Nguyên lý chụp cộng hưởng từ

Khi đặt bệnh nhân vào từ trường, các proton: Tự xếp hàng trong từ trường ngoài theo 2 hướng song song và đối song song, tạo các mức năng lượng khác nhau... Proton nhận năng lượng  c

NGUYÊN LÝ CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ

BS PHAN CHÂU HÀ BM.Chẩn Đoán Hình Ảnh –

ĐHYD TP HCM

ROCKY MOUNTAIN, COLORADO, USA

MRI Dept., ST VINCENT HOSP., CT, USA

10/2003

MỤC TIÊU

1 Lịch sử phát triển CHT

2 Cấu tạo hệ thống CHT

3 Các bước ghi hình CHT

4 Ưu điểm của CHT

1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

 1952: Felix Bloch và Edward Purcell đoạt giải Nobel Prize với ‘NMR” (Nuclear Magnetic

Resonance)

 1973: Paul Lauterbur/ hình CHT đầu tiên

 1977: Raymond Damadian : Máy CHT đầu tiên

 1987: EPI/ real time khảo sát hoạt động tim

 1993: fMRI

HÌNH ẢNH MÁY CHT

ĐẦU TIÊN 1977

Dr Raymond Damadian

HÌNH ẢNH MÁY CHT ĐẦU TIÊN 1977

HÌNH ẢNH CƠ THỂ NGƯỜI TRÊN MÁY

CHT ĐẦU TIÊN

HÌNH ẢNH CƠ THỂ NGƯỜI TRÊN MÁY

CHT HIỆN NAY

HÌNH CỘT SỐNG CỔ THỰC HIỆN TRÊN MÁY CHT 1.5 T

2 HỆ THỐNG CHỤP CHT

1 Nam châm: Độ lớn từ trường: 0,2 T – 2.0 T ; > 3 T

2 COIL:

- Các cuộn chênh từ (gradient coil)

- Cuộn phát sóng RF (Body coil)

- Cuộn thu tín hiệu tạo ra: volume coil, surface/local coil, phase array coil, body coil.

- Shim coil

3 Hệ thống xử lý tín hiệu

4 H thống làm nguội H thống làm nguội ệ ệ

5 Camera quan sát bệnh nhân

6 Lồng Faraday

Máy CHT mở

MÁY SIEMENS MAGNETOM Avanto 1.5T, Tim [76 x 18]

Hệ thống Avanto giúp giảm thời gian chụp, xử lý ảnh và

tăng chất lượng hình ảnh.

TỪ TRƯỜNG MÁY MRI

Đơn vị: Tesla hay Gauss

1 tesla = 10.000 gauss

Gauss : nhà toán học Đức, người đầu tiên đo từ trường trái đất

Tesla : cha đẻ của dòng điện xoay chiều.

Từ trường ≥ 1T được xem như từ trường cao, tạo chất lượng hình ảnh tốt hơn nhiều so với từ trường thấp.

NAM CHÂM

Có 3 loại:

Nam châm vĩnh cửu (permanent magnets) Nam châm có điện trở (resistive magnets) Nam châm siêu dẫn (superconducting

magnets)

Nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu

(permanent magnets)

Ưu điểm: không dùng năng lượng để hoạt động.

Khuyết điểm:

• Không tạo ra từ trường cao.

• Nặng ( VD: 1 nam châm 0.3 T có thể nặng 100 tấn!)

Nam châm có điện trở (resistive magnets)

Dùng năng lượng điện nên gọi là nam châm

điện: từ trường tạo ra do dòng điện qua cuộn dây.

Ưu điểm:

Tạo ra từ trường cao hơn nam châm vĩnh cửu.

Khuyết điểm:

Mức tiêu thụ điện, nước (làm nguội) cao.

Khó đạt được từ trường > 1.5T vì tạo ra rất nhiều nhiệt

Nam châm siêu dẫn(superconducting magnets)

Được dùng rộng rãi hiện nay.

Là nam châm điện.

Chứa một chất dẫn điện đặc biệt Chất này sẽ mất điện trở nếu bị làm nguội xuống nhiệt độ -269 độ

liên tục và tạo ra từ trường ổn định liên tục

Những chất làm lạnh là Helium, nitrogen.

Ưu điểm: tạo ra từ trường cao và rất đồng nhất

Khuyết điểm: giá thành cao

Cuộn chênh từ (gradient coil)

Thay đổi từ trường bằng cách tạo ra những trường điện từ thêm vào, giúp chọn lát cắt và xác định tín hiệu thu được từ proton

nào.

Các cuộn chênh từ chuyển động liên tục

suốt thời gian chụp gây ra tiếng ồn.

Cuộn phát sóng RF (Body coil)

Là phần gắn cố định vào máy và bao quanh bệnh nhân.

Phát xung RF kích hoạt proton

Cuộn thu tín hiệu tạo ra

Dùng nhận tín hiệu tạo ra.

Có các loại:

- Volume coil: chụp đầu

- Surface/local coil: chụp cổ tay, khớp…, đặt trực tiếp coil lên vùng khảo sát và có dạng tương ứng với vùng khảo sát, khuyết điểm là có thể không nhận được tín hiệu từ các cấu trúc sâu.

- Phase array coil: chụp khớp vai…

- Body coil: chụp bụng, chậu, đùi, chân…

Shim coils

Dùng để thực hiện quá trình gọi là

“shimming” nhằm điều chỉnh về điện –

cơ, làm tăng sự đồng nhất từ trường.

Lồng Faraday

Tín hiệu MRI tương đối yếu Do đó, sự can thiệp của sóng RF bên ngoài phòng chụp có thể làm giảm chất lượng hình.

Do đó, dùng lồng Faraday để bao bọc toàn bộ tường, trần, sàn phòng MRI, nhằm

ngăn cản sóng RF bên ngoài phòng MRI ảnh hưởng đến sóng RF được dùng trong hệ thống máy MRI.

3 CÁC BƯỚC GHI HÌNH CHT

Đặt bệnh nhân vào từ trường

Gởi đến 1 sóng radio

Tắt sóng radio

Bệnh nhân phát ra tín hiệu

Nhận tín hiệu và tái tạo hình ảnh

4 ƯU , KHUYẾT ĐIỂM CỦA CHT

ƯU ĐIỂM

1 Bệnh nhân không bị ảnh hưởng bởi tia xạ.

2 Bệnh nhân không bị ảnh hưởng gì về mặt sinh học.

3 Thu được hình hình chụp đa mặt phẳng: coronal,

axial, sagittal hay bất kỳ mặt phẳng nghiêng nào

4 Độ phân giải mô mềm cao.

5 Hiển thị đặc điểm mô tốt hơn khi so với CT.

6 Chụp được MRA kể cả khi không dùng chất tương

phản.

7 Là kỹ thuật hình ảnh không xâm lấn.

8 Chất tương phản tác dụng phụ rất hiếm

KHUYẾT ĐIỂM

1. Giá cao

2. Không dùng được nếu bệnh nhân b ị

chứng sợ nơi chật hẹp hay đonùg kín

3. Thời gian chụp lâu: gặp khó khăn nếu

bệnh nhân nặng hay không hợp tác

4. Vỏ xương và tổn thương có calci khảo sát

không tốt bằng XQ, CT

5. Thời gian đào tạo chuyên môn dài.

6. Không thể chụp bệnh nhân với máy tạo

nhịp tim, các clip phẫu thuật, mô cấy ở

mắt hay tai,…

7. Không thể mang theo thiết bị hồi sức vào

phòng chụp.

5 CHOÁNG CHÆ ÑÒNH CHUÏP CHT

7 SO SÁNH PHƯƠNG THỨC CHT VÀ

CHỤP CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN

- Không dùng tia xạ: H

- Đa mặt phẳng

- Xương: tủy + + +

- Vôi: +

- Mô mềm : + + +

- Contrast: độc thận (-)

- Tương thích thiết bị hồi sức

hỗ trợ : (-)

- Bức xạ ion : tia X

- Một mặt phẳng, tái tạo

- Xương : vỏ + + +

- Vôi: + + +

- Mô mềm: +

- Contrast: độc thận (+)

- Tương thích thiết bị hồi sức hỗ trợ: (+)

+

Các ứng dụng MRI so với CT

- Xuất huyết não

- Bệnh nhân không hợp tác, có thiết bị hồi sức hỗ trợ

Phần lớn tổn thương:

- Bệnh lý chất trắng

- U, viêm

- BL thoái hóa TK,

hủy myelin

- Nhồi máu não : cấp

- Xuất huyết não

- Dị dạng: mạch máu, bẩm sinh

Các ứng dụng MRI so với CT

độ vững, diện khớp.

- Rất tót với việc chẩn đoán các bệnh lý: bất thường

bẩm sinh, thoái hóa cột sống, viêm, xơ cứng rải rác, u…

Các ứng dụng MRI so với CT

Cơ-Xương-Khớp

- U xương, chấn thương

- Được ưa thích hơn để đánh gía khớp: dây chằng, sụn ; các thay đổi tủy xương/u và

nhiễm trùng, hoại tử vô trùng; sự xâm lấn hệ cơ, thần kinh, mạch máu / u ác tính

Các ứng dụng MRI so với CT

- MRI cho nhiều thông tin trong khảo sát tổn thương khu trú và di căn

- Resovist: ưu thế MRI

Các ứng dụng MRI so với CT

Thận Nang, u lành tính, u

đóng vôi ít

Các u xâm lấn mạch máu, có chống chỉ định cản quang chứa iode

Tuyến thượng thận Tốt Tốt

7 ỨNG DỤNG CHT

1. Chụp sọ não

2. Chụp cột sống

3. Chụp mạch máu, ch p m ch b ch huy t Chụp mạch máu, ch p m ch b ch huy t ụ ụ ạ ạ ạ ạ ế ế

4. Chụp vú

5. Chụp xương khớp

6. Khảo sát bệnh lý mô mềm

7. Chụp vùng bụng-chậu

– Ổ bụng và khoang sau phúc mạc

– Chụp mật-tụy (MRCP) và hệ niệu (MRU)

- Vùùng ch u n : Tử cung, 2 phần phụậ ữ

- Vùùng ch u n : Tử cung, 2 phần phụậ ữ

- Vùùng ch u nam: Tuyến tiền liệt và c quan Vùùng ch u nam: Tuyến tiền liệt và c quan ậậ ơơ

sinh d c namụ

sinh d c namụ

(Có hoặc không có Endocoil ) Có hoặc không có Endocoil

- Kh o sát vùng h u mônKh o sát vùng h u mônảả ậậ : rò,áp xe, khảo sát

đông học sàn chậu (khảo sát hình thái và hoạt động co thắt cơ mu- trực tràng trong chẩn đoán nguyên nhân đi cầu khó, vd hậu môn thay vì mở thì đóng khi rặn; bất thường hình thái thành trực tràng như túi sa trực tràng và lồng hậu môn-trực tràng,làm nghẽn đường thoát phân)

8 CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG CHT

1. T1

2. T2

3. Mật độ proton

4. Các chuỗi xung

ĐIỀU GÌ XẢY RA VỚI PROTON

KHI ĐẶT CHÚNG VÀO TỪ

TRƯỜNG NGOÀI?

Khi đặt bệnh nhân vào từ trường, các

proton:

Tự xếp hàng trong từ trường ngoài theo 2

hướng song song và đối song song, tạo các mức năng lượng khác nhau.

Proton xếp song song từ trường ngoài cần năng lượng < proton xếp đối song song

Proton song song từ trường ngoài có số

lượng nhiều hơn.

Sự khác biệt không nhiều: vd 10 000 007/

10 000 000

CHUYỂN ĐỘNG ĐẢO

Là :

Chuyển động của proton

1 proton chuyển động vòng quanh theo 1 hướng nhất định, và các proton chuyển động ngẫu nhiên theo nhiều hướng.

Trục xoay tạo hình nón

Proton

chuyển động đảo dọc theo đường sức

của từ trường

Tần số đảo: proton chuyển động đảo với tần số đảo tính theo phương trình Lamor.

Phương trình Lamor:

ωo = γ Bo

ωo : Tần số đảo ( Mhz hay Hz)

Bo : độ mạnh từ trường ngoài ( Tesla)

γ : tỉ số hồi chuyển: khác nhau ở các mô khác nhau.

ĐIỀU GÌ XẢY RA KHI CÁC PROTON CHUYỂN ĐỘNG SONG SONG VÀ ĐỐI

SONG SONG THEO TRỤC TỪ

TRƯỜNG NGOÀI?

Các vector từ trường ngược hướng nhau sẽ tự triệt tiêu từ trường lẫn nhau.

Vector tổng cùng hướng từ trường ngoài.

sự từ hóa dọc.

CÓ THỂ ĐO ĐƯỢC LỰC TỪ TRƯỜNG

CỦA BỆNH NHÂN KHÔNG?

Không thể đo được lực

từ trường này nếu

vector từ trường cùng

hướng song song với từ

trường ngoài.

=> Phải đo gián tiếp qua

sự từ hóa ngang.

ĐIỀU GÌ XẢY RA TIẾP THEO SAU

KHI CHÚNG TA ĐẶT BỆNH NHÂN

VÀO TRONG TỪ TRƯỜNG?

Ta gởi đến 1 sóng radio, g i là xung RF ( radio ọ

Ta gởi đến 1 sóng radio, g i là xung RF ( radio ọ

frequency)  làm nhiễu loạn các proton.

Xung RF phải có cùng tần số đảo (cùng vận

tốc) với các proton thì sự trao đổi năng lượng

mới có thể xảy ra.

=> Việc proton nhận năng lượng từ sóng radio gọi là sự cộng hưởng - nguồn gốc của từ “ cộng hưởng từ”

ĐIỀU GÌ XẢY RA VỚI CÁC PROTON

KHI CHÚNG TIẾP XÚC VỚI XUNG RF ?

Proton nhận năng lượng  chuyển sang mức năng lượng cao  giảm sự từ hóa dọc

Đổi hướng, chuyển động theo hướng ngược lại

 triệt tiêu thêm từ trường của những proton còn lại đang cùng hướng từ trường ngoài 

giảm sự từ hóa dọc

=> Vậy:Sự từ hoá dọc giảm khi proton gặp

xung RF.

Proton không chuyển động theo các hướng ngẫu nhiên mà chuyển động đồng bộ, cùng pha:

Ở một thời điểm, các proton chuyển động cùng hướng => các vector từ trường chuyển về cùng hướng, là hướng chuyển động đảo của các

proton - hướng ngang => gọi là sự từ hóa

ngang.

Tóm lại: Sóng radio làm giảm sự từ hóa dọc và thiết lập sự từ hóa ngang.

VECTOR TỪ TRƯỜNG NGANG

MỚI THIẾT LẬP

Proton chuyển động đảo liên tục  năng lượng điện chuyển động liên tục  vector từ trường ngang chuyển động và thay đổi liên tục => tạo ra một dòng điện

Vậy : Vector từ trường ngang chuyển

động tạo ra một dòng điện trong một

antenna Đó chính là tín hiệu MRI.

=> tín hiệu MR cũng có tần số đảo.

LÀM THẾ NÀO TA CÓ TÍN HIỆU

MRI TỪ DÒNG ĐIỆN NÀY?

Dùng từ trường không đồng nhất, có cường độ khác nhau ở mỗi điểm trong cơ thể bệnh nhân sẽ tạo ra tần số đảo của các proton

khác nhau

Proton bị ảnh hưởng bởi từ trường từ các

nhân lân cận  tần số đảo cũng khác

nhau Sự khác biệt từ trường bên trong là

đặc trưng cho một mô.

Kết quả:

Proton ở các vị trí khác nhau trong cơ thể bệnh nhân sẽ chuyển động đảo với tần số khác nhau

 tín hiệu MRI khác nhau ở các điểm trong cơ thể

 giúp ta nhận ra tín hiệu phát ra từ vị trí xác định nào trong cơ thể bệnh nhân.

ĐIỀU GÌ XẢY RA NẾU TA TẮT

XUNG RF ?

Với xung RF, tất cả proton quay tròn cùng pha, đồng bộ, ta sẽ nhận được tín hiệu như đã mô tả ở trên.

Sau khi tắt xung RF, các proton không còn trong một pha và khi chúng có các tần số đảo khác

nhau, chúng sẽ ra khỏi pha ngay.

Tắt sóng RF  toàn bộ hệ thống trở về trạng thái bình ổn ban đầu.

Quá trình thư duỗi dọc: quá trình trở về vector từ hóa dọc.

Quá trình thư duỗi ngang: quá trình trở về vector từ hóa ngang.

Lý do: các proton không nhận năng lượng từ xung RF, trở về mức năng lượng thấp ban

đầu và bắt đầu “đi bằng chân” trở lại.

Không phải tất cả các proton thực hiện quá trình này cùng lúc Đây là quá trình xảy ra liên tục, lần lượt từ proton này đến proton

khác.

ĐIỀU GÌ XẢY RA VỚI NĂNG LƯỢNG MÀ CÁC PROTON ĐÃ NHẬN TỪ XUNG RF ?

Năng lượng này sẽ được truyền ra môi

trường xung quanh , gọi là “lattice”- Đây

là lý do gọi quá trình này là spin lattice

relaxation.

Sự từ hóa dọc tăng trở lại, và cuối cùng trở

về giá trị ban đầu.

ĐƯỜNG CONG T1

Sự khôi phục quá trình từ hóa dọc theo thời gian tương ứng với đường cong T1

Thời gian để khôi phục sự từ hóa dọc là thời gian thư duỗi dọc (longitudinal

relaxation time).

Dễ dàng nhớ về T1 qua chữ viết tắt sau:

T1 = longitudinal relaxation time

= spin-lattice-relaxation time

T1 = Tl

ĐIỀU GÌ XẢY RA VỚI SỰ TỪ HÓA

ĐƯỜNG CONG T2

Thời gian thư duỗi ngang T2 là 1 hằng số

Dễ dàng nhớ về T2 qua chữ viết tắt sau: T2 = transversal relaxation time

T2 = T x 2 = T T

T1 dài hơn T2.

THỜI GIAN THƯ DUỖI DÀI BAO NHIÊU?

T2 : từ hóa ngang giảm xuống còn 37%

giá trị ban đầu.

=> Do đó ta không thu được hình có tên gọi T1, T2 mà là hình T1-weighted hay T2-

weighted

YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN T1

1 Độ mạnh từ trường ngoài.

2 Thành phần mô.

Theo phương trình Lamor :

Từ trường mạnh hơn  proton chuyển

động đảo nhanh hơn  khó trao năng

lượng cho môi trường xung quanh vốn có từ trường dao động chậm hơn  thời gian hồi phục dọc T1 dài.

Giải thích

Khi môi trường xung quanh chứa các phân tử

nhỏ (nước)  chuyển động quá nhanh 

proton khó giải phóng năng lương => proton

chậm trở về mức năng lượng thấp => thời gian khôi phục từ hóa dọc kéo dài => T1 nước/ dịch dài.

Khi môi trường xung quanh chứa các phân tử

kích thước vừa (hầu hết mô cơ thể có thể xem

như chất lỏng chứa các phân tử kích thước khác nhau) proton chuyển động và có từ trường dao động gần bằng tần số Lamor => năng lượng

truyền dễ dàng hơn => T1 ngắn.

Mỡ : những kết nối C ở cuối các acid béo có tần số gần bằng tần số Lamor nên việc truyền năng lượng dễ dàng  T1 ngắn

KẾT QUẢ

Nước, các chất lỏng, các mô bệnh lý (thường chứa

hiệu thấp trên hình T1W

nước thuần nhất thấp hơn tín hiệu các mô chứa nước trên hình T1W.

ĐƯỜNG CONG T1

- Nước, mô bệnh lý (viêm, u, phù…chứa nhiều nước hơn mô bình thường có tín hiệu thấp trên hình T1W (T1 dài).

- Mỡ tín hiệu cao trên hình T1W (T1 ngắn).

T1W

YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG T2

Khi các phân tử nước chuyển động quá nhanh, từ trường của chúng dao động nhanh, do đó không có sự khác biệt lớn ở độ mạnh từ trường ở các vị trí khác nhau bên trong mô  proton truyền năng lượng ra xung quanh chậm

hơn  proton ở trong pha lâu hơn  T2 dài hơn.

Với các chất lỏng không thuần nhất, ví dụ chúng có các phân tử lớn hơn, không thể chuyển động vòng quanh

nhanh  có sự khác biệt lớn hơn về từ trường tại chỗ 

sự khác nhau về tần số đảo  proton truyền năng lượng

ra xung quanh nhanh hơn proton ở trong pha ngắn hơn

 T2 ngắn hơn.

KẾT QUẢ

Nước, các chất lỏng, mô bệnh lý (thường chứa lượng nước nhiều hơn mô bình thường ) : T2 dài  tín hiệu cao trên hình T2W.

Nước có T2 dài hơn T2 của các chất lỏng không thuần

nhất chứa các phân tử lớn hơn  tín hiệu của nước thuần nhất cao hơn tín hiệu các mô chứa nước trên hình T2W.

ĐƯỜNG CONG T2

- Nước, mô bệnh lý (viêm, u, phù…chứa nhiều nước hơn mô bình thường có tín hiệu cao trên hình T2W (T2 dài).

T2W

ỨNG DỤNG :

Thời gian thư duỗi thay đổi liên quan đến tín hiệu các mô bình thường và bệnh lý trên phim.

Retro- ortbital fat White matter Internal capsule Thalamus

Cerebellar gray matter Caudate nucleus

Cortical gray matter Cerebrospinal fluid Ocular vitreous

Cerebrospinal fluid Ocular vitreous Cortical gray matter Cerebellar gary matter Caudate nucleus

Orbital fat Cortical white matter Internal capsule

Fat Cortical gray matter Cerebellar gray mattre Caudate

Cortical white matter Intrenal capsule

CSF Bone Air

Short T1 (White)

Long T1 (Black)

Long T2 (White)

Short T2 ( Black)

High proton density (White)

Low proton density (Black)

T2 prolonged (white)

XUNG 90 độ, 180 độ

Xung 90 độ: Xung RF làm quay sự từ hoá 90 độ (ví dụ từ dọc ra ngang).

Xung 180 độ: Xung RF làm quay sự từ hoá 180 độ.