Thiết Bị Cộng Hưởng Từ Hạt Nhân MRI (Magnetic Resonance Image)

1./ Cơ sở phương pháp

Các nhà khoa học đã khai thác hiện tượng dao động của Hydro có trong cấu trúc nào đó để làm dấu hiệu nhận biết và thể hiện thành ảnh của cấu trúc. Để có được hình ảnh như ta thường thấy, người ta tạo ra hiện tượng cộng hưởng tín hiệu từ máy phát RF và dao động riêng của Hydro rồi thu lấy tín hiệu điện từ cộng hưởng đó sau khi tắt nguồn cưỡng bức.

Các phần mềm sẽ tính toán và thể hiện lại tín hiệu đó theo độ lớn, tần số, pha. Nhờ thông số này mà trên ảnh thu được sẽ có độ sáng tối khác nhau tạo nên hình thù của cơ quan cần chụp.

Để hiểu hơn về nguyên lý hoạt động thì ta phải có một số khái niệm sau :

Trạng thái cơ bản : Mỗi nguyên tử tồn tại ở điều kiện nhất định nào đó thì gọi là trạng thái. Ở điều kiện bình thường ta gọi trạng thái này là cơ bản.

Trạng thái kích thích : Khi nguyên tử nhận được sự kích thích nó sẽ thay đổi trạng thái. Mỗi trạng thái được ứng với mức năng lượng là lượng năng lượng nguyên tử có được. Do có năng lượng lớn nên trạng thái này không bền và nhanh chóng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái cơ bản.

Thời gian sống : Thời gian từ khi nguyên tử đạt trạng thái kích thích cho đến khi thay đổi qua trạng thái khác. Nó dùng để chỉ thời gian tồn tại của trạng thái nào đó.

Thời gian hồi phục : Mỗi trạng thái là do sự thay đổi của nhiều yếu tố. Thời gian để một yếu tố sau kích thích trở về giá trị gốc nào đó gọi là thời gian hồi phục.

Sự phân mức : Khi nguyên tử ở trạng thái thì nó không chỉ tồn tại ở một giá trị năng lượng mà có thể tồn tại ở giá trị năng lượng cao hơn hay thấp hơn một chút nhưng lại không đủ lớn để đạt mức năng lượng khác,Ta gọi hiện tượng này là sự phân mức năng lượng.

Lưỡng cực : Vật có hai đầu mang hai loại điện tích khác nhau. Điều chúng ta nói ở đây là lưỡng cực nguyên tử. Như ta biết nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương và lớp vỏ mang điện âm. Do mật độ electron phần lớn tập trung ở vùng nào đó nên có thể coi nguyên tử có hai cực trái dấu.

Bình thường nguyên tử (hạt nhân) ở trạng thái cơ bản. Bản thân nguyên tử là lưỡng cực nên dưới tác động của từ trường mạnh nguyên tử sẽ nhận năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích. Ở trạng thái này nguyên tử phân mức thành hai trạng thái theo momen từ. Tương tác của hai trạng thái có năng lượng ứng với sóng có tần số radio. Nếu ta tác động vào đây sóng có tần số đúng bằng tần số riêng của tương tác hai trạng thái thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Khi ngưng tác động do thời gian sống thấp nguyên tử sẽ phục hồi trạng thái. Một lưu ý là do từ trường mạnh vẫn còn nên trạng thái kích thích được xem như trạng thái nền. Khi phục hồi trạng thái, nguyên tử phát ra sóng có năng lượng có tần số bằng với tần số kích thích. Xung sóng sẽ được dò bởi cuộn từ và đem xử lý tạo ra bức ảnh thể hiện tín hiệu thu được.

Tùy từng hãng, từng loại máy mà hệ thống thiết bị có những sự khác biệt về cấu trúc, hình thể, chức năng nhưng cơ bản gồm thiết bị sau :

Cuộn từ tạo ra từ trường lớn vào cỡ 0.2 đến 7T. Để có từ trường thường thì ta dùng nam châm từ. Tuy nhiên do hạn chế về kích thước,khối lượng mà việc dùng nam châm từ cũng chỉ đạt cỡ 0.4T cho dù đã cải tiến cả chất liệu từ. Ta cũng có thể dùng nam châm điện. Nguyên tắc của nam châm điện là cuộn dây quấn quanh lõi sắt non. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây thì sinh ra từ trường. Từ trường lớn đòi hỏi cuộn dây phải lớn. Khi cuộn dây lớn đồng nghĩa với điện trở lớn. Và với dòng điện chạy qua nó sẽ toả lượng nhiệt rất lớn. Do đó chúng ta chỉ có thể đạt được độ lớn từ ở mức độ nào đó. Khoa học phát triển người ta dùng tới chất siêu dẫn đựoc làm lạnh trong Heli lỏng. Đặc tính của chất này là ở nhiệt độ thấp thì điện trở sẽ giảm,khi đó nhiệt tỏa ra rất thấp. Tuy nhiên do kỹ thuật cao và giá thành của Heli lỏng nên hệ thống MRI này khá đắt

Trong hệ thống còn có nhiều loại cuộn từ khác nữa có chức năng bổ sung từ trường,làm tuyến tính hoá từ trường ( cuộn gradien ),hay chức năng hiệu chỉnh từ …

Một bộ phận không thể thiếu là từ trường kích thích tần số radio. Thường thì bộ phận này cũng là bộ phận thu tín hiệu. bộ phận này gồm phần cố định gắn trong máy có chức năng điều khiển, tạo xung, xử lý … Phần di động là các coil ( cuộn dây ). Các cuộn dây có kích cỡ khác nhau, hình dạng khác nhau phù hợp với việc chụp từng bộ phận.

Rất nhiều thiết bị được tạo ra được sử dụng trong việc chụp ảnh chẩn đoán nhưng MRI thực sự là thiết bị an toàn do không có ảnh hưởng của bức xạ ion. MRI cho hình ảnh chi tiết đặc biệt đối với tế bào mềm, phân biệt rỏ các dấu hiệu nhỏ nhất

Ngoài ưu điểm thì MRI vẫn còn những hạn chế. Do đặc tính từ mà MRI chống chỉ định đối với kim loại…

2./ Nguyên lý tạo ảnh

Ở phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI (Magnetic Resonnance Imaging), người ta đưa đối tượng đo vào vùng có từ trường một chiều rất mạnh, hiện nay phổ biến là dùng từ trường sinh ra do cuộn dây siêu dẫn có dòng điện rất lớn chạy qua. Trong đối tượng có những nguyên tử mà hạt nhân có momen từ tương tự như những thanh nam châm cực nhỏ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạt nhân nguyên tử quay đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặt đất. Nếu hạt nhân đang quay đảo với tần số w mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số w tác dụng, hạt nhân sẽ quay đảo cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng. Đó là cộng hưởng từ hạt nhân. Khi ngừng tác dụng sóng vô tuyến, hạt nhân sẽ từ trạng thái quay đảo cực mạnh trở về trạng thái quay đảo bình thường. Hạt nhân có momen từ quay như vậy sẽ sinh ra sóng điện từ phát ra không gian xung quanh, có thể đo được sóng điện từ đó nếu đặt vào đấy một cuộn cảm.

Nguyên lý tạo ảnh

Việc hạt nhân từ trạng thái quay đảo mạnh do cộng hưởng trở về trạng thái quay đảo bình thường nhanh hay chậm còn tùy thuộc vào các nguyên tử quanh hạt nhân cản trở chuyển động quay ít hay nhiều. Ví dụ, hạt nhân của nguyên tử H trong phân tử nước (H2O) từ trạng thái cộng hưởng quay về trạng thái thường rất nhanh nếu đang lưu thông trong mạch, trái lại quay về rất chậm nếu chỉ thấm ướt.

Ở máy MRI, người ta có thể tạo ra sự cộng hưởng tương ứng với một loại hạt nhân nào đó (ví dụ hạt nhân hyđrô) trong từng thể tích cỡ milimet khối của đối tượng và theo dõi trạng thái cộng hưởng. Lần lượt quét vùng thể tích có cộng hưởng này, ta sẽ có được hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ở từng lớp. Có thể theo dõi ảnh để biết được cấu tạo bên trong của đối tượng lúc đang vận động (biết được có dòng chảy hay không, chảy ở chỗ nào). Có thể dùng MRI để theo dõi vận động mạnh hay yếu...

Độ phân giải không gian khoảng 3 mm và phân giải thời gian khoảng 3 giây. Người ta phát triển phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng (FMRI – Function MRI) để nghiên cứu không chỉ về cấu tạo mà còn về chức năng hoạt động. Tuy nhiên, phương pháp này khá tốn kém do phải dùng hêli lỏng để làm lạnh cuộn dây siêu dẫn.

Ảnh cấu trúc các khoang vật liệu mềm xốp thể hiện rõ hơn và chi tiết hơn so với ảnh được tạo bằng các phương pháp khác. MRI giúp đánh giá được sự vận động cũng như là cấu trúc của nhiều tổ chức phức tạp.

3./ Gradient

Từ trường Gradient là từ trường biến thiên tuyến tính nên ta có thể coi nó thay đổi đối xứng từ âm sang dương quanh giá trị 0 nào đó. Nó được sử dụng kết hợp với các từ trường trong hệ thống thiết bị. Khi từ trường Gradient dương sẽ làm tăng từ trường kết hợp với nó. Khi từ trường Gradientt âm sẽ là giảm từ trường kết hợp với nó.

Trong cấu trúc thiết bị MRI, Gradientt được tạo ra trên cả ba trục không gian : Ox, Oy, Oz. Khi đó giá trị tính toán sẽ là căn của tổng bình phương ba giá trị trên. Ta cũng có thể xét riêng từng giá trị từ trường trên từng trục trong tính toán riêng hoặc tìm hiểu chức năng của nó.

Gradient được tạo ra nhờ các cuộn dây. Chúng đi từng đôi một. Dòng điện chạy trong cuộn này ngược với dòng điện chạy trong cuộn kia. Hệ hai cuộn dây sẽ tạo ra hai vùng từ âm dương. Tổng từ trường của hệ tạo ra vùng từ trường biến thiên tuyến tính. Đây là vùng được sử dụng trong thiết bị MRI.

Trong thiết bị MRI từ trường Gradient của ba trục tham gia vào ba chức năng khác nhau nhằm cung cấp thông số cho việc tạo ảnh.

Từ trường Gradient trục Oz (song song với từ trường chính) có chức năng chọn lớp. Như ta đã biết thiết bị MRI là thiết bị chụp ảnh cắt lớp nên việc chọn lớp cần chụp có ý nghĩa rất quan trọng. Một lớp chụp là thể hiện sự quan tâm đến đối tượng, do đó một bức ảnh phải thể hiện đúng vị trí cần quan tâm. Ngoài ra bức ảnh tốt phải là ảnh chứa nhiều thông tin nhất. Độ dày của lớp chụp ảnh là vấn đề trong chọn lớp. Ta cũng không thể có ảnh mỏng hơn do nhiều yếu tố tác động khác. Tất nhiên ta cũng có thể tìm cách điều chỉnh bề dày hợp lý khi ta nắm vững nguyên tắc về chọn lớp.

Tiếp theo ta bàn đến nguyên lý chọn lớp. Giá trị từ trường Gradient biến thiên dọc theo vị trí cấu trúc. Sự biến thiên từ trường làm tần số riêng của nguyên tử dọc theo cấu trúc cũng có giá trị biến thiên. Khi phát sóng radio kích thích thì chỉ có một khoảng tần số phù hợp điều kiện cộng hưởng, do đó chỉ có lớp nhỏ tương ứng phát tín hiệu mà có thể thu nhận được. Bề dày lớp đó gọi là lớp được chọn. Như vậy để chọn được lớp cần chụp ta chỉ việc tính toán sao cho từ trường Gradient kết hợp từ trường chính làm cho tần số riêng của nguyên tử Hidro lớp đó xấp xỉ tần số radio phát ra.

Từ trường Gradient dọc trục ox có chức năng mã hóa tần số cho việc xử lý tín hiệu. Như phần trên chúng ta thừa nhận ảnh hưởng của từ trường Gradient này lên việc tăng giảm từ trường trên trục ox.Chính điều này khiến cho tần số radio của nguồn phát có giá trị phụ thuộc vào từ trường Gradient dọc trục ox, do đó cũng phụ thuộc vào giá trị tọa độ x. Mặt khác tần số tín hiệu do nguyên tử phát ra lại tỉ lệ với tín hiệu radio của nguồn phát. Dựa trên mối quan hệ này mà khi ta đo được giá trị tần số phát thì có thể xác định tọa độ x.

Từ trường Gradient dọc trục Oy có chức năng mã hóa pha cho xử lý tín hiệu. Tương tự trên thì giá trị pha tín hiệu có quan hệ đến độ lớn Gradient cũng như tọa độ y. Khi xác định giá trị pha ta có thể tính vị trí y tương ứng. Bản thân pha của tín hiệu là như nhau và bằng pha của tần số radio phát ra. Để thực hiện mã hóa pha từ trường Gradient trên trục Oy sẽ được kích thích trong thời gian nhỏ đủ để làm thay đổi pha của toàn bộ lớp chụp làm cho pha của mỗi vị trí có giá trị khác nhau. Sau đó ta tắt từ trường Gradient trục oy thì pha tín hiệu sẽ giữ nguyên trạng thái thay đổi và được thu nhận. Tín hiệu thu được sẽ là giá trị tần số và pha. Những giá trị này sẽ được tính toán để xác định chính xác tọa độ (x,y) và biểu diễn trên ma trận thông tin về cường độ ứng với mỗi tọa độ đó. Từ đây qua nhiều thuật toán xử lý khác để tạo ra ảnh hoàn chỉnh.

Vậy từ trường Gradient được ứng dụng trong thu tín hiệu và có vai trò trong quá trình chọn lớp của MRI.

4./ Cấu tạo

MRI là một thiết bị hiện đại, có cấu tạo phức tạp, và nguyên tắc tạo ảnh tương đối khó. Để hiểu rõ về MRI, cần phải có kiến thức chuyên sâu về vật lý hạt nhân. Do đó, chúng ta nên bắt đầu tìm hiểu về MRI từ việc đơn giản nhất, là “nhìn” sơ qua các bộ phận của MRI. Sau đó chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về cơ chế để có được ảnh MRI. Về mặt phần cứng, thiết bị MRI thường gồm các bộ phận chủ yếu như sau :

Hình 2. Cấu trúc cắt dọc của hệ thống cộng hưởng từ.

1. Một nam châm (magnet) lớn dạng hình trụ, rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân có thể nằm lọt bên trong. Nam châm này sẽ tạo ra từ trường B0 đồng nhất (cố định) ở không gian bên trong ống trụ này (Hình 3). Chúng ta thường nghe nói MRI 1.5T, thì 1.5T (Tesla, đơn vị đo từ thông) chính là giá trị B0. Hiện nay, thiết bị MRI dùng trong nghiên cứu có thể đạt tới 7T. Từ trường B0 làm cho các mômen từ trong mô (kí hiệu M, magnetization) sắp xếp theo chiều của B0. Đối với các hệ thống MRI kín, cường độ từ trường cao, phải dùng nam châm siêu dẫn (superconducting magnet) có cấu tạo bên trong như Hình 4.

Hình 3. Hình dạng ngoài của cuộn nam châm siêu dẫn

2. Một cuộn tạo từ trường biến thiên (the gradient coil) tạo ra các từ trường tĩnh theo thời gian, nhưng thay đổi theo không gian (Hình 5). Tương ứng với ba trục X, Y, Z là ba cuộn dây X, Y, Z (X coil, Y coil, Z coil), tạo ra các từ trường biến thiên Gx, Gy và Gz. Các từ trường biến thiên theo không gian này cần để chọn lớp cắt. Ngoài ra, nó còn để xác định vị trí (thông qua việc mã hoá pha và mã hoá tần số từ trường M) trong lớp cắt được chọn.

3. Một cuộn phát thu sóng điện từ RF (radiofrequency coil) (Hình 6), để phát ra xung điện từ B1 làm xoay từ trường M ra khỏi chiều của từ trường B0 và để thu nhận tín hiệu cộng hưởng do quá trình xoay của từ trường M về lại chiều ban đầu dưới tác dụng của B0. Cấu tạo của cuộn này có thể thay đổi tuỳ thuộc theo cơ quan cần quan tâm để đạt được hình ảnh tốt nhất về cơ quan đó.

4. Máy tính và các phụ kiện để quản lý nam châm, bộ phát thu, và cuộn tạo từ trường biến thiên; để xử lý và lưu trữ tín hiệu cộng hưởng từ; và để tái tạo, lưu trữ và hiển thị ảnh. Như vậy, thiết bị MRI gồm bốn phần chính: nam châm tạo từ trường B0, cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo không gian G (Gx, Gy, Gz), cuộn phát thu sóng điện từ và hệ thống máy tính xử lý. Từ trường B0 nhằm làm cho các môment từ trong mô sắp xếp theo một hướng xác định. Các từ trường G­x, Gy, Gz dùng để chọn lớp cắt (khi cho một thành phần một giá trị xác định) hoặc xác định vị trí của điểm cần khảo sát. Bộ thu phát RF tạo ra từ trường B1 nhằm tạo ra sự thay đổi từ trường tại một vị trí xác định và thu nhận từ trường phản hồi từ mô vị trí này (từ trường M). Tín hiệu thu được (từ trường M) từ trong cơ thể phát ra là rất nhỏ. Do đó, thiết bị cần có lưới chắn từ (shield) để chống ảnh hưởng của sóng điện từ bên ngoài.

NXQ