Giáo trình tạo ảnh cộng hưởng từ

Tạo ảnh cộng hởng từGS-TS Hoàng Đức Kiệt Tạo ảnh cộng hởng từ Magnetic Resonance Imaging - MRI là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh đợc ứng dụng trong y học lâm sàng từ đầu thập kỷ 80 với

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN TẠO ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ

Tạo ảnh cộng hởng từ

GS-TS Hoàng Đức Kiệt

Tạo ảnh cộng hởng từ (Magnetic Resonance Imaging - MRI) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh đợc ứng dụng trong y học lâm sàng từ đầu thập kỷ 80 với tên gọi ban đầu là Cộng hởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Nuclear) vì các tín hiệu sinh ảnh bắt nguồn từ các hạt nhân nguyên tử hydrogen trong các mô cơ thể

Do những lợi ích của kỹ thuật đối với chẩn đoán bệnh và tính không độc hại, công nghệ cộng hởng từ (CHT) đã phát triển rất nhanh cả về số lợng và chất lợng Năm 2002 đã có hệ thống cộng hởng từ với từ lực 3 Tesla sử dụng trong lâm sàng bệnh viện Đặc biệt ngày 06 tháng 10 năm 2003 giải Nobel Y học đã đợc trao cho Paul C LAUTERBUR (Mĩ) và Peter MANSFIELD (Anh) vì những phát minh gắn liền với phơng pháp tạo ảnh cộng hởng từ Những áp dụng chính của CHT là các bệnh lý sọ não, cột sống và tuỷ sống, cơ xơng khớp Hiện nay khám xét CHT đang ngày càng mở rộng cho các tạng bụng, lồng ngực và cả tim mạch; thời gian thăm khám ngày càng rút ngắn và chất lợng ảnh cũng nhanh chóng cải thiện nhờ các tiến bộ của điện tử - tin học Một hớng mới là chẩn đoán bằng quang phổ CHT (Spectroscopy) và tạo ảnh chức năng cũng đang trong thời kỳ phát triển mạnh

ở Việt Nam, hệ thống máy CHT đầu tiên dùng nam châm vĩnh cửu với từ lực 0,064 Tesla (640 Gauss) đợc lắp đặt tại Trung tâm MEDIC thành phố Hồ Chí Minh tháng 7 năm 1996 và

hệ thống máy CHT nam châm siêu dẫn đầu tiên có từ lực 1,0 Tesla (10.000 Gauss) đã đa vào

sử dụng tại bệnh viện Hữu Nghị Hà Nội tháng 12 năm 1996 Vào thời điểm giữa năm 2005, tại Hà nội có 02 máy siêu dẫn và 05 máy nam châm vĩnh cửu; tại Huế có 01 máy nam châm vĩnh cửu; tại Đà nẵng có 01 máy nam châm vĩnh cửu và tại TP Hồ Chí Minh có 03 máy siêu dẫn, 02 máy nam châm vĩnh cửu; tổng số là 14 máy với 80 Triệu dân

I Lợc sử

Thời kỳ 1920 đến 1930, các vật lý gia tích cực nghiên cứu về từ tính riêng của hạt nhân nguyên tử, đặc biệt là nguyên tử hydrogen vì nó là hạt nhân đơn giản nhất, chỉ có 1proton Năm 1924 Otto Stern và Walter Gerlach đã chứng minh đợc sự tồn tại của một mô men từ bên trong nguyên tử Sau đó Isidor Rabin và cộng sự đã xác định đợc điện tích trong các thành phần của hạt nhân nguyên tử là không đối xứng và công trình này đã dẫn đến thí nghiệm đầu tiên đo lờng hiện tợng "Cộng hởng từ hạt nhân" (CHT hạt nhân là do I.Rabin đặt tên) Các phát minh nói trên đã đa lại cho O.Stern giải Nobel vật lý học năm 1943 và I.Rabin giải Nobel năm 1944

Năm 1945, Felix Bloch và Edward Purcell đã thực hiện đợc việc đo lờng mô men từ các proton tại hai điểm khác nhau trên đất Mỹ Thí nghiệm của hai ông cho thấy hạt nhân nguyên tử của một số nguyên tố nhất định khi đặt chúng trong một từ tr ờng, đã cộng hởng với sóng radio và phát ra những tín hiệu có tần số radio ,và đặc tính của các tín hiệu này cung cấp những thông tin về thành phần hoá học của một chất Nhờ phát minh trên, hai ông

đã mô tả đợc những nguyên tắc của quang phổ cộng hởng từ hạt nhân (CHTHN) Thành quả này đa lại cho F.Bloch và E.Purcell giải Nobel vật lý học năm 1952 Kỹ thuật quang phổ CHTHN ngày càng phát triển và hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi trong các phòng phân tích hoá học

Năm 1971, Raymond Damadian đã chứng minh đợc trên thực nghiệm là các tín

hiệu CHTHN thay đổi theo hàm lợng nớc chứa bên trong các mô tổ chức khác nhau và theo

đó có thể phân biệt đợc mô lành và mô bệnh

Cùng khoảng thời gian đó, Paul Lauterbur đã tạo đợc những ảnh CHTHN đầu tiên và ông gọi

đó là một kỹ thuật tạo ảnh mới với tên là Zeugmatography

Các tín hiệu CHTHN mang theo những thông tin về môi trờng hoá học và vật lý học của hạt nhân nhng vị trí phát ra tín hiệu cha xác định đợc Để giải quyết vấn đề này P Lauterbur đã ghép thêm vào từ trờng chính một từ trờng yếu hơn để tạo ra những bậc chênh lệch từ lực gọi

là cuộn chênh từ (gradient coil) Các vị trí chênh từ này sẽ giúp định vị các tín hiệu và tạo ra hình ảnh

Năm 1974 các nhà nghiên cứu ở trờng đại học Alberdeen (Anh) đã tạo đợc ảnh CHTHN của chuột, sau đó R Damadian cũng tạo đợc ảnh của chuột và tiếp sau đó là lồng ngực ngời Năm 1980 nhóm nghiên cứu Nottingham (Anh) đã tạo đợc những ảnh có giá trị lâm sàng đầu tiên của não ngời Ta thấy có sự trùng hợp là các ảnh chụp cát lớp đầu tiên cũng là của não ngời , có thể do não là tạng tĩnh và do đó thời gian tạo ảnh dài cũng không gây ảnh h ởng

đáng kể

Tháng 10 năm 2003, giải Nobel y học đã đợc trao cho Paul Lauterbur (Mĩ) và Peter Mansfield (Anh) vì những đóng góp lớn cho phơng pháp cộng hởng từ y sinh học

Hãng đầu t sản xuất máy CHTHN trên thị trờng đầu tiên là EMI (Anh) và đây cũng chính là hãng đầu tiên đã sản xuất máy chụp cắt lớp vi tính (CLVT) Khoảng giữa thập kỷ 80 nhiều hãng đã sản xuất đợc máy CHTHN Cùng với sự phát triển các ứng dụng lâm sàng của kỹ thuật này, từ hạt nhân trong cụm từ CHTHN đã bị loại bỏ vì các nhà tiếp thị không muốn khách hàng có ý tởng về sự liên quan của vũ khí hạt nhân với kỹ thuật tạo ảnh mới Ngày nay tên gọi kỹ thuật máy này chỉ còn là tạo ảnh cộng hởng từ (Magnetic Resonance Imaging)

và quang phổ CHT (Magnetic Resonance Spectroscopy)

CHT hiện nay đợc sử dụng rộng rãi trong y học để nghiên cứu hệ thần kinh trung ơng, cơ

x-ơng khớp và các hệ thống nội tạng khác đồng thời với những ứng dụng trong lĩnh vực hoá sinh học

II Những điểm cơ bản về vật lý học và tạo ảnh cộng hởng từ

Muốn sử dụng có hiệu quả kỹ thuật CHT trong lâm sàng, các bác sĩ cần nắm đợc các nguyên tắc vật lý , hoá học của kỹ thuật, từ tính riêng của hạt nhân nguyên tử, hạt nhân bị tác

động ra sao dới tác động của sóng radio và quá trình sinh ra tín hiệu CHT

Các bớc quan trọng nhất của một quá trình tạo ảnh gồm :

• Bệnh nhân đợc đặt vào trong một từ trờng

• Hệ thống ăng ten thu tín hiệu và tạo ảnh

1 Những phần cứng quan trọng của một hệ thống máy CHT tạo điều kiện thực hiện các bớc nói trên.

Từ trờng là một khối nam châm có phần trống ở giữa để có thể đặt bệnh nhân vào Nhiều cuộn dây nhỏ đợc gắn thêm vào nam châm (shim coils) để tăng độ đồng nhất của từ trờng Các cuộn dây truyền sóng radio vào ngời bệnh trong khi các cuộn dây khác lại nhận tín hiệu

từ bệnh nhân phát ra Máy tính điện tử làm nhiệm vụ xử lý và hiện thị ảnh trên màn hình Hầu hết các hệ thống máy CHT trong thực hành lâm sàng đều lấy hạt nhân của nguyên

tố hydrogen làm cơ sở (hình 10-1) Hydrogen là nguyên tố tham gia nhiều nhất trong mô cơ thể ngời (khoảng 1019 hạt nhân H/mm3); độ tập trung hydrogen ở mô cũng cao nhất (100 mmol/kg) và mô men từ của hạt nhân H cũng mạnh nhất (mô men có nghĩa là từ lực theo h -ớng của từ trờng) Những đặc tính riêng nói trên có phép tín hiệu của hạt nhân H mạnh gấp

1000 lần tín hiệu của hạt nhân các nguyên tố khác trong cơ thể Trong lâm sàng, sự phân biệt các mô lành và mô bệnh, CHT phát hiện sự khác biệt tín hiệu nhờ thành phần nớc trong mô (cũng tức là thành phần hydrogen của nớc khác nhau) và vì vậy hydrogen đợc sử dụng trong

kỹ thuật CHT

2 Các mô cơ thể và từ trờng hạt nhân

Hạt nhân của một nguyên tử chứa neutron không mang điện tích và proton mang điện tích dơng Mọi proton đều tự quay trục của chính nó và tạo ra một từ trờng riêng (theo định luật một điện tích hoặc dòng điện chuyển động sẽ sinh ra một từ trờng) Mỗi proton, do đó,

có một từ trờng và từ trờng đợc định hớng theo hai cực giống nh một thanh nam châm Trong hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố có số proton là số chẵn và số neutron cũng là số chẵn các mô men từ riêng của từng proton sẽ ghép đôi và triệt tiêu lẫn nhau; ngợc lại hạt nhân của các nguyên tố có số proton hoặc số neutron là số lẻ đều có thể tham gia tạo ảnh CHT nh natri

23 (11 proton, 12 neutron), phosphor 31 (15 proton, 16 neutron),Kali 39 (19 proton, 20 neutron)

Trong mô cơ thể ngời khi ở điều kiện bình thờng, các từ trờng hạt nhân hydrogen định h-ớng phân tán tự do và vì vậy mô cơ thể không sinh ra đợc từ trờng (hình 10-2a) Khi ngời bệnh ở trong một từ tờng (khối nam châm của máy CHT), từ trờng ngoài này sẽ sắp xếp các

từ trờng riêng của các proton H trong mô theo hớng song song hoặc đối song song (khoảng

6-8 cho 1 triệu proton), số chênh lệch này tạo ra 1 mômen từ đồng h ớng với từ trờng ngoài (M0) (hình 10-2b) Mômen từ nói trên của mô cơ thể rất khó có thể đo đợc vì cùng hớng với

từ trờng ngoài mà từ trờng ngoài lại mạnh hơn rất nhiều lần

Khi hạt nhân H bị đặt trong một từ trờng ngoài rất mạnh, proton tiếp tục xoay quanh trục nhng hớng lúc này không còn phân tán tự do nữa mà chỉ có thể song song hoặc đối song song với từ trờng ngoài (Bo) có trục là Z Chuyển động quay của proton lúc này có dạng đảo giống nh chuyển động của chỏm con quay khi sắp đổ (chân giữ yên vị trí và chỏm

đảo quanh trục giữa) gọi là chuyển động đảo (precession) (hình10-3) Tần số đảo còn gọi là

tần số Larmor của proton phụ thuộc vào hai yếu tố: loại nguyên tố hoá học và từ lực của từ trờng ngoài

Phơng trình Larmor cho phép tính ra đợc tần số đảo nói trên:

ω = γB0

ω = Tần số đảo tính theo MegaHertz

γ = Tỷ số hồi chuyển từ của proton, trong trờng hợp này là của hạt nhân hydrogen

B0 = Từ lực của từ trờng ngoài tính bằng Tesla (1 Tesla = 10.000 Gauss)

3 Tạo ra tín hiệu CHT

Khi biết đợc chính xác tần số đảo của một loại hạt nhân nguyên tử nhất định (trong các máy CHT là của hydrogen), ngời ta truyền vào mô cơ thể các xung sóng radio cùng tần số để tạo ra tín hiệu CHT: Các hạt nhân H đang đảo theo tần số Larmor bị kích thích bởi sóng radio cùng tần số sẽ hấp thu năng lợng của sóng radio và đổi hớng mômen từ của mô Hiện tợng nói trên là cộng hởng và vì vậy mang tên đầy đủ là cộng hởng từ hạt nhân (CHTHN) Hớng

từ hoá mô bị thay đổi tuỳ theo biên độ và độ dài của xung sóng radio phát ra Khi hớng từ hoá lệch đi một góc 900 so với trục Z của từ trờng ngoài sẽ tạo ra một lợng từ hoá ngang tối

đa (tại mặt phẳng XY) và một cuộn dây nhận tín hiệu đặt ở mặt phẳng XY sẽ đo đợc mômen

từ hoá ngang của mô cơ thể một cách hiệu quả hơn nếu tìm cách đo tại hớng dọc (M0) Chuyển động đảo của mômen từ hớng ngang (Mxy) sinh ra một dòng điện (rất nhỏ) trong cuộn dây nhận tín hiệu Đặc điểm của dòng điện (tín hiệu) này là biến thiên theo thời gian và

đó chính là cơ sở của sự đo lờng tín hiệu CHT (hình 10-4)

Hình 10-1 Hạt nhân nguyên tử hydrogen chỉ có 1 proton tự xoay quanh trục hạt nhân,

tạo ra một mômen từ : mũi tên chỉ hớng của mômen

A Trong điều kiện bình thờng các

proton H của mô cơ thể có hớng

mômen từ của hạt nhân rất phân

tán

B Khi đặt cơ thể trong một từ trờng mạnh (B 0 ) Các proton H phải định hớng song song hoặc đối song song với B 0 và tạo ra một mômen chung M 0

Hình 10-2: Sơ đồ biểu thị tác động của từ trờng lên các proton H

Hình 10-3: Từ trờng ngoài gây ra các xác định tần số đảo của các proton H Chuyển

động đảo giống nh đỉnh con quay và tần số đảo đợctính theo phơng trình Larmor

N

B

B

Hình 10-4: Sơ đồ quá trình sinh tín hiệu CHT của một mẫu thể tích mô cơ thể

A Cơ thể đặt trong từ trờng B0 sẽ sinh ra một từ trờng M0

B Phát xung radio 900, từ trờng mô chuyển hớng thành Mxy

C Từ trờng Mxy tạo ra tín hiệu suy giảm tự do trong cuộn dây ăng ten quanh cơ thể

X

X

X

Y

Y

Y

Z

Z

Z

M o

M x y

M x y B

C

B o

A

Sóng radio chỉ phát vào cơ thể dới dạng những xung ngắn Giữa các xung là khoảng nghỉ ngắn, trong khoảng nghỉ này lợng từ hoá dọc (Mz) tăng lên lại (hoặc hồi phục) trong khi đó lợng từ hoá ngang (Mxy) giảm đi (hoặc suy yếu đi) vì các proton trở lại dần theo hớng của từ trờng ngoài (B0) Hai quá trình “hồi phục” và “suy yếu” nói trên xảy ra độc lập với nhau và

do những cơ chế khác biệt nhau nhng lại xảy ra đồng thời cùng trong khoảng thời gian nghỉ giữa các xung tần số radio

Thời gian hồi phục T1 (còn gọi là thời gian th duỗi dọc) là khoảng thời gian cần thiết cho 63% lợng từ hoá của mô đạt theo hớng dọc (B0) của từ trờng ngoài sau khi tắt xung radio Tỷ

số hồi phục T1 của proton hydrogen thay đổi ở các mô khác nhau do môi trờng phân tử của các mô khác nhau Thời gian th duỗi T1 của một mẫu tổ chức phản ánh tốc độ truyền năng l-ợng của sóng radio từ proton H cho các cấu trúc mô lân cận nhanh hay chậm Các mô có cấu trúc “lỏng lẻo” nh dịch não tuỷ có thời gian T1 dài

Khi xung tần số radio nghỉ, lợng từ hoá ngang (Mxy) suy giảm do các proton đang đảo

đồng pha (cùng hớng và cùng tần số) bị lệch pha dần dới tác động qua lại với từ trờng hạt nhân xung quanh và vì vậy lợng từ hoá ngang (Mxy) suy giảm tới mức 37% trị giá ban đầu

đợc gọi là thời gian th duỗi ngang Thời gian th duỗi ngang (T2) phản ánh từ lực tại chỗ trong lòng các loại mô Tổ chức mô đặc biệt nh cơ có cấu trúc phân tử cố định và từ trờng của chúng mạnh làm cho các proton nhanh chóng mất đồng pha hơn, thời gian th duỗi ngang (T2) của chúng ngắn hơn

Tóm lại, trị giá T1 và T2 của một mẫu mô cho những chỉ dẫn về môi trờng phân tử của các hạt nhân hydrogen bên trong Những khác biệt trị giá của T1 và T2 giữa mô lành và mô bệnh tạo khả năng phát hiện bệnh của kỹ thuật tạo ảnh CHT

III Kỹ thuật tạo ảnh cộng hởng từ

Phần trên đã giới thiệu nguyên tắc tạo ra tín hiệu CHT trên cơ sở phát xung tần số radio vào mô cơ thể và sau các xung đó, mô cơ thể sẽ phát tín hiệu; tín hiệu này phản ánh môi tr -ờng lý học và hoá học của mô quanh các hạt nhân nguyên tử hydrogen Tuy nhiên khi cơ thể ngời đợc đặt trong một khối nam châm có từ trờng hoàn toàn đồng nhất, các proton H sẽ đảo với cùng một tần số vì theo phơng trình Larmor, tần số đảo của proton H tỷ lệ trực tiếp với từ lực của từ trờng ngoài Nh vậy các tín hiệu thu đợc sẽ không thể phân định đợc vị trí sinh tín hiệu trong phần cơ thể cần khám xét và nh vậy không thể tạo đợc ảnh

Trong kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính , khi bóng X quang quay quanh trục dọc của cơ thể và phát ra quang tuyến X, chùm tia X quét một đờng tròn 3600 vuông góc với trục cơ thể và độ suy giảm tuyến tính của chùm quang tuyến X, sẽ đợc ghi nhận qua các đầu dò điện tử đặt đối diện với bóng X quang ảnh tái tạo của một lớp cắt nhờ các kết quả đo đợc máy tính điện tử lập ra dới hình thức ma trận của một lớp cắt, cho ta ảnh cấu trúc của một lớp cắt ngang Trong tạo ảnh CHT, hình ảnh tạo ra cũng tơng tự kỹ thuật CLVT nhờ một thuật toán phức tạp gọi là chuyền đổi Fourier đợc thực hiện qua một hệ thống máy tính điện tử chuyên dụng Các dữ kiện thô (ban đầu) biến đổi thành ảnh CHT có nguồn gốc từ khoảng k (trong vật lý chất rắn và quang học) nhng quá trình sinh ảnh CHT khác biệt nhiều với kỹ thuật CLVT

Tiến sỹ P.Lauterbur năm 1973 đã giải đáp vấn đề xác định vị trí phát ra tín hiệu CHT trong một khối mô bằng cách gắn thêm một từ trờng yếu hơn (còn gọi là cuộn chênh từ) vào khối từ trờng chính của máy

Cuộn chênh từ là một từ trờng không đồng đều, có từ lực mạnh ở một đầu và yéu dần từng bậc cho tới đầu kia; các cuộn dây này có thể áp dụng cho mọi hớng trong không gian và nhờ đó kỹ thuật tạo ảnh CHT có thể khám xét ở nhiều hớng khác nhau một cách trực tiếp trong khi kỹ thuật CLVT chỉ có một hớng cắt trực tiếp

Từ trờng chênh lệch khi đặt chồng lên từ trờng chính sẽ làm thay dổi từ lực của từ trờng chính Khi đặt theo hớng dọc (Z) của ngời bệnh sẽ tạo ra tình trạng khác biệt từ lực giữa các lớp cắt ngang trục cơ thể và theo phơng trình Larmor, tần số đảo của các proton H tại mỗi lớp cắt cũng phải khác nhau (hình 10-5) Nh vậy khi phát xung tần số Radio vào với một tần số nhất định, chỉ có các proton H trong lớp cắt ngang dự định trớc mới cộng hởng và phát ra tín hiệu, đó là cơ sở của kỹ thuật tạo lớp cắt trong CHT Các xung tần số Radio đặc biệt đ ợc phát vào ngời bệnh, dải tần càng hẹp thì tạo lớp cắt càng mỏng theo hớng ngang (xy) hoặc độ dốc

của các cuộn chênh từ càng lớn thì các lớp cắt càng mỏng (hình 10-6)

Hình 10-5: Đặt thêm các cuộn chênh từ làm cho từ

trờng tăng thêm từ đầu đến chân Từ trờng chênh xác

định tần số Larmor của proton H cho phép xác định

lớp cắt theo trục XY.

Hình 10-6: Khi phát sóng radio có tần

số 63,5-64 MHz tần số Larmor của proton H cho phép xác định lớp cắt mỏng hơn theo trục XY.

Hình 10-7: Sơ đồ hoá kỹ thuật định vị tín hiệu CHT

trong một lớp cắt để tạo ảnh

Để định vị các tín hiệu phát ra từ một lớp cắt chọn trớc, một thiết bị chênh từ thứ hai lại

đợc áp dụng cho hớng khác (thí dụ theo trục Y) làm cho các lớp cắt đợc chia thành những dải mỏng khác nhau về tần số đảo của proton H gọi là mã tần số hoặc khoảng cách chênh đã biết (frequency encoding/read out gradient)

áp dụng bộ chênh lệch từ thứ ba theo hớng X một cách tơng tự nh hai hớng trên (Z và Y)

sẽ khó khăn trong thực tế vì có thể gây ra hai điểm khác nhau trong một lớp cắt cùng có tần

số đảo của proton H Để tránh hiện tợng này ngời ta tắt xung tần số radio của cuộn chênh từ thứ ba muộn hơn một chút làm cho quá trình đảo đồng pha của các proton H theo h ớng X có

sự khác biệt với hớng Y và cho phép phân định các dải Y thành những ô thể tích riêng biệt về tín hiệu, bộ chênh từ thứ ba này đợc gọi là mã hoá pha (phase encoding) (hình 10-7)

Nhờ áp dụng 3 kiểu chênh từ nói trên có thể phân biệt đợc dựa vào tần số khác nhau và pha lệch nhau của các tín hiệu mà xác định đợc vị trí trong không gian mà theo đó máy tính điện tử phân tích và ứng dụng thuật chuyển đổi Fourier để tạo ra ảnh CHT