Tạo ảnh cộng hưởng từ MRI(Magnetic Resonance Imaging)

1. Dẫn nhập2. Từ tính3. Từ hạt nhân4. Cơ chế tương phản của MRI5. Tạo ảnh MRI của cơ thể6. An toàn MRI7. Cải thiện độ tương phản8. Ứng dụng

1. Dẫn nhập:

• Tiến hóa tạo ra con người vớikhớp gối dễ bị tổn thương

• Thể thao: chấn thương khớp (vai; gối và mắt cá chân)

* Các kỹ thuật tạo hình: độ phân giải cao > < độ tương phản tốt

• MRI là lựa chọn tốt nhất

• Ưu thế của MRI:

Không xâm lấn; không dùng bức xạ ion hóa

Mô mềm (não; sụn khớp)

Không bị xương, các khoang khí ngăn chặn (so với siêu âm)

Độ phân giải tốt (0,5 mm)

Có thể tăng độ tương phản nhờ các chất tự nhiên hoặc các nguyên tử không độc hại mang từ tính

2. Từ tính của vật chất:

• Thanh nam châm tự nhiên: Hai cực nam và bắcLưỡng cực từ

• Moment từ: đặc trưng cho lưỡng cực từ về:

Độ lớnHướng (từ S tới N)

• Vật liệu có moment từ nội tại: nam châm vĩnh cửu

Hợp kim sắt; hợp kim cobalt (mạnh)

* Các trạng thái năng lượng của hai lưỡng cực từ:

• Trạng thái năng lượng thấp nhất: N-S-N-S

• Trạng thái năng lượng cao nhất: N-S-S-N

hoặc S-N-N-S

(quay một nam châm 180o)

• Chuyển trạng thái: N-S-S-N → N-S-N-S

Đó là quá trình hồi phục: năng lượng được giải phóng !!!

* Khái niệm từ trường:

• Khái niệm mô tả tương tác giữa các nam châm:

Hướng: trùng với hướng kim la bànĐộ lớn: độ đo moment xoắn để quay

nam châm 180o so với hướng ưu tiên

• Đơn vị đo:Cường độ từ trường H: [H] = gaussCảm ứng từ B = μoμH: [B] = Tesla

Trong không khí: 1 T = 10.000 gauss1 mT = 10 gauss

* Cường độ từ trường trong một số trường hợp:

• Trái đất: 1 gauss (vai trò?)

• Tủ lạnh: 250 gauss

• MRI: 15.000 gauss (1,5 T)

• fMRI: > 4 T

* Thiết bị MRI mở > < thiết bị MRI tiêu chuẩn

• MRI mở: nam châm vĩnh cửuT nhỏ

• MRI tiêu chuẩn:nam châm điện (siêu dẫn,

heli lỏng, T < -250oC)T lớnCuộn selenoid

(2 m nếu quét cả người)

3. Từ hạt nhân:

• Không có đơn cực từ

• Các hạt hạ nguyên tử (e, p, n) cũng là các lưỡng cực từ

• Moment từ của điện tử:Chất nghịch từ (hầu hết

các chất trong cơ thể)Chất thuận từ (melanin, chất

chứa sắt)Chất sắt từ (nam châm vĩnh cửu)

* Moment từ hạt nhân:

• Nucleon trong nhân cũng lấp đầy các lớp như điện tử ngoài vỏ

• Nhân có số p (n) chẵn: moment từtổng cộng bằng 0

He-4 (2p, 2n); C-12 (6p, 6n)O-16 (8p, 8n); Ca-40 (20p, 20n)

• Nhân có p (n) lẻ: có từ trường nội tại

* Các loại nhân đáng lưu tâm đối với MRI:

H-1 (1p); P-31 (15p); C-13 (7n);…

• Moment từ hạt nhân nhỏ hơnmoment từ điện tử 1000 lần: không có vai trò trong nam châm vĩnh cửu.

• Chuyện gì sẽ xảy ra khi đặt cơ thể trong B ngoài?

* Moment từ hạt nhân trong từ trường ngoài:

• Hai cách sắp xếp moment từ hạt nhân:Cùng chiều B: E thấpNgược chiều B: E cao

• Sai khác giữa hai trạng thái:ΔE = 2 x 2,79 x μnB

μn : magneton hạt nhân2 x 2,79: hằng số thực nghiệm tính cho proton (nhân hydro)

• ΔE = 1,76 x 10-7 eV với B = 1 T (!)

* Chuyển trạng thái sắp xếp moment từ:

• Khi nào?Khi hạt nhân hấp thụ hoặc phát xạ sóng điện từ có năng lượng hν

• Tần số Larmor:ν = ΔE/h = (2 x 2,79 x μnB)/h

Với H-1:ν = 42,58 MHz (B = 1,0 T)ν = 64,00 MHz (B = 1,5 T)

Dải sóng vô tuyến RF !

* Cộng hưởng từ hạt nhân?

• Khi phản ứng với một tần số chọn lọc: cộng hưởng

• Cấu hình moment từ hạt nhân thay đổi khi hấp thụ và phát xạ sóng RF:

cộng hưởng từ hạt nhân

• Bình thường: Moment từ hạt nhân cùng chiều với trường ngoài B

• RF tới: Hạt nhân hấp thụ sóng RF: Moment từ chuyển sang trạng thái ngược chiều với B (E lớn hơn).

• Khi trở về trạng thái cùng chiều với B (E bé hơn): Hạt nhân phát sóng RF

4. Cơ chế tương phản:

• Tín hiệu RF phản ánh mật độ proton mô:các mô mềm không khác nhau nhiều (tương tự X quang!)

• Dùng các thời gian hồi phục T1 và T2 :

• Sự từ hóa của tập hợp các nhân trong một vùng: moment từ hóa vùngM, với 2 thành phần:

thành phần dọc Mz

thành phần ngang Mxy

* Thời gian hồi phục T1:

Thời gian mà moment từ hóa khôi phục 63% giá trị Mz ban đầu

• Thời gian hồi phục T2:Khi Mz tăng thì Mxy giảm.Khi hệ hồi phục hoàn toàn, Mxy = 0

T2 là thời gian để cường độ tín hiệu giảm 63% giá trị Mxy ban đầu

Tham số MRI điển hình cho các loại mô :

Loại mô Mật độ p T1 (ms) T2 (ms)

MỡChất xámChất trắngDịch não tủyCơGan

1,000,800,701,000,750,75

260900780

2400870500

80100

90160

4540

5. Tạo ảnh cơ thể:Các lớp cắt được tạo như thế nào?

• Dùng thiết bị tạo gradient từ trường tăng dọc cuộn selenoid:→ tần số Larmour tăng theo (dọc cơ thể người)Chọn tần số sóng RF thích hợp sẽ thu được tín hiệu của lớp cắt tương ứng.

6. Bài toán an toàn:

• Đã có khoảng 10.000 thiết bị MRI, 75 triệu ảnh hàng năm (2003)

• Ảnh hưởng của từ trường:Ảo giác với trường ≥ 4 T

• Sóng RF: tăng nhiệtFDA: không quá 1oC

7. Cải thiện độ tương phản:

• Nói chung MRI không cần chất tạo sự tương phản, vì các mô có mật độ p, T1 hoặc T2 đủ khác nhau.

• Cơ thể có chất tương phản tự nhiên:

Máu: hemoglobin chứa sắt là chất thuận từ oxyhemoglobin không phải là chất thuận từ(từ điện tử rất lớn so với từ hạt nhân)

• Cũng dùng chất tạo sự tương phản ngoại sinh:Gadolinium: thuận từ mạnh hơn HbO2 100 ngàn lần vì có 7 điện tử không tạo cặp

8. Ứng dụng MRI:

• Y học thể thao:

KhớpTổn thương mô mềm

* Nhũ ảnh MRI:

Nhũ ảnh X quang có âm tính giả và dương tính giả

Nhũ ảnh MRI khắc phục được

* Phổ MR :

Hóa học cơ thể

* Chụp MRI não và fMRI:

Cấu trúc và chức năng (độ phân giải k/gian và thời gian tốt hơn PET)