THIẾT BỊ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN MRI<br />
(MAGNETIC RESONANCE IMAGE)<br />
1. Cơ sở phương pháp<br />
Các nhà khoa học đã khai thác hiện tượng dao động của Hydro có trong cấu<br />
trúc nào đó để làm dấu hiệu nhận biết và thể hiện thành ảnh của cấu trúc. Để có được<br />
hình ảnh như ta thường thấy, người ta tạo ra hiện tượng cộng hưởng tín hiệu từ máy<br />
phát RF và dao động riêng của Hydro rồi thu lấy tín hiệu điện từ cộng hưởng đó sau<br />
khi tắt nguồn cưỡng bức. Các phần mềm sẽ tính toán và thể hiện lại tín hiệu đó theo<br />
độ lớn, tần số, pha. Nhờ thông số này mà trên ảnh thu được sẽ có độ sáng tối khác<br />
nhau tạo nên hình thù của cơ quan cần chụp.<br />
Để hiểu hơn về nguyên lý hoạt động thì ta phải có một số khái niệm sau :<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trạng thái cơ bản : Mỗi nguyên tử tồn tại ở điều kiện nhất định nào đó thì<br />
gọi là trạng thái. Ở điều kiện bình thường ta gọi trạng thái này là cơ bản.<br />
Trạng thái kích thích : Khi nguyên tử nhận được sự kích thích nó sẽ thay<br />
đổi trạng thái. Mỗi trạng thái được ứng với mức năng lượng là lượng năng<br />
lượng nguyên tử có được. Do có năng lượng lớn nên trạng thái này không<br />
bền và nhanh chóng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái cơ bản.<br />
Thời gian sống : Thời gian từ khi nguyên tử đạt trạng thái kích thích cho<br />
đến khi thay đổi qua trạng thái khác. Nó dùng để chỉ thời gian tồn tại của<br />
trạng thái nào đó.<br />
Thời gian hồi phục : Mỗi trạng thái là do sự thay đổi của nhiều yếu tố. Thời<br />
gian để một yếu tố sau kích thích trở về giá trị gốc nào đó gọi là thời gian<br />
hồi phục.<br />
Sự phân mức : Khi nguyên tử ở trạng thái thì nó không chỉ tồn tại ở một giá<br />
trị năng lượng mà có thể tồn tại ở giá trị năng lượng cao hơn hay thấp hơn<br />
một chút nhưng lại không đủ lớn để đạt mức năng lượng khác,Ta gọi hiện<br />
tượng này là sự phân mức năng lượng.<br />
Lưỡng cực : Vật có hai đầu mang hai loại điện tích khác nhau. Điều chúng<br />
ta nói ở đây là lưỡng cực nguyên tử. Như ta biết nguyên tử gồm hạt nhân<br />
mang điện dương và lớp vỏ mang điện âm. Do mật độ electron phần lớn tập<br />
trung ở vùng nào đó nên có thể coi nguyên tử có hai cực trái dấu.<br />
Bình thường nguyên tử (hạt nhân) ở trạng thái cơ bản. Bản thân nguyên tử là<br />
lưỡng cực nên dưới tác động của từ trường mạnh nguyên tử sẽ nhận năng lượng và<br />
chuyển lên trạng thái kích thích. Ở trạng thái này nguyên tử phân mức thành hai<br />
trạng thái theo momen từ. Tương tác của hai trạng thái có năng lượng ứng với sóng<br />
có tần số radio. Nếu ta tác động vào đây sóng có tần số đúng bằng tần số riêng của<br />
tương tác hai trạng thái thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Khi ngưng tác động do<br />
thời gian sống thấp nguyên tử sẽ phục hồi trạng thái. Một lưu ý là do từ trường mạnh<br />
vẫn còn nên trạng thái kích thích được xem như trạng thái nền. Khi phục hồi trạng<br />
thái, nguyên tử phát ra sóng có năng lượng ứng với tần số bằng với tần số sóng RF<br />
kích thích. Xung sóng từ các nguyên tử Hydro sẽ được dò bởi một cuộn cảm và đem<br />
xử lý tạo ra bức ảnh thể hiện tín hiệu thu được.<br />
Tùy từng hãng, từng loại máy mà hệ thống thiết bị có những sự khác biệt về<br />
cấu trúc, hình thể, chức năng nhưng cơ bản gồm thiết bị sau :<br />
Cuộn cảm tạo ra từ trường lớn vào cỡ 0.2 đến 7T. Để có từ trường thường thì<br />
ta dùng nam châm. Tuy nhiên do hạn chế về kích thước,khối lượng mà việc dùng<br />
nam châm cũng chỉ đạt cỡ 0.4T cho dù đã cải tiến cả chất liệu từ. Ta cũng có thể<br />
dùng nam châm điện. Nguyên tắc của nam châm điện là cuộn dây quấn quanh lõi sắt<br />
non. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây thì sinh ra từ trường. Từ trường lớn đòi hỏi<br />
cuộn dây phải lớn. Khi cuộn dây lớn đồng nghĩa với điện trở lớn. Và với dòng điện<br />
chạy qua nó sẽ toả lượng nhiệt rất lớn. Do đó chúng ta chỉ có thể đạt được độ lớn từ ở<br />
mức độ nào đó. Khoa học phát triển người ta dùng tới chất siêu dẫn đựoc làm lạnh<br />
trong Heli lỏng. Đặc tính của chất này là ở nhiệt độ thấp thì điện trở sẽ giảm,khi đó<br />
nhiệt tỏa ra rất thấp. Tuy nhiên do kỹ thuật cao và giá thành của Heli lỏng nên hệ<br />
thống MRI này khá đắt<br />
Trong hệ thống còn có nhiều loại cuộn cảm khác nữa có chức năng bổ sung từ<br />
trường, làm tuyến tính hoá từ trường ( cuộn gradien ), hay chức năng hiệu chỉnh từ…<br />
Một bộ phận không thể thiếu là từ trường kích thích tần số radio. Thường thì<br />
bộ phận này cũng là bộ phận thu tín hiệu. bộ phận này gồm phần cố định gắn trong<br />
máy có chức năng điều khiển, tạo xung, xử lý … Phần di động là các coil ( cuộn dây<br />
). Các cuộn dây có kích cỡ khác nhau, hình dạng khác nhau phù hợp với việc chụp<br />
các cấu trúc khác nhau.<br />
Rất nhiều thiết bị được tạo ra được sử dụng trong việc chụp ảnh chẩn đoán<br />
nhưng MRI thực sự là thiết bị rất an toàn do không có ảnh hưởng của bức xạ ion.<br />
MRI cho hình ảnh chi tiết đặc biệt đối với phần tử mềm, phân biệt rỏ các dấu hiệu<br />
nhỏ nhất.<br />
Ngoài ưu điểm thì MRI vẫn còn những hạn chế, chẳng hạn MRI chống chỉ<br />
định đối với kim loại…<br />
2. Nguyên lý tạo ảnh<br />
Ở phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI, người ta đưa đối tượng<br />
đo vào vùng có từ trường một chiều rất mạnh, hiện nay phổ biến là dùng từ trường sinh<br />
ra do cuộn dây siêu dẫn có dòng điện rất lớn chạy qua. Trong đối tượng có những<br />
nguyên tử mà hạt nhân có momen từ tương tự như những thanh nam châm cực nhỏ.<br />
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạt nhân nguyên tử quay<br />
đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặt đất. Nếu hạt<br />
nhân đang quay đảo với tần số w mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số w tác dụng,<br />
hạt nhân sẽ dao động cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng. Đó là cộng hưởng từ<br />
hạt nhân. Khi ngừng tác dụng sóng vô tuyến, hạt nhân sẽ từ trạng thái dao động cực<br />
mạnh trở về trạng thái dao động bình thường. Hạt nhân có momen từ quay như vậy<br />
sẽ sinh ra sóng điện từ phát ra không gian xung quanh, có thể đo được sóng điện từ<br />
đó nếu đặt vào đấy một cuộn cảm.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Nguyên lý tạo ảnh<br />
Việc hạt nhân từ trạng thái quay đảo mạnh do cộng hưởng trở về trạng thái<br />
quay đảo bình thường nhanh hay chậm còn tùy thuộc vào các nguyên tử quanh hạt<br />
nhân cản trở chuyển động quay ít hay nhiều. Ví dụ, hạt nhân của nguyên tử H trong<br />
phân tử nước (H2O) từ trạng thái cộng hưởng quay về trạng thái thường rất nhanh<br />
nếu đang lưu thông trong mạch dẫn, trái lại quay về rất chậm nếu nó chỉ thấm ướt.<br />
Ở máy MRI, người ta có thể tạo ra sự cộng hưởng tương ứng với một loại hạt<br />
nhân nào đó (ví dụ hạt nhân hyđrô) trong từng thể tích cỡ milimet khối của đối tượng<br />
và theo dõi trạng thái cộng hưởng. Lần lượt quét vùng thể tích có cộng hưởng này, ta<br />
sẽ có được hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ở từng lớp. Có thể theo dõi ảnh để biết<br />
được cấu tạo bên trong của đối tượng lúc đang vận động (biết được có dòng chảy hay<br />
không, chảy ở chỗ nào). Có thể dùng MRI để theo dõi vận động mạnh hay yếu...<br />
Độ phân giải không gian khoảng 3 mm và phân giải thời gian khoảng 3 giây.<br />
Người ta phát triển phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng (FMRI –<br />
Function MRI) để nghiên cứu không chỉ về cấu tạo mà còn về chức năng hoạt<br />
động. Tuy nhiên, phương pháp này khá tốn kém do phải dùng hêli lỏng để làm lạnh<br />
cuộn dây siêu dẫn.<br />
Ảnh cấu trúc các khoang vật liệu mềm xốp thể hiện rõ hơn và chi tiết hơn so<br />
với ảnh được tạo bằng các phương pháp khác. MRI giúp đánh giá được sự vận động<br />
cũng như là cấu trúc của nhiều tổ chức phức tạp<br />
3. Gradient<br />
Từ trường Gradient là từ trường biến thiên tuyến tính nên ta có thể coi nó thay<br />
đổi đối xứng từ âm sang dương quanh giá trị 0 nào đó. Nó được sử dụng kết hợp với<br />
các từ trường trong hệ thống thiết bị. Khi từ trường Gradient dương sẽ làm tăng từ<br />
trường kết hợp với nó. Khi từ trường Gradientt âm sẽ là giảm từ trường kết hợp với<br />
nó.<br />
Trong cấu trúc thiết bị MRI, Gradientt được tạo ra trên cả ba trục không gian :<br />
Ox, Oy, Oz. Khi đó giá trị tính toán sẽ là căn của tổng bình phương ba giá trị trên. Ta<br />
cũng có thể xét riêng từng giá trị từ trường trên từng trục trong tính toán riêng hoặc<br />
tìm hiểu chức năng của nó.<br />
Gradient được tạo ra nhờ các cuộn dây. Chúng đi từng đôi một. Dòng điện<br />
chạy trong cuộn này ngược với dòng điện chạy trong cuộn kia. Hệ hai cuộn dây sẽ<br />
tạo ra hai vùng từ âm dương. Tổng từ trường của hệ tạo ra vùng từ trường biến thiên<br />
tuyến tính. Đây là vùng được sử dụng trong thiết bị MRI.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong thiết bị MRI từ trường Gradient của ba trục tham gia vào ba chức năng khác<br />
nhau nhằm cung cấp thông số cho việc tạo ảnh.<br />
<br />
Từ trường Gradient trục Oz (song song với từ trường chính) có chức năng<br />
chọn lớp. Như ta đã biết thiết bị MRI là thiết bị chụp ảnh cắt lớp nên việc chọn lớp<br />
cần chụp có ý nghĩa rất quan trọng. Một lớp chụp là thể hiện sự quan tâm đến đối<br />
tượng, do đó một bức ảnh phải thể hiện đúng vị trí cần quan tâm. Ngoài ra bức ảnh<br />
tốt phải là ảnh chứa nhiều thông tin nhất. Độ dày của lớp chụp ảnh là vấn đề trong<br />
chọn lớp. Ta cũng không thể có ảnh mỏng hơn do nhiều yếu tố tác động khác. Tất<br />
nhiên ta cũng có thể tìm cách điều chỉnh bề dày hợp lý khi ta nắm vững nguyên tắc<br />
về chọn lớp.<br />
Tiếp theo ta bàn đến nguyên lý chọn lớp. Giá trị từ trường Gradient biến thiên<br />
dọc theo vị trí cấu trúc. Sự biến thiên từ trường làm tần số riêng của nguyên tử dọc<br />
theo cấu trúc cũng có giá trị biến thiên. Khi phát sóng radio kích thích thì chỉ có một<br />
khoảng tần số phù hợp điều kiện cộng hưởng, do đó chỉ có lớp nhỏ tương ứng phát<br />
tín hiệu mà có thể thu nhận được. Bề dày lớp đó gọi là lớp được chọn. Như vậy để<br />
chọn được lớp cần chụp ta chỉ việc tính toán sao cho từ trường Gradient kết hợp từ<br />
trường chính làm cho tần số riêng của nguyên tử Hidro lớp đó xấp xỉ tần số radio<br />
phát ra.<br />
Từ trường Gradient dọc trục ox có chức năng mã hóa tần số cho việc xử lý tín<br />
hiệu. Như phần trên chúng ta thừa nhận ảnh hưởng của từ trường Gradient này lên<br />
việc tăng giảm từ trường trên trục ox.Chính điều này khiến cho tần số radio của<br />
nguồn phát có giá trị phụ thuộc vào từ trường Gradient dọc trục ox, do đó cũng phụ<br />
thuộc vào giá trị tọa độ x. Mặt khác tần số tín hiệu do nguyên tử phát ra lại tỉ lệ với<br />
tín hiệu radio của nguồn phát. Dựa trên mối quan hệ này mà khi ta đo được giá trị tần<br />
số phát thì có thể xác định tọa độ x.<br />
Từ trường Gradient dọc trục Oy có chức năng mã hóa pha cho xử lý tín hiệu.<br />
Tương tự trên thì giá trị pha tín hiệu có quan hệ đến độ lớn Gradient cũng như tọa độ<br />
y. Khi xác định giá trị pha ta có thể tính vị trí y tương ứng. Bản thân pha của tín hiệu<br />
là như nhau và bằng pha của tần số radio phát ra. Để thực hiện mã hóa pha từ trường<br />
Gradient trên trục Oy sẽ được kích thích trong thời gian nhỏ đủ để làm thay đổi pha<br />
của toàn bộ lớp chụp làm cho pha của mỗi vị trí có giá trị khác nhau. Sau đó ta tắt từ<br />
trường Gradient trục oy thì pha tín hiệu sẽ giữ nguyên trạng thái thay đổi và được thu<br />
nhận. Tín hiệu thu được sẽ là giá trị tần số và pha. Những giá trị này sẽ được tính<br />
toán để xác định chính xác tọa độ (x,y) và biểu diễn trên ma trận thông tin về cường<br />
độ ứng với mỗi tọa độ đó. Từ đây qua nhiều thuật toán xử lý khác để tạo ra ảnh hoàn<br />
chỉnh.<br />
Vậy từ trường Gradient được ứng dụng trong thu tín hiệu và có vai trò trong<br />
quá trình chọn lớp của MRI.<br />
4. Cấu tạo<br />
MRI là một thiết bị hiện đại, có cấu tạo phức tạp, và nguyên tắc tạo ảnh tương<br />
đối khó. Để hiểu rõ về MRI, cần phải có kiến thức chuyên sâu về vật lý hạt nhân. Do<br />
đó, chúng ta nên bắt đầu tìm hiểu về MRI từ việc đơn giản nhất, là “nhìn” sơ qua các<br />
bộ phận của MRI. Sau đó chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về cơ chế để có được ảnh<br />
MRI.<br />
Về mặt phần cứng, thiết bị MRI thường gồm các bộ phận chủ yếu như sau :<br />
Cấu tạo của máy chụp cộng hưởng từ MRI<br />
Cấu trúc cắt dọc của hệ thống cộng hưởng từ.<br />
1) Một nam châm (magnet) lớn dạng hình trụ, rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân<br />
có thể nằm lọt bên trong. Nam châm này sẽ tạo ra từ trường B0 đồng nhất (cố<br />
định) ở không gian bên trong ống trụ này. Chúng ta thường nghe nói MRI 1.5T,<br />
thì 1.5T (Tesla, đơn vị đo từ thông) chính là giá trị B0. Hiện nay, thiết bị MRI<br />
dùng trong nghiên cứu có thể đạt tới 7T. Từ trường B0 làm cho các mômen từ<br />
trong mô (kí hiệu M, magnetization) sắp xếp theo chiều của B0. Đối với các hệ<br />
thống MRI kín, cường độ từ trường cao, phải dùng nam châm siêu dẫn<br />
(superconducting magnet) có cấu tạo bên trong như Hình dưới.<br />
Hình dạng ngoài của cuộn nam châm siêu dẫn<br />
Cấu tạo của nam châm siêu dẫn<br />
2) Một cuộn tạo từ trường biến thiên (the gradient coil) tạo ra các từ trường tĩnh<br />
theo thời gian, nhưng thay đổi theo không gian (Hình 5). Tương ứng với ba trục<br />
X, Y, Z là ba cuộn dây X, Y, Z (X coil, Y coil, Z coil), tạo ra các từ trường biến<br />
thiên Gx, Gy và Gz. Các từ trường biến thiên theo không gian này cần để chọn<br />
lớp cắt. Ngoài ra, nó còn để xác định vị trí (thông qua việc mã hoá pha và mã<br />
hoá tần số từ trường M) trong lớp cắt được chọn.<br />
Cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo ba trục không gian<br />
3) Một cuộn phát thu sóng điện từ RF (radiofrequency coil) (Hình 6), để phát ra<br />
xung điện từ B1 làm xoay từ trường M ra khỏi chiều của từ trường B0 và để thu<br />
nhận tín hiệu cộng hưởng do quá trình xoay của từ trường M về lại chiều ban<br />
đầu dưới tác dụng của B0. Cấu tạo của cuộn này có thể thay đổi tuỳ thuộc theo<br />
cơ quan cần quan tâm để đạt được hình ảnh tốt nhất về cơ quan đó.<br />
Cấu tạo của cuộn phát thu sóng điện từ<br />
4) Máy tính và các phụ kiện để quản lý nam châm, bộ phát thu, và cuộn tạo từ<br />
trường biến thiên; để xử lý và lưu trữ tín hiệu cộng hưởng từ; và để tái tạo, lưu<br />
trữ và hiển thị ảnh.Như vậy, thiết bị MRI gồm bốn phần chính: nam châm tạo<br />
từ trường B0, cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo không gian G (Gx, Gy,<br />
Gz), cuộn phát thu sóng điện từ và hệ thống máy tính xử lý. Từ trường B0 nhằm<br />
làm cho các môment từ trong mô sắp xếp theo một hướng xác định. Các từ<br />
trường Gx, Gy, Gz dùng để chọn lớp cắt (khi cho một thành phần một giá trị xác<br />
định) hoặc xác định vị trí của điểm cần khảo sát. Bộ thu phát RF tạo ra từ trường<br />
B1 nhằm tạo ra sự thay đổi từ trường tại một vị trí xác định và thu nhận từ trường<br />
phản hồi từ mô vị trí này (từ trường M). Tín hiệu thu được (từ trường M) từ<br />
trong cơ thể phát ra là rất nhỏ. Do đó, thiết bị cần có lưới chắn từ (shield) để<br />
chống ảnh hưởng của sóng điện từ bên ngoài.<br />
<br />
<br />
NGUYỄN XUÂN QUANG - 2016<br />