Thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân MRI (Magnetic Resonance Image)

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 />