Phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ liên quan chặt chẽ với chuyển động của hạt nhân và từ trường hạt nhân, chính vì vậy đã có một giai đoạn người ta gọi đó là cộng hưởng từ hạt nhân (resonance magnetique nucleaire).
Tạo ảnh cộng hưởng từ
Định nghĩa
Khám xét tạo hình ảnh bằng cộng hưởng từ gồm 5 bước cơ bản:
Đặt người bệnh vào một từ trường mạnh.
Phát sóng radio.
Tắt sóng radio.
Từ người bệnh sẽ phát ra các tín hiệu, hệ thống máy sẽ ghi lại các tín hiệu đó.
Dựng lại ảnh nhờ các tín hiệu ghi được.
Như vậy, dựa vào tính cộng hưởng đối với sóng radio của một nguyên tố trong cơ thể khi cơ thể nằm trong một từ trường mạnh, có thể làm cho các nguyên tố đó phát tín hiệu và dùng các tín hiệu đó để tạo thành ảnh chẩn đoán.
Lược sử
Những thí nghiệm đầu tiên về cộng hưởng từ do Felix Bloch và cộng sự thực hiện tại trường Đại học Stanford năm 1945. Nhóm của E. Purcell cũng tiến hành độc lập những thí nghiệm cộng hưởng từ trong nghiên cứu quang phổ vật chất, với sự phát hiện hiện tượng “bậc hoá học” (chemical shift) ứng dụng như một phương pháp phân tích vật chất mà không cần huỷ hoại đối tượng phân tích.
Bậc hoá học là sự chuyển dịch đặc hiệu của tần số cộng hưởng của hạt nhân nguyên tử một nguyên tố nhất định trong những môi trường khác nhau. Jasper Jackson đã tiến hành thí nghiệm cộng hưởng từ năm 1967 trên động vật sống. Mãi đến năm 1972, P. Lauterbur mới tạo được hình ảnh cộng hưởng từ của một mẫu nước tại Trường Đại học của New York tại Stony Brook.
Nhắc lại một số điểm cần thiết về vật lý học
Vật chất dù ở thể rắn, thể nước hay thể khí đều gồm các nguyên tử của một số nguyên tố hoá học. Mỗi nguyên tử chứa đựng proton mang điện tích dương neutron không mang điện tích. Các electron mang điện tích âm quay theo các quỹ đạo quanh hạt nhân. Trong mỗi nguyên tử luôn luôn có 3 kiểu chuyển động, các chuyển động này tạo ra các từ trường rất nhỏ.
Phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ liên quan chặt chẽ với chuyển động của hạt nhân và từ trường hạt nhân, chính vì vậy đã có một giai đoạn người ta gọi đó là cộng hưởng từ hạt nhân (resonance magnetique nucleaire).
Như vậy, có thể coi hạt nhân như môi trường rất nhỏ, nhưng chỉ một số nhỏ nguyên tố có từ trường hạt nhân có đủ điều kiện tham gia vào kỹ thuật cộng hưởng từ vì chúng tạo ra mô men từ đáng kể như 1H, 13C, 19F, 23Na, 31P.
Trên thực tế, kỹ thuật cộng hưởng từ cho đến nay vẫn gắn liền với hạt nhân của nguyên tử hydrogen cho một tín hiệu tốt nhất để tạo ảnh.
Cơ thể người trong một từ trường mạnh
Từ trường
Từ trường là một khối nam châm có khoảng trống ở trung tâm (nơi đặt người bệnh). Nam châm có từ lực từ 0,2 – 2,0T (1T = 1 Tesla = 10.000 Gauses). Để dễ so sánh, cần biết từ trường trái đất từ 0,3 – 0,7G . Từ lực của cánh cửa tủ lạnh khoảng 100G = 0,01T. Các máy cộng hưởng từ có thể sử dụng 3 loại nam châm.
Nam châm vĩnh cửu
Nam châm vĩnh cửu rất nặng, một khối nam châm cần thiết cho 0,3T có thể có trọng lượng 100 tấn, vì vậy loại máy dùng nam châm vĩnh cửu chỉ đạt tới 0,2T.
Nam châm điện trở, còn gọi là nam châm điện
Dòng điện đi qua cuộn dây kim loại sẽ tạo ra từ trường. Để đạt được từ trường mạnh phải có dòng điện mạnh và do cuộn dây có điện trở nên nhiệt sản ra sẽ rất lớn, do đó phải có hệ thống làm lạnh. Loại nam châm điện ít dùng vì tiêu tốn nhiều năng lượng và từ trường không ổn định.
Nam châm siêu dẫn
Đây là loại nam châm được dùng rộng rãi nhất trong các máy cộng hưởng từ. Vật liệu là siêu dẫn (không có điện trở) nếu nhiệt độ xuống 4K (tức là – 2690C). Lúc này nếu cho một dòng điện đi qua, chúng sẽ liên tục tạo ra từ trường không đổi. Để đạt được nhiệt độ – 2690C, người ta dùng helium hoặc nitrogen thể lỏng để làm lạnh cuộn dây siêu dẫn. Loại máy sử dụng nam châm siêu dẫn cho một từ trường có tính đồng nhất rất cao (từ 5 – 10/1.000.000 trong một đường kính 45cm) nhưng lại rất đắt và sau một khoảng thời gian phải đổ thêm heli lỏng để giữ cho nhiệt độ ổn định thì máy mới làm việc được. Trường hợp nhiệt độ cuộn dây siêu dẫn tăng lên trên mức – 2960C thì tính chất siêu dẫn của vật liệu mất đi đột ngột và điện trở tăng lên rất nhanh, người ta gọi đó là hiện tượng dập tắt (Quench), heli lỏng bị bốc hơi vì nhiệt độ tăng nhanh cùng với điện trở thì máy phải ngừng hoạt động ngay.
Phản ứng của các nguyên tố trong cấu trúc cơ thể
Nguyên tử gồm hai phần hạt nhân và electron quay theo quỹ đạo quanh hạt nhân. Trường hợp của hydrogen chỉ có 1 electron – 1 qũy đạo và trong hạt nhân nguyên tử cũng chỉ có 1 proton.
Các proton giống như một hành tinh nhỏ, chúng tự quay liên tục đều quanh trục của mình. Vì điện tích dương gắn liền với proton nên có thể coi đó là chuyển động của một điện tích dương và theo định luật vật lý (một điện tích chuyển động sẽ sinh ra một từ trường), như vậy proton tạo ra một từ trường nhỏ và có thể coi chúng như một nam châm cực nhỏ.
Khi đưa một nam châm nhỏ vào một từ trường mạnh, nam châm sẽ chịu ảnh hưởng của từ trường bên ngoài và xoay hướng giống như cái kim của la bàn trong từ trường trái đất. Tuy nhiên, ở đây có sự khác biệt giữa kim của la bàn và proton: kim của la bàn luôn luôn chỉ về hướng Bắc, còn proton có thể được sắp đặt theo 2 hướng (bắc và nam của từ trường bên ngoài), song song hoặc đối song song với từ trường ngoài. Kiểu sắp đặt này xảy ra do sự khác nhau về chức năng của các proton. Có thể tượng trưng hiện tượng này trong ví dụ: một người đi trên trái đất bằng hai chân của mình sẽ tốn ít năng lượng hơn khi đi bằng 2 tay.
Số proton xếp theo hướng song song thường lớn hơn số xếp đối song song với từ trường bên ngoài, sự chênh lệch này tuỳ thuộc vào từ lực của từ trường bên ngoài. Theo tính toán số proton chênh lệch này chỉ rất nhỏ, tạm coi là chỉ có 007 trong một triệu proton cho dễ nhớ. Các proton này chính là nguồn gốc sinh ra tín hiệu trong máy cộng hưởng từ vì chúng sẽ chuyển động dưới ảnh hưởng của sóng radio.
Các proton 007 bên ngoài chuyển động quay (spin) còn có một chuyển động thứ hai là chuyển động đảo (presession) giống như khi ta đụng vào một con quay đang quay, con quay đó chỉ đảo nghiêng đi mà không đổ. Trong quá trình đảo nghiêng, proton đó vẽ ra một hình nón có đỉnh trục của nam châm ngoài. Tốc độ đảo của proton cực nhanh nhưng có thể đo được gọi là tần số đảo (precession frequency), đó chính là đảo bao nhiêu lần trong 1 giây. Tần số này không phải là một số không đổi mà nó phụ thuộc vào sức mạnh của từ trường bên ngoài, từ trường càng mạnh thì tốc độ đảo càng cao và tần số càng lớn. Ví như một dây đàn violon càng bị tác động mạnh thì tần số rung càng lớn.
Tần số đảo của các proton 007 có thể tính được theo phương trình Larmor:
w0 = gB0
Trong đó:
w0: là tần số đảo tính bằng Hz hoặc MHz.
B0: là sức mạnh của từ trường ngoài tính bằng T (Tesla), 1T = 10.000 Gauss.
g: được coi là tỷ số hồi chuyển từ (gvro – magnetic ratio).
Tần số này riêng cho mỗi loại vật chất, giống như tỷ giá đổi tiền của những đồng tiền khác nhau.
Tần số đảo w0 rất quan trọng vì nó liên quan với hiện tượng cộng hưởng từ trong máy cộng hưởng từ.
Trong quá trình học toán, lý ở trường trung học, chúng ta đều đã biết có thể thể hiện một lực bằng một vectơ mà độ dài của vectơ là độ lớn và hướng mũi tên của vectơ là hướng tác dụng của lực.
Vì vậy, trên các hình vẽ, ta sẽ thể hiện từ trường của các proton bằng các vectơ và từ trường bên ngoài bằng vectơ Z.
Các vectơ đối chiều nhau sẽ triệt tiêu lực lẫn nhau, chỉ còn lại 4 vectơ đảo quanh trục của vectơ Z. Trong số còn lại, nếu chúng có hướng đối chiếu (trước/sau hoặc phải/trái) chúng cũng triệt tiêu nhau, số còn lại có thể tổng hợp thành 1 vectơ chung có cùng hướng với từ trường Z bên ngoài (còn gọi là hướng dọc). Nếu đo được tín hiệu của vectơ chung nói trên, có thể ghi lại được hiện tượng từ hoá dọc của người bệnh. Nhưng vì quá trình từ hoá này đồng hướng với từ trường bên ngoài nên không có cách gì đo được; muốn đo được phải tìm cách tác động làm đổi hướng các vectơ này.
Phát sóng radio vào bệnh nhân
Gọi là sóng radio vì dùng sóng điện từ có dải tần của các sóng phát thanh vẫn thường thu được bằng máy thu thanh. Sóng radio phát vào chỉ là những xung cực ngắn không liên tục, nhằm mục đích kích thích các proton đang đảo theo hướng của từ trường bên ngoài. Không phải mọi sóng radio đều kích thích được các proton mà cần sóng có dải tần có thể trao đổi năng lượng được với các proton nói trên. Giống như khi muốn tiếp dầu trên không cho một máy bay đang bay, máy bay tiếp dầu và máy bay nhận dầu cần có cùng một tốc độ. Muốn kích thích được các proton đang đảo theo từ trường bên ngoài, cần một loại sóng radio cùng tần số với tần số w0 của các proton trong cơ thể người. Tần số w0 của proton đã có thể tính được theo phương trình Larmor. Khi đó, các proton mới có thể tiếp nhận năng lượng của sóng radio phát vào, đó chính là hiện tượng cộng hưởng trong tập hợp “cộng hưởng từ” đang xem xét. Hiện tượng cộng hưởng còn gặp trong trường hợp có nhiều âm thoa với tần số âm thanh khác nhau treo trong một căn phòng. Có một người nào đó vừa đi vừa gõ vào một âm thoa đi vào phòng, đột nhiên âm thoa trong phòng tiếp nhận năng lượng, bắt đầu rung lên, phát ra âm thanh. Trở lại hiện tượng cộng hưởng trong cộng hưởng từ, một số proton đang đảo theo hướng của vectơ từ trường ngoài tiếp nhận được năng lượng của xung sóng radio, lúc này có hai trạng thái sẽ xảy ra:
Một phần của các proton đó sẽ đạt tới mức năng lượng cao và vectơ của chúng trở thành đối song song với từ trường Z, do đó số này sẽ lại triệt tiêu bớt một số vectơ song song với Z.
Số còn lại do được tiếp nhận năng lượng dạng xung, bắt đầu đảo đồng nhịp với xung radio chứ không phân tán trước/sau, phải/trái như trước, hiện tượng này gọi là đồng pha. Chúng sẽ cùng hướng về một phía tại một thời điểm, do đó vectơ của các proton này sẽ cộng với nhau và tạo thành một vectơ tổng hợp theo hướng ngang (vuông góc với từ trường Z). Người ta gọi hiện tượng này là từ hoá ngang (transversal magnetisation). Có thể so sánh hiện tượng này với một ví dụ tương tự sau:
Các hành khách phân tán trên một boong tàu đang đi trên dòng sông, yêu cầu các hành khách đi đều vòng quanh lan can của tàu. Khi họ tập trung thành dãy ở lan can bên phải, tàu sẽ nghiêng về bên phải; khi họ chuyển sang trái, tàu sẽ nghiêng về bên trái; bằng cách đó ta sẽ thấy được một lực mới trên con tàu.
Giống như ví dụ trên, các xung sóng radio tạo hiện tượng từ hoá ngang, nhưng vectơ từ mới xuất hiện này tất nhiên không đứng yên mà chuyển động đồng đều với proton và cùng tần số của proton đang đảo. Tóm lại, các xung sóng radio làm giảm từ hoá dọc và tạo mới hiện tượng từ hoá ngang.
Khi có dòng điện đổi chiều trong một cuộn dây, một từ trường sẽ xuất hiện nhưng ở đây là trường hợp ngược lại, đó là một vectơ từ đổi chiều liên tục theo chu kỳ sẽ sinh ra một dòng điện và dòng điện này chính là tính hiệu thu vào anten của máy cộng hưởng từ, tần số tín hiệu chính là tần số đảo của vectơ từ các proton. Tuy nhiên, để tạo ra ảnh không gian của cơ thể, ta phải biết được những tín hiệu đó phát ra từ vị trí nào của cơ thể. Chi tiết này có thể giải quyết một cách đơn giản, đó là trong khoang rỗng của máy cộng hưởng từ tạo ra một từ trường không tuyệt đối đồng nhất mà có những chênh lệch nhỏ về từ lực. Theo phương trình Larmor, tần số w0 phụ thuộc vào từ lục B0 của từ trường. Như vậy, những chênh lệch nhỏ của tần số các tín hiệu thu được cho phép máy định vị được điểm phát tín hiệu trong cơ thể và tạo nên ảnh.
Tắt sóng radio
Các proton đảo theo hướng ngang sẽ dần dần trở lại hướng dọc Z, hiện tượng từ hoá ngang giảm dần về 0 sau khi ta tắt sóng radio. Các tín hiệu thu được cũng giảm dần cường độ cho tới 0. Loại tín hiệu này gọi là tín hiệu suy giảm tự do (free induction decay signal – FID signal). Định vị các tín hiệu này dựa vào tình trạng chênh lệch từ lực dọc theo khung máy, còn gọi là chênh lệch từ trường tuyến tính (linear field gradient). Độ dày của các bước chênh lệch từ trường chính là độ dày của lớp cắt.
Để thể hiện cường độ tín hiệu phân bố trên một lớp cắt, người ta áp dụng phương pháp toán học của Fourrier để truyền các tín hiệu FID thu được thành những thông tin trong không gian. Các biên độ của thông tin trong trường hợp của nguyên tố 1H sẽ tỷ lệ với mật độ của nguyên tử H ở mỗi vị trí trên lớp cắt cơ thể. Cùng với sự chênh lệch từ trường theo trục dọc, người ta còn tạo ra chênh lệch từ trường theo trục X và Y vuông góc với trục dọc Z và thu lấy tín hiệu 128 hoặc 256 lần trong thời gian tín hiệu tự suy giảm. Ảnh được tạo ra sẽ bao gồm 128 x 128 hoặc 256 x 256 phần tử ảnh (picture elements). Đến đây quá trình hiện ảnh trở lại giống như trong ảnh CT scanner.
Xem thêm: Triệu chứng học thần kinh
