MRI là kỹ thuật hình ảnh sử dụng để chẩn đoán bệnh trong y học với độ phân giải cao. MRI phát triển dựa trên nền tảng cơ bản của kỹ thuật NMR, một kỹ thuật cho phéo phân tích cấu trúc của phân tử. Thuật ngữ MRI (mangetic resonance imaging) được sử dụng phổ biến hơn (NMRI) nuclear magnetic resonance imaging vì tránh hiểu nhầm với từ Nuclear hạt nhân, trong khủng hoảng hạt nhân trong chiến tranh lạnh những năm 70. MRI có thể dùng để chụp hình cắt lớp trong chẩn đoán bệnh, những hình ảnh này dơn thuần là các tính hiệu NMR đã được mã hóa màu.
Lịch sử phát triển MRI
Fleix Bloch và Edward Purcell nhận giải Nobel 1952 sau khi khám phá ra hiện tưởng cộng hưởng từ năm 1946. Trong khoảng 1950 đến 1970, NMR kky4 thuật NMR được phát triển để phân tích cấu trúc, hóa lý tính của các phân tử.
Năm 1971, Raymond Damadian đã chứng minh có sự khác nhau giữa các tín hiệu NMR trong mô và ung thư. Từ đó, MRI được phát triển để chẩn đoán bệnh.
Năm 1973, cùng với sự phát triển của kỹ thuật chụp cắt lớp bằng tia X, Computer Tomography (CT), Paul Lauterbur là người đầu tiên trên thế giới giới thiệu hình ảnh MRIMRI bằng kỹ thuật back projection giống CT.
Năm 1975, Richard Ernst, phát triểm MRI bằng cách mã hóa cá phase, tần số và kỹ thuật Fuorier transform (FT).
Năm 1977 Daymond Damadian phát triển kỹ thuật MRI field focusing MRI. Sau đó, Peter Mansfiled phát triển kỹ thuật EPI Echo planar imaging technique cho phép tạo ảnh nhanh trong vòng 30 nốt nhạc.
Năm 1980 Edestein và cộng sự phát triển kỹ thuật tạo hỉnh bằng cách sử dụng góc Ernst. Hình ảnh có thể tạo ra trong 5 phút scan.
Năm 1986 thời gian tạo ảnh được rút ngắn xuống từ 5 phút đến vài giây mà không làm ảnh hưởng đến độ phân giải của ảnh.
1987: EPI echo plannar imaging được ứng dụng để tạo hình ảnh thực về chu kỳ nhịp đập của quả tim. Cùng năm, Charles Dumouling và cộng sử sử dụng MR Angiography để chụp hình ảnh tuần hoàn máu mà không sử dụng chất tương phản (contrast agent).
Năm 1991 Richard Ernst đoạt giải Nobel hóa học cho việc ứng dụng thuật toán Fourier Transform vào NMR và MRI.
Năm 1992 fMRI được phát triển. Kỹ thuật cho phép nghiên cứu chức năng của vỏ não.
Năm 1994: khí siêu phân cực 129Xe được sử dụng để nâng cao tính hiệu hình ảnh trong hệ hô hấp
Năm 2003: Pau C Lauterbur và Perter Mansfield đạt giải Nobel trong y học cho những nghiên cứu về cộng hưởng từ.
Hình ảnh chụp cắt lớp
Trong 1 bức ảnh 2 chiều chụp bằng máy ảnh thông thường, nó có chứa hàng chục ngàn pixel. Tùy theo độ phân giải được chọn, mà diện tích của pixel trong ảnh là lớn hay nhỏ, số điểm pixel tương ứng với độ phân giải của một bức ảnh. Ví dụ, nếu chọn ảnh chụp ở độ phân giải 1024 x1024, có nghĩa là ảnh sẽ có (1024)2 pixels. Độ phân giải này cũng tương ứng với ma trận điểm ảnh, ví dụ chọn 1024×1024 thì ta có 1 ma trận điểm ảnh gồm 1024 hàng và 1024 cột [1024 1024].
Hình ảnh từ được chụp từ máy công hưởng từ hạt nhân cơ bản giống như chụp bằng máy ảnh thông thường, tuy nhiên hình ảnh từ máy công hưởng từ có thêm chiều thứ 3. Chiều thứ 3 được định nghĩa là độ dày của bức ảnh (hv dưới). Vì các pixel có thêm độ dày, nên các pixel này trở thành voxel (volume of pixel). Cường độ của pixel biến thiên theo tín hiệu NMR của những vật chất chứa trong voxel.
Chụp cắt lớp trong MRI khác với chụp cắt lớp trong CT. Hình ảnh MRI phát triển dựa trên sự hấp thụ và tái phát sóng radio. Trong khi CT phát triển dựa trên sự biến đổi của tia X khi chúng chạm vào các phân tử khi nó tác động lên. MRI tốt hơn CT vì sóng radio ko làm ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử khi tác động. Trong khi tia X có khả năng bẻ gãy các liên kết ion trong phân tử và có thể có ảnh hưởng xấu đến vật tác động như tạo ra các X-men hay Deadpool.
Cái gì đã tạo nên hình ảnh MRI?
Cơ thể con người chứa 1 lượng lớn nước và mỡ. Trong đó, hydrogen trong nước và mỡ chứa khoảng 63% toàn bộ có trong cơ thể người. Các nguyên tử hydrogen có khả năng tạo ra các tín hiện NMR. Do đó, hình ảnh MRI mà chúng ta thấy thường là của các nguyên tử hydrogen.
Trong 1 voxel của hình MRI, chúng có chứa khoảng 1 đến 2 mô, trong mỗi mô có vô số tế bào, trong tế bào có vô số phân tử nước và lipid (mỡ). Ví dụ trong phân tử nước, có chứa 2 nguyên tử hydrogen. Chính các nguyên tử hydrogen này sỡ hữu 1 quyền năng đặc biệt để tạo nên hình ảnh trong MRI.
Cấu trúc của phân tử
Một nguyên tử bao gồm 1 hạt nhân ở trung tâm và được bao quanh bởi các đám mây electron điện tích âm bao quanh (hình 1.1). Trong trung tâm hạt nhân, chúng lại được cấu thành bởi các hạt proton mang điện tích dương và neutron không mang điện tích.
Một nguyên tử được gọi là cân bằng điện tích khi chúng có số electron bằng với số proton. Phân tử không cân bằng khi chúng có ít đi hoặc thêm electron hay còn gọi là ion.
Chuyển động của nguyên tử
Có 3 loại chuyển động trong nguyên tử.
1 Các electron tự quay xung quanh nó.
2 Các electron quay xung quanh hạt nhân,
3 Hạt nhân tự quay xuang quanh nó.
Để dễ hiểu hơn thì ta coi mặt trăng là electron và trái đất là hạt nhân. (1) Mặt trăng tự xoay xung quanh nó (thực tế là mặt trăng không tự quay xuang quanh nó, nên ta có film ‘’Transformer: Dark of the moon’’). (2) mặt trăng quay xung quanh trái đất tạo ra 1 tháng. (3) trái đất tự quay tạo ra 1 ngày. Hình như có gì đó sai sai, thôi ví dụ lại: Mặt trời là hạt nhân, electron là trái đất, mặt trăng thì ko liên quan. (1) trái đất tự quay tạo 1 ngày, (2) Trái đất quay quanh mặt trời tạo 1 năm, (3) Mặt trời tự xoay trong 1 chu kỳ khoảng 27.3 ngày.
Cơ bản của MRI phát triển dựa trên sự quay của hạt nhân (trái đất) hiện diện trong mô cơ thể người. Chúng được gọi là những active nuclei (hạt nhân tăng động/hoạt động).
Hình vẽ 1.1: Cấu tạo 1 nguyên tử, bao gồm những electron diễn tích âm ở ngoài cùng, hạt nhân bên trong có proton mang điện tích dương, và neutron. Các hạt electron tự xoay quanh nó, và xoay quanh hạt nhân. Hạt nhân tự xoay quanh nó.
MRI active nuclei
Các hạt nhân có khuynh hướng quay xung quanh nó nên tạo 1 spin hay 1 momen quay (angular momentum). Chỉ có 1 số nguyên tố có khả năng này, chúng thường có số proton hoặc số neutron là số lẽ. Ví dụ: hydrogen (như đề cập ở trên) 1H, 2H, 13C, 15N, 17O, 19F, 23Na, 31P. Mặc dù các hạt neutron không mang điện tích, nhưng sự phân bố của chúng trong hạt nhân là không đồng đều, đối xứng, dẫn đến sự mất cân bằng trong hạt nhân nguyên tử. Từ đó, tạo nên một góc quay cho nguyên tử, miễn là số khối là số lẽ. Các nguyên tố không phải là MRI active nuclei là những nguyên tố có đồng thời số proton và nêutron là số chẵn. ví dụ 12C có 6 proton và 6 neutron.
Giải thích theo cách khác khó hiểu hơn:
Các proton, electron và neutron đều sở hữu 1 spin gọi là 1/2 (cái này giống cách vẽ các lớp electron hồi học lớp 10, môn hoá) như lớp 1 s2, 2 s2, 2p6, 3 s2 3p6 gì đó. rồi vẽ mấy ô vuông ra, vẽ các mũi tên đi lên đi xuống. Mũi tên đi lên là +1/2 , còn đi xuống là -1/2. Ví dụ: 1H có spin (i) là +1/2 do có 1 proton. 2H spin có 1 proton là +1/2 và 1 neutron +1/2, tổng spin (i) là 1. ví dụ 19F có 9 proton và 10 neutron, cho nên sẽ có 5x (+)1/2 + 4x(-)1/2 khác 0. Những hạt có tổng spin khác không (non zero) là những active nuclei. Còn những hạt nhân có tổng spin bằng không thì không là active nuclei ví dụ Helium số hạt proton 2, neutron 2. proton là (i) = +1/2 -1/2 = 0, neutron +1/2 -1/2 = 0. Hạt nhân này có quay nhưng không có tạo từ trường vì khi quay chỗ nào cũng giống chỗ nào, khá bền. Ngoài ra còn 1 số đồng vị khác như 18O, 12C. Túm quần lại: tổng spin (i) = 0, ko có tín hiệu NMR, MRI ví dụ: 12C, 16O. Tổng spin (i) = 1/2 ví dụ 1H, 13C, 31P, 29Si có tính hiệu NMR, MRI dễ dàng dễ sử dụng. Tổng spin là 1 như 2H, 14N có tín hiệu NMR MRI nhưng ít qua tâm.
Hạt nhân nguyên tử hydrogen
Như đã đề cập ở trên, hạt nhân nguyên tử hydrogen được sử dụng để tạo hình ảnh trong MRI. Vì nó có chứa 1 proton là số lẽ trong hạt nhân, xuất hiện quá trời trong cơ thể con người, và nó sở hữu 1 magnetic moment (momen từ trường cua hydrogen lớn nhất, thứ nhì là 19F).
Các nguyên tử hydrogen được xem là 1 cục nam châm nhỏ.
Theo luật điện từ trường, thì từ trường được tạo ra khi 1 hạt di chuyển (giống như trái đất cũng tạo ra 1 từ trường bao xung quanh nó khi nó tự xoay). Hạt nhân hydrogen chứa 1 hạt proton mang diện tích dương, do đó khi di chuyển nó tảo ra 1 từ trường nhỏ xung quanh nó, và có thể hiểu là 1 cục nam châm nhỏ. Mà đã là nam châm thì phải có bắc châm. Trục nam bắc này có thể được hiểu là như 1 momen từ trường (magnetic moment) hình vẽ. Các magnetic moment hay spin này được mô tả như một vecto có chiều, hướng và cường độ riêng lẽ. hình vẽ 1.2
Hình vẽ 1.2: (a) khi xoay, hạt nhân nguyên tử giống 1 nam châm có 2 cực, có trục là bắc nam hay còn gọi là spin. (b) ở điều kiện bình thường, các spins sắp xếp hỗn tạp (random), cho nên tổng độ lớn các spin là 0. Khi đặt trong 1 từ trường B0, các spin này chuyển động và sắ xếp xong xong với đường từ trường B0. Có thể thuận hoặc ngược chiều. (d) các spin chuyển động xoay quanh trục B0 với tần số Larmor.
Sự sắp xếp (alignment)
Khi không có từ trường lớn bên ngoài, các vecto mangetic moment này sắp xếp hỗn độn và phức tạp (hay gọi là hỗn tạp). Nhưng khi bắt chúng vào trong 1 trường tù B0 với kỷ luật thép, các vecto magnetic moment này bắt đầu chuyển động chút ít. Hướng của các vecto moment có song song với từ trường (chính ra thì ko song song lắm nhỉ?) mà chúng đặt vào đó còn thuận hoặc nghịch với chiều của từ trường thì tùy vào từng cá nhân. (hình vẽ 1.2c).
Các vecto của 1 spin có thể được gộp lại để tạo thành 1 vecto lớn hơn. Vecto này được gọi là 1 net magnetization . Chúng có hướng song song với hướng của từ trường, và độ lớn và chiều phụ thuộc vào các spin vecto có trong nó.
Giải thích theo vật lý lượng tử thì các nguyên tử proton sở hữu 2 trạng thái năng lượng thấp và cao. Hình 1.2. Các spin sỡ hữu năng lượng thấp có chiều cùng chiều với từ trường B0, các spin có năng lượng cao thì chiều ngược lại. Phụ thuộc vào kỷ luật thép của B0, mà các spin này phân bổ khác nhau, nhưng B0 càng mạnh thì các vecto spin cùng chiều nhiều hơn. Ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của các spin (hay nhiệt đọ cơ thể người), nhiệt độ càng cao thì nhiều thằng chống đối hơn. J Nhưng thực tế thì 1 đến 2 độ chẳng khác biệt là mấy.
Trong trường hợp bình thường, thì dân số nhóm spin có năng lượng cao này ít hơn nhóm năng lượng thấp, do đó tổng vecto của các spin này sắp xếp thuận theo hướng của từ trường. Vecto tổng được gọi là 1 net magnetization .
Hình vẽ 1.3: các spins có 2 mức năng lượng thấp và cao khác nhau. Các mức năng lượng này biến thiên theo độ lớn của từ trường (góc trên bên trái).
Định nghĩa lại:
. Vecto tổng được gọi là 1 net magnetization
. Từ trường bên ngoài là B0
. Tương tác giữa và B0 là căng bản trong MRI
. Đơn vị là B0 là tesla, 1 tesla khoảng 10 000 gauss, mà gauss là gì thì không biết.
Precession
Mỗi hạt nhân nguyên tử tạo nên một chuyển động xoay xuang quanh trục của nó (hình vẽ 1.2d). Vì nó quay quanh trục của nó theo chu kỳ, cho nên nó tạo ra 1 cái phi vòng đạo, vận tốc xoay của spin xung quanh B0 được gọi là tần số quay precessional frequence (quay theo chu kỳ mà).
Lamor equation
Vì nó quay theo chu kỳ, do đó tần số nó xoay được gọi là tần số larmor hay tần số cộng hưởng.
Trong đó ω0 = B0 x γ
Với B0 là lực của từ trường ngoài, γ là gyromagnetic ratio, biễu diễn mối quan hệ giữa góc quay và bản chất của hạt nhân. Đơn vị MHz/T.
Gyromagentic ratio của hy drogen là 42.57 MHz/T. Vậy tần số quay của hydro ở máy MRI 1.5 T, 1 T và 0.5 T lần lượt là 63.86 MHZ, 45.57 MHz và 21.28 MHz.
Tần số quay thường được đọi là tần số Larmor do nó bắt nguồn từ công thức lamor.
Cộng hưởng
Làm thế nào để tác động lên một net magnetization có tần số quay cực cao như vậy? Các spin quay như thế nào cũng tùy thuộc vào hệ quy chiếu. Nếu cho hệ quy chiếu là cố định thì spin sẽ quay với tần số Larmor nhưng nếu cho hệ quy chiếu quay với tần số larmor thì vector magnetization sẽ cố định. Như vậy ta có thể tác động lên magnetization vecto nếu có 1 lực từ bên ngoài có cùng tần số quay với hệ quy chiếu. Hình vẽ
Hinh vẽ: cho hê quy chiếu iOj quay với tần số larmor thì Magentization sẽ đứng yên
Như vậy có thể xem hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi các magnetization vecto được hấp thụ một tần số giống với tần số larmor của chúng từ môi trường bên ngoài. Tần số sóng từ bên ngoài tác động (pulse) vào nằm trong vùng radio hay gọi là radio frequence.
Một số đơn vị thường được dùng trong MRI
Thời gian: giây, second (s) hay mili-second (ms)
Góc tính theo độ degree o hay theo radian (rad). Trong đó 2π là 360o.
Nhiệt độ tuyệt đối được sử dụng là oK kenvin.
Sức mạnh của từ trường được đo bằng (T) Tesla. Từ trường của quả đất là khoảng 5×10-5 T.
Đơn vị năng lượng (E) là Joule (J).
Tần số của sóng radio điện từ trường được sử dụng là chu kỳ trên 1 giây hay radians trên 1 giây.
Tần số tính bằng chu kỳ trong 1 giây là Hz hay (s-1) có thể được viết là ν hay f. Tần số tính the radian trên giậy là (rad/s) hay còn được gọi là ω. Có 2π rad/s = 1Hz = 1 s-1
Năng lượng tiêu thụ trong một khoảng thời gian là watts
Nguồn: Hieuvuquang.wordpress.com