ĐẠI CƯƠNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA CỘNG HƯỞNG TỪ

Ủy ban giải Nobel đã công nhận những hiểu biết sâu sắc của các ông trong việc ứng dụng khuynh độ từ trường hiệu quả để định vị về mặt không gian, ghi hình hai chiều nhanh, cũng như đưa v

ĐẠI CƯƠNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA CỘNG HƯỞNG TỪ

BS Hồ Hoàng Phương, BS Đỗ Hải Thanh Anh

Bộ môn Chẩn đoán hình ảnh, Đại học Y dược TP.HCM

* Đối tượng: Sinh viên Y3, YHCT CT2

* Mục tiêu:

1 Nắm được các điểm chính về lịch sử cộng hưởng từ

2 Nắm được những nét chính trong nguyên lý tạo hình cộng hưởng từ

3 Biết các thuật ngữ thường dùng, một số chuỗi xung cơ bản dùng trong cộng hưởng từ

4 Biết được các ứng dụng của cộng hưởng từ trong từng hệ cơ quan, các kĩ thuật đặc biệt tương ứng với bệnh lý từng hệ cơ quan

1 Vài nét về lịch sử cộng hưởng từ:

Cộng hưởng từ là một phương tiện hình ảnh mới, hiện đại, và đang ngày càng được ứng dụng nhiều vào chẩn đoán, theo dõi điều trị, cũng như can thiệp Lịch sử của cộng hưởng từ còn khá trẻ, vào khoảng 30 năm, so với quãng đường 110 năm của tia X Hiện nay, cộng hưởng từ vẫn đang tiếp tục phát triển với nhiều hướng mở trong tương lai Ứng dụng của cộng hưởng từ cũng đã phát triển rộng rãi để khảo sát nhiều vùng cơ thể

Ghi hình cộng hưởng từ được phát triển dựa trên nền tảng những hiểu biết về hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Trong thời gian đầu, kĩ thuật này được gọi là ghi hình cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance imaging) Tuy nhiên, trong ngôn ngữ phổ thông, từ “hạt nhân” thường được liên tưởng với việc phơi nhiễm bức

xạ ion hóa nên sau đó, tên gọi này được rút gọn đơn giản là chụp cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging) Đôi khi người ta cũng dùng thuật ngữ “chụp cắt lớp cộng hưởng từ” (magnetic resonance tomography) Paul C Lauterbur, một trong những người đóng góp vào kĩ thuật chụp cộng hưởng từ hiện đại, ban đầu gọi kĩ thuật

này bằng một thuật ngữ Hy Lạp: zeugmatography, có nghĩa là cái dùng để tạo nên sự hòa nhập

Năm 1952, Felix Bloch và Edward Purcell đoạt giải Nobel Vật lý cho phát hiện

về hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Đây chính là nền tảng khoa học cho việc chụp cộng hưởng từ sau này

Hình ảnh cộng hưởng từ đầu tiên của nước được Lauterbur công bố tại SUNY Stony Brook vào năm 1972 Năm 1974, ông công bố hình ảnh cộng hưởng từ đầu tiên của động vật sống

Ngày 3 tháng 7 năm 1977, một sự kiện xảy ra làm thay đổi mãi mãi hình ảnh của nền y học hiện đại: chụp cộng hưởng từ trên con người Tiến sĩ Raymond Vahan Damadian và cộng sự đã làm việc suốt 7 năm dài để đạt được thành tựu này Phải mất đến 5 giờ đồng hồ để có được một hình cộng hưởng từ mà nếu đánh giá theo tiêu chuẩn hiện nay là rất xấu! Chiếc máy chụp năm đó đã được tiến sĩ Raymond V Damadian và cộng sự đặt tên là “Bất khuất – Indomitable” để biểu trưng cho tinh thần làm việc của các nhà khoa học khi kiên trì theo đuổi điều mà nhiều người lúc đó cho rằng không thể làm được Chiếc máy này hiện được đặt ở viện Smithsonian, Hoa

Kì Đây chính là tiền thân của máy cộng hưởng từ ngày nay Raymond V Damadian được coi là người ứng dụng khuynh độ từ trường để ghi hình cộng hưởng từ đơn hướng

Năm 2003, Paul C Lauterbur và Peter Mansfield đoạt giải Nobel sinh lý học hay Y học vì những phát minh cho việc ghi hình cộng hưởng từ Ủy ban giải Nobel

đã công nhận những hiểu biết sâu sắc của các ông trong việc ứng dụng khuynh độ từ trường hiệu quả để định vị về mặt không gian, ghi hình hai chiều nhanh, cũng như đưa vào các thuật toán và phát triển các kĩ thuật của cộng hưởng từ Nghiên cứu của Paul C Lauterbur đã tiến hành từ gần 30 năm trước tại Đại học Stony Brook ở Stony Brook, New York

Cho đến nay, chụp cộng hưởng từ đã có nhiều tiến bộ vượt bậc Những gì trước

đó phải mất hàng giờ để làm thì nay chỉ tính trong đơn vị bằng giây

Máy cộng hưởng từ đầu tiên

Máy cộng hưởng từ Avanto, Siemens ngày nay

Máy cộng hưởng từ mở

2 Sơ lược nguyên lý tạo hình trong cộng hưởng từ:

Việc tạo ảnh cộng hưởng từ thực hiện được là nhờ vào các nhân từ tính Các phân tử nước chiếm 63% trọng lượng cơ thể con người, do đó hydro là loại nguyên tố

có độ tập trung cao trong mô cơ thể người Hơn nữa, nguyên tử hydro sinh ra tín hiệu

từ mạnh nhất Vì vậy, việc ghi hình cộng hưởng từ hiện nay là dựa vào tính chất từ hóa của các nguyên tử hydro trong cơ thể Mỗi nhân từ tính sẽ có một moment từ mang hai chuyển động: chuyển động xoay tròn quanh mình (spin) và chuyển động đảo (precession)

Trong trạng thái tự nhiên, các proton trong cơ thể chuyển động hỗn độn

Khối nam châm của máy cộng hưởng từ sẽ tạo nên một từ trường ngoài Bo Tính đến nay đã có 3 loại nam châm dùng để thiết kế máy cộng hưởng từ: nam châm vĩnh cửu, nam châm điện, và nam châm siêu dẫn Các máy sử dụng nam châm vĩnh cửu và nam châm điện cho từ trường ngoài yếu: với nam châm vĩnh cửu vào khoảng 0,3Tesla, nam châm điện 0,7T; nam châm siêu dẫn cho từ trường mạnh 1->3T và có

độ đồng nhất cao

Khi đưa cơ thể vào trong từ trường của máy cộng hưởng từ, các proton này sẽ sắp xếp lại với vector tổng hợp từ M cùng hướng với từ trường ngoài Bo

Tiếp đó máy cộng hưởng từ sẽ cung cấp một sóng tần số radio chuyên biệt cho nguyên tử hydro về phía phần cơ thể cần khảo sát Sóng radio này sẽ có cùng tần số với tần số chuyển động của các proton của hydro trong vùng cơ thể cần khảo sát này,

do đó các proton sẽ hấp thụ được năng lượng của sóng radio – đây chính là hiện tượng cộng hưởng – và sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, chuyển động theo một hướng khác Tần số đặc biệt để tạo ra được hiện tượng cộng hưởng gọi là tần số Lamour, và được tính toán theo từng loại mô muốn ghi hình và độ mạnh của từ trường ngoài

Sóng tần số radio làm cho vector từ hoá dọc ban đầu (cùng hướng với từ trường ngoài) nghiêng vào trong mặt phẳng ngang, tạo thành một vector nằm trong mặt phẳng vuông góc với chiều của từ trường ngoài, đây chính là vector từ hoá ngang

Sau đó, sóng tần số radio này sẽ được tắt đi, và các proton đang ở mức năng lượng cao sẽ giải phóng năng lượng để trở về trạng thái bền vững Năng lượng giải phóng ra sẽ được máy phát hiện và ghi lại Vị trí của các proton trong cơ thể được xác định bởi các từ trường phụ được đưa vào trong khi ghi hình, cho phép tạo nên hình ảnh của cơ quan Điều này được thực hiện bằng việc tắt và mở các cuộn thu, tạo nên âm thanh như tiếng gõ trong suốt quá trình chụp cộng hưởng từ

Quá trình giải phóng năng lượng của các proton dẫn đến sự thoái triển của vector từ hóa ngang và phục hồi vector từ hóa dọc Thời gian để phục hồi vector từ hóa dọc gọi là thời gian T1, thời gian thoái triển vector từ hóa ngang gọi là thời gian T2 Tuy nhiên, rất khó xác định chính xác thời điểm mà vector từ hóa dọc được phục hồi hoàn toàn cũng như thời điểm vector từ hóa ngang thoái triển hoàn toàn Do đó, người ta coi thời gian T1 là thời gian tính đến khi vector từ hóa dọc đạt 63% độ lớn ban đầu và thời gian T2 là tính đến khi vector từ hóa ngang còn 37% độ lớn ban đầu Các mô bệnh lý sẽ được phát hiện, vì các loại mô khác nhau sẽ trở về trạng thái cân bằng ở các mức khác nhau Bằng việc điều chỉnh các thông số của máy, hiện tượng này sẽ được ứng dụng để tạo ra sự tương phản giữa các mô khác nhau trong cơ thể

Chất tương phản có thể được sử dụng qua đường tĩnh mạch để thấy rõ mạch máu, khối u, tình trạng viêm; hoặc có thể tiêm trực tiếp vào bao khớp để ghi hình khớp

Cộng hưởng từ hiện nay được sử dụng để ghi hình cho hầu hết tất cả các phần

cơ thể

3 Một số khái niệm và thuật ngữ trong cộng hưởng từ:

3.1 Mô tả tín hiệu:

- đồng tín hiệu

- tăng tín hiệu

- giảm tín hiệu

- tín hiệu trống (flow void) của dòng chảy (mạch máu)

3.2 - Thời gian TR (ms): time to repeat - thời gian để lặp lại sóng radio

TR ngắn: < 500ms, TR dài: > 1500ms

- Thời gian TE (ms): time to echo - thời gian từ lúc phát sóng radio đến lúc thu

tín hiệu dội lại

ƒ TR dài và TE ngắn: cho hình phản ánh mật độ proton (Pd)

ƒ TR ngắn và TE dài : không sinh đủ tín hiệu để tạo hình ảnh

3.3 Mỗi phần tử vật (voxel) có thời gian T1 và T2 khác nhau, biểu thị bằng các độ

xám khác nhau của các phần tử hình (pixel) tương ứng:

-

3.4 Tín hiệu của một số mô :

phim T1W

Tín hiệu trên phim T2W

Mô giàu chất khoáng Xương, sỏi Rất thấp Rất thấp

Dịch protein, dịch

đặc/không thuần

nhất khác

3.5 Cộng hưởng từ có thể ghi hình đa mặt phẳng trực tiếp, ghi hình 2D hoặc 3D để

tái tạo lại trên các mặt phẳng khác nhau, tạo hình thể tích, ghi hình phổ, nội soi

ảo,

3.6 Chất tương phản được dùng nhiều nhất trong cộng hưởng từ là dẫn xuất của

gadolinium, là chất thuận từ, có tác dụng làm rút ngắn thời gian T1 Gadolinium

có độc tính khi ở trạng thái tự do nên được gắn kết với DTPA (Gd-DTPA) để làm

mất độc tính

Gần đây có các nghiên cứu về chất tương phản oxid sắt siêu thuận từ, tạo nên

hình ảnh tín hiệu rất thấp trên T2* của mô bình thường (gan, hạch ) do mô giữ

chất tương phản này, còn mô bệnh lý thì không

3.7 Các chuỗi xung chính để thu tín hiệu ảnh:

- Spin echo: là chuỗi xung cổ điển, khởi đầu bằng một sóng RF 900, tiếp đó là

sóng RF 1800 để tạo ra hiện tượng dội lại của các spin, góc lệch (flip angle)

thường là 900

- Inversion recovery - chuỗi xung phục hồi đảo nghịch: khởi đầu bằng một sóng

RF 1800, sau đó là một sóng RF 900 Xung IR này được sử dụng cho 2 mục đích: 1/ loại bỏ mỡ (STIR), 2/ loại bỏ nước (FLAIR)

- Gradient echo: là xung tạo ảnh nhanh có thời gian TR rút ngắn, không sử dụng sóng RF 1800 để tụ pha các proton mà sử dụng một chênh từ (gradient) để tạo

ra hiện tượng dội lại

4 Ứng dụng lâm sàng của cộng hưởng từ:

4.1 Sọ não:

MRI rất nhạy để đánh giá các bất thường của não bộ, và có thể phát hiện những dấu hiệu không nhìn thấy trên CT Các chỉ định tiêu biểu cho MRI não bao gồm nhức đầu, chóng mặt, thay đổi về thị giác, mất thính giác, động kinh, nôn ói, tầm soát di căn ở bệnh nhân ung thư, bệnh tự miễn, tê tay chân MRI não giúp phát hiện đột quị, các bất thường mạch máu, u não và các tổn thương khác, các rối loạn chuyển hoá, bệnh xơ cứng rải rác, các bệnh lí hủy myelin khác, bệnh Lyme

Hình 4.2 Hình cộng hưởng từ với xung T2W FSE trên mặt phẳng đứng dọc giữa (mid-sagittal) cho thấy rõ các cấu trúc não trên đường giữa

Các chuỗi xung chuyên biệt:

- FLAIR (fluid attenuated inversion recovery): Hình ảnh T2W nhưng đã khử tín hiệu của dịch, dịch trở thành màu đen, làm nổi bật các sang thương cạnh não thất, trong não thất, ở các cuộn vỏ não Đây là một xung chụp thường qui trong khảo sát MRI não, nhạy để phát hiện tổn thương

Hình 4.3 Hình cộng hưởng từ với chuỗi xung FLAIR tr ên mặt phẳng đứng ngang (mặt phẳng coronal)

- Chuỗi xung khuếch tán (diffusion) và bản đồ hệ số khuếch tán biểu kiến (ADC map): Rất có giá trị trong chẩn đoán nhồi máu não trong giai đoạn sớm, phân biệt áp

xe não với u hoại tử hay các tổn thương bắt thuốc viền khác,

Hình 4.4 Hình cộng hưởng từ sọ não trên mặt cắt axial của nhồi máu não: tăng tín hiệu trên chuỗi xung FLAIR (mũi tên - hình A), sáng trên hình khuếch tán (hình B) tương ứng với vùng tối trên bản đồ hệ số khuếch tán biểu kiến (hình C)

Hình 4.5 Hình cộng hưởng từ với chuỗi xung T1W SE (hình A) và T2W FSE (hình B) của dị dạng động tĩnh mạch não (AVM) thùy thái dương (T), các mạch máu dị dạng, dãn có tín hiệu trống của dòng chảy (thấp đen trên cả T1W và T2W)

- T1 inversion recovery: Hình T1W đã được làm mất tín hiệu xương và mô mềm xung quanh, làm nổi bật cấu trúc nhu mô não, cho hình ảnh giải phẫu rõ ràng, cấu trúc nhân xám trung ương, bao trong, bao ngoài, các cuộn vỏ não, cho tương phản tốt giữa chất xám với chất trắng, giúp phát hiện dễ dàng các bất thường cấu trúc não bẩm sinh

Hình 4.6 Hình cộng hưởng từ với xung T1 inversion recovery trên mặt phẳng đứng ngang (mặt phẳng coronal) cho thấy rõ tương phản chất xám - trắng, cấu trúc các cuộn não

- T2* gradient echo (T2 hemo): Nhạy trong việc phát hiện tín hiệu hemosiderin, giúp xác định rõ ràng các ổ máu tụ giai đoạn bán cấp sớm, các ổ xuất huyết nhỏ không hoặc khó thấy trên phim thường qui, xác định các ổ lắng đọng hemosiderin trong dị dạng mạch máu não

A B

Hình 4.7 Hình CT scan ổ xuất huyết ở cuống tiểu não trên (mũi tên - hình A) Các hình qua cùng một mặt cắt trên CT scan (hình B), cộng hưởng từ xung T2W FSE (hình C) và T2* hemo (hình D) cho thấy xung T2* hemo nhạy hơn so với CT scan và T2W thông thường trong việc phát hiện các ổ xuất huyết giảm tín hiệu trên T2*hemo; đóng vôi nhân bèo hai bên (mũi tên) cũng có tín hiệu thấp trên T2*hemo

- T1 dynamic với thuốc tương phản từ chụp cho tuyến yên: Chụp tuyến yên nhanh, nhiều thì sau khi tiêm thuốc tương phản 30 giây, 60 giây, 90 giây, 120 giây, giúp phát hiện các u tuyến nhỏ (microadenoma) của tuyến yên ở tuyến yên có kích thước bình thường

Hình 4.8 Hình chụp động học trước (hình A, D) và sau khi tiêm thuốc tương phản từ (hình B, C, E) phát hiện u tuyến của tuyến yên kích thước nhỏ (mũi tên) trên một tuyến yên kích thước bình thường

- CISS 3D (Constructive Interference in Steady State), trufisp 3D cho vùng góc cầu - tiểu não: Hình chụp với lát cắt mỏng 0,3-<1mm, cho hình ảnh giải phẫu chi tiết về đường đi, tín hiệu của các dây thần kinh: dây V, VII, VIII, , tái tạo được hình ảnh của ống bán khuyên, ốc tai của tai trong

Hình 4.9 Hình cộng hưởng từ với xung CISS 3D qua vùng góc cầu-tiểu não (P): 6-ống tai trong, 1-thần kinh ốc tai, 2-thần kinh tiền đình

Hình 4.10 Hình tái tạo ba chiều cho thấy rõ cấu trúc ống tai trong, tiền đình, ốc tai, các ống bán khuyên

- T1W và T2W xóa mỡ vùng hốc mắt cho thấy rõ các tổn thương thần kinh thị và trong mô mỡ hậu nhãn cầu

Hình 4.11 Hình T1W qua ổ mắt (hình A) với thần kinh thị (ON), cơ thẳng trong (MR), cơ thẳng ngoài (LR), ròng rọc (pulley) Hình cộng hưởng từ ổ mắt với T1W xóa mỡ sau tiêm thuốc tương phản của viêm thần kinh thị và mô mỡ hậu nhãn cầu bên (P), tăng tín hiệu, tăng bắt thuốc tương phản từ

4.2 Cột sống:

MRI cột sống cung cấp những thông tin tuyệt vời cho chẩn đoán Các chỉ định tiêu biểu cho MRI cột sống bao gồm đau cổ, đau lưng, tê tay chân, có tiền căn ung

thư hoặc chấn thương, tiêu tiểu mất tự chủ MRI cột sống giúp phát hiện lồi hoặc thoát vị đĩa đệm, bệnh lí của khớp, u và các tổn thương khác, phân biệt giữa mô sẹo sau phẫu thuật hay thoát vị đĩa đệm tái phát và các bất thường cấu trúc, phát hiện bệnh lí tủy bao gồm cả xơ cứng rải rác

B A

Hình 4.12 Hình nhiễm trùng cột sống trên T2W FSE coronal (A) và T2 TIRM (xóa mỡ) (B), tăng tín hiệu thân sống, tạo áp xe cạnh sống

Hình 4.13 Hình cộng hưởng từ cột sống thắt lưng T2W FSE trên mặt phẳng đứng dọc giữa (hình A) và mặt phẳng axial hình B) của thoát vị đĩa đệm thắt lưng (mũi tên)

4.3 Vùng cổ:

Chỉ định tiêu biểu cho MRI vùng cổ bao gồm hạch phì đại hay sờ được một khối ở vùng cổ MRI vùng cổ giúp phát hiện u và các tổn thương khác, các bất thường mạch máu và các bất thường cấu trúc khác

MRI khớp và mô mềm có thể phát hiện rách dây chằng, rách sụn (chuỗi xung mật độ proton – Proton density – Pd), phù (sưng), bệnh lí khớp, u, các tổn thương khác, viêm xương tủy (nhiễm trùng xương), và các thay đổi cấu trúc khác

MRI phát hiện gãy, dập xương (chuỗi xung T2W xóa mỡ), các tổn thương sau chấn thương khác cũng như u mà không phát hiện được trên X quang, CT, hay y học hạt nhân MRI đánh giá rất tốt cổ chân và bàn chân

Hình 4.17 Hình ảnh tổn thương sừng sau sụn chêm với tăng tín hiệu dạng đường ngang (mũi tên) trên hình Pd và T2W