Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân

Bài viết được tư vấn chuyên môn bởi Thạc sĩ, Bác sĩ Lâm Thị Kim Chi - Bác sĩ Chẩn đoán hình ảnh - Khoa Chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec Đà Nẵng. Và Bác sĩ chuyên khoa I Nguyễn Trường Đức - Bác sĩ Chẩn đoán hình ảnh - Khoa Chẩn đoán hình ảnh và Y học hạt nhân - Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec Times City.

Chụp cộng hưởng từ [MRI] là kỹ thuật chẩn đoán y khoa nhanh chóng, không gây ảnh hưởng phụ, hiện đang được ứng dụng phổ biến trên thế giới. Kỹ thuật chụp MRI cung cấp hình ảnh 3 chiều, giúp bác sĩ nắm được thông tin về cơ quan chịu tổn thương trên cơ thể, từ đó hỗ trợ chẩn đoán bệnh chính xác và điều trị kịp thời, hiệu quả.

Chụp cộng hưởng từ còn được gọi là MRI [viết tắt của cụm từ Magnetic Resonance Imaging] là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa, tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio.

Máy chụp cộng hưởng từ là một thiết bị đa năng, cho phép bác sĩ nhìn thấy hình ảnh các lớp cắt của các bộ phận cơ thể từ nhiều góc độ khác nhau. MRI hiện đang được sử dụng phổ biến trên thế giới trong việc kiểm tra hầu hết các cơ quan trong cơ thể, đặc biệt là chụp ảnh chi tiết não hoặc dây thần kinh cột sống.

Ưu điểm của MRI so với CT scanner là thể hiện rõ ràng các cấu trúc phần mềm trong cơ thể với độ phân giải cao, cho phép nhận biết hình ảnh rõ ràng hơn. Đồng thời, phương pháp chụp MRI cũng không sử dụng tia X, an toàn cho bệnh nhân. Các thông tin thu được từ kỹ thuật này có giá trị rất lớn cho bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.

Tuy nhiên, vì bệnh nhân chụp cộng hưởng từ phải được đặt trong một từ trường mạnh nên những người bệnh có kim loại trong cơ thể như mảnh kim loại, phương tiện kết xương,... sẽ gây nhiễu từ và không chụp được.

Sơ lược nguyên lý cộng hưởng từ

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu thành từ các proton [mang điện tích +] và các neutron [không mang điện tích]. Quay xung quanh hạt nhân là các electron [mang điện tích -]. Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử đó.

Các hạt trong nguyên tử đều chuyển động: neutron và proton tự quay quanh trục của chúng, electron tự quay quanh trục của chúng và quay quanh hạt nhân. Quá trình quay của các tiểu thể nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mô-men góc quay được gọi là spin. Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường. Vì proton có điện tích dương và quay liên tục nên nó tạo ra một từ trường, gọi là mô-men từ [magnetic moment]. Trong điều kiện bình thường, các mô-men từ định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu lẫn nhau nên không ghi được tín hiệu của chúng.

Nhờ các đặc tính vật lý này, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, các mô-men từ đang định hướng phân tán sẽ chuyển thành định hướng song song và đối song song. Lúc này, vật thể đó có khả năng hấp thụ và bức xạ lại các xung điện từ ở một tần số cụ thể. Khi hấp thụ các xung điện từ, bên trong vật thể đó sẽ diễn ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân.

Cơ thể chúng ta có cấu tạo chủ yếu là nước [chiếm 60 – 70%]. Trong thành phần của phân tử nước có 2 nguyên tử hydro [H2O]. Về mặt từ tính, hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton nên nó có một mô-men từ lớn. Điều đó dẫn tới hệ quả: nếu dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước của các mô trong cơ thể thì có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó. Bên cạnh đó, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý sẽ dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương và hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, từ đó giúp ghi hình được các thương tổn.

Ứng dụng nguyên lý này, máy chụp cộng hưởng từ đã sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử hydro, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào từ trường.

Quá trình chụp MRI gồm 4 giai đoạn:

• Đặt người bệnh vào trong một từ trường mạnh;
• Kích thích hạt nhân;
• Ghi nhận tín hiệu;
• Dựng hình ảnh từ tín hiệu ghi nhận được.

4.1 Ưu điểm

• Ảnh của cấu trúc các mô mềm trong cơ thể như gan, phổi, tim và các cơ quan khác rõ hơn, chi tiết hơn so với ảnh được tạo bằng các phương pháp chẩn đoán khác;
• Chụp MRI giúp các bác sĩ đánh giá được chức năng hoạt động và cấu trúc của nhiều cơ quan trong cơ thể;
• MRI là công cụ tốt trong chẩn đoán thời kỳ đầu và đánh giá các khối u trong cơ thể;
• Tạo ảnh bằng MRI không gây tác dụng phụ như tạo ảnh bằng chụp X-quang thường quy và chụp CT;
• Chụp cộng hưởng từ cho phép phát hiện các điểm bất thường ẩn sau các lớp xương mà những phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác khó phát hiện được;
• MRI có thể xác định nhanh và chính xác hơn so với tia X trong chẩn đoán các bệnh tim mạch;
• Không phát ra các bức xạ gây nguy hiểm cho người bệnh.

Ưu, nhược điểm của phương pháp chụp cộng hưởng từ

• Bệnh nhân đã cấy các vật bằng kim loại trong cơ thể không nên ứng dụng phương pháp chụp cộng hưởng từ vì sẽ ảnh hưởng tới sự chính xác của việc chẩn đoán;
• Thời gian chụp kéo dài nên nhiều bệnh nhân khó nằm yên, dễ gây nhiễu ảnh do chuyển động

Do những ưu điểm như không dùng bức xạ ion hóa, cho hình ảnh phần mềm rõ nét, có thể chụp mạch máu mà không cần can thiệp, chụp cộng hưởng từ đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh lý hiện nay. Khi thực hiện chụp MRI, bệnh nhân cần lưu ý tuân thủ đúng hướng dẫn của bác sĩ.

Để được tư vấn trực tiếp, Quý Khách vui lòng bấm số 1900 232 389 [phím 0 để gọi Vinmec] hoặc đăng ký lịch khám tại viện TẠI ĐÂY. Nếu có nhu cầu tư vấn sức khỏe từ xa cùng bác sĩ Vinmec, quý khách đặt lịch tư vấn TẠI ĐÂY. Tải ứng dụng độc quyền MyVinmec để đặt lịch nhanh hơn, theo dõi lịch tiện lợi hơn

XEM THÊM:

Phổ cộng hưởng từ proton, hoặc đầy đủ hơn phương pháp phổ cộng hưởng từ proton, là phương pháp phổ dựa trên sự cộng hưởng của hạt nhân nguyên tử hydrogen trong từ trường khi hấp thụ sóng radio. Phương pháp này được dùng chủ yếu để nghiên cứu cấu trúc phân tử, và còn được nói gọn là cộng hưởng từ proton.

Spin hạt nhân và cộng hưởng từ hạt nhân[sửa]

Hạt nhân nguyên tử gồm các proton và các nơtron. Số lượng tử spin của proton cũng như của nơtron đều bằng 1 / 2 {\displaystyle 1/2}

. Nếu spin của tất cả các proton và các nơtron đều cặp đôi thì số lượng tử spin hạt nhân I bằng không [I = 0] như ở 12C, 16O, .... Nếu ở hạt nhân có một spin không cặp đôi thì I = 1 / 2 {\displaystyle I=1/2}

như ở 1H, 13C, 19F, 31P, ..., nếu có nhiều spin không cặp đôi thì I ≥ 1 {\displaystyle I\geq 1}

như ở 2H, 14N, ...

Trong từ trường B0, vectơ momen từ của hạt nhân có 2 I + 1 {\displaystyle 2I+1}

cách định hướng. Ví dụ đối với proton [1H] có hai cách định hướng. Sự định hướng này dẫn tới việc tạo thành 2 mức năng lượng hạt nhân với số lượng tử momen góc m I = + 1 / 2 {\displaystyle m_{I}=+1/2}

và m I = − 1 / 2 {\displaystyle m_{I}=-1/2}

. Các hạt nhân ở hai mức năng lượng đó được gọi là các hạt nhân α {\displaystyle \alpha }

và β {\displaystyle \beta }

với số lượng N1 và N2 tương ứng. Hiệu số giữa hai mức năng lượng hạt nhân [ Δ E {\displaystyle \Delta {\text{E}}}

] phù hợp với bức xạ có tần số từ 50 – 500 MHz tức trong vùng tần số của sóng radio [bước sóng 6 – 0,6 m].

Khi đặt mẫu nghiên cứu vào trong từ trường rồi chiếu vào mẫu sóng vô tuyến có tần số phù hợp thì các hạt nhân ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ năng lượng của sóng vô tuyến để chuyển lên mức cao. Đó là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân [Nucleus Magnetic Resonance, NMR].

Nguyên lí máy phổ cộng hưởng từ hạt nhân[sửa]

Ống chứa dung dịch chất nghiên cứu [mẫu] được đặt giữa từ trường của một nam châm mạnh [từ trường B0]. Máy phát sóng rađio chiếu vào mẫu sóng radio có tần số thích hợp. Máy thu “theo dõi” sự hấp thụ năng lượng [sự cộng hưởng] thông qua cuộn cảm bao quanh ống nghiệm đựng mẫu. Tín hiệu cộng hưởng được truyền sang máy tính [computer] để xử lí và ghi phổ NMR.

Dung môi dùng trong ghi phổ NMR cần chọn sao cho chỉ chứa những hạt nhân không có từ tính [ I = 0 {\displaystyle I=0}

] và không cộng hưởng ở vùng tần số nghiên cứu. Ví dụ, để ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân của các nguyên tử hydrogen [1H NMR] và phổ 13C NMR người ta thường sử dụng các dung môi deuteri hóa như CDCl3; CD2Cl2; CD3OD; CD3COCD3 [d6- aceton]; D2O... Nhiệt độ của mẫu có thể được điều chỉnh [khi cần thiết] bằng các luồng khí nóng hoặc lạnh. Để ghi phổ NMR, lượng mẫu đo cần khoảng 2-3 mg/0,5 ml dung môi.

Độ chuyển dịch hóa học của proton[sửa]

Hạt nhân của nguyên tử hydrogen chính là proton [1H]. Vì thế, phổ ghi các tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân của các nguyên tử hydrogen trong các chất được gọi là phổ cộng hưởng từ proton, kí hiệu là 1H NMR và nguyên tử hydrogen trong NMR được gọi đơn giản là proton. Phổ 1H NMR của pinacolon, CH3COC[CH3]3, với chất chuẩn là [CH3]4Si [Tetramethylsilan, TMS].

Về cấu tạo hóa học thì 3 proton của nhóm methyl keton [a] là tương đương nhau nhưng khác 9 proton của nhóm tert-butyl [b], đồng thời cũng khác với 12 proton của TMS. Khi cố định cường độ của từ trường mà thay đổi tần số sóng radio thì các proton Ha, Hb và HTMS lần lượt cộng hưởng ở các tần số υ a > υ b > υ T M S {\displaystyle \upsilon _{a}>\upsilon _{b}>\upsilon _{TMS}}

tương ứng. Các đại lượng υ a {\displaystyle \upsilon _{a}}

, υ b {\displaystyle \upsilon _{b}}

, υ T M S {\displaystyle \upsilon _{TMS}}

và cả hiệu số Δ υ {\displaystyle \Delta \upsilon }

giữa chúng không những phụ thuộc vào cấu tạo hóa học mà còn phụ thuộc vào tần số làm việc υ o {\displaystyle \upsilon _{o}}

của máy phổ, do đó không dùng để đặc trưng cho các loại nguyên tử hydrogen trong phân tử được.

Thế nhưng tỉ số Δ υ / υ o {\displaystyle \Delta \upsilon /\upsilon _{o}}

lại không phụ thuộc vào máy phổ mà chỉ phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của phân tử nên được dùng để đặc trưng cho vị trí của các tín hiệu cộng hưởng proton. Người ta định nghĩa độ chuyển dịch hóa học [kí hiệu là δ {\displaystyle \delta }

] của nguyên tử Hx [mà người ta thường gọi là proton Hx] theo biểu thức sau:

δ Hx = υ Hx − υ TMS υ o ⋅ 10 6 = Δ υ υ o ⋅ 10 6 [ppm] {\displaystyle \delta _{\text{Hx}}={\frac {\upsilon _{\text{Hx}}-\upsilon _{\text{TMS}}}{\upsilon _{o}}}\cdot 10^{6}={\frac {\Delta \upsilon }{\upsilon _{o}}}\cdot 10^{6}{\text{[ppm]}}}

Ở đây, υ TMS {\displaystyle \upsilon _{\text{TMS}}}

là tần số cộng hưởng của các proton TMS [Tetramethylsilan]; υ Hx {\displaystyle \upsilon _{\text{Hx}}}

: tần số cộng hưởng của proton ở cấu tạo đang xét; υ o {\displaystyle \upsilon _{o}} : tần số làm việc của máy phổ [đều tính ra Hz]; ppm: part per million [phần triệu]. Tính theo công thức trên, đối với máy phổ làm việc ở tần số υ o {\displaystyle \upsilon _{o}} = 60.106 Hz [60 MHz] thì độ chuyển dịch của các proton nhóm methyl keton [Ha] là 2,10 ppm, của các proton nhóm tert-buthyl [Hb] là 1,15 ppm, còn của 12 proton chất chuẩn TMS là 0,00 ppm.

Hai yếu tố nội phân tử ảnh hưởng lớn tới độ chuyển dịch hóa học là từ trường cảm ứng của các electron bao quanh hạt nhân [sự chắn tại chỗ] và từ trường cảm ứng của các electron ở các nguyên tử bên cạnh [sự chắn từ xa]. Vì thế mà các proton ở các cấu tạo hóa học khác nhau thì có độ chuyển dịch hóa học khác nhau.

Cường độ tín hiệu cộng hưởng từ proton[sửa]

Tín hiệu cộng hưởng proton thường có dạng hình nêm. Diện tích của hình nêm tỉ lệ thuận với số lượng proton gây ra tín hiệu. Ví dụ, tín hiệu ở 1,15 ppm do 9 proton gây ra nên có diện tích lớn gấp 3 lần diện tích của tín hiệu ở 2,10 ppm do 3 proton gây ra. Khi ghi phổ, computer tự xác định diện tích các tín hiệu, quy ra thành cường độ tương đối rồi ghi dưới mỗi tín hiệu cộng hưởng.

Tương tác của các proton[sửa]

Mỗi nhóm hạt nhân không tương đương tạo ra một cụm tín hiệu gọi là một vân phổ [nhiều chi tiết như vân ngón tay]. Tín hiệu của nhóm CH2 gồm 4 hợp phần, gọi là vân bốn [quarted, q] ; tín hiệu của nhóm CH3 gồm 3 hợp phần, gọi là vân ba [triplet, t] ; tín hiệu của nhóm OH chỉ gồm 1 hợp phần thì được gọi là vân đơn [singlet, s]. Một tín hiệu gồm 2 hợp phần thì được gọi là vân đôi [doublet, d].

Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt nhân có từ tính ở cạnh nhau thông qua các electron liên kết, gọi là tương tác spin – spin [spin – spin interaction] hoặc ghép cặp spin – spin [spin – spin coupling]. Khoảng cách [tính ra Hz] giữa 2 hợp phần bị tách ra do tương tác spin – spin không phụ thuộc vào tần số làm việc của máy nên được gọi là hằng số tương tác spin – spin và được kí hiệu là J {\displaystyle J}

. Ví dụ, tín hiệu của 3 proton nhóm CH3 [a, ở 1,23 ppm, viết gọn là δ {\displaystyle \delta } [Ha] = 1,23 ppm] bị 2 proton nhóm CH2 [b] tách thành 3 hợp phần, tín hiệu proton của nhóm CH2 [b, ở 3,75 ppm, viết gọn là δ {\displaystyle \delta } [Hb] = 3,75 ppm] bị 3 proton nhóm CH3 [a] tách thành 4 hợp phần. Khoảng cách giữa các hợp phần đều bằng 7 Hz và được kí hiệu là J HaHb {\displaystyle J_{\text{HaHb}}}

= 7 Hz.

Giá trị của J {\displaystyle J} phụ thuộc trước hết vào bản chất của hai hạt nhân tương tác. Tương tác spin-spin giữa các hạt nhân được truyền qua các cặp electron liên kết vì thế hằng số ttss còn phụ thuộc vào số liên kết và bản chất các liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác. Khi số liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác tăng thì J {\displaystyle J} giảm. Thường thì tương tác spin-spin chỉ đáng kể khi nó truyền qua không quá 3 liên kết σ {\displaystyle \sigma }

. Nhưng nếu trong mạch có cả liên kết π {\displaystyle \pi }

thì ttss có thể phát huy tác dụng qua 4 hoặc 5 liên kết. Để chỉ rõ số liên kết ngăn giữa hai hạt nhân tương tác người ta dùng chữ số đặt phía trên bên trái kí hiệu J {\displaystyle J} .

Ứng dụng[sửa]

Phương pháp phổ cộng hưởng từ proton là một trong các phương pháp hiệu quả bậc nhất trong nghiên cứu cấu trúc phân tử. Phương pháp phổ cộng hưởng từ proton không những cho biết sự có mặt các nhóm nguyên tử trong phân tử như phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến và phương pháp phổ hồng ngoại mà còn cung cấp những thông tin về số lượng và vị trí của những nhóm đó. Phổ 1H NMR giúp xác định cấu trúc phân tử nhờ ba đặc trưng trên phổ như sau: i] Vị trí của tín hiệu cộng hưởng tức là độ chuyển dịch hóa học cho biết H đính với C no, không no, thơm hay đính với dị nguyên tử nào khác; ii] Cường độ của tín hiệu cho biết số lượng nguyên tử H gây ra tín hiệu; iii] Hình dạng của tín hiệu [thể hiện ở số lượng, cường độ của các hợp phần bị tách ra do tương tác spin – spin và giá trị hằng số tách J {\displaystyle J} ] cho biết vị trí tương đối của các nhóm nguyên tử mang H trong phân tử. Nhờ chế tạo được các nam châm cực mạnh, phát triển được nhiều kĩ thuật đa xung và đa chiều người ta đã xác định cấu trúc các phân tử từ nhỏ đến lớn và cả những đại phân tử như protein, acid nucleic,...

Phương pháp 1H NMR còn có nhiều ứng dụng khác như: phân biệt hợp chất thơm, không thơm và phản thơm, nghiên cứu phản ứng hóa học, nghiên cứu sự hỗ biến, thăm dò nước ngầm, ... Cộng hưởng từ proton nghiên cứu các đối tượng sinh học đang phát triển mạnh mẽ, chẳng hạn, trong y học người ta sử dụng hình ảnh thu được nhờ cộng hưởng từ proton [MRI] để chẩn đoán bệnh tật.

Tài liệu tham khảo[sửa]

• Nguyễn Hữu Đĩnh, Trần Thị Đà. Các phương pháp phổ nghiên cứu cấu trúc hóa học. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2019, tr. 230 - 297.
• D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz, J. R. Vyvyan. Introduction to Spectroscopy. Cengage Learning, 2013, pp.215 - 289.