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

Bài viết trình bày các thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân MRI: cơ sở phương pháp; nguyên lý tạo ảnh; gradient; cấu tạo thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân MRI.

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