Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging hay MRI) dựa vào hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance hay NMR). Đây là một phương pháp thu hình ảnh dựa vào lượng nước bên trong của các cơ quan trong cơ thể con người. Kỹ thuật này lúc ban đầu còn có tên máy cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance Imaging) nhưng chữ “hạt nhân” thường không được đề cập đến sau này. Tên MRI được chọn vì từ “nuclear” trong Nuclear Magnetic Resonance (NMR) có thể gây ra sự hiểu lầm trong giới tiêu thụ khiến họ cho rằng kỹ thuật này liên quan đến nguyên tử phóng xạ; nhưng thực tế thì không! NMR manh nha từ prôton (proton) và nơtron (neutron) được biết với tên nuclear spins, chớ không có gì liên quan đến bức xạ nguyên tử! Magnetic resonance thực hiện được do sự hấp thụ (absorption) và phóng xuất (emission ) năng lượng trong tần số vô tuyến ( RF) của phổ điện từ (electromagnetic spectrum).  Khác với năng lượng dùng trong việc chụp X quang như chụp hình cắt lớp CT với năng lượng phóng xạ tia X, năng lượng dùng chụp MRI là năng lượng vô tuyến điện, vì thế  không gây độc hại cho cơ thể. So với máy chụp cắt lớp CT, MRI đắt hơn; cho hình các cấu trúc phần mềm rõ nét với độ phân giải cao; nhưng chất lượng thấp hơn về xương và thời gian chụp hình khoảng 5 lần dài hơn. Một yếu điểm của MRI là vì từ trường mạnh, người ta không thể chụp hình những bệnh nhân có mang theo những bộ phận kim lọai trong cơ thể như van tim, đĩa đệm nhân tạo vì nhiễu từ. MRI lần đầu tiên dược dùng trên cơ thể con người vào năm 1977 và mất khoảng 5 tiếng đồng hồ để hoàn thành một hình chụp. MRI  bắt đầu dùng để chẩn đoán bệnh từ năm 1982. Thời gian chụp MRI mất khoảng 20-40 phút. Trong thời gian này, bệnh nhân phải nằm yên; nếu không hình sẽ bị mờ.  

1. Vai trò của hydrogen trong MRI

Trở về trường hợp của con người, phần chính trong cơ thể chúng ta là nước (60-70%). Nước là nguồn protons lớn nhất trong cơ thể con người, tiếp theo đó là mỡ. Độ xê dịch hóa học (chemical shift, do proton trong nước quay nhanh hơn proton trong mỡ) giữa nước và mỡ vào khoảng 3,5 phần triệu. Thành phần của nước là hydrô (hydrogen) và oxy (oxygen); và hạt nhân của hydrô chỉ chứa có một proton, nên mômen từ có lượng lớn đáng kể. Do đó, việc ghi nhận sự hiện diện của nước của các mô trong cơ thể trở nên dễ dàng và hữu hiệu. Sư khác nhau giữa các mô lành và mô bị tổn thương cũng vì thế mà dễ dàng phân biệt. Trong những thành phần chính cấu tạo mô như carbon, oxygen, nitrogen và hydrogen, hydrogen cảm biến với MRI. Nói một cách nôm na, MRI là hình chụp hydrogen proton.  

2. Nguyên lý của máy chụp cộng hưởng từ

Hạt nhân nguyên tử của vật thể gồm có proton (mang điện tích +1) và các neutron (không mang điện tích). Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm). Trong trạng thái trung hòa điện tích, số proton sẽ bằng số electron. Neutron và proton quay quanh trục của chúng như những con vụ; electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục riêng; kết quả là một mômen góc quay (angular momentum) gọi là spin được tạo ra. Tốc độ quay hay tần số cộng hưởng (resonance frequency) của các proton đều giống nhau và tỷ lệ với  từ trường máy theo phương trình Larmor.Trong trường hợp này, proton có điện tích dương và quay quanh trục, nên nó tạo ra một từ trường, giống như một nam châm nhỏ, gọi là mômen từ (magnetic moment). Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường. Lượng nước và mỡ trong cơ thể hầu hết chiếm bởi hydro- một nguyên tử chỉ có duy nhất một proton và một electron  mà không có neutron. Thế nên, chúng ta chủ yếu sẽ thảo luận về tính chất spin của protons- hạt nhân nguyên tử hydro.

Trong điều kiện bình thường, các momen từ phân phối một cách ngẫu nhiên (Hình 1a).  Khi ở mức độ nguyên tử, các momen từ này hầu như hủy diệt nhau nên không có từ trường chung.

Hình 1. Hình bên trái: Hướng phân tán của các momen từ trong điều kiện bình thường. Hình bên phải: Các momen từ định hướng song song và đối song song dưới tác dụng của từ trường bên ngoài (từ trường máy). Các proton có trạng thái năng lượng thấp sẽ sắp xếp song song theo hướng của từ trường ngoài; trong khi đó, các proton có trạng thái năng lượng cao sẽ sắp xếp theo hướng đối song song. Các vectơ từ sắp xếp song song cùng chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn hơn các vectơ từ sắp xếp ngược chiều và chúng không thể triệt tiêu cho nhau hết, do đó vectơ từ hoá thực có hướng của vectơ từ trường máy. Một số lượng nhỏ thặng dư sẽ nằm dọc theo từ trường và độ từ hóa thực (net magnetization) sẽ nằm dọc theo từ trường B₀ [1].

Trong trạng thái bình thường, hướng của spins quay một cách ngẫu nhiên với tốc độ giống nhau và có khuynh hướng tiêu hủy ảnh hường từ của nhau. Vì vậy độ từ hóa thực (net magnetization) gần bằng 0. Dưới ảnh hưởng của một từ trường mạnh, các mômen từ sẽ đổi hướng hoặc là spins song song (ở trạng thái năng lượng thấp, mũi tên chỉ lên cùng hướng với vectơ từ trường máy) hoặc đối song song (ở trạng thái năng lượng cao, mũi tên chỉ xuống ngược với vectơ từ trường máy) (Hình 1b).

Một số lượng nhỏ thặng dư “nhỏ bé” này là độ từ hóa thực M₀ (net magnetization) có hướng vectơ (hướng tác động) cùng chiều với chiều vectơ B₀ (trục Z) và sẽ nằm dọc theo từ trường B₀. Proton nằm dọc theo từ trường sẽ ở trạng thái năng lượng thấp (trạng thái ổn định); còn proton nằm ngược hướng với từ trường thì nằm ở trạng thái năng lượng cao (trạng thái bất ổn định; có khuynh hượng phóng thích năng lượng để trở về trạng thái thấp). Các protons tiếp tục dao động giữa hai trạng thái năng lượng, nhưng dù bất cứ ở thời điểm nào và với một lượng đủ, sẽ có một số lượng nhiều protons hơn sẽ nằm dọc theo từ trường máy. Từ trường càng lớn, thì sự khác nhau “nhỏ bé” giữa hai trạng thái năng lượng (energy states) –độ từ hóa thực -  sẽ lớn hơn và số lượng protons nằm dọc theo từ trường máy sẽ nhiều hơn và là cơ sở chính để tạo cộng hưởng từ. Lấy một thí dụ với một điểm ảnh ba chiều voxel (volume element, thường dùng trong MRI thay vì thuật ngữ pixel thông thường!) của nước trong cơ thể có một thể tích 0.064 ml (4x4x4 mm). Ở một từ trường 1.5 Tesla, cứ mỗi hai triệu protons, sẽ có 9 protons nhiều hơn nằm xếp dọc song song theo hướng từ trường hơn là nằm xếp theo hướng ngược lại. Tổng số protons thặng dư khoảng 1.9 x10¹⁶. Con số thặng dư này có thể tính được như sau: 

 Nguyên lý cơ bản của sự vận hành của MRI là dùng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các tần số sóng radio hay sóng vô tuyến RF (cả hai sóng vô tuyến hay sóng radio đều thuộc về dạng sóng điện từ) để điều khiển hoạt động điện từ của hạt nhân nguyên tử hydrô và để tạo ra các lớp cắt mỏng của mô cơ thể. Xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng, tạo nên từ trường nằm B₁ dọc theo mặt x,y, nằm thẳng góc với B₀. Một khoảng thời gian  sau, vectơ dọc theo từ trường B₀ lệch ra khỏi trục z và tạo một góc lật (flip angle). Giá trị của góc lật này tùy thuộc vào cường độ từ trường B₁ và thời gian phát xung. Nói một cách nôm na hơn, từ trường B₁ “cộng hưởng” quanh trục z với cùng tần số với các proton. Những tham số chính dùng để biểu hiện tính năng của sóng radio là tần số, biên độ (amplitude), chu kỳ, bước sóng (wavelength) và pha (phase).

Nên ghi nhận ở đây là tần số tần số sóng radio  hay sóng vô tuyến vào khoảng 10⁷  trong khi đó tầng số của tia X là 10¹⁹. Vì energy (năng lượng)  tỉ lệ với tần số (frequency)  qua hằng số Plank, năng lượng dùng trong tia X và CT nằm trong khoảng một nghìn tỷ (trillion) lần năng lượng  dùng trong MRI. Một con số đáng kể về liều lượng khác nhau giữa hai kỹ thuật quan trọng trong y khoa điện tử: CT và MRI!

Hình 2. Qui trình tạo hình MRI: (1) nguyên tử quay (spin) giống như con vụ theo hướng ngẫu nhiên (random) quanh từ trường riêng; (2) dưới ảnh hưởng của từ trường máy, nguyên tử xếp hoặc theo hướng bắc hay hướng nam. Gần như một nửa số nguyên tử đi theo hướng bắc và một nửa còn lại theo hướng nam. Tuy nhiên, có một số nguyên tử không nằm trong khuynh hướng này (unmatched atoms, nguyên tử thặng dư màu xanh); (3) Khi xung (pulse) tần số sóng radio được áp đặt, những nguyên tử thặng dư quay theo hướng ngược lại; (4) Khi xung tần số vô tuyến hay tần số sóng radio tắt đi, những nguyên tử thặng dư này sẽ quay trở lại vị trí ban đầu, phóng xuất năng lượng  (những mũi tên màu vàng) và (5) số năng lượng đạt được gửi tín hiệu  đến máy tính. Máy tính biến  tín hiệu sang hình ảnh, dùng phép biến đổi Fourier (Google Image). 

Cơ cấu vận hành của MRI được tóm lược ở Hình 2, với neutron và proton quay quanh trục của chúng giống như con vụ, Các tín hiệu đạt được sẽ được xử lý và tạo ra hình ảnh để bác sĩ phân tích và chẩn đoán. Dưới ảnh hưởng của từ trường máy, trục từ trường của các proton trong mô sẽ xếp dọc theo từ trường. Xung tầng số vô tuyến hay sóng radio dùng để đảo trục một số proton  ngược hướng với từ trường dẫn đến năng lượng cao. Sau khi sóng radio tắt đi, các proton quay trở lại xếp theo trục ban đầu của từ trường;  hydrogen protons hồi phục trở lại vị trí bình thường ban đầu trong từ trường và phóng ra năng lượng tàn trữ dư (excess stored energy). Năng lượng được phóng dưới dạng nhiệt, hay dưới hình thức sóng radio. Mức độ và năng lượng phóng thích khi các proton  quay trở lại trục ban đầu (hồi giãn T1 hay thời gian hồi giãn theo trục dọc). Từ hóa ngang (dọc theo mặt x,y) mất nhanh ngay cả trước khi từ hóa dọc theo trục z khôi phục hoàn toàn vì sự dao động và va chạm của protons. Thời gian xảy ra quá trình hồi giãn ngang được gọi thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2. T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho 63.2% vectơ hồi giãn theo chiều dọc. Thời gian T1  cũng tùy thuộc vào tỉ số giữa nước tự do và nước hạn chế; nước tự do càng nhiều thì T1 càng dài vì proton mất nhiều thì giờ hơn để định hướng lại trục quay của mình. Riêng về thời gian hồi giãn ngang T2, T2  là thời gian cần thiết để tín hiệu hồi giãn theo trục ngang còn 36.8% của giá trị ban đầu. T1 và T2 tùy thuộc vào bộ phận trong cơ thể; thí dụ như nước có T1 dài trong khi đó mỡ có T1 ngắn;  nhưng đại khái thì T1 nằm trong khoảng từ 100 ms đến 3 giây và lớn hơn T2 khoảng từ 2 đến 10 lần.  Mộ thí dụ của T1 và T2 ở những thành phần trong cơ thể con người được biểu hiện ở Bảng 1. 

Bảng 1. T1 và T2 ở những bộ phận trong cơ thể con người (từ trường 1.5 Tesla) [2] 

Thường thì cả hai T1 và T2 đều được xử dụng và dùng các thuật toán để tạo hình MRI. Mỗi mô có lượng nguyên tử hydrogen khác nhau và bằng cách thay đổi trình tự của xung tần số vô tuyến RF, nhiều hình ảnh khác nhau có thể đạt được. Hình ảnh được thể hiện trên một dãi màu từ trắng sang đen; trong đó màu trắng có cường độ tín hiệu cao và màu đen không có tín hiệu. Xin ghi chú ở đây là tần số cộng hưởng của proton biến đổi với biên độ của từ trường dựa theo phương trình Larmor. Thí dụ như tần số cộng hưởng của proton là 2 42.58 MHz ở 1 Tesla và 63 MHz ở từ trường 1.5 Tesla. 

3. Cấu tạo của máy chụp cộng hưởng từ (MRI) 

Hình 3. Mô hình cấu tạo máy chụp cộng hưởng từ (MRI).  Máy này gồm có những thành phần chính: vòng xoắn sóng radio (radio frequency coil), cuộn phát sóng tần số radio, vòng xoắn tạo gradient (gradient coils): thỏi nam châm (magnet) để tạo từ trường, bộ phận quét (scanner), bàn di chuyển bệnh nhân (Google Image). 

Ba thành phần chính của máy chụp MRI là: vòng xoắn sóng radio, thỏi nam châm và vòng xoắn tạo gradient.  Vòng ống xoắn radio (RF coils) dùng để truyền đạt và nhận tín hiệu RF và thường có cấu trúc LC (inductance-capacitance). Thỏi nam châm  dùng để dàn hàng hướng quay của prôton với một từ trường rất mạnh, khoảng 0.5- 3 Tesla (5.000 – 150.000 Gauss). Đây là  thành phần quan trọng nhất trong hệ thống MRI. Con số này rất lớn so với từ trường của trái đất (vào khoảng 0.5 Gauss). Vì thế ảnh hưởng từ trường của trái đất trong việc gửi và thu nhận tín hiệu của MRI được xem như là không đáng kể! Có ba loại nam châm (hay thỏi từ) : nam châm điện trở (resistive magnet), nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và nam chân có tính siêu dẫn (superconductivity, dùng nhiều nhất hiện nay trong máy MRI). Chức năng của những bộ phận khác trong máy chụp MRI: vòng xoắn građiên tạo những từ trường biến đổi, để cho tín hiệu liên quan về vị trí (positional information) dùng một từ trường nhỏ hơn nhiều so với nam châm chính (main magnet). RF dùng để truyền đạt và nhận tín hiệu; thuật số (digitizer) nhằm biến đổi tín hiệu analog nhận được thành digital; bộ sắp xếp dãy xung số (pulse sequencer) dùng để kiểm soát thời gian građiên  RF, bộ số hóa (digitizer)  và máy tính  dùng phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform hay FFT) để tạo hình, lưu trữ trình tự xung (pulse sequences), và hiển thị kết quả đạt được.

Như đã trình bày ở  phần trước, MRI scanners dựa vào sự kiện rằng mô cơ thể (body tissue) chứa rất nhiều nước và vì thế protons (1H nuclei) sẽ sắp hàng dưới ảnh hưởng của từ trường. Mỗi phân tử nước gồm có hai protons. Khi bệnh nhân nằm trong từ trường mạnh của máy quét, mômen từ trung bình của nhiều protons nằm sắp hàng với hướng của từ trường. Dòng điện sóng radio (radio frequency current) được bật lên trong một khoảng thời gian ngắn, gây ra sự biến đổi từ trường.  Khi từ trường nằm đúng tần số, cũng được biết với cái tên tần số cộng hưởng (resonance frequency), một số protons nằm sắp hàng với hướng từ trường  hấp thụ năng lượng RF và “spin flip”  đến một mức năng lượng cao hơn.  Sau khi điện từ trường tử RF (RF electromagnetic field) bị tắt đi, những spin này trở lại trạng thái cân bằng nhiệt động học (thermodynamic equilibrium energies), và từ hóa (bulk magnetization) sắp hàng trở lại với từ trường tĩnh (static magnetic field). Trong suốt quá trình hồi phục (relaxation) này, năng lượng RF hấp thụ (absorbed rf energy)  gây nên “spin flip” được phóng ra như tín hiệu sóng radio  và được đo với vòng xoắn nhận tín hiệu (receiver coils). 

Thông tin về nguồn gốc của tín hiệu trong không gian ba chiều có thể đạt được bằng cách áp đặt thêm một từ trường građiên (magnetic field gradient) trong lúc quét. Những từ trường građiên này sẽ tăng thêm tác động trên toàn vật thể đo đạt và có thể dùng để quyết định tần số của tín hiệu sản xuất bởi nguyên tử ở mỗi vùng không gian trong cơ thể,  nhằm mã hóa thông tin về những vùng liên quan. Hình ảnh 3D trong MRI có thể quay dọc theo một phương hướng tùy nghi nào đó và điểu chỉnh bởi bác sĩ hay trợ tá để có thể quan sát rõ nét hơn những thay đổi nhỏ trong cấu tạo bên trong cơ thể. Những trường (fields) này, tạo nên bằng cách  cho dòng điện  chạy qua vòng xoắn tạo gradient (gradient coils), làm cho sức mạnh của từ trường  biến đổi  tùy thuộc vào vị trí trong  nam châm. Thêm vào đó, protons của những lớp mô khác nhau sẽ trở về trạng thái quân bình (equilibrium states) với những độ hồi phục (relaxation rates)  khác nhau.  

Hình 4. Đồ hình biểu hiện cấu trúc của máy chụp cộng hưởng từ (MRI). Ba bộ phận chính nhất theo thứ tự nhìn từ ngoài vào trong là thỏi nam châm (0.2 – 3 Tesla; có thể lớn hơn tùy theo ứng dụng), vòng xoắn tạo građiên (gradient coils) và vòng xoắn sóng radio hay RF (RF coils). Hệ thống građiên  được truyền động bởi bộ khuếch đại dòng điện (powerful current amplifiers) và nhiệt phát ra được hạ xuống bởi hệ thống làm lạnh bằng nườc (water chillers) đặt ở phòng bên cạnh phòng có máy chụp MRI (Google Image).  

4. Qui trình chụp MRI 

Bước đầu tiên trong việc chụp MRI là cắt (slicing) bộ phận chẩn đoán theo một hướng chọn lựa (không nhất thiết phải cắt ngang trục như trong trường hợp của máy cắt lớp vi tính CT!). Đại khái thì có ba hướng cắt chính: cắt ngang trục (axial), cắt dọc đứng (sagittal) và cắt dọc ngang (coronal). Lớp cắt có một độ dày biểu hiện một khối thể tích bao gồm bởi quang trường (field of view) thường có hình chữ nhật mỏng. Nếu chúng ta chia khối thể tích này thành những phần nhỏ có chiều cao bằng độ dày lớp cắt; chúng ta sẽ có phần tử thể tích với tên gọi là voxel (volume element hay voxel).

Tham khảo qua Hình 3và 4, qui trình chụp MRI gồm những bước sau:

Step 1: Di chuyển bàn chuyển dịch đặt bệnh nhân trong một từ trường mạnh: Từ trường có cường độ từ 0.2-3.0 Tesla (T) hay hơn nữa tùy theo ứng dụng, (1T = 10.000 Gauss) để sắp xếp những proton đang có mômen từ phân tán trở nên định hướng hoặc song song hay đối song song.

Step 2: Phát sóng radio: Mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các prôton Để thực hiện điều này, sóng radio phải có cùng tần số “cộng hưởng” với tần số của các prôton trong cơ thể. Dưới sự hấp thụ năng lượng và di động đồng pha với sóng radio , một số spin ở trạng thái năng lượng thấp đổi thành trạng thái năng lượng cao; đưa các vector hướng tới mặt phẳng nằm ngang.  Và các 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/transverse magnetization” với sự suy giảm của từ hóa dọc (longitudinal magnetization) do ảnh hưởng của từ trường máy.

Step 3: Tắt sóng radio

Khi tắt sóng radio  RF, các proton không còn bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy ở vị trí dọc ban đầu, cho ra  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).

Step 4: Tạo hình ảnh MRI

Để thể hiện cường độ tín hiệu thu được phân bố trên một lớp cắt, người ta áp dụng phương pháp toán học 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 CT scanner.

Bác sĩ có thể đại khái nhận ra cơ quan (organs) và mô trong cơ thể. Hình trắng-và-đen MRI hiển thị màu trắng  cho mô có lượng nước và lượng mỡ cao; trong khi đó màu đen với mô có lượng  nước và thành phần mỡ thấp [3-4]. Mức độ khác biệt nhau giữa trắng và đen gọi là độ tương phản (contrast). 

5. Kết từ

Chụp cộng hưởng từ là môt trong những kỹ thuật chẩn đoán được cộng đồng y khoa yêu chuộng nhất là trong lãnh vực khảo sát não sọ. MRI có những ưu điểm chính như: (i)  So với năng lượng phóng xạ tia X dùng trong việc chụp X quang như chụp hình cắt lớp CT hay chụp cắt lớp vú, máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân MRI dùng năng lượng vô tuyến điện, vì thế  không gây độc hại cho cơ thể; (ii) Chụp MRI cho hình các cấu trúc phần mềm rõ nét với độ phân giải cao; và (iii) MRI rất được phổ biến trong việc chẩn đoán u não.

Tuy nhiên MRI cũng có những yếu điểm như: (i) Bệnh nhân không được mang các vật bằng kim loại vào phòng cộng hưởng từ; (ii) Máy chụp  MRI đắt tiền hơn, và thời gian chụp hình dài hơn máy chụp CT; (iii) MRI gây ra nhiều tiếng động trong lúc vận hành. Nguyên nhân chính là trong lúc dòng điện chạy qua các ống xoắn gradient, từ trường mạnh được tạo ra, gây ra sự rung động lớn, làm những cuộn dây này đập vào nhau. Tiếng động này (nghe như tiếng leng keng) có thể  lớn tới độ 100 Decibels; vả (iv) Vì thời gian chụp hình khá dài (trên 30 phút), máy MRI gây nhiều điều bất tiện cho những người có chứng sợ không gian hẹp hay không chịu được tiếng “leng keng”; những người này có thể sẽ phài uống thuốc ngủ hay nghe nhạc trong lúc chụp hình. 

6. Tài liệu tham khảo

[1] James Voyvodic. www.simplyphysics.com

[2] https://mri-q.com/why-is-t1--t2.html

[3] “Functional MRI- An Introduction to Methods”, edited by Peter Jezzaro, Paul Matthews and Stephen Smith.

[4] https://www.brainfacts.org/in-the-lab/tools-and-techniques/2014/brain-scans-technologies-that-peer-inside-your-head 

September 2, 2021

(University of Minnesota & Ecosolar International)