Chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân

Người bệnh nằm trong một chiếc giường nhỏ từ từ được đẩy cho đầu vào giữa một cái vòng rất to. Phòng lặng im, chỉ thấy máy tính hoạt động.

Lát sau bác sĩ chỉ cho mọi người thấy trên màn hình ảnh của một lớp cắt ngang đầu với đường cong trắng của hộp sọ, các nếp gấp của vỏ não, các hốc mắt, mũi và đặc biệt có một mạch máu nhỏ bị rạn nứt, máu đỏ thấm ra ngoài, lớp mỡ màu trắng đục… Từ đó các bác sĩ hội chẩn cách chữa trị khẩn cấp.

Vậy làm thế nào có được ảnh cắp lớp đó? Nhớ lại một số hiện tượng vật lý thông thường, ta có thể hiểu được cách chụp ảnh MRI.

Hình 1. Chuyển động quay đảo (tiến động của con quay).

Ta nhớ là khi cho một con quay quay tít, con quay rất dễ đứng thắng trên đầu mũi nhọn của nó. Nhưng được một lát con quay bắt đầu đảo, nghĩa là nó vẫn quay nhưng trục quay của nó bị nghiêngso với phương thẳng đứng và có thêm chuyển động đảo: trục quay của con quay quay quanh phương thẳng đứng (Hình 1). Cái gì gây nên chuyển động đảo: trọng trường của quả đất kết hợp với chuyển độngquay của con quay. Người ta đặc trưng chuyển động quay tít chung quanh trục của con quay bằng một véc tơ hướng theo trục quay và lớn hay nhỏ tuỳ theo con quay nặng hay nhe, quay nhanh hay chậm và gọiđó là mômen quay của con quay. Có thể nói dưới tác dụng của trọng trường, mômen quay của con quay bị đảo quanh phương của trọng trường với một tần số nào đó. Chuyển động đảo đó gọi là chuyển độngLarmor và tần số quay đảo gọi là tần số Lamor.

Hình 2. Mômen từ hạt nhân quay đảo bình thường khi có từ trường ngoài H.

Tương tự trong cơ thể của chúng ta có những nguyên tử mà hạt nhân của nó có mômen từ, giống như là hạt nhân có gắn một nam châm cực nhỏ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, mômen từ của hạtnhân quay đảo với tần số Larmor, thí dụ là ω _L(Hình 2). Khi mômen từ của hạt nhân quay đảo với tần số ω _L, nếu ta dùng máy phát để phát sóng điện từ với tần số đúng bằng ω_Lchiếu thẳng vào hạt nhân, thì hạt nhân đang quay bị tác dụng một lực xoay chiều cùng tần số sẽ có hiện tượng cộng hưởng, đó chính là cộng hưởng từ hạt nhân (Hình 3). Khi có cộng hưởng,chuyển động quay đảo của mômen từ hạt nhân sẽ trở nên cực mạnh, véctơ mômen từ gần như quay trong mặt phẳng vuông gócvới từ trường ngoài . Nếu không tác dụng sóng điện từ nữa, không còn cộng hưởng, mômen từ trở lại quay đảo bình thường quanh từ trường ngoài, tức là gần song song với từ trường ngoài.

Hình 3. Mômen từ hạt nhân quay đảo cực mạnh khi có cộng hưởng.

Ở phép chụp MRI, cuộn dây thật to đấy là cuộn dây siêu dẫn, có thể tạo ra từ trường rất lớn, cỡ vài Tesla. Đầu người bệnh được nằm trong cuộn dây to đó tức là được đặt trong từ trường cao củacuộn dây nam châm siêu dẫn. Thường người ta chú ý đến mômen từ của hạt nhân nguyên tử hiđrô vì trong cơ thể ta chỗ nào ít hay nhiều cũng có nước, mà nước là H₂O, tức là có nguyên tử hiđrô. Đầu bệnh nhân nằm trong cuộn dây siêu dẫn, như vậy là mômen từ của các nguyên tử hiđrô có chuyển động đảo Lamor. Nếu ta lại tác dụng vào khu vực có đầubệnh nhân một sóng vô tuyến có cùng tần số Larmor, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra đối với các hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Nếu tắt sóng vô tuyến các hạt nhân đó lại quay trở lại quay đảo thôngthường, không mạnh như lúc cộng hưởng nữa. Mômen từ của các hạt nhân khi từ trạng thái cộng hưởng quay về trạng thí quay đảo bình thường giống như quay cái nam châm sẽ sinh ra xung quanh nó một biếnthiên từ trường, do đó sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng nếu trong khu vực có từ trường biến thiên có một vòng dây dẫn.

Thời gian từ lúc tắt sóng vô tuyến để các mômen từ của hạt nhân từ chỗ quay đang mạnh theo kiểu cộng hưởng trở về trạng thái bình thường gọi là thời gian hồi phục. Suất điện động sinh ra tròng vòng dây dẫn sẽ dài hay ngắn, mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào thời gian hồi phục nói trên.

Có thể chọn từ trường do cuộn siêu dẫn gây ra có giá trị thích hợp, phù hợp với tần số sóng vô tuyến kích thích, ta có thể làm cho các hạt nhân của nguyên tử hiđrô của đầu người đặt trong cuộn siêu dẫn có cộng hưởng. Không những thế, người ta còn dùng thêm các cuộn dây tạo ra gradient từ trường phụ để không phải tất cả mà là chỉ các hạt nhân của nguyên tử hiđrô ở trong một thể tích cỡ vài milimét khối ở trong đầu có cộng hưởng thôi. Thay đổi gradient từ trường một cách thích hợp, có thể “quét” thể tích cộng hưởng đó theo lớp này, lớp nọ v.v… Bây giờ giả sử ở một thể tích rất nhỏ như thế trong đầu có cộng hưởng, mômen từ của các hạt nhân nguyên tử hiđrô đang quay rất mạnh theo phương gần vuông góc với từ trường ngoài (từ trường của cuộn dây siêu dẫn). Nếu tắt sóng vô tuyến, hiện tượng cộng hưởng không còn nữa, momen từ của các hạt nhân nguyên tử hiđrô quay về gần song song với từ trường ngoài

Mômen từ quay tương tự như thanh nam châm làm cho từ trường xung quanh bị biến thiên, nếu đặt ở gần đấy một cuộn dây đo sẽ có suất điện động cảm ứng sinh ra trong cuộn dây đo đó. Kỹ thuật ngày nay cho phép không những đo được suất điện động cảm ứng rất nhỏ đó mà còn phân biệt được hình dạng của xung điện. Như vậy, ta đã hiểu rõ nguyên lý của cách chụp ảnh MRI đối với trường hợp nguyên tử theo dõi là hiđrô. Tương tự, người ta có thể chụp ảnh MRI với nguyên tử theo dõi là oxy, natri… Đặc biệt, là đối với oxy, nhiều khu vực trong não, nơi nào hoạt động nhiều thì máu sẽ đến nhiều, oxy ở đó tăng lên. Do đó chụp ảnh MRI theo cộng hưởng của nguyên tử là oxy, ta không những biết được cấu tạo mà còn có thể biết được chức năng của từng phần trong vỏ não. Người ta còn gọi đó là chụp ảnh cộng hưởng từ chức năng (fMRI – Functional MRI). Thí dụ, có thể biết được một học sinh đang làm toán thì vùng nào ở vỏ não hoạt động mạnh.

Chụp ảnh MRI và fMRI thuộc loại ứng dụng tối tân nhất của vật lý vào lĩnh vực y học. Những nhà khoa học sáng chế ra phương pháp chụp ảnh này đã được giải Nobel.