Chương 1 của luận văn này sẽ tập trung vào giải thích về nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ, cấu tạo cơ bản của máy chụp cộng hưởng từ và việc ứng dụng các loại ảnh cộng hưởng từ vào việc hỗ trợ chẩn đoán đối với các bệnh lý khác nhau.1 Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ Cộng hưởng từ (MR) là một kỹ thuật đo lường được sử dụng để kiểm tra các nguyên tử và phân tử, dựa trên sự tương tác giữa một từ trường được áp dụng và một hạt có spin và điện tích. Tính chất của cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) được mô tả lần đầu tiên bởi Purcell [4] và Bloch [5] năm 1946. Kể từ đó NMR đã trở thành công cụ hữu ích trong phân tích thành phần hóa học và cấu trúc. Trong các nội dung tiếp theo của báo cáo này sẽ trình bày cụ thể hơn về việc sử dụng các kỹ thuật MR cho nghiên cứu hạt nhân.1 Trình bày về từ hóa thực (net magnetization) Từ trường được tạo ra bởi dòng điện và bao quanh dòng điện, ví dụ như dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc dòng điện xung quanh nguyên tử sắt.
Từ trường có thể được biểu diễn dưới dạng một vecto, tức là nó có độ lớn và hướng, thường được biểu thị bằng biến . Độ lớn của trường liên quan đến cường độ lực từ tác dụng lên dây dẫn hoặc vật liệu từ tính và hướng của trường vuông góc với hướng của lực từ. Từ trường đặc trưng bởi tần số - khoảng thời gian giữa hai cực đại liên tiếp trong từ trường. Trong MR, có các từ trường không thay đổi theo thời gian mà thay đổi theo tần số âm thanh – acoustic frequencies (vài KHz) và tần số vô tuyến – radio frequencies (vài MHz).
Đặc tính của hạt nhân Mô tả cơ học lượng tử của hạt nhân nguyên tử, như Dirac đã mô tả vào năm 1930, đã dự đoán tính chất của momen động lượng spin. Trên thực tế, tính chất của spin electron đã được quan sát trước đó bởi Stern và Gerlach [6]. Spin hạt nhân hay động lượng góc spin hạt nhân là một trong những tính chất nội tại của nguyên tử. Các hạt nhân có spin có thể luôn quay quanh một trục với tốc độ không đổi, trục quay này vuông góc với phương quay (Hình 1.
Spin () được lượng tử hóa thành các giá trị rời rạc nhất định và phụ thuộc vào thành phần của nguyên tử. Có ba nhóm giá trị cho : giá trị không, nguyên và bán nguyên. Một hạt nhân không có spin ( ) nếu nó có khối lượng nguyên tử chẵn và số hiệu nguyên tử chẵn, ví dụ 12C (6 proton và 6 neutron) hoặc 16O (8 proton và 8 neutron). Hạt nhân như vậy không có tương tác với từ trường bên ngoài và không thể nghiên cứu bằng MR.
Một hạt nhân có giá trị nguyên (ví dụ: 1, 2, 3, …) nếu nó có khối 3 lượng nguyên tử chẵn và số hiệu nguyên tử lẻ, ví dụ 2H (1 proton và 1 neutron) hoặc 6Li (3 proton và 3 neutron). Một hạt nhân có giá trị bán nguyên (ví dụ: 1/2, 3/2, 5/2, …) nếu nó có khối lượng nguyên tử lẻ.1 liệt kê thành phần spin và đồng vị của một số nguyên tố thường gặp trong các hệ thống sinh học.1 Một hạt nhân quay (spin) mang điện tích dương tạo ra một từ trường gọi là momen từ, hướng song song với trục quay (a). Mô hnh này tương tự như một thanh nam châm trong đó từ trường được coi là định hướng từ cực nam đến cực bắc (b) [7] Bảng 1.1 Các hằng số của các hạt nhân thường gặp [8] Nguyên Thành phần hạt Hạt nhân Tỷ lệ từ hồi % trong ω ở 1.5T tố nhân quay () chuyển γ tự nhiên (MHz) Protons Neutrons (MHzT-1) 1 H, 1 0 1/2 42.7906 4 Hạt nhân 1H gồm 1 proton duy nhất, là một sự chọn lọc tự nhiên để thăm dò cơ thể bằng kỹ thuật MR. Nó có spin 1/2 và là đồng vị phổ biến nhất của hydro.
Phản ứng của nó đối với từ trường được áp dụng là một trong những phản ứng lớn nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Vì cơ thể bao gồm các mô chứa chủ yếu là nước và chất béo – đều chứa hydro, nên tín hiệu MR quan trọng có thể được tạo ra một cách tự nhiên bởi các mô bình thường. Moment từ hạt nhân Hạt nhân là vị trí các proton tích điện dương. Khi điện tích quay do spin hạt nhân sẽ tạo ra một từ trường cục bộ hoặc moment từ được tạo ra xung quanh hạt nhân.
Moment từ này có hướng song song với trục quay. Spin hạt nhân là hằng số nên moment từ của nó cũng có độ lớn không đổi. Moment từ này là thông số cơ bản đối với MR. Một thanh nam châm sẽ cho thấy sự tương đồng với spin hạt nhân.
Thanh nam châm có cực bắc và cực nam, và có thể xác định được cường độ và hướng của từ trường. Tương tự vậy, trục quay của một hạt nhân có spin cũng có thể xem như một vecto có hướng và độ lớn xác định (Hình 1. Hướng của spin hạt nhân và những thay đổi nếu có trong khi thao tác thực nghiệm sẽ là cơ sở cho tín hiệu MR. Các phép đo MR được thực hiện trên tập hợp các spin nhiều hơn là trên một spin riêng lẻ.
Sẽ thuận tiện hơn khi coi tập hợp các spin vừa là các spin riêng lẻ hoạt động độc lập (ảnh vi mô – microsopic) vừa như một thực thể duy nhất (ảnh vĩ mô – macroscopic). Trong nhiều khái niệm, hai hình ảnh cung cấp kết quả tương đương nhau dù ảnh vi mô sẽ hoàn chỉnh hơn. Chuyển đổi giữa hai hình ảnh đòi hỏi nguyên tắc của cơ học thống kê. Tiến động của spin hạt nhân (tiến động Larmor) Xem xét một vùng mô bất kỳ chứa các nguyên tử hydro (proton) khi không có từ trường bên ngoài.
Mỗi proton có một vecto spin (hoặc moment từ) có độ lớn bằng nhau nhưng các vecto spin được định hướng ngẫu nhiên theo mọi hướng, có sự phân bố liên tục. Thực hiện cộng vecto lần lượt các vecto spin này sẽ ra kết quả bằng không, tức là không có từ hóa thực trong mô (Hình 1.2 Hình ảnh vi mô và vĩ mô của tập hợp các spin khi không có từ trường bên ngoài [7] 5 Nếu mô được đặt trong từ trường , các proton riêng lẻ bắt đầu quay vuông góc hoặc chuyển động xung quanh từ trường. Các vecto spin của các proton sẽ nghiêng khỏi trục của từ trường, nhưng đều tiến động song song với . Tiến động này diễn ra với tốc độ không đổi và xảy ra do sự tương tác của từ trường với điện tích dương đang quay quanh hạt nhân.
Theo quy ước, và trục tiến động được xác định là theo hướng z của hệ tọa độ Descartes. Chuyển động của mỗi proton có thể được mô tả bằng tập hợp các tọa độ vuông góc (x và y) và song song (z) với . Trong trường hợp không có các tương tác khác, tọa độ vuông góc (theo x, y) là khác không, nhưng thay đổi chu kỳ theo thời gian khi proton tiến động còn tọa độ song song (theo z) thì không đổi theo thời gian, như được thể hiện trong Hình 1. Tốc độ hoặc tần số tiến động tỷ lệ thuận với cường độ từ trường, và được biểu thị bằng phương trình sau, gọi là phương trình Larmor: PT 1.1 Trong đó, là tần số Larmor tính bằng MHz, là cường độ từ trường (T) mà proton chịu tác động, là hằng số với mỗi hạt nhân tính bằng MHz/T, gọi là tỷ số từ hồi chuyển.
Giá trị của và ở 1.5T đối với một số hạt nhân được thể hiện trong Bảng 1.3 Mô tả chuyển động của một proton trong từ trường theo trục z [7] Khi quan sát theo hệ quy chiếu quay, hệ tọa độ quay quanh một trục, hai trục còn lại biến thiên theo thời gian. Nếu chọn một trục với tốc độ quay thích hợp, đối tượng quay có vẻ là đứng yên trong hệ tọa độ. Trong các thí nghiệm MR, sử dụng khung quay lấy trục z (song song với ) làm trục quay, trục x và y quay với tần số Larmor (). Khi quan sát thấy spin tiến động có vẻ đứng yên trong không gian với tọa độ x, y và z cố định.
Từ hóa thực Khi thực hiện phép cộng vecto, các vecto spin bên trong từ trường và bên ngoài từ trường sẽ có kết quả khác nhau. Theo hướng vuông góc với , các hướng 6 của spin được phân bố ngẫu nhiên như khi ở ngoài từ trường nên không có tự hóa thực vuông góc với . Tuy nhiên xét theo phương song song với sẽ thu được kết quả khác. Vì có sự định hướng với trục tịnh tiến của proton (không đổi theo thời gian) nên xác định được có giá trị tương tác không đổi giữa proton và (giá trị khác không) – gọi là tương tác Zeeman.
Đối với hạt nhân 1 H, có hai hướng cho thành phần z: song song – parallel (dọc theo hướng ) hoặc đối song – antiparallel (ngược hướng ). Sự tương tác này gây ra sự khác biệt về năng lượng giữa hai hướng tỷ lệ với (Hình 1. Thực hiện cộng tổng vecto của các proton này, thành phần x và y có tổng bằng không, thành phần z khác không và có giá trị dương – gọi là từ hóa thực . Trục z là trục quay nên không đổi theo thời gian.4 Sơ đồ Zeeman ví dụ của1H [7] Trong Hình 1.4, khi không có từ trường (phía bên trái hình), tập hợp các spin sẽ có cấu hình của các thành phần z bằng nhau về năng lượng, không có sự ưu tiên giữa các spin hướng lên và spin hướng xuống.
Khi có từ trường (phía bên phải hình), spin up (song song với ) có năng lượng thấp hơn và chứa nhiều spin hơn so với spin down có năng lượng cao hơn. Sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức là tỷ lệ thuận với .5 Hình ảnh vi mô (a) và vĩ mô (b) của tập hợp các spin khi có từ trường ngoài [7] Khi có từ trường ngoài, mỗi spin tiến động theo tác động của từ trường. Nếu dùng hệ quy chiếu quay với tốc độ quay thì tập hơn các proton xem như đứng yên. Các thành phần z có một trong hai giá trị (một giá trị âm và một giá trị dương), thành phần x, y là bất kỳ và có thể là giá trị âm hoặc giá trị dương.
Các spin sẽ thể hiện dọc theo trục z dạng hai hình nón, một hình nón có thành phần z dương và 7 một hình nón có thành phần z âm (Hình 1.