Nguyên lý cơ bản của cộng hưởng từ MRI

Cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging: MRI) khi mới ra đời được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân. Dù tên gọi khác đi nhưng nguyên lý chung của MRI vẫn không thay đổi. MRI lâm sàng sử dụng đặc tính từ của nguyên tử hydro, sự tương tác của nó với một từ trường lớn ở bên ngoài và sóng radio để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể con người. Người ta thu được hình ảnh nhờ đặc tính MRI của các tiểu thể hạt nhân, đặc biệt là hydro.

Để thu được hình ảnh MRI, trước tiên cần phải có một từ trường mạnh. Từ lực của nam châm dùng trong MRI được đo bằng Tesla (1 Tesla tương đương 10.000 Gauss, từ trường của trái đất gần bằng 0,5 Gauss). Nam châm 1 Tesla có từ lực mạnh gấp 20.000 lần từ trường trái đất. Có 3 loại nam châm dùng trong MRI là nam châm vĩnh cửu, nam châm điện trở và nam châm siêu dẫn.

Nam châm vĩnh cửu thường dùng để chỉ nam châm có từ trường đứng, được cấu tạo bởi hai khối nam châm, mỗi khối ở một cực, người bệnh nằm trên bàn chụp giữa hai cực này. Tuy nhiên, không phải tất cả các nam châm đứng đều là nam châm vĩnh cửu. ưu điểm của hệ thống nam châm vĩnh cửu là: (1) khá rẻ, (2) không cần điện hay các dung dịch làm lạnh để duy trì từ trường của nam châm, (3) thiết kế máy mở cho phép giảm bớt sự sợ hãi cho người bệnh, (4) từ trường vân (fringe) gần như không tồn tại.

Nam châm điện trở được cấu tạo từ một cuộn dây. Cuộn dây càng quay nhiều thì dòng điện sinh ra trong cuộn dây càng mạnh và từ trường sẽ càng lớn. Các dạng nam châm này thường được thiết kế để tạo ra từ trường ngang. Cũng có một vài hệ thống từ trường đứng được xây dựng dựa trên nam châm điện trở. Dạng nam châm điện trở có ưu điểm chính là: (1) không cần các dung dịch làm lạnh, (2) có thể tắt nam châm đi, (3) từ trường vân khá nhỏ.

Nam châm siêu dẫn là dạng phổ biến nhất, được chế tạo từ những cuộn dây (như nam châm điện trở) để tạo ra một từ trường ngang. Người ta sử dụng helium lỏng để giữ cuộn dây của nam châm ở mức nhiệt 4oK, khi đó cuộn dây không có điện trở. Dòng điện chạy qua cuộn dây không cần nối với nguồn năng lượng bên ngoài. ưu điểm chính của nam châm siêu dẫn là có khả năng tạo ra một từ lực lớn (3 Tesla cho các ứng dụng lâm sàng và lên tới trên 10 Tesla cho các nghiên cứu phổ MRI).

1. Đặc tính từ của vật chất

Từ hóa là một đặc tính cơ bản của vật chất. Có 3 dạng từ trường là nghịch từ (diamagnetic), thuận từ (paramagnetic) và sắt từ (ferromagnetic).

Phía ngoài một từ trường, các chất nghịch từ không có thuộc tính từ. Khi đặt các chất nghịch từ vào trong từ trường, chúng không những không bị hút mà còn hơi bị đẩy bởi từ trường. Nói cách khác, các chất nghịch từ có tương tác âm với từ trường bên ngoài và được cho là có độ nhạy âm đối với từ trường.

Các chất thuận từ cũng không có đặc tính từ khi ở phía ngoài từ trường. Khi đặt vào trong từ trường, chúng lại hơi bị hút (có tương tác hơi dương với từ trường bên ngoài) và từ trường tăng lên trong mẫu, làm tăng từ trường khu vực. Các chất này được cho là có độ nhạy dương với từ trường.

Các chất sắt từ đáp ứng hoàn toàn khác, khi đặt vào trong từ trường, chúng bị hút rất mạnh về phía từ trường. Từ trường khu vực ở trung tâm của chất đó tăng lên nhiều nhất. Các chất sắt từ vẫn còn giữ được từ tính khi lấy chúng ra khỏi từ trường. Như vậy, các vật dụng được cấu tạo bởi các chất sắt từ không nên đưa vào trong phòng chụp vì chúng có thể bị hút rất mạnh vào trung tâm của máy và gây sát thương. Một vật được từ hóa vĩnh viễn chính là nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu có hai cực nên còn được gọi là lưỡng cực.

2. Cấu trúc nguyên tử

Hạt nhân của nguyên tử gồm 2 thành phần: proton (mang điện tích dương) và neutron (không mang điện tích). Số nguyên tử đại diện cho số proton trong hạt nhân. Trọng lượng nguyên tử là toàn bộ trọng lượng của proton và neutron. Quay quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm. Tất cả các hạt nhỏ này đều chuyển động. Neutron và proton quay quanh trục của chúng, điện tử quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chúng. Sự quay của các tiểu thể hạt nhân tạo ra một momen góc. Hạt nhân có số proton và neutron ngang nhau thì momen góc bằng không. Nếu số proton và neutron không bằng nhau thì hạt nhân có một momen góc nhất định. Momen góc được thể hiện như một vectơ lượng hóa, có cả biên độ và hướng. Cùng với momen góc quay, các hạt nhân còn có đặc tính từ. Vì proton có trọng lượng, điện tích dương và quay nên nó tạo ra một từ trường nhỏ, giống như một thanh nam châm. Từ trường nhỏ này của proton được dùng để chỉ momen từ. Momen từ là một vectơ lượng hóa, có biên độ và hướng (hướng trùng với momen góc). Tỉ lệ giữa momen góc và momen từ cho ta một hằng số, đó là tỉ lệ hồi chuyển từ (gyromagnetic) đặc hiệu cho mỗi hạt nhân từ hoạt động. Hydro có một momen từ lớn và nó gần như có trong tất cả các chất của cơ thể. Vì những lý do này mà người ta chỉ dùng proton hydro trong tạo ảnh MRI lâm sàng. Dưới đây, chúng tôi chỉ tập trung tới nguyên tử hydro.

Hạt nhân của nguyên tử hydro chỉ chứa 1 proton. Do đó, như trên đã nói, nó có một momen từ lớn. Proton hoạt động như một thanh nam châm nhỏ. Do đặc tính quay của proton, nếu được đặt trong một từ trường lớn ở bên ngoài, nó sẽ sắp xếp theo một trong hai hướng, song song hoặc đối song song so với hướng của từ trường.

Cùng với việc sắp xếp theo hướng của từ trường bên ngoài (Bo), proton sẽ chuyển động đảo với một vài tần số. Tần số đảo của proton được thể hiện theo phương trình Larmor: nguyên tử hydro chuyển động đảo như “con quay” trong từ trường Bo (từ trường của máy MRI, tính bằng Tesla) với tần số ω0 (tính bằng Hz hay MHz), γ là tỉ lệ hồi chuyển từ g (gyromagnetic ratio).

Phương trình Larmor cho thấy, tần số đảo được tính bằng tích giữa từ lực của từ trường tĩnh bên ngoài (Bo) và tỉ lệ hồi chuyển từ (g). Bo tăng lên sẽ làm tăng tần số đảo, và ngược lại. Điều này cũng tương tự với đỉnh quay, nó sẽ đảo do trọng lực. Nếu trọng lực giảm đi (ví dụ trên mặt trăng) thì đỉnh quay sẽ đảo chậm hơn.

Mô phỏng phương trình Larmor

Đặt nhiều proton vào trong một từ trường sẽ thấy một số proton sắp xếp đối song song và đa số sắp xếp song song. Proton sắp xếp song song được cho là có trạng thái năng lượng thấp, sắp xếp theo hướng đối song song được cho là có trạng thái năng lượng cao. Sự chênh lệch về năng lượng giữa hai trạng thái này tỉ lệ thuận với từ lực của từ trường bên ngoài Bo. Số lượng spin ở trạng thái năng lượng thấp cũng có liên quan đến từ lực Bo. Bo càng lớn thì số lượng spin xếp hàng trong trạng thái năng lượng thấp càng nhiều. Số lượng spin ở trạng thái năng lượng thấp vượt quá số lượng spin ở trạng thái năng lượng cao được coi là sự dư thừa spin. Momen từ của các spin dư thừa này tập hợp lại tạo nên từ hóa thực, và chính vì vậy khi mô sống được đặt vào trong từ trường thì sẽ bị từ hóa. Từ hóa thực cũng được thể hiện bằng một vectơ lượng hóa. Như trên đã nói, một từ trường Bo lớn sẽ tạo ra một sự dư thừa spin lớn. Do đó, Bo lớn hơn sẽ tạo ra một vectơ từ hóa thực lớn hơn.

Khi mô sống bị từ hóa, các spin ở trạng thái năng lượng cao hay thấp, một trạng thái vật chất đạt được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt. Cần phải chú ý, ở trạng thái cân bằng nhiệt, mỗi spin tạo ra từ hóa thực không đảo cùng pha. Đó là do sự khác nhau nhỏ trong tần số đảo, gây ra bởi sự không đồng nhất của từ trường và sự khác nhau ở từ trường khu vực sinh ra trong mỗi phân tử nhất định, bên cạnh một số yếu tố khác nữa. Do đó, từ hóa thực sắp xếp song song với Bo nhưng không đảo.

Hydro tồn tại trong nhiều phân tử và đa số các tổ chức tạo nên cấu trúc cơ thể, như phân tử nước (H2O, chiếm 70% trọng lượng cơ thể), tổ chức mỡ… Cấu trúc phân tử thay đổi và lượng hydro trong các tổ chức khác nhau ảnh hưởng tới việc proton hoạt động trong từ trường bên ngoài. Ví dụ: do lượng hydro ở trong nước là nhiều nhất nên nó có vectơ từ hóa thực mạnh nhất trong cơ thể. Các cấu trúc và tổ chức khác có nồng độ hydro ít hơn sẽ trở nên từ hóa ít hơn, nói một cách khác là từ hóa thực của chúng yếu hơn.

Lượng proton chuyển động của hydro trong một tổ chức nhất định so với nước (đặc biệt là dịch não tủy) được dùng để chỉ mật độ spin của tổ chức đó (mật độ proton). Đây chính là cơ sở tạo ảnh sử dụng MRI. Hạt nhân hydro chứa 1 proton và có một momen từ đáng kể. Thêm vào đó, hydro có rất nhiều trong cơ thể con người. Khi đặt người bệnh vào một từ trường mạnh ở bên ngoài, chúng ta đã làm từ hóa tổ chức (tức là từ hóa nguyên tử hydro), chuẩn bị cho quá trình tạo ảnh bằng MRI. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ quan sát xem quá trình từ hóa này biến đổi thế nào khi có một trường tần số radio (radio frequency: RF).