Đề tài chụp cộng hưởng từ MRI

Giới thiệuChụp cộng hưởng từ hay MRI Magnetic Resonance Imaging là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio.Nguyên lý cộng h

Dương Văn Khoa 20091437 ĐK&TĐH2.

Giáo viên hướng dẫn:

TS Nguyễn Lan Hương

Phần 1 Giới thiệu

Chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonance Imaging) là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio.Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được Felix Block và Edward Puroel phát hiện vào năm 1946, cộng hưởng từ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1950 Năm 1952, 2 nhà vật

lý Felix Block và Edward Puroell được tra giải Nobel Vật lý nhờ sự phát hiện và ứng dụng cộng hưởng từ Năm 1980, chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động để tạo ảnh cơ thể người Năm 1987, MRI được ứng dụng trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch bằng kỹ thuật cardiac MRI Năm 1993, ứng dụng MRI để chẩn đoán các bệnh lý não thần kinh Ngày nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng

từ (MRI) đã trở thành phổ biến trong y học chẩn đoán hình ảnh trên thế giới cũng như tại các bệnh viện lớn của Việt nam

NST giới thiệu vài thông tin về Kĩ thuật MRI đã có ở nước ta để các bạn tham khảo

1/ Sự hình thành phương pháp chụp cộng hưởng từ

Felix Block và Edward Purcell đã phát hiện ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vàonăm 1946 Cộng hưởng từ được ứng dụng và bắt đầu phát triển ở những nước tiêntiến vào những năm 1950 đến 1970 và giải Nobel vật lý năm 1952 cho 2 nhà vật lýtrên đã tạo tiền đề cho việc phát triển MRI

Tiến sỹ Raymond Damidian đã công bố kết quả công trình nghiên cứu về cấu trúc cơthể con người, theo kết quả này ông phát hiện ra rằng cơ thể con người phần lớn lànước và nước có thể phát ra một tín hiệu mà có thể dò tìm được Đó chính là cơ sở để

áp dụng cho việc tạo ảnh từ cộng hưởng từ

7 năm sau ông cùng các cộng sự đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ra một thiết bịchụp ảnh cấu trúc cơ thể con người bằng cộng hưởng từ

Năm 1980 chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên ra đời và sử dụng cho việc chụp hìnhảnh y tế.Năm 1987 chụp cộng hưởng từ có một bước tiến mới khi đưa cộng hưởng từvào việc chẩn đoán các bệnh lý tim mạch.Năm 1993 cộng hưởng từ được ứng dụngcho việc chẩn đoán chức năng và hoạt động của não

Đến ngày nay Cộng hưởng từ ( MRI ) đã trở thành phổ biến và được ưa chuộng trong

kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh bởi tính chính xác và độ an toàn của nó Nó đã thay thế

được một số phương pháp chẩn đoán phải dùng một số thiết bị xâm nhập cơ thể do đó

nó tránh được nhiều rủi ro cũng như giảm sự đau đớn của người bệnh

Hình 1.1 Cơ chế tạo từ trường

Cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonnance Imaging) ngày nay được sử dụng rộng rãi bởi sự chính xác, an toàn và không xâm nhập cơ thể, MRI đã đáp ứng và thay thế cho một số phương pháp phải sử dụng thiết bị xâm nhập cơ thể gây nguy hiểm đếntính mạng cũng như gây đau đớn cho bệnh nhân, với độ phân giải cao hình ảnh 3 chiều của MRI đem lại một hình ảnh sắc nét về một hay nhiều bộ phận của cơ

thể MRI không sử dụng tia bức xạ để tạo ảnh như X-Quang hay Cắt lớp ( CT ) do vậyngười chụp không bị ảnh hưởng bởi tia X

Ngày nay với các hệ thống MRI hiện đại lồng kín sử dụng nam châm siêu dẫn (các hệ thống có từ lực từ 1 Tesla trở lên) đã có các ưu thế vượt trội về độ phân giải, tốc độ chụp, độ dày lát chụp, so với các hệ thống mở sử dụng nam châm cổ điển ( các hệ thống có từ lực dưới 1 Tesla) nên đã đáp ứng hầu hết các chỉ định chuyên khoa sâu

như tim mạch, sọ não, thần kinh, mạch máu, giúp các chẩn đoán và điều trị của bác

sỹ đạt độ chính xác cao

Chụp MRI là phương pháp đưa cơ thể vào vùng từ trường cực mạnh đang hoạt động theo một chiều nhất định, tất cả các nguyên tử trong phân tử nước của cơ thể đang chuyển động tự do theo nhiều chiều và dưới sự tác động của từ trường có định hướng của hệ thống MRI sẽ thay đổi chiều chuyển động theo một hướng nhất định sau đó các

hệ thống thu tín hiệu sẽ bắt được chiều chuyển động của các nguyên tử này để truyền

về hệ thống vi tính xử lý tín hiệu và tạo ra hình ảnh Khi cơ thể ra khỏi vùng từ trườngnày thì các nguyên tử trong phân tử nước lại trở lại trạng thái bình thường

2/ Các đặc điểm của MRI

Hiện nay trong các phương pháp ứng dụng cho chẩn đoán hình ảnh thì MRI là một phương pháp tiên tiến và hiện đại nhất vì thế nên đây cũng là phương pháp đem lại giátrị chẩn đoán và điều trị cao nhất:

 Hình ảnh MRI cho phép tiếp cận trực quan đến nhiều cấu trúc phức tạp trong cơthể để đánh giá các chức năng hoạt động của chúng mà không cần xâm nhập

 MRI là phương pháp tốt nhất để phát hiện sớm và đánh giá tình trạng các khối u

 Các mô mềm như tim, gan, thận, phổi, cũng được chụp và tạo ảnh 3D với khoảng cách điểm ảnh 1mm để dễ dàng phát hiện các tổn thương nhỏ nhất và rõnhất mà các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác không có được

 MRI là phương pháp tạo ảnh dựa trên nguyên lý cộng hưởng của từ trường mà không sử dụng tia X nên tránh cho bệnh nhân khỏi ảnh hưởng của tia X

Tuy nhiên MRI có một số yếu tố cần chú ý:

 MRI là vùng từ trường mạnh nên nếu bệnh nhân có các vật hoặc thiết bị hỗ trợ bằng kim loại trong cơ thể sẽ gây nhiễu hình ảnh hoặc không được chỉ định chụp

 Phụ nữ có thai dưới 12 tuần tuổi nên hạn chế chụp MRI cho dù chưa có khuyếncáo nào về tác hại đến sức khỏe của các tổ chức y tế trên thế giới

 Chi phí cho ca chụp MRI thường cao hơn một số phương pháp như siêu âm, Quang, CT,

Trong đó : f là tần số tuế sai của spin.

 là hệ số hồi chuyển từ của hạt nhân sử dụng (hệ số quay tuế sai)

Hình 2.1 : Chuyển động xung quanh từ trường của proton

Nếu trong mặt phẳng vuông góc với từ trường B Ta tạo từ trường B’ có cùng tần số quay với momen từ dipol Khi vector B’ quay đồng bộ với momen từ dipol làm

thay đổi góc  , B và  Khi có sự cân bằng giữa tần số quay của vector B’ sẽ sinh

ra cộng hưởng Đó chính là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

Sử dụng xung kích thích thì =kT;

T là thời gian kích thích của xung

Hình 2.2 Sự suy giảm của từ trường.

(a)Tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian T2 để mặt X-Y biên độ A=A0e-t/T2

(b)Sự bao trùm của từ trường với vị trí cân bằng với trục Z: A= A0e-t/T1e-t/T0

Khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, vật thể đó có khả năng hấp

thụ và bức xạ lại các xung điện từ ở một tần số cụ thể Khi hấp thụ, trong vật thể đó

diễn ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnectic Resonance: NMR)

Tần số cộng hưởng của các vật thể mô thông thường nằm trong dải tần của sóng vô tuyến (radiofrequency: RF) Còn khi bức xạ, vật thể đó cũng phát ra các tín hiệu vô tuyến

Cơ thể chúng ta cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%) Trong thành phần của phân tử nước luôn có nguyên tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton Do đó, nó có một mômen từ lớn Từ

điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro

để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các

thương tổn

Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào

từ trường đó

Quá trình chụp MRI gồm có 4 giai đoạn Nguyên lý của 4 giai đoạn như sau:

 Giai đoạn 1: Sắp hàng hạt nhân

Mỗi proton trong môi trường vật chất đều có một mômen từ tạo ra bởi spin (xoay) nộitại của nó Trong điều kiện bình thường, các proton sắp xếp một cách ngẫu nhiên nênmômen từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau do đó không có từ trường dư ra để ghi nhậnđược Khi đặt cơ thể vào máy chụp MRI, dưới tác động từ trường mạnh của máy, cácmômen từ của proton sẽ sắp hàng song song cùng hướng hoặc ngược hướng của từ

trường Tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ hóa thực (net

magnetization vector) Các vectơ từ sắp hàng song song cùng chiều với hướng từtrường máy có số lượng lớn hơn các vectơ từ sắp hàng ngược chiều và chúng khôngthể triệt tiêu cho nhau hết Do đó vectơ từ hoá thực có hướng của vectơ từ trường máy

Đó là trạng thái cân bằng Trong trạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào có thể

được ghi nhận Khi trạng thái cân bằng bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được hình thành.Ngoài sự sắp hàng theo hướng của từ trường máy, các proton còn có chuyển động đảo(Precession), tức quay quanh trục của từ trường máy Chuyển động đảo là một hiệntượng vật lý sinh ra do sự tương tác giữa từ trường và động lượng quay của proton.Chuyển động đảo giống như hiện tượng con quay, nó làm cho proton không đứng yên

mà đảo quanh trục của từ trường bên ngoài (Hình 1) Tần số của chuyển động đảonằm trong dải tần số của tín hiệu RF và được xác định bằng phương trình Lamor Khiphát xung RF cùng tần số với proton đang chuyển động đảo thì proton hấp thụ năng

lượng xung tạo nên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân.

Hình 2.3: Mô tả một proton có mômen từ µ được đặt trong từ trường ngoài B 0 và có

chuyển động đảo ρ

 Giai đoạn 2: Kích thích hạt nhân

Sau giai đoạn sắp hàng hạt nhân, cuộn phát tín hiệu (transmitter coil) của máy phát ra các xung điện từ ngắn (đo bằng mili giây) gọi là xung tần số vô tuyến (radiofrequency pulse: xung RF) Vì các xung phát ra có tần số RF tương ứng với tần số cộng hưởng của proton nên một số năng lượng sẽ được proton hấp thụ Sự hấp thụ năng lượng này sẽ đẩy vectơ từ hoá làm chúng lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy Hiện tượng này gọi là kích thích hạt nhân (Hình 2.4)

Hình 2.4: Mô tả quá trình kích thích hạt nhân (cộng hưởng) và quá trình dãn

(bức xạ năng lượng dưới dạng tính hiệu RF)

Có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa dọc (longitudinal magnetization), song song với từ trường của máy và từ hóa ngang (transverse

magnetization), vuông góc với từ trường máy

Từ hóa dọc là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy Đó chính là

trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên Trạng thái này được duy trì cho đếnkhi có một xung RF tác động làm vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy Khi phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu Quá trình khôi phục (recovery) theo hướng dọc

của từ trường máy gọi là quá trình dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation) (Hình 2.5) Thời gian dãn theo trục dọc(longitudinal relaxation time) là thời

gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó Thời

gian này còn gọi là thời gian T1.

Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô Xung này thường là xung 900

Do hiện tượng cộng hưởng nên vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ

trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vectơ từ hóa ngang (transverse

magnetization vector) Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định, kích thích và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF Từ hoá ngang cũng là một quá trình

dãn gọi là dãn theo trục ngang (transverse relaxation) Khi ngắt xung RF,

vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0 Thời

gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là thời gian dãn theo

trục ngang (transverse relaxation time) (Hình 2.5) Thời gian này còn gọi

là thời gian T2 Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1.

Hình 3: Mô tả quá trình từ hoá dọc và từ hoá ngang M 0 là vectơ từ hoá thực ở trạng thái cân bằng Y là hướng của vectơ từ hoá ngang M Z là vectơ từ hoá khi

dãn theo trục dọc.

 Giai đoạn 3: Ghi nhận tín hiệu

Khi ngắt xung RF, các proton hết bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnhhưởng của từ trường máy (gọi là quá trình dãn theo trục dọc như đã trình bày ở trên) Trong quá trình này, khi mômen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại

Giai đoạn 4: Tạo hình ảnh

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ từ vật thể mô sau khi được cuộn thu nhận tín hiệu của máy ghi lại sẽ được xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh Cường độ bức xạ từ một đơn vịkhối lượng mô được thể hiện trên phim chụp theo một thang màu từ trắng đến đen Trong đó màu trắng là cường độ tín hiệu cao, màu đen là không có tín hiệu (Hình 2.6)

Hình 2.5: Mô tả mối liên hệ giữa thời gian T1, T2 với mức độ từ hoá và cường độ tín

hiệu trên phim chụp.

Trong quá trình dãn (tăng lại) của từ hoá dọc, các mô khác nhau sẽ có mức từ hoá khác nhau Vì thế tốc độ tăng sẽ khác nhau, hay nói cách khác giá trị T1 khác nhau

Mô với giá trị T1 ngắn hơn có tốc độ tăng lại sự từ hoá dọc nhanh hơn Do vậy, trong suốt thời gian này nó có mức từ hoá cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn và xuất hiện trên ảnh sáng hơn

Trong quá trình phân rã sự từ hoá ngang, các mô khác nhau có mức từ hoá khác nhau

do đó tốc độ phân rã khác nhau, hay T2 khác nhau Giá trị T2 dài tức mô có mức nhiễm từ cao, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và sáng hơn trong ảnh so với mô có giá trị T2 ngắn Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tương phản T2, nhưng tương phản T2 tăng dần trong quá trình dãn

Có thể thấy rằng, phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang Mặt khác, như trên đã trình

bày, trong thời gian T1 khi mômen từ của các proton khôi phục theo chiều dọc dưới ảnh hưởng của từ trường máy thì tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi

là vectơ từ hóa thực Độ lớn của vectơ từ hoá thực phụ thuộc vào mật độ proton của

mô đó Giữa hai mô lân cận, dù thời gian T1 có thể bằng nhau nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hoá sẽ khác nhau Vì thế cường độ tín hiệu bức xạ ra cũng khác nhau nên sẽ tạo ra tương phản ảnh khác nhau Nhờ đó ta có thể nhận biết riêng biệt được chúng qua sự tương phản trên ảnh Nếu hai mô có giá trị T1 khác

nhau, thì sự tương phản sẽ càng tăng lên Nhưng khi các mô tiến dần đến trạng thái

cân bằng thì mật độ proton lại trở thành một yếu tố chính ảnh hưởng đến tương phản

giữa hai mô

Như vậy, ưu điểm vượt trội của phương pháp tạo ảnh MRI so với các phương pháp khác là ở chỗ ta có thể chọn các đặc tính khác nhau của mô để tạo ra tương phản hiển thị trên phim chụp Có 3 đặc tính cơ bản của mô là nguồn tương phản ảnh : (1) mật độ proton kết hợp với thời gian dãn dọc T1, (2) thời gian dãn dọc T1, (3) thời gian dãn ngang T2

Khái niệm TR, TE, T1W, T2W, PD và PDW

Như đã biết ở trên, cường độ tín hiệu tăng dần từ 0 đến cực đại trong thời gian T1 và giảm dần từ cực đại trở về 0 trong thời gian T2 Nhằm tạo ra sự tương phản tốt nhất vềhình ảnh của các mô, người ta phải chọn thời điểm T1 và T2 thích hợp để thu nhận các tín hiệu bức xạ cung cấp cho quá trình tạo ảnh TR và TE chính là các thông số về thời gian đo tín hiệu được người vận hành máy thiết lập trước khi chụp MRI

TR (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn dọc đến khi mức độ từ

hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Xác định giá trị TR là xác định thời điểm chụp ảnh

TE (Time of Echo event) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn ngang đến khi mức

độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Các giá trị kết hợp giữa TE và

TR được chọn qua các bảng tuỳ thuộc vào từng loại mô

Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2, ta thu được các tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt Ảnh của T1 và T2 trong trường hợp

này gọi là T1 điều chỉnh (T1-weighted: T1W) và T2 điều chỉnh (T2-weighted: T2W).

Nhằm tạo ảnh T1 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TR tương ứng với thời gian mà tại đó tương phản T1 lớn nhất giữa hai loại mô Nếu lựa chọn TR dài hơn sẽ tạo ra cường độ tín hiệu lớn hơn nhưng tương phản T1 ít hơn Việc lựa chọn TR thích hợp với các giá trị T1 của mô rất có ý nghĩa trong chẩn đoán lâm sàng, đặc biệt khi phân biệt giữa mô lành và mô bệnh lý Nếu giá trị TR được chọn bằng giá trị T1 của

mô, đó là ảnh được chụp khi mô trở lại 63% sự nhiễm từ mô của nó

Nhằm tạo ảnh T2 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TE tương ứng với thời gian

mà tại đó tương phản T2 lớn nhất giữa hai loại mô Tương phản T2 cực đại thu được bằng cách dùng TE tương đối dài Tuy nhiên, nếu dùng TE quá dài thì sự nhiễm từ và tín hiệu RF lại quá thấp để hình thành một ảnh

Một kỹ thuật tạo ảnh hay gặp nữa là PD PD (Proton Density) là ảnh khảo sát mật độ

proton Như đã nói trên, khi sự nhiễm từ dọc đạt giá trị cực đại thì tương phản theo thời gian T1 sẽ kém đi Lúc này tương phản ảnh do mật độ proton của mô quyết định

Do vậy, nếu ta chọn giá trị TR tương đối dài để tạo ảnh tương phản mật độ proton thì

gọi là ảnh mật độ proton điều chỉnh (Proton Density-weighted: PDW).

Phần 3: Cấu tạo

Về mặt phần cứng, thiết bị MRI thường gồm các bộ phận chủ yếu như sau :

Hình 3.0 Cấu tạo của máy chụp cộng hưởng từ MRI

Hình 3.1: Sơ đồ khối của thiết bị chụp cắt lớp CHTHN

Thiết bị chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân bao gồm một số các thành phần chínhnhư sau:

• Hệ thống nam châm gồm các cuộn nam châm siêu dẫn: tạo ra từ trường chính cựcmạnh 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)

• Hệ thống thu nhận tín hiệu gồm bộ tiền khuếch đại, bộ tách sóng pha cầu phương vàthiết bị số hoá: xử lý tín hiệu CHTHN trước khi đưa vào hệ thống máy tính để tái tạoảnh

• Hệ thống máy tính chuyên dụng: Bao gồm hệ thống điều khiển (điều khiển toàn bộquá trình chụp), hệ thống lưu trữ,xử lý và tạo ảnh, hệ thống phân tích hiển thị ảnh…

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 bêntrong như Hình 3.3

Hình 3.2 Hình dạng ngoài của cuộn nam châm siêu dẫn