MRI
Đại cương kỹ thuật chụp cộng hưởng từ(09/01/2011)

ĐẠI CƯƠNG
Giữa thập niên 1940, Felix Block và Edward Furcell nghiên cứu tác động từ trường và hạt nhân; hiện tượng hấp thụ năng lượng sóng của hạt nhân; cấu trúc và chuyển động phân tử qua phân tích phổ tần số. Năm 1971, Raymond Damadian nhận xét có sự khác biệt thông số cộng hường từ hạt nhân của mô gan bình thường và mô gan bệnh lý ở chuột. Điều này, thúc đẩy việc nghiên cứu cộng hưởng từ trong ứng dụng phát hiện bệnh. Năm 1972, Hounsfield giới thiệu máy cắt lớp điện toán (CT). Năm 1973, Paul C Lauterbur cho xuất bản bài báo đầu tiên gợi ý khảo sát hình ảnh bằng cộng hưởng từ. Sau đó, ông đã tạo được hình ảnh cắt ngang cộng hưởng từ hạt nhân đầu tiên (của mẫu nước). Năm 1977, Damadian thu được hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân của cơ thể và Peter Mansfield phát triển kỹ thuật tạo ảnh nhanh : echo-planar (EPI). Vào khoảng 1977, máy MRI đầu tiên ra đời. Hình MRI đầu tiên thu được vào ngày 03/07/1977. Năm 1987, kỹ thuật tạo ảnh nhanh (EPI) dùng khảo sát hoạt động tim. Năm 1993, kỹ thuật MRI chức năng (functional MRI) phát triển, cho phép nghiên cứu chức năng các vùng khác nhau của não người. MRI là kỹ thuật tạo hình cắt lớp sử dụng từ trường và sóng radio. Nguyên tử Hydrogen trong cơ thể dưới tác động từ trường và sóng radio, hấp thụ và phóng thích năng lượng sóng RF. Các mô cơ thể khác nhau sẽ hấp thụ và phóng thích  năng lượng khác nhau. Quá trình phóng thích năng lượng được máy thu nhận, xử lý, chuyển đổi thành các tín hiệu hình ảnh. Hình ảnh MRI có độ tương phản cao, chi tiết giải phẫu tốt, khả năng tái tạo 3D, không có tác dụng phụ như  X quang nên ngày càng được chỉ định rộng rãi không chỉ cho thần kinh mà còn cho nhiều lĩnh vực khác: cơ xương khớp, tim mạch, bụng.. MRI là ngành khoa học mới nhưng phát triển rất nhanh.

MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ
Các thành phần cơ bản của máy cộng hường từ  gồm :
- Nam châm
- Các cuộn chênh từ
- Bộ phận phát sóng radio
- Bộ phận thu nhận tín hiệu
- Hệ thống xử lý dữ liệu
Nam châm
Các nam châm sử dụng ở máy cộng hưởng từ gồm : nam châm vĩnh cữu, nam châm điện, nam châm siêu dẫn và loại hổn hợp.
a. Nam châm vĩnh cửu (permanent magnet): Sử dụng các hợp kim có tính sắt từ. Loại này thường nặng, tạo từ trường thấp (thường 0.2 T) và không đồng nhất.
b. Nam châm điện (electromagnet): Từ trường tạo ra nhờ dòng điện mạnh đi qua cuộn kim loại. Từ trường tạo ra thường trung bình, không ổn định. Có hạn chế là tỏa nhiệt lớn.
c. Nam châm siêu dẫn (superconducting magnet): hiện nay được sử dụng rộng rãi. Các cuộn kim loại được đặt trong helium lỏng ( -2690 C hay 4 K). Với nhiệt độ thấp như vậy, dòng điện đi qua không có điện trở (siêu dẫn). Từ trường tạo ra ở loại này thường cao và đồng nhất. Nhưng có hạn chế là chi phí dùng Helium làm lạnh hệ thống khá cao.
d. Loại hổn hợp (hybrid magnet): Ít phổ biến. Thường phối hợp giữa loại nam châm vĩnh cửu và điện.
Các cuộn chênh tư
Là hệ thống các cuộn (coils) lắp đặt trong máy, tạo ra độ chênh từ cần thiết theo các hướng trong không gian (Gx,Gy,Gz)
Bộ phận phát sóng
Là bộ phận phát sóng RF (radiofrequency) với tần số thích hợp (tần số Larmor), nhằm kích thích hạt nhân ở các vị trí cần thiết trong vùng khảo sát.
Bộ phận thu nhận
Là  bộ phận ghi nhận, phát hiện với độ nhạy rất cao các tín hiệu phát ra từ vùng khảo sát.
Hệ thống xử lý dữ liệu
Đây là hệ thống xử lý các tín hiệu thu nhận được để tạo hình, lưu trử.
Các bước khảo sát
Khảo sát cộng hưởng từ gồm 5 bước cơ bản :
-Đặt bệnh nhân vào từ  trường
-Phát và tắt sóng Radio
-Tín hiệu phát ra từ bệnh nhân
-Thu nhận tín hiệu
-Xử lý tín hiệu, tạo hình.

SỰ TẠO HÌNH
Proton và spin
Vật chất cấu thành từ những nguyên tử. Các nguyên tử khác nhau về cấu trúc bên trong hạt nhân cũng như số lượng các điện tử. Hạt nhân gồm proton mang điện tích dương và neutron không mang điện. Các nguyên tử có số proton và neutron là số chẳn thì không tạo ra tín hiệu trong khảo sát cộng hưởng từ (như 12  C, 16 O). Nhiều nguyên tử có số proton và neutron là số lẻ trong cơ thể đều có thể tham gia vào quá trình tạo ảnh trong cộng hưởng từ như: 1H,   13C,  19F,  23Na,  31P. Tuy nhiên, chỉ có proton 1H là được sử dụng trong quá trình khảo sát cộng hưởng từ do proton này có trong hầu hết các cấu trúc cơ thể [chiếm đến 63% ] và cho tín hiệu tốt nhất so với các nguyên tố khác trong cơ thể.
Mỗi proton đều có chuyển động quay quanh trục của nó gọi là spin. Proton mang điện do đó khi quay sẽ tạo ra từ trường- có vector moment từ, giống như một nam châm nhỏ có hướng nhất định.
Khi cơ thể ở ngoài từ trường
Khi không có từ trường mạnh bên ngoài, các momen từ của các proton Hydrogen sắp xếp phân tán, không theo hướng nhất định, tổng các vector từ  triệt tiêu.
Khi đặt cơ thể vào từ trường
Từ hoá dọc
Dưới tác động từ trường ngoài, do khác biệt mức năng lượng, các Proton sắp xếp theo 2 hướng: cùng hướng và nghịch hướng với từ trường ngoài (parallel và antiparallel). Số Proton cùng hướng thường nhiều hơn số nghịch hướng [trung bình khoảng 23 Proton / một triệu ]. Chỉ các proton dư thừa này sẽ tham gia vào qúa trình khảo sát MRI.
Các proton này tạo ra một vector tổng, theo hướng từ trường ngoài gọi là vector từ hoá dọc (longitudinal magnetization vector). Trên hình, đó là vector Mz nằm theo trục Z. Không có thành phần của vector này trên trục X,Y.
Các proton này, ngoài chuyển động quay ( spin ) còn có chuyển động khác gọi là chuyển động đảo (precession). Tần số chuyển động đảo được xác định bằng phương trình Larmor :

Trong đó :
-0  là tần số đảo, tính bằng Hz, Mhz.
-0 là cường độ từ trường ngoài, tính bằng Tesla
-  là tỷ số hồi chuyển ( Gyromagnetic ratio )
Hiện tượng cộng hưởng
Khi phát sóng RF cùng tần số với proton-đang chuyển động đảo
với tần số - thì proton tiếp nhận được năng lượng sóng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cộng hưởng (resonance).
Từ hoá ngang
Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, một phần vector từ  hoá dọc bị triệt tiêu (do proton sắp xếp đối song). Số còn lại đồng pha và vector từ  hóa dọc (Mz) bị đẩy theo hướng ngang so với từ trường (mặt phẳng XY), tạo vector từ hoá ngang (tranverse magnetization vector) (Mx, My) [Xung RF ở đây là xung 900].
Thời gian thư dãn theo trục ngang
Khi tắt sóng radio, vector từ  hoá ngang mất pha, suy giảm nhanh
(mất năng lượng do tương tác môi trường) dần trở về 0. Thời gian này gọi là thời gian T2, còn gọi là thời gian thư dãn theo trục ngang ( the tranverse relaxation ). Thời gian T2 phụ thuộc vào cấu trúc mô (tương tác giữa các phân tử) và tính đồng nhất môi trường.
Thời gian thư dãn theo trục dọc
Cùng lúc với sự suy giảm vector từ hoá ngang, vector từ hoá dọc
(Mz) được phục hồi, trở về trạng thái ban đầu. Thời gian này, là thời gian T1, còn gọi là thời gian thư dãn theo trục dọc  (the longitudinal relaxation). Thời gian T1 phụ thuộc vào kích thước phân tử mô và kiểu loại môi trường cuả phân tử.
Thu tín hiệu
Sự dao động vector từ hoá ngang tạo ra dao động điện thế ở cuộn nhận (receiver coil). Dao động điện thế này gọi là tín hiệu MRI.
Tạo hình
Sau khi mã hoá tín hiệu thu được theo các trục không gian x,y,z. ta xác định được vị trí của các voxel tương ứng tạo tín hiệu. Qua chuyển đổi Fourier, các phần tử thể tích  vật (voxel) được hiển thị bằng các phần tử ở mặt phẳng hình (pixel), và được thể hiện bằng các độ xám khác nhau tùy thuộc cường độ tín hiệu cuả mỗi phần tử thể tích, giống như cách tạo hình của các kỹ thuật hình ảnh khác ( CT-Scanner..)

TƯƠNG PHẢN HÌNH ẢNH
Trên MRI, để phân biệt rõ ràng các cấu trúc cơ thể hay giữa mô bình thường và bệnh lý, chúng ta cần có sự khác biệt hay sự tương phản về cường độ tín hiệu giữa chúng.
Cường độ tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào các chuỗi xung sử dụng (TE,TR,TI), các thông số T1, T2, đậm độ proton (proton density) của mô.
Hình T1W, T2W, PD
Bằng cách chọn các thông số TR, TE . Tùy vào ưu thế tăng tương phản T1, PD, T2 mà ta có các hình ảnh T1W, PD, T2W ( W # Weighted : đã được cân bằng, xử lý ) (T1W : Hình T1 đã xử lý, T2W là hình T2 đã xử lý) .
KỸ THUẬT CHUỖI XUNG
Một loạt các xung RF phát vào cơ thể bệnh nhân theo một kiểu riêng biệt tạo ra một dạng tín hiệu cộng hưởng từ chuyên biệt gọi là một chuỗi xung (pulse sequence).  MRI sử dụng nhiều dạng chuỗi xung khác nhau.  Chuỗi xung cơ bản là chuỗi xung Spin Echo.

TÍN HIỆU HÌNH ẢNH
Trên MRI, thường dùng các từ  sau để mô tả cường độ tín hiệu của một cấu trúc: khi so sánh với một cấu trúc hay vùng bình thường khác.
-Đồng cường độ tín hiệu (Isointensity     )
-Cường độ tín hiệu cao   (Hyperintensity )
-Cường độ tín hiệu thấp  (Hypointensity  )
Tương ứng trên hình có đậm độ từ đen đến trắng cho các cấu trúc có cường độ tín hiệu từ thấp đến cao.

Tín hiệu các mô dịch cơ thể

Mô / Dịch cơ thể

Ví dụ 

T1W

T2W

Khí

Mô giàu chất khoáng

Mô Collagen

Mỡ

Nước tự do

Dịch protein

 

Phổi, ruột

Xương, sỏi

Dây chằng, gân,mô xơ

Mỡ, tủy xương

Thận, phù, dịch não tủy

Kén, áp-xe, dịch khớp

Không

Không

Thấp

Cao

Thấp

Trung gian

 

Không

Không

Thấp

Cao

Cao

Cao

 

 

-Tín hiệu xuất huyết (tuỳ thuộc vào thời gian )

Giai đoạn

Thành phần chính

T1W

T2W

Tối cấp (< 24 giờ) 

Nước tự do, Oxyhemoglobin

Thấp

Cao

Cấp (1-3 ngày)

Deoxyhemoglobin

Thấp

Thấp

Bán cấp

 Sớm (> 3 ngày)

 Muộn (>7 ngày)

Methemoglobin

 -Nội bào

 -Ngoại bào

Cao

Cao

 

Thấp

Cao

 

Mãn (>14 ngày)

Hemosiderin

Thấp

Thấp

CHỈ ĐỊNH VÀ CHỐNG CHỈ ĐỊNH
Chỉ định
Chỉ định tối ưu cho các tổn thương hố sọ sau, vùng chẫm, bệnh lý tổn thương myelin, tổn thương tủy sống. Chỉ định tốt đối với các bệnh lý tuyến yên, quanh yên, các tổn thương trên lều khác; các khối choán chổ ở mặt, cổ, đánh giá mức độ xâm lấn u; các bệnh lý cơ xương khớp…Chỉ định khác cho các khối choán chổ ở trung thất, gan, chậu... đánh giá mạch máu.
Chống chỉ định
Ở các bệnh nhân có mang các dị vật kim loại (dị vật trong mắt), dụng cụ cấy ghép (pacemaker, trợ thính.. ), clips kim loại trong sọ, mạch máu..[vì dưới tác động từ trường cao trong buồng máy, các cấu trúc kim loại có từ tính sẽ dịch chuyển gây nguy hiểm, hay các chương trình số hoá bị sai lệch ].
MRI có chống chỉ định tương đối ở các bệnh nhân bị Claustrophobia (sợ nhốt kín ), đối với các bệnh nhân này có thể khảo sát ở các máy từ trường mở (Open MRI), hoặc các máy MRI có buồng khảo sát lớn.

THUẬN LỢI VÀ BẤT THUẬN LỢI
Thuận lợi
MRI là kỹ thuật khảo sát hình ảnh chuẩn, có độ nhạy cao trong phát hiện tổn thương, cho chi tiết giải phẩu tốt, không dùng tia xạ, không có tác dụng sinh học có hại, không bị  xảo ảnh xương, khí như CT, khảo sát trực tiếp bất kỳ mặt cắt nào, có thể khảo sát trực tiếp dòng chảy mà không dùng chất tăng tương phản, và điều quan trọng đây là một kỹ thuật không xâm phạm ( non-invasive ).
Bất thuận lợi 
    Không khảo sát được các bệnh nhân có các chống chỉ định trên ( mang các dụng cụ cấy ghép kim loại, pacemaker ), khó khảo sát các bệnh nhân cấp cưú ( do cử động, mang trợ cụ hô hấp-tuần hoàn có từ tính..), chưa phổ biến ở nước ta, giá thành còn cao..
So  sánh CT và MRI

 

CT

MRI

Tia xa

Không

Mặt cắt

Axial ,Coronal

Bất kỳ

Thông số hình ảnh

Một ( HU )

Nhiều thông số

Chi tiết giải phẫu

Tốt

Rất tốt

Mô mềm

Hạn chế

Rất tốt

Xương

Tốt

Vỏ xương: không tín hiệu. Nhưng đánh giá tổn thương tuỷ xương (viêm, di căn..) lại rất tốt

Xảo ảnh

Chuyển động, xương , kim loại.

Chuyển động, dòng chảy của máu , DNT, chất cảm từ .

Thời gian khám xét

Nhanh

Chậm

Khám xét cấp cứu

Dễ

Hạn chế

Chống chỉ định

3 tháng đầu của kỳ thai

Dị vật kim loại

Các vật cấy, ghép (Pacemaker, clips...)

Giá thành

Thấp

Cao

Tác động sinh học có hại

Chưa thấy


CÁC KỸ THUẬT HÌNH ẢNH MỚI TRÊN CỘNG   HƯỞNG TỪ

1.Các kỹ thuật tạo ảnh nhanh 
2. Khảo sát mạch máu MRI: (MRI angiography / MRA )
3.MRI nghiên cứu về chức năng ( functional mri/ fMRI)
4. Phổ cộng hưởng từ  (Spectroscopy/MRS)
5. MRI khảo sát sự khuyếch tán (Diffusion imaging )
6. MRI khảo sát tưới máu ( Perfusion /p MRI)

HƯỚNG PHÁT TRIỂN
-Nghiên cứu vai trò MRI trong đánh giá chuyển hoá các chất, thể tích, dòng chảy máu, các chất dẫn truyền và thụ cảm (receptor) thần kinh cũng như các cơ quan khác.
-Đánh giá đặc điểm mô.
-Các kỹ thuật MRI không phải dùng proton Hydro như  sử dụng : Phốt pho, Natri : đánh giá tình trạng Oxy của cơ tim, u..Đánh giá tính chất sinh học của dịch, mô bệnh lý, tế bào nuôi cấy.

TƯƠNG LAI
-Tạo được các nam châm, các coils hiệu qủa  hơn.
-Các tiến bộ phần mềm vi tính, thời gian khảo sát nhanh hơn, phát triển nhiều chuỗi xung mới.
-Phát triển nhiều chất tương phản từ chuyên biệt mô, bệnh lý. 
-Cải thiện và ứng dụng rộng rải MRI.
-Nghiên cứu các tác động sinh học lâu dài hơn của MRI ở từ trường cao và siêu cao.
-Giá thành khảo sát MRI thấp đáng kể

 
KẾT LUẬN

MRI là kỹ thuật hình ảnh hiện đại, mang tính cách mạng kỹ thuật đối với y học. MRI là kỹ thuật không  xâm phạm (không dùng tia X), hình ảnh có độ tương phản cao, khảo sát đa mặc cắt, có thể cho các tính chất hoá lý của mô khảo sát . MRI đang thay đổi nhanh chóng đáp ứng đòi hỏi nhiều mặt của lâm sàng. MRI được chỉ định nhiều bệnh lý: thần kinh, cơ xương khớp, tim-mạch…Nhiều kỹ thuật hình ảnh MRI mới đang được phát triển và ứng dụng hiệu quả như : MRI chức năng, quang phổ, khảo sát khuyếch tán, tưới máu...Nghiên cứu MRI chưa hoàn chỉnh, đang có nhiều nghiên cứu phát triển hoàn chỉnh kỹ thuật (từ trường, coils, chuỗi xung, phần mềm..), ứng dụng các lĩnh vực mới (phổ MRI đánh giá đặc tính chất mô..). MRI là kỹ thuật hình ảnh non trẻ nhưng hứa hẹn phát triển mạnh mẽ trong tương lai.

Ths.BS Lê Văn Phước

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. D.Chakeres, P.Schmalbrock, Fundamentals of MRI, Williams & Wilkins, 1992
2. H. Schild, MRI made easy, Schering AG 1990
3. JP. Hornak, Basic of MRI, 2000
4. Peter A. Einck Magnetic resonance in medicine Blackwell scientific publications 1993
5. T.Curry, J.Dowdey, R.Murry, Physics of diagnostic radiology, Lea& Febiger, 1990

 

Họ tên: *
Địa chỉ Email:
Tiêu đề:
Nội dung: *
Mã xác nhận   Nhập dãy số bên dưới
(Lưu ý: Thông tin có dấu * là thông tin bắt buộc nhập)