực hiện thu nhận và xử lý sơ bộ tín hiệu vô tuyến phát ra từ các mô của đối tượng. Hệ thống vô tuyến gồm một số thành phần chủ yếu như các cuộn dây RF, nguồn p