Máy MRI tạo ảnh bằng cách đo tín hiệu radio phát ra từ hạt nhân hydro (proton) trong cơ thể sau khi chúng được đặt trong một từ trường rất mạnh và bị kích thích bằng một xung sóng radio. Mô khác nhau chứa lượng nước, mỡ khác nhau, và proton trong mỗi loại mô trở về trạng thái cân bằng với tốc độ khác nhau. Máy biến những khác biệt đó thành độ sáng tối trên ảnh.
MRI không dùng tia X hay bất kỳ bức xạ ion hoá nào. Vị trí của tín hiệu trong cơ thể được xác định bằng các cuộn gradient làm từ trường thay đổi có chủ đích theo không gian, khiến proton ở mỗi chỗ “hát” ở tần số và pha hơi khác nhau. Một phép biến đổi Fourier đưa dữ liệu tần số đó về ảnh. Tiếng ồn lớn khi chụp chính là âm thanh của các cuộn gradient đóng ngắt dòng điện mạnh trong từ trường.
Proton như những con quay nhỏ: từ trường và tần số Larmor
Hạt nhân hydro là một proton có spin, một thuộc tính lượng tử làm nó có mômen từ như một thanh nam châm cực nhỏ. Cơ thể người khoảng 60% là nước, cộng với mỡ, nên chứa số proton khổng lồ. Bình thường các mômen này hướng ngẫu nhiên, triệt tiêu nhau.
Trong từ trường mạnh B0 của máy, thường 1,5 tesla hoặc 3 tesla (gấp hàng chục nghìn lần từ trường Trái Đất), mômen từ của proton có hai trạng thái năng lượng: cùng chiều và ngược chiều từ trường. Trạng thái cùng chiều có năng lượng thấp hơn một chút, nên có dư một lượng rất nhỏ proton ở trạng thái này, chỉ cỡ vài phần triệu ở nhiệt độ cơ thể. Nhưng vì tổng số proton quá lớn, phần dư đó tạo ra một độ từ hoá tổng hợp đo được, hướng dọc theo B0.
Proton không đứng yên mà tiến động quanh trục từ trường, giống con quay nghiêng xoay quanh phương thẳng đứng. Tần số tiến động, gọi là tần số Larmor, tỷ lệ thuận với cường độ từ trường: f = γ̄ × B0, với γ̄ của proton khoảng 42,58 MHz mỗi tesla. Ở 1,5 T tần số là khoảng 64 MHz, ở 3 T khoảng 128 MHz, nằm trong dải sóng radio FM. Đây là điểm mấu chốt cho cả kích thích lẫn định vị tín hiệu.
Vì độ từ hoá tổng hợp tỷ lệ với cường độ từ trường, máy 3 T cho tín hiệu mạnh hơn máy 1,5 T, ảnh chi tiết hơn hoặc chụp nhanh hơn. Đổi lại, từ trường mạnh hơn gây nhiều nhiễu ảnh hơn ở một số vùng và làm mô nóng lên nhiều hơn với cùng chuỗi xung.
Xung RF và hiện tượng hồi phục: nguồn gốc của T1 và T2
Cuộn phát gửi một xung sóng radio đúng tần số Larmor. Đúng tần số là điều kiện cộng hưởng: chỉ proton tiến động ở tần số đó hấp thụ năng lượng. Xung làm độ từ hoá tổng hợp nghiêng khỏi phương B0, ví dụ nghiêng 90 độ xuống mặt phẳng ngang. Lúc này độ từ hoá quay trong mặt phẳng ngang ở tần số Larmor, và theo định luật cảm ứng Faraday, nó tạo ra một điện áp xoay chiều nhỏ trong cuộn thu. Đó là tín hiệu MRI.
Sau khi tắt xung, hai quá trình hồi phục diễn ra đồng thời. Hồi phục T1 (hồi phục dọc, spin–mạng): độ từ hoá dọc theo B0 dần trở lại khi proton trao năng lượng cho môi trường phân tử xung quanh. Hồi phục T2 (hồi phục ngang, spin–spin): các proton ban đầu quay đồng pha, nhưng tương tác từ với nhau khiến chúng lệch pha dần, tín hiệu ngang suy giảm. T2 luôn ngắn hơn hoặc bằng T1. Sự không đồng nhất của từ trường làm lệch pha nhanh hơn nữa, gọi là T2*.
T1 và T2 phụ thuộc vào môi trường phân tử: proton trong mỡ hồi phục T1 nhanh, proton trong nước tự do (như dịch não tuỷ) hồi phục T1 chậm và có T2 dài. Mô bệnh lý như phù nề, viêm, nhiều khối u thường chứa nhiều nước hơn mô lành, làm T1 và T2 dài ra. Năm 1971, Raymond Damadian công bố rằng T1 của mô u ở chuột khác mô lành, một trong những ý tưởng khởi đầu cho ứng dụng y khoa của cộng hưởng từ.
Kỹ thuật viên chọn tham số chuỗi xung để nhấn mạnh một loại khác biệt. Thời gian lặp TR ngắn và thời gian vọng TE ngắn cho ảnh T1: mỡ sáng, nước tối, tốt cho giải phẫu. TR dài và TE dài cho ảnh T2: nước sáng, tốt để phát hiện phù nề và nhiều tổn thương. Còn rất nhiều chuỗi khác, như chuỗi xoá tín hiệu dịch tự do hay ảnh khuếch tán phát hiện nhồi máu não sớm.
Mã hoá không gian: biết tín hiệu đến từ đâu
Cuộn thu nhận tín hiệu tổng của mọi proton bị kích thích, không biết tín hiệu nào từ đâu. Lời giải, phát triển độc lập bởi Paul Lauterbur (công bố trên Nature năm 1973) và Peter Mansfield, là dùng gradient từ trường: các cuộn phụ làm cường độ từ trường thay đổi tuyến tính theo vị trí. Vì tần số Larmor tỷ lệ với từ trường, proton ở mỗi vị trí sẽ tiến động ở tần số hơi khác nhau. Lauterbur và Mansfield nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2003; việc Damadian không có tên trong giải là một tranh cãi được báo chí khoa học ghi nhận rộng rãi.
Quá trình mã hoá gồm ba bước. Chọn lát cắt: bật gradient theo một trục trong khi phát xung RF có dải tần hẹp, chỉ một lát mỏng có tần số Larmor nằm trong dải đó bị kích thích. Mã hoá tần số: trong lúc đọc tín hiệu, bật gradient theo trục thứ hai, mỗi cột trong lát cắt phát ở một tần số riêng. Mã hoá pha: trước khi đọc, bật ngắn gradient theo trục thứ ba, làm mỗi hàng tích luỹ một độ lệch pha khác nhau. Lặp lại với nhiều mức gradient pha khác nhau.
Dữ liệu thu được không phải ảnh mà là các hệ số Fourier của ảnh, sắp vào một ma trận gọi là không gian k. Vùng trung tâm không gian k quyết định độ tương phản tổng thể, vùng rìa quyết định chi tiết sắc nét. Biến đổi Fourier ngược đưa không gian k về ảnh. Vì mỗi hàng không gian k cần một lần lặp TR, thời gian chụp tỷ lệ với số hàng cần thu, đó là lý do một chuỗi MRI có thể kéo dài vài phút và bệnh nhân phải nằm yên.
Các kỹ thuật tăng tốc hiện đại đi theo hướng thu ít dữ liệu hơn rồi tái tạo thông minh: chụp song song dùng nhiều cuộn thu đặt ở các vị trí khác nhau, cảm biến nén và gần đây là tái tạo bằng học sâu. Chúng giảm thời gian chụp đáng kể nhưng cần được kiểm định kỹ để không tạo ra chi tiết giả.
Phần cứng: nam châm siêu dẫn, cuộn gradient và cuộn RF
Nam châm siêu dẫn. Để tạo 1,5–3 T ổn định và đồng đều trên một vùng đủ rộng cho cơ thể người, máy dùng cuộn dây hợp kim niobi–titan ở trạng thái siêu dẫn, ngâm trong heli lỏng ở khoảng 4 kelvin. Dòng điện chạy trong cuộn không có điện trở nên từ trường được duy trì liên tục, kể cả khi không chụp. Vì vậy từ trường của máy MRI luôn bật.
Sự cố mất siêu dẫn (quench). Nếu một đoạn dây mất trạng thái siêu dẫn, điện trở xuất hiện, nhiệt sinh ra làm heli sôi rất nhanh. Máy có ống thoát khí heli ra ngoài toà nhà. Kỹ sư cũng có thể chủ động kích hoạt quench để tắt từ trường khẩn cấp, chẳng hạn khi có người bị vật kim loại kẹp vào máy. Heli là tài nguyên khan hiếm, nên các thế hệ máy mới hướng tới dùng ít heli hơn.
Cuộn gradient và tiếng ồn. Cuộn gradient được đóng ngắt dòng hàng trăm ampe trong vài phần nghìn giây. Lực Lorentz giữa dòng điện và từ trường chính làm cuộn rung mạnh, tạo tiếng gõ, tiếng rít đặc trưng có thể vượt 100 dB. Bệnh nhân được đeo nút tai hoặc tai nghe. Đóng ngắt gradient nhanh còn có thể gây kích thích dây thần kinh ngoại biên, nên tốc độ thay đổi được giới hạn theo tiêu chuẩn an toàn.
Cuộn RF. Cuộn phát và cuộn thu, thường là các cuộn chuyên dụng đặt sát vùng chụp (đầu, gối, cột sống) với nhiều phần tử, quyết định tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Phòng chụp được bọc kim loại thành lồng Faraday để sóng radio bên ngoài không lọt vào làm nhiễu tín hiệu cực yếu từ cơ thể.
MRI và CT khác nhau thế nào
Hai kỹ thuật thường bị nhầm lẫn vì máy trông giống nhau. Chúng đo những đại lượng vật lý hoàn toàn khác nhau. Việc chọn kỹ thuật nào cho một tình huống cụ thể là quyết định của bác sĩ điều trị.
| Tiêu chí | MRI (cộng hưởng từ) | CT (cắt lớp vi tính) |
|---|---|---|
| Đại lượng đo | Tín hiệu radio từ proton, phụ thuộc mật độ proton, T1, T2, khuếch tán, dòng chảy | Mức suy giảm tia X qua mô, phụ thuộc mật độ electron và số nguyên tử của mô |
| Bức xạ ion hoá | Không | Có |
| Thế mạnh | Phân biệt mô mềm: não, tuỷ sống, dây chằng, sụn, cơ, nhiều cơ quan bụng chậu | Xương, phổi, chảy máu cấp, chấn thương, nhanh |
| Thời gian chụp | Thường vài chục phút cho một buổi chụp | Vài giây đến vài phút |
| Hạn chế | Ồn, không gian hẹp, cần nằm yên, chống chỉ định với một số thiết bị cấy ghép | Liều bức xạ, phân biệt mô mềm kém hơn MRI |
| Thuốc tương phản | Chế phẩm gadolinium | Chế phẩm chứa iod |
Trong cấp cứu đột quỵ hay chấn thương, CT thường được dùng trước vì nhanh và dễ tiếp cận; MRI cho thông tin chi tiết hơn về mô não và tuỷ khi tình trạng cho phép.
An toàn khi chụp MRI: các rủi ro có thật và cơ chế của chúng
Không có bức xạ ion hoá không có nghĩa là không có rủi ro. Các rủi ro của MRI đến từ ba trường vật lý của máy và từ thuốc tương phản. Danh sách dưới đây giải thích cơ chế, không thay thế bảng sàng lọc và chỉ dẫn của cơ sở y tế.
- Vật sắt từ thành vật bay: từ trường chính hút mạnh vật sắt từ như bình oxy, kéo, kẹp tóc; lực tăng rất nhanh khi lại gần nòng máy. Đây là lý do khu vực máy có kiểm soát ra vào nghiêm ngặt và mọi vật dụng kim loại phải để ngoài.
- Thiết bị cấy ghép: máy tạo nhịp, ốc tai điện tử, kẹp phình mạch đời cũ, mảnh kim loại trong mắt có thể bị lực từ, bị nóng hoặc trục trặc. Nhiều thiết bị hiện đại được chứng nhận an toàn có điều kiện; quyết định cần dựa trên loại thiết bị cụ thể.
- Làm nóng mô: năng lượng sóng radio bị mô hấp thụ, được giới hạn qua chỉ số tỷ lệ hấp thụ riêng (SAR). Vòng kín tạo bởi tay chân chạm nhau hay dây cáp có thể gây bỏng cục bộ, nên kỹ thuật viên đặt tư thế và lót đệm cẩn thận.
- Tiếng ồn: cần bảo vệ thính giác như đã nêu.
- Thuốc tương phản gadolinium: ion gadolinium tự do độc, nên được bọc trong phân tử chelate. Ở người suy thận nặng, một số chế phẩm thế hệ cũ liên quan tới bệnh xơ hoá hệ thống do thận. Từ giữa thập niên 2010, các nghiên cứu phát hiện gadolinium lắng đọng với lượng nhỏ trong não sau nhiều lần tiêm; ý nghĩa lâm sàng hiện chưa được chứng minh, và các cơ quan quản lý đã điều chỉnh khuyến cáo theo hướng ưu tiên chế phẩm ổn định hơn.
- Sợ không gian hẹp: một tỷ lệ người bệnh khó hoàn thành buổi chụp. Máy nòng rộng, máy mở và trao đổi trước với kỹ thuật viên giúp giảm vấn đề này.
Câu hỏi thường gặp
Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) đo hoạt động não bằng cách nào?
fMRI không đo trực tiếp hoạt động thần kinh mà đo hiệu ứng BOLD: vùng não hoạt động nhận thêm máu giàu oxy, hemoglobin gắn oxy và không gắn oxy có tính từ khác nhau nên làm thay đổi tín hiệu T2*. Tín hiệu này chậm vài giây so với hoạt động thần kinh và nhỏ, nên cần thiết kế thí nghiệm và thống kê cẩn thận để tránh kết luận sai.
Vì sao gọi là cộng hưởng từ mà không gọi là cộng hưởng từ hạt nhân?
Hiện tượng vật lý đúng tên là cộng hưởng từ hạt nhân, được Felix Bloch và Edward Purcell độc lập mô tả năm 1946 và nhận giải Nobel Vật lý năm 1952. Khi đưa vào y khoa, chữ hạt nhân bị lược bỏ một phần để tránh liên tưởng sai tới phóng xạ, dù kỹ thuật không liên quan đến phản ứng hạt nhân hay chất phóng xạ.
Máy MRI 3 tesla có luôn tốt hơn máy 1,5 tesla không?
Máy 3 T cho tín hiệu mạnh hơn, có lợi cho chụp não, mạch máu và các cấu trúc nhỏ. Nhưng nó cũng nhạy hơn với nhiễu ảnh do kim loại và khác biệt từ tính giữa các mô, làm mô nóng nhiều hơn, và một số thiết bị cấy ghép chỉ được chứng nhận an toàn ở 1,5 T. Lựa chọn phụ thuộc vào vùng chụp và người bệnh.
Ngoài hydro, MRI có chụp được nguyên tố khác không?
Có, các hạt nhân có spin khác không như natri-23, phosphor-31, carbon-13 hay xenon-129 phân cực siêu cao đều cho tín hiệu cộng hưởng từ. Chúng có nồng độ thấp hơn hoặc tín hiệu yếu hơn hydro rất nhiều, nên cần cuộn chuyên dụng và chủ yếu dùng trong nghiên cứu, ví dụ đo chuyển hoá năng lượng ở cơ hoặc thông khí phổi.
Vì sao ảnh MRI đôi khi có vệt nhòe hoặc bóng ma?
Mã hoá pha cần nhiều lần lặp trải dài thời gian, nên chuyển động như thở, tim đập, nuốt hay nhu động ruột làm dữ liệu không nhất quán, tạo bóng ma lặp lại theo hướng mã hoá pha. Kim loại làm méo từ trường cục bộ gây vùng mất tín hiệu và biến dạng. Kỹ thuật viên dùng nín thở, đồng bộ nhịp tim và chuỗi xung chống chuyển động để giảm hiện tượng.
Máy MRI giá rẻ từ trường thấp có ý nghĩa gì?
Máy từ trường thấp, dưới 1 tesla, rẻ hơn, nhẹ hơn, không cần nhiều heli và có thể đặt ở nơi hạ tầng hạn chế hoặc mang đến giường bệnh. Tín hiệu yếu hơn được bù một phần bằng thuật toán tái tạo hiện đại. Chúng chưa thay thế được máy cao trường cho chẩn đoán chi tiết, nhưng mở rộng khả năng tiếp cận chụp cộng hưởng từ.