M C LC
2. 1T ng quan vc ngh ngt và hình nh lai hóa PET/MRI:
2.1.3 Vai trò c ac ngh ngt trong chn đoá nb nh:
C ng h ng t là m t k thu t nhanh, g n, không gây tác d ng ph , là m t ph ng pháp ch n đốn hình nh hi n đ i, hi u qu và ph bi n trên th gi i. MRI đ c s d ng đ ki m tra g n nh m i c quan trong c th , k thu t này đ c bi t có giá tr trong vi c ch p nh chi ti t não. K t khi MRI mang l i hình nh ba chi u, bác s có th n m đ c thông tin v đ a đi m th ng t n, nh ng thông tin nh v y r t có giá tr trong ch n đoán các b nh lý v não.
2.1.4 T ng quan v PET/MRI và vai trị trong ch n đốn b nh:
So sánh v i hình nh CT, hình nh MRI có nh ng u đi m h n h n: hình nh gi i ph u MRI v i đ t ng ph n mô m m cao h n, không s d ng b c x ion hóa, có th đánh giá đ c ch c n ng c a m t s c quan. Tuy nhiên đ nh y c a MRI v n còn thua xa đ nh y c a PET (đ nh y c a PET là 10212 mol/l, đ nh y c a MRI là 1025 mol/l). PET v n là m t thành ph n thi t y u nh t c a hình nh phân t . i v i các ch đ nh MRI, ng i ta c n c vào các giao th c (protocol) cho: t i máu, khuy t tán, quang ph đ phát hi n chuy n hóa. S k t h p hình nh ch c n ng c a PET và MRI s b tr cho nhau trong nhi u tr ng h p (vd: ch n đốn q trình b nh, ch c n ng não,).
S k t h p MRI và PET l n đ u tiên đ c th c hi n trên các máy riêng bi t, sau đó hình nh đ c ch ng ghép c h c lên nhau. S ch ng ghép này phù h p cho não nh ng v i các c quan khác có nhi u khó kh n do sai s c a d ch chuy n. Vi c s d ng m t thi t b duy nh t đ th c hi n c hai k thu t ch p làm cho vi c ch ng
9
ghép hình nh tr nên d dàng h n. Ý t ng thi t b PET/MRI đã s m đ c n y sinh và mơ t tr c khi có thi t k th c c a PET/CT, khó kh n k thu t khi các ph ng th c ho t đ ng c a PET và MRI tác đ ng l n nhau làm cho vi c k t h p 2 ph ng th c tr nên c c k ph c t p, các xung c a sóng vơ tuy n có t n s radio (RF) c a MRI nh h ng đ n các thi t b đi n t c a PET, và ng c l i các thành ph n PET c ng có th làm méo mó tr ng đi n t c a MRI. Ch t l ng hình nh PET là thách th c l n nh t đ i v i h th ng PET/MRI b i vì hi u ch nh b n đ v s suy gi m c ng đ b c x r t khó kh n khi ghép cùng v i MRI, chính ph n c ng c a MRI và các v t li u dày đ c khác làm suy gi m đáng k tín hi u c a các b c x .
Do đó vi c thi t k ra m t thi t b PET/MRI đ ng tr c là m t quá trình r t lâu dài và t n kém, giá tr m t h th ng PET/MR đ ng tr c hi n nay cao g p 5-8 l n giá tr c a m t thi t b MRI đ n l . Cơng ngh ch n đốn hình nh k t h p m i này nh m m c đích cung c p thơng tin v ngun nhân, tác đ ng, và s phát tri n c a nhi u b nh lý khác nhau v i đ chính xác và ch c ch n cao.
2.2 C s lý thuy t
2.2.1 Nguyên lý c b n c ng h ng t MRI
2.2.1.1 T tr ng – kh n ng t hóa c a các ch t:
Trong k thu t c ng h ng t , các xung và tín hi u c ng h ng t đ u là các sóng radio, v c b n có d ng hình sin. Các tham s mơ t m t sóng bao g m: chu k , t n s , b c sóng, biên đ và pha.
Các h t c b n c a ngun t có mang đi n tích nh proton và electron đ u quay quanh tr c c a nó vì chúng có tính ch t spin và do đó sinh ra m t t tr ng r t nh có th xem nh là m t nam châm.
N c chi m m t t l r t l n trong c th (>70%) và hydro có th t o tín hi u c ng h ng t l n nên ng i ta d a vào moment t c a proton trong nguyên t hydro (g m 1 proton và 1 electron) đ ghi nh n nh c ng h ng t .
10 2.2.1.2 t hóa th c
Khi khơng có tác d ng c a t tr ng ngoài, các proton quay quanh tr c c a chúng v i h ng c a các tr c quay hoàn toàn ng u nhiên, khi đó t tr ng c a chúng t ng tác và bù tr qua l i, k t qu moment t t ng b ng 0.
Khi có s tác đ ng c a t tr ng ngoài B0 đ l n, các proton s s p x p theo chi u song song và đ i song v i B0. Th c t đo đ c lâm sàng cho th y: ng v i m t tri u proton trong c th , s l ng proton cùng chi u v i B0 ch nhi u h n m t ho c hai so v i s proton ng c chi u, s khác bi t r t nh này chính là đ t hóa th c M0, là t tr ng c s đ t o ra tín hi u c ng h ng t . t hóa th c t ng lên khi c ng đ t tr ng B0 t ng và do đó tín hi u c ng h ng t t l v i c ng đ t tr ng B0
Hình 2.6 Moment t t ng khi đ t trong t tr ng ngoài [1] 2.2.1.3 Vector đ t hóa th c:
mô t hi n t ng c ng h ng t , ta xây d ng m t h tr c t a đ g m 03 tr c Ox, Oy, Oz vng góc v i nhau t ng đôi m t, tr c z là tr c th ng đ ng theo chi u tác đ ng c a t tr ng ngoài B0, m t ph ng Oxy vng góc v i tr c z, t tr ng ngoài B0 gây ra m t đ t hóa th c M0 có vector h ng cùng chi u v i B0, do đó đ t hóa th c cịn đ c g i là đ t hóa d c, t i B0 các proton đang quay v i t n s Lamor.
11 2.2.1.4 Tr ng thái n ng l ng c a Proton:
Khi proton có tr c quay cùng chi u v i chi u tác đ ng c a t tr ng, nó tr ng thái n ng l ng th p và b n v ng. Khi proton có tr c quay ng c chi u v i chi u tác đ ng c a t tr ng, nó tr ng thái n ng l ng cao, kém b n v ng và có xu h ng gi i phóng n ng l ng đ tr v tr ng thái n ng l ng th p (cùng chi u v i t tr ng). Theo lý thuy t l ng t , proton có kh n ng h p th ho c gi i phóng m t photon đ chuy n t tr ng thái n ng l ng cao sang tr ng thái n ng l ng th p và ng c l i.
Trong th c t , proton không h nguyên m t tr ng thái mà luôn luôn t ng tác v i nhau (t ng tác spin – spin) và t ng tác v i môi tr ng xung quanh (t ng tác spin – lattice) gi i phóng và h p thu n ng l ng đ chuy n qua l i gi a các tr ng thái. Tuy nhiên, nhìn chung s proton cùng chi u và ng c chi u v i t tr ng ngoài hoàn toàn n đ nh.
2.2.1.5 T n s c ng h ng:
T c đ quay c a các proton đ u gi ng nhau và ph thu c vào t tr ng ngồi.
Hình 2.7 T n s Lamor [31] Ph ng trình trên là ph ng trình Lamor, Trong đó:
12 f0: t n s quay (còn g i là t n s )
H ng s lamor /2 (t s h i chuy n, t n s ti n đ ng) c a proton t i t tr ng 1T (Mhz/T).
13 B ng 2.1 T n s Lamor c a m t sô nguyên t . [15]
NUCLEUS /2 ( MHz/T) 1H 42.58 13C 10.7 17O 5.8 19F 40.0 23Na 11.3 31P 17.2 B ng 2.2 T n s Lamor đ i v i t tr ng khác nhau.[15]
ELEMENT FIELD STRENGTH
0.5T 1.5T 3.0T 1H 42.58X0.5= 21.29 MHz 42.58X1.5 = 63.87 MHz 127.74 MHz 42.58X3.0= 31P 17.2X0.5= 8.6 MHz 17.2X1.5= 25.8 MHz 17.2X3= 51.6 MHz T s h i chuy n là m t h ng s đi v i t ng v t ch t riêng bi t.
C ng đ t tr ng B0 t l v i t n s Lamor, do đó khi B0 t ng lên thì t n s Lamor c ng t ng lên và ng c l i.
2.2.1.6 Hi n t ng c ng h ng t h t nhân:
Hi n t ng c ng h ng t xu t hi n khi m t ph n t t kích thích các dao đ ng nhi u lo n đ chúng có cùng t n s v i nó. Các proton s t ng n ng l ng và c ng h ng n u n ng l ng đ c nh n chính xác v i t n s h i chuy n c a nó.
14
N ng l ng t i t n s h i chuy n c a Hydro t t c các t tr ng trong h th ng MRI t ng ng v i b ng t n c a sóng radio trên ph đi n tr ng. x y ra hi n t ng c ng h ng t c a Hydro, ng i ta s d ng m t xung RF t ng ng chính xác v i t n s Lamor c a vector t hóa th c c a Hydro (NMV – Net Magnetization Vector).
Hình 2.8 Kích thích c ng h ng.[1]
Các h t nhân c a các nguyên t khác trong c th th ng hàng v i B0 không b c ng h ng, vì t n s h i chuy n c a chúng khác v i c a Hydro. i u ki n kích thích là áp d ng xung RF đ t o ra hi n t ng c ng h ng. S h p th n ng l ng này làm các spin c a proton t ng n ng l ng và tr thành các h t có m c n ng l ng cao, s khác nhau gi a 2 m c n ng l ng này chính là n ng l ng c n thi t đ t o ra c ng h ng thông qua s kích thích. Khi c ng đ t tr ng t ng lên, s khác bi t n ng l ng gi a 2 m c này c ng s t ng lên và do đó c n nhi u n ng l ng h n (t n s l n h n) đ t o ra c ng h ng.
Khi phát m t xung RF v i t n s b ng t n s Lamor t o ra m t t tr ng B1 vng góc v i B0, do B1 quay quanh Z v i t n s c ng h ng c a các proton nên đ i v i các proton thì t tr ng B1 coi nh đ ng yên, là t tr ng t nh gi ng nh B0. D i tác d ng c a t tr ng B1 trong m t th i gian nh t đ nh, vector M0 thay đ i và l ch ra kh i tr c Z m t góc theta (góc l t) và có giá tr tùy thu c vào c ng
15
đ t tr ng B1và th i gian phát xung. Góc theta th ng đ c dùng đ đ t tên xung RF đã t o ra nó (Xung RF 900, RF 1800……).
Hình 2.9 Góc l t [31] Xung 900
D i tác d ng c a xung kích thích kéo dài trong m t kho ng th i gian và v i m t t n s thích h p thì vector t hóa th c M0 đang h ng theo tr c Z s b l t ngang 900 và n m xu ng m t ph ng xy. t hóa th c khi đó chuy n hồn tồn thành đ t hóa ngang Mxy quay quanh Z v i t n s c ng h ng Lamor, đ t hóa d c lúc này bi n m t.
Tín hi u c ng h ng t :
Khi cho m t t tr ng B1 d i d ng xung RF quay quanh và vng góc v i tr c Z, có t n s quay b ng v i t n s quay c a các proton thì t tr ng B1 s c ng h ng v i t tr ng c a các proton, làm l ch đ t hóa th c M0 ban đ u m t góc theta so v i tr c Z xu ng m t ph ng xy. Khi ng ng phát xung, t tr ng bi n thiên Mxy này s sinh ra m t sóng đi n t (sóng radio) và có th thu nh n đ c b ng anten. Sóng radio này chính là tín hi u c ng h ng t và quá trình t o ra tín hi u c ng h ng t đ c g i là quá trình c m ng c ng h ng t .
16 2.2.1.7 Quá trình h i giãn d c – th i gian T1:
Khi ng ng phát xung RF (900, 1800, 450….), các proton lúc này ch ch u tác d ng c a t tr ng B0 và có xu h ng gi i phóng ph n n ng l ng đã h p th t xung RF vào môi tr ng xung quanh đ tr v tr ng thái n ng l ng th p (tr ng thái cân b ng). ây g i là t ng tác Spin – Lattice (Spin – mơi tr ng). Trong q trình t ng tác Spin – môi tr ng, d i tác đ ng c a t tr ng B0 ban đ u, đ t hóa d c s d n d n đ c khơi ph c l i. Q trình này g i là quá trình h i giãn d c. Kho ng th i gian c n thi t cho quá trình h i giãn d c đ c g i là th i gian h i giãn d c hay th i gian T1.
Trong th c t , T1 chính là th i gian c n thi t đ đ t hóa d c khơi ph c l i kho ng 63% giá tr ban đ u M0 c a nó. T1 là m t tham s đ c tr ng cho m i mô và c ng đ c dùng đ t o ra đ t ng ph n gi a các mô trên nh c ng h ng t .
Hình 2.10 Quá trình h i giãn d c T1 [31]
ng cong bi u di n m c đ h i ph c c a vector t hóa d c theo th i gian cho th y h n phân n a đ l n c a vector t hóa d c đ c ph c h i r t nhanh. khơi ph c hồn tồn M0 c n ph i m t m t th i gian g p 4 đ n 5 l n th i gian T1. Do đó, trong th c t T1 có giá tr trong kho ng 100 ms đ n 3000 ms.
Trong th c t , th i gian gi a các xung RF liên ti p nhau không đ đ xây d ng d li u th i gian T1, do đó đ t hóa M khơng th khơi ph c l i b ng v i M0. ng d ng c a xung RF li n k đ hoàn t t th i gian T1 s l t đ t hóa M vào m t ph ng ngang nh ng v i c ng đ nh h n xung RF đ u tiên.
17
Hình 2.11 Th i gian l p xung TR [3]
Khi kho ng th i gian gi a các xung RF không đ đ M ph c h i thành M0, t i th i đi m phát xung RF th hai ch có M’ (a). N u kho ng th i gian trên l p l i l n n a, ch có M’’ t n t i (b). Giá tr M’’ < M’ nh ng đ chênh l ch này s nh h n gi a M và M’. Kho ng th i gian gi a hai l n phát xung kích thích đ c g i là th i kích ho c th i l p, vi t t t là TR (time repetition).
Trong tr ng h p TR dài h n ho c b ng v i T1, nên khi phát xung l n th hai, đ t hóa d c h u nh đã khơi ph c hồn tồn và tín hi u c ng h ng t có đ c sau khi phát xung l n th hai c ng gi ng nh tín hi u sau khi phát xung l n th nh t.
Trong tr ng h p th i kích TR nh h n nhi u so v i T1, khi phát xung l n th hai, đ t hóa d c ch m i khôi ph c đ c m t ph n (Mz). Trong tr ng h p này, đ t hóa d c Mz này b l t ngang vào m t ph ng xy, t o ra m t đ t hóa ngang M’xy nh h n đ t hóa ngang Mxy c a l n phát xung đ u tiên. t hóa ngang M’xy này t o ra tín hi u l n th hai nh h n so v i tín hi u l n m t.
V i nh ng l n phát xung ti p theo sau đ c l p l i sau m i kho ng TR, đ t hóa d c Mz đ c khơi ph c l i d i tác d ng c a t tr ng B0 s khá n đ nh và có đ l n tùy thu c vào s chênh l ch gi a TR và T1 c a mô.
Trong các ng d ng lâm sàng, s khác bi t v th i gian T1 gi a các mô th ng đ c t n d ng đ t o hình c ng h ng t , cho phép chúng ta phân đ nh rõ ranh gi i gi a chúng. Trên hình c ng h ng t , các mơ có th i gian T1 khác nhau
18
càng l n thì m c đ tr ng đen gi a chúng càng rõ, t c là đ t ng ph n cao. Hình c ng h ng t s d ng m c đ khác bi t T1 gi a các mô đ t o đ t ng ph n đ c g i là hình tr ng T1.
2.2.1.8 Quá trình h i giãn ngang – th i gian T2:
Sau khi t t xung kích thích, v nguyên t c đ t hóa ngang ch m t h n khi đ t hóa d c đã khơi ph c l i hoàn toàn. Tuy nhiên, trong th c t đ t hóa ngang th ng m t khá nhanh, đ ng ngh a v i tín hi u c ng h ng t c ng m t khá lâu tr c khi đ t hóa d c khơi ph c xong.
Do tác d ng tr c đó c a xung kích thích, sau khi t t xung các proton v n còn quay cùng pha v i nhau. Theo th i gian, các proton va ch m v i nhau và l ch pha,