Xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng (fmri) để tính mức độ kết nối giữa các vùng não trong trạng thái khỏe mạnh và có bệnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng (fmri)
để tính mức độ kết nối giữa các vùng não
trong trạng thái khỏe mạnh và có bệnh

TRẦN NHẬT TÂN
Ngành: Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thu Vân
Viện:

Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI, 5/2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng (fmri)
để tính mức độ kết nối giữa các vùng não
trong trạng thái khỏe mạnh và có bệnh

TRẦN NHẬT TÂN
Ngành: Kỹ thuật Y sinh

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thu Vân
Chữ ký của GVHD

Viện:

Điện tử - Viễn thô

HÀ NỘI, 5/2022


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Trần Nhật Tân
Đề tài luận văn: Xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng để tính mức độ kết nối giữa
các vùng não trong trạng thái khỏe mạnh và có bệnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số học viên: CB190179
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày……………… với các nội dung sau:
-

Chỉnh sửa các lỗi chính tả

-

Dịch chú thích các chữ tiếng anh trong hình vẽ thành tiếng việt

-

Bổ sung một số chữ viết tắt

-

Ghép chương 3 và 4

-

Xóa kí tự la mã

-

Thêm tài liệu nguồn
Ngày tháng

Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

năm 2022

Tác giả luận văn


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã được
các thầy cô trang bị cho những kiến thức chuyên sâu, giúp tôi trưởng thành cả trong
học tập và trong nghiên cứu khoa học. Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất cả các thầy
cô, đặc biệt tới các thầy cô Bộ môn Công nghệ điện tử và Kỹ thuật Y Sinh đã tận
tình giảng dạy, truyền đạt cho tơi những kiến thức căn bản quý báu trong suốt thời
gian học tập tại trường.

Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành
tới TS. Nguyễn Thu Vân – Giảng viên Bộ môn Công nghệ điện tử và Kỹ thuật Y
Sinh là người cô đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và định hướng
cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Xin được cảm ơn những người anh chị, người bạn, người em trong nhóm
nghiên cứu của Lab đã luôn đồng hành, giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu và
hồn thành luận văn.
Cuối cùng, tơi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp, những người thân – Những người luôn bên cạnh động viên, chia sẻ giúp
đỡ tơi trong q trình học tập – nghiên cứu và trong cuộc sống.
Xin trân trọng cảm ơn!

HỌC VIÊN


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Hội chứng rượu thai nhi (FASD) được nghiên cứu rất rộng rãi trên thế giới.
Nhiều hình thức tạo ảnh được dùng để thực hiện các nghiên cứu không xâm lấn.
Cộng hưởng từ trạng thái nghỉ (resting state fMRI, rs-fMRI) là một phạm vi còn
khá mới trong đề tài FASD, đặc biệt là trên động vật.
Tuy nhiên, nghiên cứu trên động vật có nhiều ưu điểm so với nghiên cứu trên
người, ví dụ có độ tương đồng và thống nhất của các cá thể tham gia nghiên cứu
cao, từ đó có thể rút ra một kết quả tổng quát và đặc trưng cho bệnh được nghiên
cứu.
Luận văn nghiên cứu dựa trên giả thuyết: nếu người mẹ uống rượu với liều
vừa phải trong thời gian đầu của thai kỳ thì vẫn có thể để lại di chứng vĩnh viễn ở
não của con sau khi con được sinh ra.
Mục tiêu: Sử dụng rs-fmri để nghiên cứu não chuột được sinh ra từ chuột
mẹ tiêu thụ 10% rượu trong quãng thời gian tương đương 3-4 tuần đầu ở thai kỳ
của người. Rs-fMRI được thực hiện trên chuột con ở độ tuổi tương đương độ tuổi

vị thành niên ở người. Dữ liệu fMRI được phân tích để tìm ra các bất thường về
mạng thần kinh của não ở trạng thái nghỉ.
Luận văn gồm 4 phần:
- Chương 1: Sơ lược về mri và fMRI
- Chương 2: Ứng dụng fMRI trong não
- Chương 3: Thu thập và phân tích dữ liệu
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
CHƯƠNG 1. SƠ LƯỢC VỀ MRI VÀ FMRI ...................................................... 1
1.1

Tổng quan về cộng hưởng từ (MRI) ....................................................... 1

1.1.1

Lịch sử phát triển của MRI .................................................................. 2

1.1.2

Nguyên lý cơ bản của máy chụp cộng hưởng từ - MRI ...................... 3
Cơ sở vật lý của MRI........................................................................... 4

1.1.3
1.1.4

Một số khái niệm trong q trình tạo ảnh.......................................... 17

1.1.5

Điều chế khơng gian .......................................................................... 22

1.1.6. Các chuỗi xung ...................................................................................... 26
1.2

Hệ thống MRI.......................................................................................... 26

1.2.1
1.3

Tổng quan .......................................................................................... 26

Một số ứng dụng chụp cộng hưởng từ chuyên biệt.............................. 27

1.3.1

Chụp MRI vú ..................................................................................... 27

1.3.2

Chụp cộng hưởng từ mạch máu não .................................................. 27

1.3.3

Chụp tĩnh mạch đồ cộng hưởng từ .................................................... 28

1.3.4

Chụp MRI tim.................................................................................... 28

1.3.5

Chụp cộng hưởng từ chức năng......................................................... 30

CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG FMRI TRONG NGHIÊN CỨU CÁC BỆNH VỀ
NÃO................................................................................................................................ 31
2.1 Bản chất chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) ..................................... 31
2.2 Cơ sở cho fMRI ............................................................................................ 31
2.3 Đặc điểm của fMRI ...................................................................................... 34
2.4 FMRI ở trạng thái nghỉ (resting state), rs-fMRI....................................... 35
2.5 Các phương pháp phân tích chức năng ở trạng thái nghỉ ngơi ............... 36
2.5.1 ICA ......................................................................................................... 37
2.6 Lí do và động cơ nghiên cứu ....................................................................... 39
CHƯƠNG 3. THU NHẬN VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU...................................... 42
3.1 Động vật thí nghiệm ..................................................................................... 42
3.2. Cơng cụ phân tích thống kê và cơ sở dữ liệu não chuột .......................... 43
3.2.1 Các công cụ phần mềm .......................................................................... 43
3.2.2 Phần cứng để thu thập dữ liệu ................................................................ 43
3.3 Phương pháp ................................................................................................ 43
3.3.1. Gây mê động vật và theo dõi sinh lý ..................................................... 43

i


3.3.2. Các thơng số tạo ảnh ....................................................................................... 44
3.4. Phân tích dữ liệu .................................................................................................... 45
3.4.1. Tiền xử lý ảnh ................................................................................................. 46
3.4.2 Phân tích mạng não theo nhóm........................................................................ 52

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 60
4.1 Kết quả .................................................................................................................... 60
4.2 Nhận xét về kết quả ................................................................................................ 60
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 64

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Giải thích

MRI

Chụp cộng hưởng từ

RF

Tần số Radio

FMRI

Chụp cộng hưởng từ chức năng

IC

Các thành phần độc lập

fMRI

Chụp cộng hưởng từ chức năng

Rs-fMRI

Chụp cộng hưởng từ chức năng trạng thái nghỉ

FASD

Hội chứng rượu thai nhi

CT

Chụp cắt lớp vi tính

MRV

Chụp tĩnh mạch đồ cộng hưởng từ

BOLD

Mức độ oxy trong máu

DMN

Mạng mặc định

SCA

Phân tích tương quan dựa trên hạt giống

ICA

Phân tích thành phần độc lập

FAS

Fetal Alcohol Syndrome

RSN

Phân tích mạng não ở trạng thái nghỉ

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Máy cộng hưởng từ .............................................................................. 1
Hình 1. 2: Hình ảnh chụp cộng hưởng từ não ........................................................ 2
Hình 1. 3: Cấu tạo của máy cộng hưởng từ ........................................................... 4
Hình 1. 4: Cấu tạo của nguyên tử ......................................................................... 6
Hình 1. 5: Proton nằm ngồi từ trường và bên trong từ trường ............................. 6
Hình 1. 6: Phương trình Larmor (hình trái) và định hướng phân tán .................... 7
Hình 1. 7: Hiện tượng tiến động ........................................................................... 8
Hình 1. 8: Proton với tác động của từ trường ........................................................ 9
Hình 1. 9: Mơ hình cấu tạo máy MRI và mơ phỏng chụp người bệnh .................. 9
Hình 1. 10: Từ hóa dọc (hình trái) và từ hố ngang (hình phải) .......................... 11
Hình 1. 11: Thời gian T1 và T2 ........................................................................... 12
Hình 1. 12: Q trình từ hóa dọc và từ hóa ngang. .............................................. 12

Hình 1. 13: Mối liên hệ giữa thời gian T1 (hình trái), T2 (hình phải) với mức độ
từ hố và cường độ tín hiệu trên phim chụp ........................................................ 13
Hình 1. 14: Biểu đồ mơ tả giá trị từ hóa dọc ....................................................... 14
Hình 1. 15: Biểu đồ mơ tả giá trị từ hóa ngang ................................................... 14
Hình 1. 16: Biểu đồ thể hiện mơ tả giá trị từ hóa ngang ..................................... 15
Hình 1. 17: Q trình kích thích hạt nhân bằng sóng có tần số radio (RF) ......... 16
Hình 1. 18: Mô tả các bước chụp MRI (FT là phương pháp tốn học của
Fourrier) ............................................................................................................... 17
Hình 1. 19: TR dài ............................................................................................... 19
Hình 1. 20: TR ngắn............................................................................................. 19
Hình 1. 21: Dịch não tủy có T2 dài nên có màu trắng trên ảnh T2W.................. 20
Hình 1. 22: Tương quan giữa TR, TE và sự tương phản ảnh MRI...................... 22
Hình 1. 23: a) Từ trường biến thiên từ 1.4 đến 1.6T, b) Tần số Larmor thay đổi từ
60 đến 68 MHz..................................................................................................... 23
Hình 1. 24: Sơ đồ vị trí các cuộn chênh từ .......................................................... 23
Hình 1. 25: Cấu hình cuộn Maxwell .................................................................... 24
Hình 1. 26: Cách tạo ra từ trường tăng dần tuyến tính từ -z đến +z .................... 25
Hình 1. 27: Cấu hình cuộn Golay cho gradient y ................................................ 25
iv


Hình 1. 28: Cấu trúc hệ thống MRI ..................................................................... 26
Hình 1. 29: Chụp cộng hưởng từ mạch máu não giúp chẩn đốn các bệnh liên
quan đến mạch máu .............................................................................................. 28
Hình 1. 30: Chụp cộng hưởng từ tim giúp đánh giá hiệu quả ............................. 29
Hình 2. 1 Phác thảo mơ não có chứa một mao mạch trong thời gian nghỉ (trên) và
hoạt hóa (dưới) ..................................................................................................... 32
Hình 2. 2: Hai bước của quy trình hồi quy kép. .................................................. 39
Hình 2. 3:Các bất thường trên khuôn mặt trẻ em bị hội chứng FAS ................... 40
Hình 3. 1: (a) Lượng ethanol và nước trung bình tiêu thụ mỗi ngày từ GD0 - 8.

(b) Mức độ thay đổi cân nặng của chuột mẹ trong nhóm khoẻ mạnh và nhóm
uống ethanol từ GD0 - 8. Dữ liệu biểu thị bằng Trung bình ± SD ...................... 42
Hình 3. 2: Thiết lập và định vị chuột trước khi đưa vào máy MRI .................... 44
Hình 3. 3: Ảnh fMRI của một con vật ................................................................ 44
Hình 3. 4: Ảnh giải phẫu tham chiếu của con vật trên hình 3.3........................... 45
Hình 3. 5: Sơ đồ các bước phân tích dữ liệu ....................................................... 45
Hình 3. 6: Hình ảnh fMRI sau khi phân vùng ...................................................... 46
Hình 3. 7: Cài đặt giao diện MELODIC ............................................................. 47
Hình 3. 8: Đăng ký ảnh ....................................................................................... 48
Hình 3. 9. Tệp dữ liệu với mức độ dịch chuyển ở mức chấp nhận được (0.02 mm)
.............................................................................................................................. 49
Hình 3. 10: Tệp dữ liệu với mức độ dịch chuyển ở mức chấp nhận được (0.04
mm) ...................................................................................................................... 49
Hình 3. 11: Tệp dữ liệu với mức độ dịch chuyển ở mức độ không chấp nhận được
(0.16 mm) nên bị loại khỏi các bước xử lý .......................................................... 50
Hình 3. 12: Ví dụ về đăng ký ảnh giữa ảnh fMRI và ảnh giải phẫu tham chiếu của
một con vật ở bước đăng ký trong quá trình chạy ICA trên MELODIC. Các hình
ảnh cho thấy đăng ký đạt chất lượng tốt, có mức độ khớp cao giữa ảnh giải phẫu
và ảnh chức năng .................................................................................................. 51
Hình 3. 13: Bước biến dạng từ ảnh một con vật vào ảnh atlas đại diện cho cả
nhóm ..................................................................................................................... 52
Hình 3. 14: Ảnh atlas ........................................................................................... 52
Hình 3. 15: Ảnh atlas đã được phân vùng ........................................................... 53
v


Hình 3. 16: . Ảnh fMRI của từng con vật được biến dạng vào ảnh atlas giải phẫu
của nhóm sử dụng trường biến dạng tương ứng với mỗi con vật thu được từ bước
tạo atlas ................................................................................................................ 54
Hình 3. 17: Mạng lưới trạng thái nghỉ ngơi ở chuột tỉnh táo. Bản đồ hoàn chỉnh

cho các thành phần (C1 – C7) .............................................................................. 56
Hình 3. 18: 22 Thành phần độc lập được phát hiện nhờ bước ICA nhóm

…58

Hình 4. 1. Nhóm khoẻ mạnh có sự kích hoạt mạnh hơn nhóm có bệnh ở một số
vùng nhỏ trong IC6 và IC11 (mũi tên trắng) ....................................................... 60
Hình 4. 2: Nhóm có bệnh có sự kích hoạt mạnh hơn nhóm khoẻ mạnh ở một số
vùng nhỏ trong các IC2, 5, 9, 10, 18 và IC21 (mũi tên trắng)

60

vi


vii



CHƯƠNG 1. SƠ LƯỢC VỀ MRI VÀ FMRI
Chương này cung cấp các kiến thức nền tảng về MRI và fMRI, bao gồm:
Lịch sử phát triển, nguyên lý cơ bản, cơ sở vật lý, điều chế không gian, hệ thống
MRI, xử lý ảnh cộng hưởng từ chức năng.
1.1 Tổng quan về cộng hưởng từ (MRI)
Chụp cộng hưởng từ hay chụp MRI (Magnetic Resonance Imaging) là một
trong những kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh tiên tiến nhất hiện nay. Đây là phương
pháp đưa cơ thể vào vùng từ trường mạnh để đồng hóa chiều chuyển động của
các nguyên tử Hydro trong các phân tử nước của cơ thể và một ăng ten thu phát
sóng radio tần số thấp (tần số radio này được thay đổi trong vùng từ trường ổn
định của nam châm chính tùy theo mục đích khảo sát của sự phân biệt mỡ,

nước...) được sử dụng để gửi tín hiệu đến cơ thể gặp các nguyên tử Hydro của cơ
thể sau đó nhận lại tín hiệu về chiều chuyển động của các nguyên tử này, tín hiệu
của ăng ten được truyền về trung tâm xử lý tín hiệu và tái tạo thành hình ảnh cấu
trúc của các cơ quan, bộ phận trong cơ thể cần khảo sát. Những hình ảnh thu
nhận được sẽ cung cấp nhiều thơng tin có giá trị trong việc chẩn đốn và điều trị
bệnh.

Hình 1. 1: Máy cộng hưởng từ

1


Nhờ sử dụng từ trường và sóng radio, khơng sử dụng tia X nên MRI rất an
toàn cho bệnh nhân. Đây là một kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ,
là một phương pháp chẩn đốn hình ảnh hiện đại, hiệu quả và phổ biến trên thế
giới. Ngày nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ
thể. Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột
sống. Kể từ khi MRI mang lại những hình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thể nắm được
thơng tin về vị trí thương tổn. Những thơng tin như vậy rất có giá trị trước khi
phẫu thuật chẳng hạn như tiểu phẫu não.

Hình 1. 2: Hình ảnh chụp cộng hưởng từ não

1.1.1 Lịch sử phát triển của MRI
Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được Felix Block và Edward Purcell
phát hiện vào năm 1946, cộng hưởng từ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1950.
Năm 1952, 2 nhà vật lý Felix Block và Edward Purcell được trao giải Nobel Vật
lý nhờ sự phát hiện và ứng dụng cộng hưởng từ. Năm 1980, chiếc máy cộng
hưởng từ đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động để tạo ảnh cơ thể người.
Năm 1987, MRI được ứng dụng trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch bằng kỹ

thuật cardiac MRI. Năm 1993, ứng dụng MRI để chẩn đoán các bệnh lý não thần
kinh.

2


Cho đến nay, ước tính có khoảng 36,000 máy MRI trên thế giới và 2,500
máy được sản xuất mỗi năm [Ogbole]. Là một phương pháp chẩn đốn hình ảnh
hiện đại, hiệu quả, MRI thường được chỉ định trong các trường hợp sau:
- Nghi ngờ u não, u thần kinh sọ não, tai biến, bệnh viêm não - màng não,
các dị tật bẩm sinh, các bệnh liên quan mạch máu...
- Các bệnh về mắt, tai mũi họng như u, chấn thương viêm.
- Các bệnh về cột sống như thoát vị đĩa đệm, u tủy sống, chấn thương, viêm.
- Các bệnh liên quan khớp gối, khớp vai, khớp khuỷu tay, cổ tay, cổ chân...
- Nghi ngờ có khối u phần mềm, sàng lọc ung thư. Kiểm tra các cơ quan nội
tạng.
- Các bệnh về vú, tử cung phần phụ.
Ngày nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) đã trở thành phổ biến
trong y học chẩn đốn hình ảnh trên thế giới cũng như tại các bệnh viện lớn của
Việt nam.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hãng sản xuất đã tích
hợp nhiều hệ thống chẩn đốn lại với nhau (hybrid) như PET/MRI, SPECT/MRI
nhằm tận dụng lợi thế của cả chẩn đoán chức năng và cấu trúc giải phẫu.
1.1.2 Nguyên lý cơ bản của máy chụp cộng hưởng từ - MRI
Trong cơ thể người chứa rất nhiều nước, đồng nghĩa với có nhiều ngun tử
hydro (proton). Ngồi ra, trong những mơi trường khác nhau thì q trình hồi
phục của các hạt nhân diễn ra khác nhau. Do đó, tín hiệu phát ra tại giữa vùng
bình thường và khối u, hay giữa mô cứng và mô mềm sẽ không giống nhau. Từ
đó ta sẽ có các hình ảnh khác nhau.
Cơ thể chúng ta cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%). Trong thành phần của

phân tử nước ln có ngun tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một
nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton. Do đó, nó có một
mơmen từ lớn. Từ điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ
của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mơ
trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mơ đó. Mặt khác,
trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố

3


nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mơ lành,
nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn.
Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ
thống phát các xung có tần số vơ tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân
nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nước của cơ thể,
nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vơ tuyến. Các tín hiệu
này sẽ được một hệ thống thu nhận và xử lý điện tốn để tạo ra hình ảnh của đối
tượng vừa được đưa vào từ trường đó.

Hình 1. 3: Cấu tạo của máy cộng hưởng từ

1.1.3 Cơ sở vật lý của MRI
Chụp cộng hưởng từ hay còn gọi là chụp MRI (magnetic resonance
imaging). Phim MRI cho chúng ta hình ảnh một lát cắt qua cấu trúc cơ thể. Ưu
điểm của MRI so với CTscanner là có thể hiện hình rõ các cấu trúc phần mềm có
độ phân giải cao, cho phép chúng ta nhận định hình ảnh rõ ràng. Chụp MRI
không sử dụng tia X-quang nên không gây độc hại cho cơ thể bệnh nhân. Nhưng
vì bệnh nhân phải được đặt trong một từ trường mạnh nên những bệnh nhân có
kim loại trong cơ thể như phương tiện kết xương, thay chỏm xương đùi hay khớp

4


gối nhân tạo, van tim nhân tạo bằng kim loại, đĩa đệm nhân tạo, mảnh đạn mảnh
kim loại sẽ gây nhiễu từ không chụp được.
Mọi vật thể đều được cấu tạo từ nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu
tạo từ các proton (mỗi proton mang điện tích +1) và các neutron (khơng mang
điện tích). Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm). Trong
ngun tử trung hịa về điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng số electron
của nguyên tử đó. Tất cả các “hạt” này đều chuyển động. Neutron và proton quay
quanh trục của chúng, electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của
chúng. Sự quay của các “hạt” nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mơmen
góc quay gọi là spin (Spin nghĩa là quay quanh trục). Ngoài ra, các hạt mang điện
tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường. Vì proton có điện tích dương và quay
nên nó tạo ra một từ trường, giống như một nam châm nhỏ, gọi là mơmen từ
(magnetic mơment). Trong điều kiện bình thường các mômen từ định hướng
phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta khơng ghi được tín hiệu gì của
chúng.
Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ
trường mạnh, các mômen từ đang định hướng phân tán sẽ trở nên định hướng
song song và đối song song.
1.1.3.1 Proton và sự từ hóa
Nguyên tử bao gồm hạt nhân và lớp vỏ electron. Trong hạt nhân có các hạt
proton và neutron. Giống như Trái Đất, các hạt này quay quanh trục riêng của
mình, được gọi là spin. Proton mang điện tích dương, khi quay sẽ tạo ra dòng
điện và dòng điện tạo ra từ trường. Vì vậy, có thể coi proton như một thanh nam
châm cực nhỏ.

5

Hình 1. 4: Cấu tạo của nguyên tử

1.1.3.2 Proton dưới tác động của từ trường ngoài
Khi được đặt vào trong từ trường ngoài, proton sẽ sắp xếp lại hướng theo
hướng của từ trường giống như cách chiếc kim la bàn hoạt động trong từ trường
Trái Đất. Tuy nhiên, proton khác kim la bàn ở chỗ, chúng có thể quay quanh trục
cùng chiều hoặc ngược chiều với chiều tác động của từ trường ngồi như hình
dưới đây.

Hình 1. 5: Proton nằm ngoài từ trường và bên trong từ trường

6


Ở trạng thái thông thường, proton quay quanh trục của chúng với hướng sắp
xếp ngẫu nhiên hỗn độn. Khi được đặt vào trong từ trường ngoài, chúng sẽ sắp
xếp lại theo một trong hai hướng, song song (mang năng lượng thấp) hoặc đối
song song (mang năng lượng cao).
Tuy nhiên, proton khơng chỉ tự quay, mà trục của nó cịn bị nghiêng và quay
theo vịng trịn tạo thành một hình nón, hiện tượng này gọi là sự tiến động
(precession) (Hình 1.7).
Tần số tiến động được xác định nhờ phương trình Larmor:
𝛾
𝑓=
𝐵
2𝜋 0

(1)

Trong đó, B0 là cường độ từ trường ngồi, γ là tỷ số hồi chuyển
(gyromagnetic ratio). Tỷ số hồi chuyển của hạt nhân nguyên tử hydro là
267.52*106, khi đạt trong từ trường B0=1.5T thì tần số tiến động của proton sẽ là
63.9 MHz.

Hình 1. 6: Phương trình Larmor (hình trái) và định hướng phân tán

của proton
Hình giữa: Định hướng phân tán của các mơmen từ trong điều kiện bình
thường. Hình phải: Các mômen từ định hướng song song và đối song song dưới
tác dụng của từ trường ngoài. Các proton có trạng thái năng lượng thấp sẽ sắp
xếp song song (mũi tên đỏ) theo hướng của từ trường ngoài. Các proton có trạng
thái năng lượng cao se sắp xếp theo hướng đối song song (mũi tên xanh). Các
vectơ từ sắp xếp song song cùng chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn
7


hơn các vectơ từ sắp xếp ngược chiều và chúng khơng thể triệt tiêu cho nhau hết,
do đó vectơ từ hố thực có hướng của vectơ từ trường máy. Đó là trạng thái cân
bằng. Trong trạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào có thể được ghi nhận.
Khi trạng thái cân bằng bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được hình thành.

Hình 1. 7: Hiện tượng tiến động

Cơ thể chúng ta có tỉ lệ chủ yếu nước (60-70%). Trong thành phần của phân
tử nước có hai nguyên tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên
tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton. Do đó, nó có một mơmen từ
lớn. Điều đó dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên
tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì
chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mơ đó. Mặt khác, trong cùng một

cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí
tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mơ lành, nên ta cũng
sẽ ghi hình được các thương tổn.
Để cho đơn giản, hình 1.8 sẽ minh họa 9 vector hướng lên trên tượng trưng
cho 9 proton tiến động song song với từ trường ngoài, 5 vector hướng xuống
dưới tượng trưng cho 5 proton tiến động đối song song với từ trường ngoài (trục
z hướng theo chiều đường sức từ). 5 vector hướng xuống sẽ triệt tiêu 5 vector đối
tương ứng. Kết quả là 4 vector không bị triệt tiêu sẽ tạo ra từ trường tổng với
thành phần từ hóa dọc lớn hơn 0. Tuy nhiên, các proton không tiến động cùng mà
lệch pha với nhau, mà các thành phần từ hóa ngang lại sắp xếp một cách ngẫu
8


nhiên chúng sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau. Kết quả là thành phần từ hóa ngang đúng
bằng 0.

Hình 1. 8: Proton với tác động của từ trường

1.1.3.3 Nguyên lý tạo ảnh MRI
Bước 1: Đặt người bệnh vào trong một từ trường mạnh.
Từ trường có cường độ từ 0,2-2,0 Tesla (T), (1T = 10.000 Gauss) để làm
các proton đang có mơ men từ phân tán trở nên định hướng song song và đối
song song.

Hình 1. 9: Mơ hình cấu tạo máy MRI và mô phỏng chụp người bệnh

9


Bước 2: Phát sóng radio vào bệnh nhân

Mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các proton đang ở vị
trí định hướng song song hoặc đối song song, và đang quay đảo theo hướng từ
trường ngoài. Muốn kích thích được các proton này, sóng radio phải có cùng tần
số với tần số đảo wo của các proton trong cơ thể, hiện tượng này gọi là “cộng
hưởng”. Dưới tác dụng của sóng RF, một số spin ở trạng thái năng lượng thấp
hấp thu năng lượng của trường RF và biến đổi thành trạng thái năng lượng cao.
Điều này có tác dụng “đẩy” các vector hướng tới mặt phẳng nằm ngang. Các
proton tiếp nhận năng lượng sóng radio dạng xung sẽ đảo đồng nhịp với xung
radio, gọi là hiện tượng đồng pha. Vì vậy, tại cùng một thời điểm, các proton này
sẽ cùng hướng về một phía. Véc tơ của các proton đồng pha này sẽ tổng hợp tạo
thành một vector tổng hợp theo hướng ngang (vng góc với hướng của từ
trường ngoài của máy). Hiện tượng này gọi là hiện tượng “từ hóa ngang”. Sóng
radio làm giảm hiện tượng từ hóa dọc và tạo mới hiện tượng từ hóa ngang.
Như vậy có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa
dọc (longitudinal magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng
song song với từ trường ngồi của máy và từ hóa ngang (transverse
magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng ngang vng góc
với từ trường ngồi của máy.
Từ hóa dọc là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy. Đó chính
là trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên. Trạng thái này được duy trì cho
đến khi có một xung của dịng điện có tần số radio (RF) tác động làm vector từ
hóa lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy. Khi ngừng phát xung RF, sau một
thời gian nào đó, vectơ từ hố lại khơi phục trở về vị trí dọc ban đầu. Q trình
khơi phục (recovery) theo hướng dọc của từ trường máy gọi là quá trình thư giãn
theo trục dọc (longitudinal relaxation). Người ta không chờ thời gian thư giãn
theo trục dọc kết thúc vì quá dài mà chỉ cần xác định thời gian hiện tượng từ hóa
dọc đạt 63% là đủ. Như vậy khái niệm: Thời gian thư giãn theo trục
dọc (longitudinal relaxation time) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc
đạt 63% giá trị ban đầu của nó. Thời gian này cịn gọi là thời gian T1.

10


Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô. Xung này thường là xung
900. Do hiện tượng cộng hưởng nên vector từ hoá lệch khỏi hướng của vector từ
trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vector từ hóa ngang (transverse
magnetization vector). Từ hóa ngang là trạng thái khơng ổn định và nhanh chóng
phân rã khi kết thúc xung RF. Từ hoá ngang giảm dần về khơng là một q trình
thư giãn gọi là thư giãn theo trục ngang (transverse relaxation). Khi ngắt xung
RF, vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0. Thời
gian cần thiết để 63% giá trị từ hóa ngang ban đầu bị phân rã gọi là thời gian thư
giãn theo trục ngang (transverse relaxation time). Thời gian này còn gọi là thời
gian T2. Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1.

Hình 1. 10: Từ hóa dọc (hình trái) và từ hố ngang (hình phải)

11


Hình 1. 11: Thời gian T1 và T2

Hình 1. 12: Q trình từ hóa dọc và từ hóa ngang.

M0 là vectơ từ hoá thực ở trạng thái cân bằng. Y là hướng của vectơ từ
hóa ngang. MZ là vectơ từ hố khi thư giãn theo trục dọc.
Bước 3: Tắt sóng radio
Khi ngắt xung RF, các proton khơng cịn bị kích thích, trở lại sắp hàng như
cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình thư giãn theo trục dọc,
thời gian để khôi phục theo trục dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó được gọi là
12