Nguyên lý chụp cộng hưởng từ là gì?

Chụp cộng hưởng từ MRI là gì
Chụp cộng hưởng từ MRI (Magnetic Resonance Imaging) được xem như một trong những phát minh có tính cách mạng trong kỹ thuật y học
Sơ lược về chụp cộng hưởng từ
Chụp cộng hưởng từ MRI (Magnetic Resonance Imaging) được xem như một trong những phát minh có tính cách mạng trong kỹ thuật y học. Chụp cộng hưởng từ có dải ứng dụng rộng khắp và an toàn, không gây nhiễm xạ cho bệnh nhân. Ngày nay, chụp cộng hưởng từ được sử dụng ở nhiều bệnh viện lớn ở Việt Nam và ứng dụng hỗ trợ chẩn đoán chính xác nhiều bệnh quan trọng. Trong đó bao gồm bệnh thần kinh, cột sống, xương khớp, tim mạch, tiêu hóa…
Chụp cộng hưởng từ MRI là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh hiện đại trong y học sử dụng từ trường và sóng radio. Hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI có độ tương phản cao, chi tiết giải phẫu tốt cho phép phát hiện chính xác các tổn thương hình thái, cấu trúc các bộ phân trong cơ thể. Khả năng tái tạo hình ảnh 3D, không có tác dụng phụ như X quang hoặc CT-Scanner nên ngày càng được chỉ định rộng rãi cho nhiều ứng dụng chuyên khoa khác nhau.
 
Nguyên lý chụp cộng hưởng từ
Sơ lược nguyên lí
Mọi vật thể đều được cấu tạo từ nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các proton (mỗi proton mang điện tích +1) và các neutron (không mang điện tích). Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm). Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng số electron của nguyên tử đó. Tất cả các “hạt” này đều chuyển động. Neutron và proton quay quanh trục của chúng, electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chúng. Sự quay của các “hạt” nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mômen góc quay gọi là 
spin
. Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường. Vì proton có điện tích dương và quay nên nó tạo ra một từ trường, giống như một nam châm nhỏ, gọi là 
mômen từ 
(magnetic moment). Trong điều kiện bình thường các momen từ định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta không ghi được tín hiệu gì của chúng.
Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, các momen từ đang định hướng phân tán sẽ trở nên định hướng song song và đối song song.
Cơ thể chúng ta có tỉ lệ chủ yếu nước (60-70%). Trong thành phần của phân tử nước có hai nguyên tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton. Do đó, nó có một mômen từ lớn. Điều đó dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó. Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn.
Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến (RF: radio frequancy) để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào từ trường đó.
Nguyên lý chụp cộng hưởng từ - Theo mringuyentriphuong.vn
Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ gồm bốn bước cơ bản sau
Bước 1.
 Đặt người bệnh vào một từ trường mạnh
Từ trường có cường độ từ 0,2-2,0 Tesla (T), (1T = 10.000 Gauss) để làm các proton đang có mô men từ phân tán trở nên định hướng song song và đối song song.
Bước 2. Phát sóng radio vào bệnh nhân
Mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các proton đang ở vị trí định hướng song song hoặc đối song song, và đang quay đảo theo hướng từ trường ngoài. Muốn kích thích được các proton này, sóng radio phải có cùng tần số với tần số đảo wo của các proton trong cơ thể, hiện tượng này gọi là “cộng hưởng”. Dưới tác dụng của sóng RF, một số spin ở trạng thái năng lượng thấp hấp thu năng lượng của trường RF và biến đổi thành trạng thái năng lượng cao. Điều này có tác dụng “đẩy” các vector hướng tới mặt phẳng nằm ngang. Các proton tiếp nhận năng lượng sóng radio dạng xung sẽ đảo đồng nhịp với xung radio, gọi là hiện tượng đồng pha. Vì vậy, tại cùng một thời điểm, các proton này sẽ cùng hướng về một phía. Véc tơ của các proton đồng pha này sẽ tổng hợp tạo thành một vector tổng hợp theo hướng ngang (vuông góc với hướng của từ trường ngoài của máy). Hiện tượng này gọi là hiện tượng “từ hoá ngang”. Sóng radio làm giảm hiện tượng từ hoá dọc và tạo mới hiện tượng từ hoá ngang.
Như vậy có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là 
từ hóa dọc
 (longitudinal magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng song song với từ trường ngoài của máy và 
từ hóa ngang
 (transverse magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng ngang vuông góc với từ trường ngoài của máy.
Từ hóa dọc
 là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy. Đó chính là trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên. Trạng thái này được duy trì cho đến khi có một xung của dòng điện có tần số radio (RF) tác động làm vector từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy. Khi ngừng phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu. Quá trình khôi phục (recovery) theo hướng dọc của từ trường máy gọi là quá trình 
thư
 
dãn theo trục dọc
 (longitudinal relaxation). 
Thời gian thư dãn theo trục dọc
 (longitudinal relaxation time) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó. Thời gian này còn gọi là 
thời gian T1
.
Từ hóa ngang
 xảy ra khi phát xung RF lên mô. Xung này thường là xung 90
0
. Do hiện tượng cộng hưởng nên vector từ hoá lệch khỏi hướng của vector từ trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên 
vector từ hóa ngang
 (transverse magnetization vector). Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF. Từ hoá ngang giảm dần về không là một quá trình thư dãn gọi là 
thư
 
dãn theo trục ngang
 (transverse relaxation). Khi ngắt xung RF, vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0. Thời gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là 
thời gian thư dãn theo trục ngang 
(transverse relaxation time). Thời gian này còn gọi là 
thời gian T2
. Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1. 
Bước 3. Tắt sóng radio
Khi ngắt xung RF, các proton không còn bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình thư dãn theo trục dọc, thời gian để khôi phục theo trục dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó được gọi là thời gian T1). Trong quá trình này, khi momen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại (tín hiệu ảnh T1).
Các proton đang đảo theo hướng ngang sẽ dần trở lại hướng dọc của từ trường ngoài khi tắt sóng radio. Từ hoá ngang giảm dần về không, gọi là thư duỗi ngang, thể hiện bằng khoảng thời gian T2, các tín hiệu nó phát ra được ghi lại để tạo ảnh T2.
Sau khi tắt sóng radio, các tín hiệu dòng điện thu được cũng giảm dần về không. Định vị các tín hiệu này dựa vào tình trạng chênh lệch từ lực dọc theo khung máy. Độ dày của các bước chênh lệch từ trường chính là độ dày của lớp cắt.
Trong quá trình thư dãn (trở lại) của từ hoá dọc, các mô khác nhau sẽ có mức từ hoá khác nhau. Vì thế tốc độ tăng sẽ khác nhau, hay nói cách khác giá trị T1 khác nhau. Mô với giá trị T1 ngắn hơn sẽ có tốc độ tăng lại từ hoá dọc nhanh hơn. Do vậy, trong suốt thời gian này nó có mức từ hoá cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn và xuất hiện trên ảnh sáng hơn.
Trong quá trình phân rã sự từ hoá ngang, các mô khác nhau có mức từ hoá khác nhau do đó tốc độ phân rã khác nhau, hay T2 khác nhau. Giá trị T2 dài tức mô có mức nhiễm từ cao, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và sáng hơn trong ảnh so với mô có giá trị T2 ngắn. Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tương phản T2, nhưng tương phản T2 tăng dần trong quá trình thư dãn.
Như vậy phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau. Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc (tạo ảnh T1) và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang (tạo ảnh T2). Mặt khác, trong thời gian T1 khi mômen từ của các proton khôi phục theo chiều dọc dưới ảnh hưởng của từ trường máy thì tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là 
vectơ từ hóa
 
thực
. Độ lớn của vectơ từ hoá thực phụ thuộc vào mật độ proton của mô đó. Giữa hai mô lân cận, dù thời gian T1 có thể bằng nhau nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hoá sẽ khác nhau. Vì thế cường độ tín hiệu bức xạ ra cũng khác nhau nên sẽ tạo ra ảnh tương phản khác nhau. Nhờ đó ta có thể phân biệt được chúng qua sự tương phản trên ảnh. Nếu hai mô có giá trị T1 khác nhau, thì sự tương phản sẽ càng tăng lên. Nhưng khi các mô tiến dần đến 
trạng thái cân bằng
 thì mật độ proton lại trở thành một yếu tố chính ảnh hưởng đến tương phản giữa hai mô.
Thời gian T1 bao giờ cũng lớn hơn T2 gấp 2 lần, hoặc 5 lần, hoặc 10 lần. T1 và T2 phụ thuộc vào loại cấu trúc của cơ thể và từ lực của từ trường ngoài. Nước có T1 dài, mỡ có T1 ngắn.
Ảnh xử lý T1 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh, còn được gọi là đối quang tổ chức, chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T1 giữa các tổ chức.
Ảnh xử lý T2 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T2 giữa các tổ chức.
Bước 4. Dựng ảnh bằng tín hiệu ghi được
Để thể hiện cường độ tín hiệu thu được phân bố trên một lớp cắt, người ta áp dụng phương pháp toán học của Fourrier để chuyển các tín hiệu thu được thành những thông tin trong không gian. Quá trình tạo ảnh tiếp theo giống như tạo ảnh trong CTscanner.
Do các tín hiệu thu được bắt nguồn từ các proton của các nguyên tử trong mô, vì vậy độ phân giải của ảnh MRI lớn hơn ảnh CTscanner rất nhiều, ảnh rõ nét hơn và cho phép dựng các ảnh dọc, ảnh ngang, ảnh chéo, ảnh không gian ba chiều, có chất lượng cao. 
Một số ứng dụng của chụp cộng hưởng từ (MRI)
Chụp cộng hưởng từ sọ não
U não, u dây thần kinh sọ não
Tai biến mạch máu não, nhồi máu não, xuất huyết não, dị dạng mạch máu não.
Chấn thương sọ não.
Động kinh.
Sa sút trí tuệt, xơ cứng rải rác
Bệnh lý viêm não, màng não.
Các dị tật bẩm sinh não: Teo não, khuyết não
Chụp cộng hưởng từ cột sống
Bệnh lý cột sống
Thoát vị đĩa đệm
Đau thần kinh tọa
U tủy sống
Rỗng tủy, xơ cứng rải rác, thoát vị màng não tủy
Chấn thương cột sống, chảy máu, phù tủy, gãy xương.
Viêm cột sống, đĩa đệm nhiễm trùng, lao cột sống, viêm tủy…
Chụp cộng hưởng từ đường tiêu hóa
Các bệnh lý gan, thận, lách, tụy và đường mật
U gan , U tuyến thượng thận, U tụy, u tử cung, sa trực tràng, sa âm đạo
Chụp cộng hưởng từ vú
Các u lành tính và các tính, các viêm nhiễm vú
Chụp cộng hưởng từ Cơ Xương Khớp
 
Khớp gối: Rách sụn chêm, đứt dây chằng chéo
Khớp háng: Hoại tử vô khuẩn, viêm khớp háng
Các khớp vai, khớp khuỷu, khớp cổ tay, khớp cổ chân.
Viêm xương và mô mềm.
U xương và mô mềm.
Chụp cộng hưởng từ lồng ngực
Đánh giá nhu mô, rốn phổi, trung thất và thành ngực
Chụp cộng hưởng từ tiểu khung
Đánh giá tử cung, buồng trứng, bang quang…
Chụp cộng hưởng từ tim mạch
Đánh giá động mạch vành
Nhồi máu cơ tim
Chụp cộng hưởng từ nhi khoa
Đánh giá bệnh lý nhi khoa như: sọ não, tai mắt…
Ưu và nhược điểm của Chụp cộng hưởng từ
Ưu điểm của chụp cộng hưởng từ
Kỹ thuật chụp an toàn, không độc hại, không bị ảnh hưởng bởi tia xạ.
Dải ứng dụng rộng: chụp thần kinh, tim mạch, xương khớp, cột sống, thoát vị đĩa đệm, mạch máu, chụp vú…
Độ phân giải mô mềm cao. 
Hiển thị hình ảnh tốt hơn so với CT-Scanner và X.Quang
Chụp được mạch máu não, kể cả khi không dùng đối quang từ.
Là kỹ thuật hình ảnh không xâm lấn.
Nhược điểm của chụp cộng hưởng từ
Chi phí chụp cao
Không dùng được nếu bệnh nhân bị chứng sợ nơi chật hẹp hay đóng kín, hội chứng sợ lồng kính 
Thời gian chụp lâu khoảng 15-30 phút, không phù hợp chụp cấp cứu
Vỏ xương và tổn thương có calci khảo sát không tốt bằng X.Quang hay Chụp cắt lớp vi tính
Không thể chụp bệnh nhân với máy tạo nhịp tim, gắn bộ phân kim loại, mô cấy ở mắt hay tai…
Không thể mang theo thiết bị hồi sức vào phòng chụp