Tìm hiểu nguyên lý tạo ảnh Cộng hưởng từ MRI

Khi cơ thể bệnh nhân dặt trong từ trờng thì trờng này tạo ra 2 hiệu ứng sau để tạo ảnh :  Sự nhiễm từ mô : là hiệu ứng mô bị nhiễm từ tạm thời do sự sắp xếp lại các proton khi bệnh nhân

I. Sơ đồ khối của hệ thống tạo ảnh MRi.

Hệ thống tạo ảnh MRI có các thành phần chính đợc mô tả trên hình 1.1

Gradien Coil RF Coil

RF Signals

RF Pulses

Hình 1.1 : Hệ thống tạo ảnh cộng hởng từ

1.1 Từ trờng

Trung tâm của hệ thống tạo ảnh cộng hởng từ MRI là một nam châm lớn tạo ra

từ trờng rất mạnh Khi cơ thể bệnh nhân dặt trong từ trờng thì trờng này tạo ra 2 hiệu ứng sau để tạo ảnh :

 Sự nhiễm từ mô : là hiệu ứng mô bị nhiễm từ tạm thời do sự sắp xếp lại các

proton khi bệnh nhân đặt trong từ trờng Hiệu ứng này sẽ mất đi khi bệnh nhân ra khỏi khối từ Nhờ vào hiệu ứng này mà máy MRI cso thể phân biệt dợc mô thờng hay mô bệnh do chúng bị nhiễm từ ở các mức khác nhau

 Cộng hởng mô : Trờng từ cũng gây ra cho mô cộng hởng tại tần số cụ thể Sự

cộng hởng trong mô thờng xảy ra tại proton Trong từ trờng mạnh mô cộng hởng tại một phạm vi tần số radio (RF : Radio Frequency) Điều này khiến cho mô hoạt

động nh một đầu phát và thu radio trong quá trình tạo ảnh

1.2 Các loại nam châm

Có rất nhiều loại nam châm dùng để tạo ra từ trờng nh : nam châm điện , nam châm vĩnh của, nam châm siêu dẫn, nhng hiện nay nam châm siêu dẫn đợc sử dụng rộng dãi do từ trờng mà nó tạo ra lớn nhất ( 1.0 đến 1.5 T )

1.3 Gradient

Khi hệ thống MRI ở trạng thái không toạ ảnh thì từ trờng hoàn toàn đồng đều

trên cơ thể bệnh nhân, nhng khi tạo ảnh thì từ trờng này bị méo dạng với các gradient Gradient là sự thay đổi cờng độ từ trờng từ điểm này đến điển khác trên cơ thể bệnh nhân Gradient đợc tạo ra bằng các cuộn gradient gắn trong nam châm

và bật tắt nhiều làn trong quá trình tạo ảnh để tạo ra từng lớp cắt

 Hệ thống RF : Hệ thống này cung cấp một liên kết thông tin giữa bệnh nhân

với mục đích tạo ảnh Hệ thống này bao gồn các cuộn day RF, nó đóng vai trò nh một anten dùng để truyền và nhận tín hiệu từ mô Thông thờng có hai cuộn thu và phát khác nhau :

Super Conducting Magnet Coil

Super Conducting Magnet Coil

Radio Frequency

Transmitter

Gradient Power Supply

Radio Frequency Receiver

Transform Disk Anlysis Acquisition Control Image Reconstruction Storage and Retrieval and Display

ảnh

Chất lợng ảnh ohụ thuọc vào số chi kì này, càng nhiều chi kì thì chất lợng ảnh càng cao

 Tái tạo ảnh : Máy tính sử dụng một loạt biến đổi toán học Fourier cho các dữ

liệu tín hiệu RF để tạo ra ảnh trong khoảng thời gian cực ngắn

 Lu trữ và khôi phục ảnh : ảnh sau khi đợc tía tạo nó đợc lu trữ trong máy tính

bằng các thiết bị lu trữ (ổ cứng, ổ mềm, đĩa CD vv ) ảnh này phục vụ cho quan sát để chuẩn đoán bệnh

2.1 Định nghĩa cộng hởng từ hạt nhân

Khi một vật liệu đặt trong một từ trờng mạnh, chúng có thể hấp thụ và bức xạ lại bức xạ điện từ có một tấn số cụ thể đợc minh hoạ trên hình 2.1

Magnectic Filed

RF Pluse RF Signal

Tissue Voxel Image Pixel

Hình 2.1 : Nguyên lí cơ bản tạo ảnh cộng hởng từ

Hiện tợng cộng hởng trên gọi là hiện tợng cộng hởng từ hạt nhân ( NMR : Nuclear Magnectic Resonance ) Tần số cộng hởng của các vật liệu mô thông thờng nằm trong dải tần RF, do đó bức xạ phát ra nằm dới dạng các tín hiệu radio Tần số RF

cụ thể phụ thuộc vào từng loại mô

2.2 Tơng tác từ hạt nhân

 Liên kết hạt nhân :

Mỗi một hạt nhân đợc đặc trng bởi một mômen từ Hớng của mômen từ

đợc biểu diễn bởi một mũi tên nhỏ qua hạt nhân

Khi không có từ trờng, các mômen từ hạt nhân này định hớng một cách tự do trong không gian Các hớng này luôn thay đổi do ảnh hởng nhiệt trong vật liệu Khi một vật liệu chứa hạt nhân từ đợc đặt trong một từ trờng, các hạt nhân chịu một mômen quay xắp xếp chúng theo hớng từ trờng Tuy nhiên do hạt nhân luôn rung động bởi nhiệt và ngăn cản chúng xắp xếp song song với từ trờng Thực tế chỉ một phần nhỏ hạt nhân bị xắp xếp theo hớng từ trờng, nó là yếu tố chính để tạo

ảnh

 Cộng hởng :

Khi một hạt nhân từ xắp xếp theo trờng từ, mômen tiến động ( precess ) quay

quanh trục của trờng từ nh hình 2.2

RF Enegry EXCITATION

RELAXATION

Enegry

Hình 2 2: Các tơng tác giữa năng lợng RF và hạt nhân trong từ trờng

Tiến động là một hiện tợng vật lý sinh ra do tơng tác giữa từ trờng và động lợng quay của hạt nhân Hiện tợng tiến động giống nh hiện tợng con quay, nó không

đứng yên lâu đợc mà có lắc l hay còn gọi là tiến động Điều quan trọng là tần số quay của tiến động nằm trong dải tần số của tín hiệu RF, điều kiện này gọi là cộng hởng

Tần số cộng hởng hạt nhân đợc xác định bằng sự kết hợp giữa các đặc tính của hạt nhân và năng lợng của từ trờng Tần số này đợc xác định bằng phơng trình Lamor Với mọi hạt nhân tần số cộng tỉ lệ với cờng độ từ trờng Tăng cờng độ từ trờng làm tăng áp lực lên hạt nhân do đó cũng làm tăng tần số cộng hởng Tần số Lamor cho các hạt nhân trong từ trờng 1 T là:

Hydro-1 42,48MHz

Flo-19 40,5MHz

Photpho-31 17,24MHz

Natri-23 11,26MHz

Thức tế một hạt nhân cụ thể có thể điều chỉnh tới các tần số khác nhau bằng cách thay đổi cờng độ từ trờng Tần số cộng hởng của các hạt nhân từ nh các proton cũng bị ảnh hởng bởi cấu trúc phân tử mà nó nằm trong đó

 Kích thích : Nếu năng lợng RF với một tần số tơng ứng với tần số cộng hởng

của hật nhân đợc đặt vào vật liệu, một số năng lợng sẽ đợc hấp thụ do hạt nhân.Sự hấp thụ năng lợng này sẽ đẩy liên kết của chúng ra khỏi hớng của từ trờng Hiện t-ợng này gọi là kích thích

 Dãn : Khi một hạt nhân đang ở trạng thái kích thích, nó chịu một mômen quay

tăng lên cả từ trờng thúc đẩy nó xắp xếp lại Hạt nhân có thể quay lại vị trí ban đầu băng cách truyền năng lợng d thừa cho hạt nhân khác Quá trình này gọi là dãn Dãn không xảy ra ngay sau kích thích mà nó chỉ xảy ra khi có khả năng truyền năng lợng Quá trình truyền năng lợng phụ thuộc vào đặc tính vật lý của vật liệu

2.3 Độ từ hoá mô

Khi mô đặt trong từ trờng, một số hạt nhân xắp xếp theo trờng, hiệu ứng kết

hợp giữa chúng tạo ra từ hoá mô theo hớng cảu trờng Sự nhiễm từ cực đại phụ thuộc vào 3 yếu tố : mật độ của hạt nhân trong voxel mô, độ nhạy của hạt nhân và cờng độ từ trờng Thời gian sự nhiễm từ đạt cực đại chỉ trong vài giây và giữ cố dịnh cho đến khi có các xung RF tác động hoặc thay đổi từ trờng

Có hai sự nhiễm từ dọc và ngang theo hớng của từ trờng

 Dãn và từ hoá dọc

Khi mô đặt trong một tròng từ, nó trở nên bị nhiễm từ theo hớng dọc ( Hớng song song với hớng của từ trờng ) Nó duy trì trạng thái cho đến khi có một xung

RF tác động Nếu sự nhiễm từ tạm thời đợc định hớng lại bằng một xung RF, sau một thời gian nào đó nó sẽ trở về vị trí dọc ban đầu Sự nhiễm từ dọc lại tăng lên gọi là qua trình giãn, nó xảy ra sau một kích thích

Sự nhiếm từ dọc không tăng tuyến tính mà nó tăng theo hàm mũ nh hình 2.3

Hình 2.3 : Sự tăng lên của nhiễm từ dọc trong quá trình giãn

Theo quy ớc thời gian dãn là thời gian cần thiết để sự nhiễm từ đại 63% giá trị cực

đại của nó Thời gian này gọi là dãn dọc hay truyền thông ( T1 ) Sự nhiễm từ có thể coi là khôi phục sau 3 lần gí trị T1 ( 95% ) Khi tạo ảnh theo đặc tính T1, c ờng

độ Pixel liên quan đến mức từ hoá khi ảnh đợc chụp trong quá trình dãn Nó tăng theo thời gian

 Dãn và nhiễm từ ngang

Nhiễm từ ngang đợc tạo ra khi đặt một xung RF lên mô Xung này thờng là xung 900, làm chuyển nhiếm từ dọc sang nhiễm từ ngang Nhiễm từ ngang là trạng thái không ổn định, kích thích, và nhanh chíng phân rã khi kết thúc xung kích Nhiễm từ ngang cũng là một quá trình dãn đặc trng bởi thời gian T2 (hình 2.4) Các mô khác nhau có thời gian T2 khác nhau, do dó dựa vào đặc tính này ta có thể phân biệt các loại mô khác nhau và tạo ra tơng phản ảnh

Sự nhiễm từ ngang đợc dùng trong quá trình hình thành ảnh vì hai lí do sau : (1) tăng độ tơng phản ảnh trên các giá trị T2 khác nhau, (2) tạo ra tín hiêu RF phát ra

từ mô T2 thờng nhỏ hơn T1 đối với phần lớn các loại mô Khi tạo ảnh dựa theo T2 , cờng độ pixel liên quan đến mức từ hoá khi ảnh đợc chụp Nó giảm theo thời gian

Hình 2.4 : Dãn ( phân rã ) của nhiễm từ ngang

u điểm vợt trội của phơng pháp tạo nảh MRI so với các phơng pháp tạo ảnh khác là ở chỗ ta có thể chọn các đặc tính khác nhau của mô để tạo ra tơng phản hiển thị trên màn Có 3 đặc tính cơ bản của mô là nguồn tơng 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

3.1 TR

TR ( Time of Repetition ) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn dọc và khi sự

nhiễm từ đợc đo để tạo ra tơng phản ảnh TR là khoảng thời gian của chu kì thu nhận ảnh hoặc thời gian lặp lại chu kỳ

3.2 TE

TE ( Time to Echo event ) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn ngang và khi

sự nhiễm từ đợc đo để tạo ra tơng phản ảnh Sự nhiễm từ ngang đợc đo và chuyển

đổi thành tín hiệu RF tại thời gian xảy ra tín hiệu dội

3.3 Mật độ Proton

Mật độ của proton trong mỗi voxel mô xác định mức nhiễm từ cực đại có thể đạt

đợc Sự khác nhau về mật độ proton giữa các mô có thể đợc dùng để tạo ra tơng phản ảnh nh minh hoạ trên hình 3.1 và 3.2

Hình 3.1 : Tơng phản mật độ Proton

Hình 3.2: Sự tăng lên mật độ tơng phản Proton

Hình 3.2 chỉ ra sự tăng lên cảu sựu nhiễm từ dọc với hai loại mô có cùng giá trị T1 nhng mật độ khác nhau Mô với mật độ 80 đạt mức nhiễm từ cực đại tối đa bằng 80% mức nhiễm từ cực đại của mô khác Trên hình vẽ ta thấy mô đạt 95% sựu nhiễm từ sau khoảng thời gian 3 lần T1 Do vậy, giá trị TR ít nhất gấp 3 lần giá trị T1 với mô đợc tạo ảnh để tạo ra tơng phản mật độ proton hoàn toàn

3.4 T1, thời gian dãn dọc

Trong quá trình dãn ( tăng lại ) của nhiễm từ dọc, các mô khác nhau sẽ có mức

nhiễm từ khác nhau do tốc độ tăng khác nhau, hay giá tri T1 khác nhau Hình 3.3

so sánh hai mô với các giá trị T1 khác nhau

Hình 3.3: Tơng phản T1 Mô với giá trị T1 ngắn hơn có tốc độ tăng lại sự nhiễm từ dọc nhanh hơn Do

vậy, trong suốt thời gian này nó có mức nhiễm từ cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn,

và xuất hiện trên ảnh sáng hơn

Tại thời điểm bắt đầu của mỗi chi kỳ tạo ảnh, sự nhiễm từ dọc giảm xuống đến không do xung RF, và sau đó tăng trở lại hay dãn trong suốt chu kỳ Khi chi kỳ chấm dứt giá trị nhiễm từ đo đợc và hiển thị là một cờng độ Pixel, hoặc độ sáng

Thời gian yêu cầu cho một mức tăng trở lại của sự từ hoá dọc thay đổi theo từng loại mô khác nhau, nó đợc mmo tả trên bảng 3.1

Bảng 3.1 Giá trị T1 và T2 với các loại mô khác nhau Mô T2 ( ms) T1(0,5T)(ms) T1(1,5T)(ms)

 Độ nhạy tơng phản T1

Thời gian dãn dọc T1 là một trong 3 đặc tính mô cơ bản có thể chuyển sang

thành tơng phản ảnh Các phơng thức tạo ảnh tín hiệu dội spin, TR là yếu tố xác

định độ nhạy tơng phản ảnh T1 Xác định giá trị TR là xác định thời điểm chụp ảnh hình 3.4 mô tả điều này

Hình 3.4: So sánh dãn dọc

của các mô có gíá trị T1 khác nhau

Trong minh hoạ này, chúng ta dùng hai mô, một mô với T1=250ms và mô kia T1=500ms Tơng phản T1 là sự khác biệt giữa hai đờng cong nhiễm từ tại bất kỳ

điểm nào Lu ý rằng tại thời điểm bắt đầu chu kì (t=0), không có tơng phản Khi hai mô tiến tới sự nhiễm từ cực đại, sự khác nhau giữa hai loại nhiếm từ không còn nữa

Hình 3.5: Sự tiến triển của tơng phản T1 giữa hai loại mô

Nhằm tạo ảnh trọng lợng T1, ngời ta cần trọn một giá trị TR tơng ứng với thời gian mà tại đó tơng phản T1 lớn nhất giữa hai loại mô Nếu lựa chọn TR dài hơn sẽ tạo ra cờng độ tín hiệu lớn hơn nhng tơng phản T1 ít hơn Viêck la chọn TR thích hợp với các giá trị T1 của mô rất có ý nghĩa trong chuẩn đoán lâm sàng, đặc biệt khi phân biệt giữa mô lành và mô bệnh lý Nếu giá trj TR đợc chọn bằng giá trị T1 cảu mô, ảnh đợc chụp khi mô trở lại 63% sự nhiễm từ mô của nó Giá trị này thờng thích hợp giữa độ tơng phản T1 và cờng độ tín hiệu Hình 3.5 mô tả điều này

3.5 T2, thời gian dãn ngang

Trong quá trình phân rã sự nhiễm từ ngang, các mô khác nhau có mức nhiễm từ khác nhau do tấc độ phân rã khác nhau,hay T2 khác nhau Hình 3.6 mô tả mô có giá trị T2 dài có mức nhiễm từ cao, tạo ra tín hiệu mạnh hơn, và sáng hơn trong ảnh

so với mô có giá trị T2 ngắn

Hình 3.6 : Tơng phản T2

Hình 3.6 chỉ ra sự phân rã của sự nhiễu từ ngang với các mô có giá trị T2 khác nhau Mô với giá trị T2 ngắn nhất sẽ mất sự hiếm từ hoá nhanh hơn so với các mô khác

Hình 3.6 So sánh phân rã từ ngang của các mô có các giá trị T2 khác nhau

 Độ nhạy tơng phản T2

Trên hình vẽ thể hiện hai mô bắt dãn ngang với cùng một mức nhiễm từ (100%)

Sự phân rã nhiễm từ xảy ra với các tốc độ khác nhau do các giá trị T2 khác nhau Mô với giá trị T2 dài hơn (100ms) giữ mức nhiễm từ cao hơn mô khác nhau Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tơng phản T2, nhng tơng phản T2 tăng qua quá trình dãn Khi có tín hiệu dội các mức nhiễm từ đợc chuyển thành tín hiệu RF và độ sáng Pixel ảnh; đây là thời đểm TE mà ngời vận hành lựa chọn Tơng phản T2 cực

đại thu đợc bằng cách dùng TE tơng đối dà Tuy nhiên, khi dùng TE dài, sự nhiễm

từ và tín hiệu RF lại quá thấp để hình thành một ảnh

Hình 3.7 : Sự tiến triển của tơng phản T2

4.1 Chu kì tạo ảnh

Một đặc tính chung cho tất cả các phơng thức tạo ảnh là có hai pha khác nhau

trong quá trình thu nhận ảnh nh hình 4.1 Một pha đi cùng với sự nhiễm từ dọc và pha kia đi cùng với sự nhiễm từ ngang Tơng phản mật độ proton và T1 dùng trong pha nhiễm từ dọc và tơng phản T2 dùng trong pha nhiễm từ ngang

4.2 Kích thích

Sự biến đổi từ pha nhiễm từ dọc sang nhiễm từ ngang đợc tạo bằng cách sử dụng

một xung RF gọi là quá trình kích thích Hiện tợng này xảy ra do sự nhiễm

từ ngang biểu diễn một trạng thái không ổn định hoặc bị kích thích hơn so với nhiễm từ dọc

Xung kích thích đợc đặc trng bởi một góc lật Xung kích 900 chuyển tất cả sự nhiễm từ dọc đang tồn tại sang sự nhiễm từ ngang Loại xung này đợc dùng phổ biến trong quá trình tạo ảnh Tuy nhiên, còn một só phơng thức tạo ảnh sử dụng góc lật nhỏ hơn 900, phơng thức này chỉ chuyển một phần nhiễm từ dọc sang nhiễm từ ngang

Hình 4.1 Hai pha của một chu kì tạo ảnh

4.3 Tín hiệu và dội ( Signal and Echo event )

Pha nhiễm từ ngang kết thúc bằng một tín hiệu dội tạo ra tín hiệu RF đó là tín

hiệu đợc phát ra từ mô và đợc dùng để tạo ảnh Tín hiệu dội đợc tạo ra bằng cách

đặt một xung RF hoặc một xung gradient lên mô

4.4 Thời gian dội TE

Trong suốt pha nhiễm từ ngang, TE có thể đợc ngời vận hành điều chỉnh trong

một giới hạn nhất định KHi tăng TE thì độ nhạy tơng phản T2 tăng và cờng độ tín hiệu tăng

4.5 Các phơng pháp tín hiệu dội spin

Có hai phơng thức tạo ảnh đó là tín hiệu dội spin và phơng thức khôi phục ngợc.

 Tín hiệu dội spin ( Spin Echo )

Phơng tức tạo ảnh tín hiệu dội spin đặc trng bởi hai xung kíh 900 và theo sau là xung 1800 để tạo ra tín hiệu dội Độ sáng của các mô đơn lẻ và tơng phản giữa các mô khác nhau đợc xác định bằng mối liên hệ giữa TR và TE và các đặc tính mô cơ bản ( mật độ proton , T1, T2) Trọng lợng của tơng phản ảnh tơng ứng với một đặc tính mô riêng biệt thu đợc bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE

(tơng phản) mang theo từ nhiễm từ dọc tại chu kì trớc Khi nhiễm từ ngang bắt đầu phân rã, nó cũng phân rã tại các tốc độ khác nhau nấu hai mô có thời gian T2 khác nha Điều này dẫn đến sự tăng lên của tơng phản T2 Mật độ proton và tơng phản T1 đợc thay thế dần dần bởi tơng phản T2 Tại 1 thời điểm thích hợp, một xung 180

0 đựơc đặt vào để tạo ra một tín hiệu dội và tín hiệu từ nhiễm từ ngang Cờng độ tín hiệu tỉ lệ với mức nhiễu từ ngang và xác định độ sáng của mô khi nó xuất hiện trên ảnh Hai mô có cờng độ tín hiệu khác nhau sẽ tạo ra tơng phản ảnh khác nhau Để tạo ra tơng phản ảnh dựa trên sự khác nhau T1 giữa các mô, có hai yếu tố cần quan tâm Do tơng phản T1 tăng lên trong pha nhiễm từ dọc tăng lên, các giá trị TR tơng đối ngắn cần đợc dùng để thu nhận tơng phản Yếu tố thứ hai là giữ

t-ơng phản T1 trong suốt thời gian dãn ngang Vấn đề là tt-ơng phản T2 đợc phép tăng lên, nó lại chống lại tơng phản T1 Đó là do các mô có T1 ngắn thì T2 cũng ngắn Các mô với T1 ngắn thì thờng sáng, trái lại, T2 ngắn lại giảm độ sáng

Tơng phản mật độ proton tăng lên khi sự nhiễm từ dọcđạt giá trị cực đại, đwocj xác định bằng mật độ proton trong mỗi mô cụ thể Do vậy, cần phải có giá trị TR

t-ơng đối dài để tạo ảnh trọng lợng mật độ proton Các giá trị TE dài sau đó đợc dùng để cho phép thời gian tơng phản tăng lên Các giá trị kết hợp giữa TE và TR

đợc chọn qua các bảng tuỳ thuộc vào từng loại mô

 Khôi phục ngợc

Khôi phục ngợc là một phơng thức tạo ảnh tín hiệu dội spin dùng cho một mục

đích đặc biệt ứng dụng thứ nhất là tạo ra tơng phản T1 ở mức cao và ứng dụng thứ hai để triệt tiêu tín hiệu và tạo độ sáng của mỡ Ngời ta nhận đợc dãy xung khôi phục ngợc bằng cách thêm một xung 1800 vào dãy tín hiệu dội sip thông thờng,

nh hình 4.3

Short

Hình 4.3 Phơng thức tạo ảnh khôi phục ngợc