Lưu trữ cho từ khóa: Chuỗi xung cộng hưởng từ

PHẦN 6: KỸ THUẬT CHỤP NHANH TRONG CỘNG HƯỞNG TỪ

Về nguyên tắc, kỹ thuật chụp cộng hưởng từ bằng các chuỗi xung cơ bản đã được bàn luận trong các phần trước có thể cho ra các hình với cấu trúc giải phẫu tốt hơn nhiều so với các kỹ thuật chụp hình khác (Xquang quy ước, chụp cắt lớp điện toán CT và siêu âm). Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ là tốn thời gian. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều kỹ thuật chụp nhanh hơn đã được phát minh và ứng dụng vào thực tế. Mục tiêu của phần này là bàn luận các kỹ thuật chụp nhanh với nội dung cụ thể như sau:

  • Các chiến lược tổng quát
  • Kỹ thuật chụp đa lớp cắt
  • Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng
  • Kỹ thuật điểm vang spin nhanh
  • Một số kỹ thuật mới

1. CÁC CHIẾN LƯỢC TỔNG QUÁT

Để dễ hình dung các kỹ thuật chụp nhanh sẽ được bàn luận trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng chuỗi xung điểm vang spin làm cơ sở để tính toán thời gian cần thiết để có được một hình cộng hưởng từ. Trên cơ sở phân tích này, chúng ta sẽ tìm cách tối ưu hóa thời gian chụp bằng nhiều cách khác nhau, cho ra các kỹ thuật chụp hình nhanh đang được sử dụng rất phổ biến.

Chúng ta đã biết một chuỗi xung điểm vang spin gồm có một xung kích thích 90o được lập lại sau mỗi khoảng thời gian TR một số lần N, mỗi lần ghi nhận được một điểm vang tại thời điểm TE sau khi đã áp dụng một xung tái hồi 180o tại thời điểm TE/2. Mỗi điểm vang sau đó sẽ được lấy mẫu và số hóa rồi được ghi lại thành một hàng trong một bảng hai chiều gọi là k-không gian. Số hàng cần điền vào k-không gian bằng với số điểm vang cần lấy mẫu N. Để giảm sai số đo đạc, toàn bộ quá trình này có thể được thực hiện lại vài lần, gọi là số lần đo đạc NEX (number of excitation). Kết quả các lần đo đạc sẽ được cộng lại và lấy trung bình.

Theo đấy, thời gian chụp được một ảnh cộng hưởng từ có thể tính bằng công thức:

Thời gian chụp = TR x N x NEX

Trong công thức này, NEX là một giá trị phụ thuộc vào chất lượng đo đạc của hệ thống cộng hưởng từ (thiết bị đo đạc); đương nhiên giá trị nhỏ nhất của con số này là 1. Ngược lại, giá trị thời kích TR và số hàng N cần điền vào k-không gian phụ thuộc vào cách thức phát xung và cách điền các hàng vào k-không gian. Những chiến lược thực hiện chụp nhanh có thể làm thay đổi cả công thức tính thời gian chụp được cho ở trên. Dưới đây chúng ta phác qua một số chiến lược quan trọng.

Giảm bớt các thành phần trong chuỗi xung

Trong các chuỗi xung được trình bày trong phần trước, một số chuỗi sử dụng thêm các xung với những mục đích đặc biệt. Chẳng hạn chuỗi xung bão hòa mỡ cần phải phát thêm một xung “đặc hiệu” cho mỡ để bão hòa nó rồi nhiễu phá độ từ hóa ngang để làm cho nó trơ đối với xung kích thích sau đó.

Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng một xung như thế hoàn toàn không cần thiết và có thể bỏ đi. Chẳng hạn nếu không có nhu cầu xóa mỡ thì rõ ràng có thể loại bỏ hoàn toàn xung xóa mỡ, nghĩa là dùng các chuỗi xung thông thường.

Thế nhưng nếu vẫn phải dùng xung xóa mỡ, thời gian chụp vẫn có thể giảm bớt được bằng cách thay vì phát trước mỗi xung kích thích một xung bão hòa mỡ, người ta có thể “tiết kiệm” bằng cách phát một xung bão hòa cho nhiều xung kích thích. Chẳng hạn dùng một xung bão hòa chung cho mỗi 32 xung kích thích.

Rút ngắn thời kích TR

Rút ngắn thời kích TR rõ ràng là một ý tưởng đầu tiên khi cần giảm bớt thời gian chụp, thế nhưng ý tưởng này gặp ngay một trở ngại cơ bản: thời kích TR là một tham số quan trọng để tạo ra độ tương phản cần thiết: hình trọng T1 cần thời gian TR ngắn; hình trọng T2 cần thời gian TR dài.

Trong Phần trước chúng ta đã biết một giải pháp để giảm bớt thời gian TR: dùng một góc lật nhỏ. Theo cách này, các chuỗi xung điểm vang thang từ GRE có thể được xem như là một cải thiện đáng kể về thời gian chụp so với các chuỗi xung điểm vang spin SE. Theo tính toán, để duy trì được độ tương phản tốt nhất, đặc biệt trên hình trọng T1, khi TR trong khoảng trên dưới 100 ms (mili giây), góc lật nên nằm trong khoảng từ 60o-90o. Khi TR trong khoảng trên dưới 50 ms, góc lật cũng trên dưới 50o. Khi TR nhỏ hơn nữa, góc lật không nên quá nhỏ, chẳng hạn nếu TR = 6 ms thì α = 15o.

Một giải pháp khác có thể xem xét là giảm bớt thời vang TE, chẳng hạn bằng cách giảm bớt thời gian lấy mẫu. Giảm bớt thời gian lấy mẫu có thể bằng cách lấy mẫu nhanh hơn (lấy nhiều mẫu trong một khoảng thời gian ngắn hơn) hoặc lấy ít mẫu đi (kỹ thuật nửa điểm vang).

Tăng tối đa thời gian thu nhận tín hiệu

Khi xem xét diễn tiến thời gian của các chuỗi xung đã bàn luận trong phần trước, chúng ta nhận ra rằng thời gian thu nhận dữ liệu (thời gian lấy mẫu) chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số thời gian chụp. Khoảng thời gian không thực hiện thu nhận dữ liệu chính là thời gian chết (dead time). Sử dụng tối đa thời gian chết này sẽ rút ngắn thời gian chụp xuống một cách rất ngoạn mục.

  1. Chiến lược thứ nhất là chụp cùng lúc nhiều lớp cắt. Với kỹ thuật chụp hai chiều (2D), mỗi lớp cắt sẽ được kích thích bằng một xung kích thích riêng biệt có tần số phù hợp đã được chuẩn bị trước bằng một thang chọn lớp. Với kỹ thuật chụp ba chiều (3D), toàn bộ khối cơ thể cần khảo sát có thể được chụp chung một lần và dữ liệu được tổ chức thành một k-không gian ba chiều. Sau đó bằng thuật toán Fourier ba chiều, chúng ta có thể “xắt mỏng” khối cơ thể đã chụp thành từng “miếng” có độ dày như ý. Chiến lược chụp cùng lúc nhiều lớp cắt sẽ được bàn luận chi tiết trong Phần 2.

  2. Chiến lược thứ hai là tạo và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích. Như chúng ta đã biết, một điểm vang có thể được tạo ra sau một xung tái lập 180o (điểm vang spin hay spin echo) hoặc sau khi áp dụng một thang mã tần số Gf (điểm vang thang từ hay gradient echo). Theo đấy, các điểm vang thu nhận được sau một lần phát xung kích thích được gọi là xâu điểm vang (echo train); bản thân xung kích thích được gọi là phát bắn (shot). Ngoài ra, khoảng thời gian thu nhận một xâu điểm vang được gọi là thời ghi xâu (echo train duration) và số lượng điểm vang trong một xâu được gọi là chiều dài xâu ETL (echo train length).

    Trong chiến lược ghi nhận nhiều điểm vang, người ta cũng phải thay đổi thứ tự điền các hàng dữ liệu vào k-không gian. Trước tiên, do có nhiều điểm vang trong cùng một phát bắn, chúng ta có nhiều thời vang TE khác nhau. Thứ đến, chúng ta đã biết từ Phần trước rằng mỗi hàng trong k-không gian là kết quả lấy mẫu một điểm vang, trong đó hàng ở giữa là điểm vang có được khi dùng thang mã pha yếu nhất (bằng zero). Mặt khác, dữ liệu vùng trung tâm của k-không gian chủ yếu mã hóa các thông tin về độ tương phản và cường độ tín hiệu. Vì thế trong chiến lược này, điểm vang được điền vào hàng giữa của k-không gian sẽ có ảnh hưởng nhiều nhất đến độ tương phản của ảnh. Thời vang của điểm vang này do vậy được gọi là thời vang hiệu dụng (effective TE, viết tắt là TEef). Chọn lựa vị trí của thời vang hiệu dụng TEef ở đầu, giữa hoặc cuối xâu điểm vang sẽ làm thay đổi độ tương phản của hình ảnh thu được. Chiến lược này được áp dụng trong kỹ thuật chụp điểm vang đồng phẳng EPI và điểm vang spin nhanh ở các phần 3 và 4.

  1. Chiến lược thứ ba cho phép tạo ra cùng lúc nhiều hình có độ tương phản khác nhau, cụ thể hơn là một hình trọng T2 (T2W) và một hình trọng đậm độ proton (PDW). Theo một nghĩa nào đó, chiến lược này có thể xem như một hình thái khác của chiến lược thứ hai, nghĩa là nó cũng tạo ra và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một xung kích thích. Khác biệt chủ yếu là trên cùng một xung kích thích có TR dài, điểm vang thứ nhất được ghi nhận tại một thời vang TE khá ngắn để tạo ra hình PDW còn điểm vang thứ hai được ghi nhận tại một thời vang TE dài để tạo ra hình T2W (Hình 1).


Hình 1:
Hai điểm vang được lấy trong cùng một lần phát xung kích thích với TR dài. Điểm vang thứ nhất có thời vang TE ngắn (TE1) đóng góp cho hình trọng đậm độ proton. Điểm vang thứ hai có thời vang TE dài (TE2) đóng góp cho hình trọng T2.

Thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian

Một số kỹ thuật gần đây không điền dữ liệu vào k-không gian theo từng hàng như chúng ta đã biết mà có thể điền vào theo một vòng xoắn gốc hoặc điền theo từng góc xoay. Để độc giả có thể hình dung được một bức tranh tổng thể và đầy đủ về các kỹ thuật chụp nhanh, chúng ta cũng sẽ phác thảo sơ qua một số kỹ thuật chụp loại này trong Phần 5.

2. KỸ THUẬT CHỤP ĐA LỚP CẮT

Kỹ thuật chụp đa lớp cắt (multislice) cho phép chúng ta thu nhận tín hiệu của nhiều lớp cắt trong cùng một khoảng thời gian, làm hiệu suất đo đạc tăng lên và nhờ vậy làm giảm thời gian chụp. Trong phần này chúng ta xem xét hai phương pháp: chụp đa lớp cắt hai chiều và chụp ba chiều.

Chụp đa lớp cắt hai chiều

Về mặt lý thuyết, phương pháp chụp đa lớp cắt hai chiều không tạo ra các chuỗi xung mới. Chúng đơn thuần chỉ là sự cải tiến về cách sắp đặt các xung cho hợp lý hơn về thời gian, tận dụng các khoảng thời gian chết khi đang chụp một lớp cắt để chụp thêm nhiều lớp cắt khác.

Nguyên lý rất đơn giản: Sau khi kích thích và đo tín hiệu của một lớp cắt, trong khoảng thời gian chờ độ từ hóa dọc của lớp cắt này khôi phục, chúng ta có thể kích thích và đo tín hiệu của một lớp cắt khác. Xung kích thích thứ hai phải có tần số khác với tần số của xung thứ nhất để không làm ảnh hưởng đến lớp cắt thứ nhất. Nếu thời gian vẫn còn trống, chúng ta có thể thực hiện kích thích và đo tín hiệu của một hoặc nhiều lớp cắt khác nữa (Hình 2).


Hìn
h 2: Chụp đa lớp cắt hai chiều. Trong khi chờ để kích thích và đo lại tín hiệu của lớp cắt thứ nhất, chúng ta kích thích và đo tín hiệu của lớp cắt thứ ba, thứ hai rồi thứ tư xen kẽ nhau để làm giảm khả năng nhiễu kế cận.

Chúng ta biết rằng để chụp một lớp cắt, trước tiên chúng ta cần dùng một thang chọn lớp. Thang từ này sẽ làm cho các proton trong các lớp cắt khác nhau dọc theo thang từ quay với tần số khác nhau. Để chụp một lớp cắt, chúng ta chỉ cần phát xung kích thích có tần số phù hợp (cộng hưởng được) với các proton trong lớp cắt đó. Khi áp dụng kỹ thuật chụp đa lớp cắt, người ta tránh không chụp liên tiếp hai lớp kế cận nhau mà chụp xen kẽ như được minh họa trong Hình 2 để tránh tình trạng nhiễu kế cận (cross talk). Tình trạng này xảy ra bởi vì tần số quay của hai lớp cắt kế cận nhau không khác biệt nhiều, đặc biệt là đối với các proton nằm ở vùng biên giáp ranh giữa hai lớp cắt. Do vậy xung kích thích của lớp cắt này có thể kích thích cả các proton nằm ở vùng ranh giới của lớp cắt kia, làm sai lệch kết quả đo tín hiệu của lớp cắt đang được kích thích.

Kỹ thuật chụp ba chiều

Như tên gọi của nó đã cho thấy, kỹ thuật chụp ba chiều hay chụp 3D không chụp từng lớp riêng biệt như trong kỹ thuật chụp hai chiều; nó chụp toàn bộ một khối cơ thể, nghĩa là chụp một vật theo không gian ba chiều vốn có của vật và khi cần có thể cắt vật thành từng lát dày mỏng tùy theo nhu cầu. Theo nghĩa này, kỹ thuật chụp ba chiều có thể được xem như thuộc nhóm kỹ thuật chụp đa lớp cắt.

Ở cuối phần trước chúng ta đã nhấn mạnh rằng kỹ thuật chụp ba chiều không dùng thang chọn lớp bởi vì nó không chụp từng lớp. Để mã hóa vị trí không gian của các voxel, kỹ thuật chụp ba chiều sử dụng hai thang mã pha vuông góc với nhau, mỗi thang từ này mã hóa cho một chiều không gian. Chiều không gian thứ ba được mã hóa bằng thang mã tần số.

Với cách thức chụp như vậy, tín hiệu thu được trong kỹ thuật chụp ba chiều là tín hiệu tổng hợp của cả khối cơ thể đang khảo sát. Tín hiệu này cũng được lấy mẫu rồi điền vào k-không gian. Tuy nhiên, k-không gian bây giờ không phải là một bảng hai chiều như trong kỹ thuật chụp hai chiều mà là một cấu trúc ba chiều. Sau đó, thay vì dùng thuật toán Fourier hai chiều thông thường, người ta phải dùng thuật toán Fourier ba chiều (3D Fourier algorithm) để xử lý k-không gian này và tái tạo lại hình ảnh của từng lát hoặc một cấu trúc giải phẫu nào đó nằm trong khối cơ thể đã được khảo sát. Chú ý rằng vì tên gọi “thuật toán” dễ gây bối rối cho nhiều độc giả nên trong các tài liệu y khoa người ta thường thay bằng từ ngữ “kỹ thuật Fourier” hay “kỹ thuật biến đổi Fourier” 2DFT, 3DFT (hai chiều hoặc ba chiều).

Do ghi nhận tín hiệu tổng hợp của cả khối cơ thể nên kỹ thuật chụp ba chiều có thể cho ra các lát cắt liên tục nhau, nghĩa là không có khoảng trống giữa chúng. Đây là một ưu điểm của kỹ thuật chụp ba chiều so với kỹ thuật chụp hai chiều, trong đó giữa các lớp cắt thường có một khoảng trống nhất định. Với ưu điểm này, kỹ thuật chụp ba chiều hiện được sử dụng ngày càng phổ biến, nhất là trong những trường hợp cần có những lát cắt mỏng, liên tục để phát hiện các tổn thương nhỏ.

Một ưu điểm nữa của kỹ thuật chụp ba chiều là tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR cao nên ảnh chụp bằng kỹ thuật này có độ trung thực cao và rõ nét hơn. Do vậy ở những vùng “khó chụp” như góc cầu tiểu não, khi cần khảo sát chi tiết người ta có thể dùng kỹ thuật chụp ba chiều.

Kỹ thuật chụp ba chiều cũng rất thường được dùng để chụp hệ thống mạch máu (mạch đồ cộng hưởng từ, MR Angiography hay MRA). Ứng dụng của kỹ thuật chụp ba chiều trong lĩnh vực MRA sẽ được bàn luận chi tiết hơn trong các phần sau.

Cuối cùng cũng cần phân biệt giữa kỹ thuật chụp ba chiều và kỹ thuật dựng hình ba chiều. Chúng nằm ở hai công đoạn khác nhau: kỹ thuật chụp ba chiều thuộc công đoạn chụp hình, liên quan đến các chuỗi xung và thu nhận tín hiệu. Ngược lại kỹ thuật tái tạo ảnh ba chiều hay dựng ảnh ba chiều thuộc công đoạn xử lý hình, liên quan đến các thuật toán xử lý ảnh số bằng máy tính. Một số kỹ thuật dựng hình ba chiều thường được dùng trong cộng hưởng từ và chụp cắt lớp điện toán là MIP (maximum intensity projection), dựng khối vật (volume rendering) và dựng bề mặt (surface rendering). Các kỹ thuật dựng hình sẽ được thảo luận nhiều hơn trong các phần sau.

Với những kỹ thuật dựng hình này, dữ liệu có thể là dữ liệu hai chiều thu được bằng kỹ thuật chụp hai chiều hoặc dữ liệu ba chiều thu được bằng kỹ thuật chụp ba chiều. Nếu dùng dữ liệu hai chiều, hình tái tạo có thể bị “gẫy đoạn” nhiều vì giữa các lớp cắt luôn có một khoảng trống, trong khi đó nếu dùng dữ liệu ba chiều, hình tái tạo sẽ đều đặn hơn.

3. KỸ THUẬT ĐIỂM VANG ĐỒNG PHẲNG

Mặc dù đã được Peter Mansfield đề xuất từ năm 1977 nhưng do những hạn chế về công nghệ phần cứng và khả năng xử lý của máy tính nên kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI (echo planar imaging) chỉ mới được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật này là thời gian chụp toàn bộ một hình cộng hưởng từ rất ngắn, có thể đạt đến mức 20 ms. Với thời gian này, các ảnh giả (artifact) do chuyển động gây ra hầu như bị loại bỏ hoàn toàn. Ngoài ra, nhiều quá trình sinh lý vốn xảy ra rất nhanh cũng có thể ghi nhận được, nghĩa là chúng ta có thể đánh giá được “chức năng” của một số cơ quan.

Diễn tiến các xung

Ở hình thái cơ bản nhất, kỹ thuật chụp điểm vang đồng phẳng sử dụng một xung kích thích α, sau đó cho thang mã tần số dao động thật nhanh, tạo ra một xâu điểm vang (echo train). Về bản chất, các điểm vang trong xâu đều thuộc loại điểm vang thang từ (gradient echo) vì chúng được tạo ra sau khi áp dụng một thang mã tần số Gf (Hình 3). Toàn bộ các điểm vang đều được sử dụng để tạo một hình cộng hưởng từ.

Mặt khác, do các điểm vang đều được lấy từ một lần phát xung, thời gian TR được xem như “không có” hoặc “vô tận”. Điều này cũng đồng nghĩa rằng các hình tạo ra bằng kỹ thuật điểm vang đồng phẳng không phải là hình trọng T1 mà cơ bản là hình trọng T2. Nói chính xác hơn, TEef nằm gần đầu xâu điểm vang cho ra hình trọng T2 còn TEef nằm gần cuối xâu cho ra hình trọng T2* do hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID gây ra.


Hình 3:
Diễn tiến chuỗi xung trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI. Để cho đơn giản, thang chọn lớp Gs và thang mã pha Gp đã được lược bỏ.

Thang mã pha

Chúng ta biết rằng thang mã pha cần được áp dụng với cường độ tăng dần từ âm sang dương trong các chuỗi xung căn bản đã bàn luận ở phần trước, mỗi lần ứng với một lần phát xung và kéo dài trong một thời gian rất ngắn. Với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, do nhiều điểm vang được ghi nhận ngay trong một lần phát xung nên cách áp dụng thang từ như trên không sử dụng được. Thay vì thế người ta có thể dùng một trong hai phương pháp (Hình 4):

  1. Phương pháp mã pha lách tách (blipped phase-encoding) áp dụng một loạt thang từ nhỏ có cường độ không đổi, tựa như những tiếng nổ lách tách đều đều. Nhờ đó thông tin mã pha được cộng dần vào, cho phép ghi mỗi điểm vang vào một hàng của k-không gian.

  2. Phương pháp mã pha đều (constant phase-encoding) áp dụng một thang từ kéo dài không thay đổi cường độ.

Thứ tự điền dữ liệu vào k-không gian

Để điền dữ liệu vào k-không gian, các chuỗi xung căn bản điền lần lượt từng hàng, mỗi hàng ứng với một điểm vang. Trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, thứ tự điền cụ thể mỗi hàng vào k-không gian được chọn lựa tùy theo từng phương pháp áp dụng thang mã pha. Hình 5 minh họa sự khác biệt giữa cách điền dữ liệu trong các chuỗi xung căn bản và cách điền dữ liệu được sử dụng trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.


Hình 4:
Phương pháp mã pha lách tách áp dụng thang từ Gp (b) nhiều lần thật nhanh với cường độ bằng nhau. Phương pháp mã pha đều áp dụng thang từ Gp (c) một lần kéo dài với cường độ không đổi.


Hìn
h 5: Điền các hàng dữ liệu vào k-không gian trong một chuỗi xung thông thường (bên trái) và trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng (bên phải).

Một phát hoặc nhiều phát

Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được thực hiện bằng cách dùng một xung kích thích duy nhất (một phát, single-shot) hoặc nhiều xung kích thích (nhiều phát, multi-shot). Trong trường hợp này, mỗi xung kích thích được xem như một phát bắn (shot).

Phương pháp điểm vang đồng phẳng một phát có thời gian chụp cực ngắn, thường dưới 100 ms; toàn bộ dữ liệu trong k-không gian đều được lấy trong thời gian này. Để làm được như thế, phương pháp chụp một phát đòi hỏi các thang từ mã hóa phải có khả năng chuyển bật với tốc độ cực kỳ nhanh, một yêu cầu không phải hệ thống máy cộng hưởng từ nào cũng có thể thực hiện được. Ngoài ra, độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR khá thấp cũng là một trở ngại của phương pháp này.

Để khắc phục một phần những trở ngại vừa nêu, người ta có thể dùng phương pháp điểm vang đồng phẳng nhiều phát. Thay vì điền đầy k-không gian ngay trong một phát bắn, trong kỹ thuật nhiều phát, mỗi phát chỉ đóng góp một phần dữ liệu trong k-không gian. Độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu / nhiễu SNR nhờ vậy được cải thiện.

Cũng cần nhấn mạnh rằng do thời gian lấy mẫu tương đối dài, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng nói chung rất dễ bị ảnh giả (artifact) do tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học. Để giảm bớt các ảnh giả kiểu này, người ta có thể dùng một xung tái lập 180o tại thời điểm giữa thời vang hiệu dụng TEef, nghĩa là tại thời điểm TEef/2. Tuy nhiên ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học, đặc biệt là ảnh hưởng của mỡ không được khắc phục tốt lắm bằng xung tái lập này. Do vậy trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng người ta luôn sử dụng một xung xóa mỡ và xem nó như một xung thường quy.

Các biến thể

Với hình thái căn bản đã được trình bày ở đầu phần này, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được tích hợp với một số xung đặc dụng, tạo ra nhiều biến thể rất có ích. Chẳng hạn nếu xung kích thích là xung 90o cùng với một xung tái lập 180o được thực hiện trước khi cho thang mã tần số dao động thật nhanh như vừa nêu ở trên, chúng ta gọi đây là kỹ thuật điểm vang đồng phẳng spin (spin echo-echo planar imaging).

Tương tự, chúng ta có thể áp dụng một xung chuẩn bị trước khi thực hiện các xung điểm vang đồng phẳng. Chẳng hạn có thể dùng một xung truyền độ từ hóa MT, xung khôi phục đảo nghịch 180o

Một biến thể đáng chú ý khác là hình thái lai giữa kỹ thuật điểm vang đồng phẳng và kỹ thuật điểm vang spin nhanh. Kỹ thuật có tên là GRASE (Gradient Recalled and Spin Echo) này vừa thu nhận các điểm vang thang từ do thang mã tần số tạo ra, vừa thu nhận các điểm vang spin do xung tái lập 180o tạo. Tuy nhiên, kỹ thuật này chưa có nhiều ứng dụng lâm sàng.

Khả năng ứng dụng lâm sàng

Do thời gian chụp cực ngắn, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đã khắc phục được nhược điểm lớn nhất của cộng hưởng từ. Với kỹ thuật này, người ta có thể ghi nhận được nhiều quá trình sinh lý và sinh bệnh học vốn xảy ra rất nhanh, do vậy nó đã làm thay đổi sâu sắc triển vọng ứng dụng của cộng hưởng từ đối với nhiều vùng cơ thể và nhiều đặc điểm sinh bệnh học.

Chẳng hạn đối với não, kỹ thuật này được dùng để đánh giá khả năng tưới máu (perfusion) cho nhu mô não, khả năng khuyếch tán (diffusion) của nước qua các mô não. Nhờ vậy trong những năm gần đây, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đã trở thành cơ sở nền tảng của một lĩnh vực gọi là chụp cộng hưởng từ chức năng (functional MRI).

Hoạt động của tim và các mạch máu lớn với rất nhiều chuyển động thường gây nhiều khó khăn cho nhiều mô thức chụp hình, kể cả CT và MRI. Khả năng chụp nhanh của kỹ thuật điểm vang đồng phẳng mở ra nhiều triển vọng ứng dụng của nó trong lĩnh vực này.

4. KỸ THUẬT ĐIỂM VANG SPIN NHANH

Theo một nghĩa nào đó, kỹ thuật điểm vang spin nhanh (fast spin echo) có thể được xem như phiên bản nhanh của loại chuỗi xung điểm vang spin, tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng là phiên bản nhanh của loại chuỗi xung điểm vang thang từ. Thuật ngữ ban đầu của kỹ thuật điểm vang spin nhanh là RARE (Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement) nhưng hiện nay ít được sử dụng. Với các máy của hãng Siemens, kỹ thuật này có tên thương mại là Turbo spin echo hay TurboSE.

Diễn tiến các xung

Tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, sau mỗi xung kích thích sẽ có một xâu điểm vang được tạo thành và được thu nhận. Tuy nhiên khác với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, mỗi điểm vang này được tạo ra do một xung tái lập 180o, không phải do thang từ. Nghĩa là chúng thuộc loại điểm vang spin. Hình 6 trình bày diễn tiến thời gian của các xung, tạm bỏ qua không trình bày các thang từ.


Hình 6:
Các xung trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, bao gồm một xung kích thích 90o, theo sau là một loạt các xung tái lập 180o, mỗi xung tái lập tạo ra một điểm vang spin.

Các thang từ

Chúng ta đã biết từ phần trước rằng trong chuỗi xung điểm vang spin, ngoài việc áp đặt một thang chọn lớp vào lúc phát xung kích thích, chúng ta còn phải áp đặt lại thang từ này vào lúc phát xung tái lập 180o. Đồng thời vào thời điểm đo tín hiệu, chúng ta cũng cần áp đặt lại thang mã tần số Gf.

Do vậy trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, đi kèm với một xung tái lập 180o phải là một lần áp dụng thang chọn lớp Gs và đi kèm với mỗi điểm vang được tạo ra phải là một lần áp dụng thang mã tần số Gf.

Ngoài ra, do mỗi xung tái lập 180o đều làm mất tác dụng của thang mã pha nên cả hai phương pháp mã pha lách tách và mã pha đều như trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đều không dùng được. Thay vì thế, chúng ta phải áp dụng nhiều lần thang mã pha với cường độ thay đổi tùy thuộc vào việc chọn thời vang hiệu dụng TEef ở đầu, ở giữa hay ở cuối xâu điểm vang. Chẳng hạn nếu muốn thời vang hiệu dụng TEef ở giữa xâu điểm vang như trong Hình 7, thang mã pha được cho giảm dần cường độ. Ngược lại nếu muốn thời vang hiệu dụng nằm ngay ở đầu xâu điểm vang, thang mã pha được cho tăng dần cường độ. Diễn tiến thời gian điển hình của các xung cùng với các thang từ được dùng trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh được trình bày trong Hình 7.


Hình 7:
Diễn tiến thời gian của các xung trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh. Đi kèm với mỗi cặp xung tái lập và điểm vang là một lần áp dụng các thang từ thích hợp. Thời vang hiệu dụng TEef được tính từ lúc phát xung kích thích đến lúc cường độ thang từ mã pha Gp bằng 0.

Mới nhìn qua, kỹ thuật điểm vang spin nhanh tưởng chừng có thể so sánh về tốc độ với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng. Tuy nhiên do phải áp dụng nhiều lần cả ba thang từ cùng với nhiều xung tái lập 180o nên kỹ thuật này thực sự chậm hơn nhiều so với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.

Một phát hoặc nhiều phát

Tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, kỹ thuật điểm vang spin nhanh cũng có thể dùng phương pháp một phát hoặc nhiều phát. Do cách lấy nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích nên thực chất cả hai phương pháp một phát và nhiều phát đều không có TR hay có TR vô tận. Kết quả là hình thu được đều là hình trọng T2. Chất lượng hình ảnh của phương pháp một phát dĩ nhiên không bằng chất lượng của phương pháp nhiều phát nhưng bù lại thời gian chụp ngắn hơn. Để cải thiện chất lượng, các phiên bản thương mại của phương pháp một phát như chuỗi HASTE (Haft-fourier Acquisition Single-shot Turbo spin Echo) của hãng Siemens hay chuỗi SS-FSE (Single-Shot Fast Spin Echo) của hãng GE đều sử dụng các thang từ tốc độ cao và kỹ thuật nửa Fourier.

Tăng quang đường bờ

So với chuỗi xung điểm vang spin kinh điển, hình ảnh thu được bằng kỹ thuật điểm vang spin nhanh thường nhòe hơn và bờ kém sắc nét hơn, đặc biệt đối với các mô có T2 ngắn. Tình trạng này nặng nề hơn nếu chúng ta dùng chiều dài xâu dài, thời ghi xâu dài và thời vang hiệu dụng TEef nằm gần cuối xâu điểm vang.

Tuy nhiên khi mô có T2 ngắn nằm cạnh mô có T2 dài, chẳng hạn giữa mô não và dịch não tủy trong não thất, bờ của mô có T2 dài bị “tăng quang”, nghĩa là có tín hiệu cao hơn tín hiệu của nó (dịch não tủy). Điều này xảy ra do khi chụp bằng kỹ thuật điểm vang spin nhanh, bờ của mô có T2 ngắn bị nhòe sang phần mô có T2 dài, cộng thêm tín hiệu cho bờ của mô này và làm cho nó có tín hiệu cao hơn bình thường (Hình 8).


Hình
8: Ở hình bên trái, bờ thực sự giữa hai mô có T2 dài và T2 ngắn rõ nét. Ở hình bên phải, do tín hiệu phía mô có T2 ngắn được cộng thêm vào cho mô có T2 dài, vừa làm giảm kích thước thật của mô có T2 dài, vừa làm tăng quang bờ của nó.

5. MỘT SỐ KỸ THUẬT MỚI

Trong phần này chúng ta phác thảo sơ qua một số kỹ thuật mới có thời gian chụp nhanh hiện đã và vẫn đang được nghiên cứu, thử nghiệm để khẳng định được hiệu quả lâm sàng.

Thay đổi chiến lược điền vào k-không gian

Phương pháp kinh điển điền dữ liệu vào k-không gian là điền mỗi lần một hàng dữ liệu có được sau khi lấy mẫu một điểm vang. Theo cách này, mỗi điểm vang phải ứng với một thang mã pha ở một cường độ nhất định. Bằng cách thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian, thời gian chụp có thể giảm đi đáng kể.

Giải pháp thứ nhất được gọi là kỹ thuật chụp k-không gian phân đoạn (segmented k-space imaging), được thực hiện bằng cách điền mỗi lần một phần dữ liệu hay một phân đoạn của k-không gian, nghĩa là mỗi lần điền nhiều hàng thay vì chỉ điền một hàng. Chẳng hạn với một k-không gian có 128 hàng, chúng ta có thể điền mỗi lần 8 hàng, vị chi mất 16 lần như thế để điền đủ 128 hàng thay vì phải mất 128 lần cho 128 hàng. Trong thực tế, kỹ thuật này được sử dụng trong lĩnh vực chụp tim mạch, cho phép “quay phim” hoạt động co bóp của tim và của các mạch máu lớn bằng một loạt phim chụp nhanh gọi là phim ci-nê.

Một giải pháp khác là thay vì điền theo từng hàng vào k-không gian, chúng ta có thể điền theo từng đường chéo đi từ tâm k-không gian hướng ra ngoại biên (kỹ thuật chụp xoay góc, radial imaging) hay điền xoắn trôn ốc từ tâm k-không gian (kỹ thuật chụp xoắn ốc, spiral imaging). Để thực hiện những kỹ thuật như vậy, người ta phải tổ hợp các thang mã pha và thang mã tần số theo một cách nào đó để khi lấy mẫu, thứ tự của mẫu vạch ra một đường đi đúng như cách điền mong muốn (Hình 9).


Hình 9:
Kỹ thuật chụp xoay góc (radial imaging) ở bên trái và chụp xoắn ốc (spiral imaging) ở bên phải.

Thay đổi chiến lược thu nhận dữ liệu

Trong thực tế chúng ta nhận thấy rằng tín hiệu của các phần mô nằm sát cạnh nhau không có sự sai biệt hoàn toàn, nghĩa là trong một chừng mực nào đó chúng thay đổi dần dần. Ý tưởng này cho phép chúng ta chỉ cần thay đổi một phần dữ liệu biểu thị cho những phần mô nằm sát cạnh nhau. Thay vì phải ghi mới toàn bộ dữ liệu, chúng ta chỉ ghi một phần dữ liệu mới và dùng lại những phần đã được ghi trước đó. Chúng ta gọi kỹ thuật này là kỹ thuật phần chung (view sharing).

Một minh họa điển hình cho kỹ thuật phần chung được sử dụng trong các trường hợp chụp hình có dùng thuốc tương phản từ là kỹ thuật chụp lỗ khóa (keyhole imaging). Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này như sau: khi so sánh với nhau, các hình trước và sau khi tiêm thuốc tương phản từ được xem như không có sự thay đổi gì về cấu trúc mà chỉ có sự thay đổi về khả năng bắt thuốc, nghĩa là thay đổi về độ tương phản do tác dụng của thuốc. Mặt khác, chúng ta đã biết rằng thông tin về độ tương phản của hình chủ yếu được lấy từ vùng trung tâm của k-không gian. Vì thế nếu đã ghi được toàn bộ k-không gian của hình trước khi tiêm thuốc, chúng ta chỉ cần thay thế vùng trung tâm trong k-không gian của nó bằng các thông tin thích hợp để có được k-không gian của hình sau khi tiêm. Nghĩa là chúng ta chỉ chụp phần “lỗ khóa” của một ổ khóa bởi vì chỉ có phần “lỗ khóa” mới bị thay đổi. Chẳng hạn để có được k-không gian của hình sau tiêm thuốc khi đã có k-không gian của hình trước tiêm thuốc với ma trận ảnh 256 x 256, chúng ta chỉ cần lấy mẫu 32 hàng cho vùng trung tâm thay vì 256 hàng. Hơn nữa, thay vì phải lấy 256 mẫu cho cả 32 hàng này, chúng ta chỉ cần lấy 32 mẫu cho mỗi hàng.

6. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

  • Thời gian chụp hình lâu là một trong những trở ngại căn bản của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ. Tuy nhiên trở ngại này hiện đã được khắc phục bằng các kỹ thuật chụp nhanh.

  • Có nhiều chiến lược được sử dụng trong các kỹ thuật chụp nhanh, bao gồm các chiến lược rút ngắn thời gian TR, giảm bớt một số thành phần không cần thiết trong chuỗi xung, chụp cùng lúc nhiều lớp cắt, tạo và ghi nhận nhiều điểm vang và thay đổi chiến lược điền dữ liệu vào k– không gian.

  • Chụp cùng lúc nhiều lớp bằng phương pháp chụp hai chiều cắt tận dụng khoảng thời gian chết khi chụp một lớp cắt để chụp một vài lớp cắt kế cận. Chụp cùng lúc nhiều lớp bằng phương pháp chụp ba chiều có thể chụp toàn bộ khối thể tích cần chụp. Sau đó nếu cần có thể “xắt mỏng” khối này thành từng lát theo ý muốn bằng các kỹ thuật xử lý ảnh.

  • Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI và điểm vang spin nhanh FSE đều tạo ra và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích. Độ tương phản của chúng nói chung đều thuộc loại trọng T2, mặc dù nếu thời vang hiệu TEef nằm ở cuối xâu, độ tương phản có đặc thù của T2*.

  • Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng được thực hiện bằng cách cho thang mã tần số Gf thay đổi thật nhanh, tạo ra một xâu điểm vang thang từ. Vì vậy kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được xem như phiên bản nhanh của chuỗi xung điểm vang thang từ. Thứ tự điền các điểm vang vào k-không gian được chọn lựa cho phù hợp để vẫn bảo đảm được độ tương phản và độ phân giải cần thiết.

  • Kỹ thuật điểm vang spin nhanh là phiên bản nhanh của chuỗi xung điểm vang spin. Tuy nhiên do phải áp dụng nhiều xung tái lập 180o cũng như nhiều thang từ, kỹ thuật này nói chung chậm hơn nhiều so với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.

  • Một số kỹ thuật chụp nhanh khác có thể kể ra là: kỹ thuật chụp k– không gian phân đoạn, kỹ thuật chụp xoay góc, kỹ thuật chụp xoắn ốc, kỹ thuật chụp lỗ khóa. Nhìn chung những kỹ thuật này đều tập trung vào k-không gian: thay đổi cách thu nhận dữ liệu hoặc thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian.

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 6, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 89-104.

 

 

 

 

 

PHẦN 5: CHUỖI XUNG CĂN BẢN VÀ KỸ THUẬT BỔ TRỢ CỘNG HƯỞNG TỪ

Sau khi đã tìm hiểu xong các nguyên lý cơ sở của kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ qua bốn phần đầu tiên, phần này sẽ vận dụng các nguyên lý đó để lý giải khả năng khảo sát của các chuỗi xung cơ bản cùng với một số kỹ thuật bổ trợ có hiệu quả đặc biệt hiện đang được sử dụng phổ biến trong nhiều hệ thống chụp ảnh cộng hưởng từ. Nội dung sẽ được bàn luận trong phần này bao gồm:

  • Chuỗi xung và bộ xung
  • Chuỗi xung điểm vang spin
  • Chuỗi xung điểm vang thang từ
  • Kỹ thuật khôi phục đảo nghịch
  • Kỹ thuật bão hòa
  • Kỹ thuật khử mỡ

1. CHUỖI XUNG VÀ BỘ XUNG

Qua những phần thảo luận đã nêu ở những phần trước, chúng ta biết rằng để thu được một ảnh cộng hưởng từ, người ta phải phát xung kích thích nhiều lần với thời kích TR được chọn lựa phù hợp, một góc lật a phù hợp, một thời vang TE phù hợp, và rất có thể một xung tái lập 180o. Tất cả những tham số này sẽ được phối hợp với các thang từ mã hóa vị trí không gian để tạo ra được một ảnh cộng hưởng từ có tính chất mong muốn. Loạt các xung, góc lật và các thang từ như thế được gọi chung là một chuỗi xung (pulse sequence).

Ký pháp mô tả chuỗi xung

Để thuận tiện cho việc mô tả và phân tích tính chất của các chuỗi xung, chúng ta sẽ đưa ra một ký pháp mô tả diễn biến theo thời gian của các xung và thang từ trong một chuỗi xung. Ký pháp này được sử dụng rộng rãi trong các tài liệu cộng hưởng từ với một ít khác biệt nhỏ. Hình 1 trình bày các ký hiệu được sử dụng trong ký pháp chuỗi xung của cuốn sách này.


Hình 1:
Ký pháp biểu diễn các xung và thang từ. Trục ngang biểu diễn cho thời gian theo hướng từ trái sang phải. (a) Ký hiệu cho sóng radio (RF), bao gồm xung kích thích (thường tạo một góc lật 90o), xung tái lập 180o và tín hiệu cộng hưởng từ. (b) Ký hiệu cho thang từ chọn lớp Gs và thang mã tần số Gf, thường gồm một giai đoạn khử pha (thùy khử pha) và một giai đoạn hồi pha (thùy hồi pha). (c) Ký hiệu cho thang mã pha, biểu diễn cho nhiều lần lập lại thang từ này với các cường độ khác nhau.

Hình 1a trình bày các ký hiệu biểu diễn cho các xung RF (sóng radio, radiofrequency). Bên trái của Hình 1a là xung kích thích, nghĩa là sóng radio được phát ra để lật vectơ từ hóa dọc thành vectơ từ hóa ngang, với góc lật a được ghi ngay bên cạnh ký hiệu sóng mà ở trong Hình 1a là 90o. Ký hiệu ở giữa là xung tái lập 180o đã được giải thích và sẽ được sử dụng để tạo ra các xung điểm vang spin SE (xem Phần 2). Cuối cùng nằm bên phải là ký hiệu biểu thị cho tín hiệu cộng hưởng mà như chúng ta đã biết trong các phần 1 và 2, bản chất của nó cũng là sóng radio nhưng ở đây được vẽ khác đi để khỏi phải nhắc lại mỗi khi muốn ám chỉ các tín hiệu.

Hình 1b là những ký hiệu biểu diễn cho thang chọn lớp Gs và thang mã tần số Gf. Ký hiệu thùy khử pha (dephasing lobe) biểu thị cho khoảng thời gian áp dụng thang từ (Gs hoặc Gf) còn thùy hồi pha (rephasing lobe) biểu thị cho khoảng thời gian áp dụng thang từ theo hướng ngược lại so với thùy khử pha. Chẳng hạn nếu ở thùy khử pha, thang từ được áp dụng tăng dần từ trái sang phải thì ở thùy hồi pha, thang từ được áp dụng giảm dần từ trái sang phải. Đối với thang từ Gs, thùy khử pha được vẽ cao hơn đường thẳng ngang và thùy hồi pha được vẽ thấp hơn, giống như trong Hình 1b. Ngược lại đối với thang từ Gf, thùy khử pha được vẽ thấp hơn đường ngang và thùy hồi pha được vẽ cao hơn. Chúng ta sẽ phân tích chi tiết hơn ý nghĩa của các thùy này trong khi trình bày từng chuỗi xung cụ thể.

Trong Hình 1c, chúng ta thấy ký hiệu cho thang mã pha có một hình thái đặc biệt với nhiều thùy chồng xếp lên nhau, biểu thị cho sự thay đổi cường độ của thang mã pha một cách tuyến tính từ cường độ thật âm, dần đến zero rồi tăng dần thật dương ứng với mỗi lần áp dụng thang từ trong lần phát xung kích thích.

Bộ xung

Để có thể đánh giá được những khác biệt về cấu trúc của các vùng cơ thể cũng như xác định được tổn thương cùng những đặc tính của nó, người ta thường phải dùng nhiều chuỗi xung khác nhau ở nhiều hướng cắt khác nhau (cắt ngang trục, cắt dọc đứng, cắt dọc ngang). Trong thực tế, đối với mỗi vùng cơ thể người ta thường chuẩn bị sẵn một loạt các chuỗi xung cần chụp theo các mặt cắt nhất định. Mỗi nhóm chuỗi xung theo các mặt cắt được thiết đặt sẵn như thế được gọi là bộ xung (protocol).

Ngoài các bộ xung riêng biệt cho mỗi vùng cơ thể, người ta còn có thể xây dựng các bộ xung để phát hiện một số tổn thương. Những bộ xung này được sử dụng khi có gợi ý chẩn đoán của lâm sàng hoặc khi thấy có tín hiệu bất thường trên các hình thu được bằng các bộ xung thường quy. Chẳng hạn khi chụp não, bộ xung thường quy có thể chỉ gồm các chuỗi xung điểm vang spin để có được các hình trọng T1, trọng T2, FLAIR. Khi nghi ngờ có tổn thương xuất huyết, người ta sử dụng thêm chuỗi xung điểm vang thang từ GRE để phát hiện và khẳng định chẩn đoán.

Bây giờ chúng ta đã sẵn sàng bàn luận về các loại chuỗi xung căn bản hay được dùng khi chụp cộng hưởng từ. Trong một chừng mực nhất định chúng ta cũng có thể bàn thêm một số ứng dụng thực tế của những chuỗi xung này.

2. CHUỖI XUNG ĐIỂM VANG SPIN

Chuỗi xung điểm vang spin hay chuỗi xung spin echo (SE) là loại chuỗi xung đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất. Như tên gọi của nó đã cho thấy, tín hiệu đo được từ chuỗi xung này là các điểm vang spin (spin echo). Trong nhiều bộ xung, các ảnh thường quy trọng T1 (T1W), trọng T2 (T2W) và trọng mật độ proton (PDW) đều sử dụng kỹ thuật điểm vang spin SE. Nhìn chung các chuỗi xung điểm vang spin SE thường có thời kích TR khá dài, do vậy thời gian chụp thường kéo dài hơn so với các loại chuỗi xung khác.

Xung tái lập 180o

Đặc điểm quan trọng nhất của các chuỗi xung điểm vang spin SE là việc sử dụng một xung tái lập 180o (180o refocusing pulse) ngay giữa thời vang TE, nghĩa là tại thời điểm TE/2, tái lập một tín hiệu cộng hưởng từ có cường độ khá mạnh tại thời điểm đo tín hiệu TE. Tín hiệu này được gọi là điểm vang spin (spin echo). (Để ý rằng thuật ngữ proton và spin thường được sử dụng lẫn lộn và được xem như đồng nghĩa)

Như chúng ta đã biết, sau khi tắt xung kích thích, tín hiệu cộng hưởng từ lúc này có cường độ mạnh nhất. Theo thời gian, tín hiệu này suy giảm dần, một hiện tượng mà chúng ta gọi là hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID (free induction decay). Theo lý thuyết, tín hiệu cộng hưởng từ chỉ mất hẳn khi vectơ từ hóa ngang mất hẳn (thời gian hồi giãn T2). Trong thực tế, hiện tượng này xảy ra nhanh hơn (thời gian T2*). Nguyên nhân chủ yếu là do tính không đồng nhất của từ trường cục bộ tại các mô và độ xê dịch hóa học của các proton nằm trong các chất khác nhau. Từ trường cục bộ không đồng nhất cùng với độ xê dịch hóa học khác nhau làm cho các proton lúc đầu cùng tần số và cùng pha (Hình 2a) bây giờ lại quay nhanh chậm khác nhau: một số proton vượt lên trước còn một số chậm lại phía sau (Hình 2b). Lúc này do các proton quay với các pha khác nhau, tín hiệu cộng hưởng từ bị suy giảm.

Nếu tại thời điểm TE/2, chúng ta phát ra một xung 180o. Xung này sẽ lật trục quay của các proton một góc 180o (Hình 2c), khiến cho các proton đang quay chậm hơn được đặt ở vị trí phía trước các proton quay nhanh. Kết quả là khi quay hết một khoảng thời gian TE/2 nữa (tại điểm vang TE), các proton bây giờ lại cùng pha như trong Hình 2d, tái lập lại một tín hiệu đủ mạnh (điểm vang) để chúng ta đo đạc và tạo ảnh.

Với cơ chế hoạt động như thế, xung tái lập đã điều chỉnh lại được các nguyên nhân cục bộ làm suy giảm tín hiệu. Những nguyên nhân cục bộ thường gặp bao gồm tính không đồng nhất của từ trường cục bộ (do sự hiện diện của rất nhiều loại chất khác nhau trong mô với khả năng từ hóa khác nhau, đặc biệt là các chất thuận từ) và độ xê dịch hóa học, nhất là độ xê dịch hóa học giữa nước và mỡ.


Hìn
h 2: Kỹ thuật dùng xung tái lập để thu được một điểm vang cần thiết tại thời điểm đo tín hiệu TE. Trong (a), các proton đang cùng pha tại thời điểm ngay sau khi tắt xung kích thích. Theo thời gian, các proton lệch pha nhau, dẫn đến tình huống của (b) tại thời điểm TE/2. Trong (c), sau khi phát xung tái lập 180o, các proton bị lật qua phía bên đối diện của vạch xuất phát, khiến cho các proton chậm lại đang chạy phía trước các proton quay nhanh. Cuối cùng vào thời điểm TE như trong (d), các proton lại cùng pha, tạo ra một điểm vang của tín hiệu.

Diễn tiến thời gian của chuỗi xung điểm vang spin SE

Bây giờ sau khi đã hiểu được ý tưởng then chốt của chuỗi xung điểm vang spin, chúng ta sẽ giải thích diễn tiến thời gian của chuỗi xung này. Chuỗi xung điểm vang spin được khởi đầu bằng một xung kích thích với góc lật 90o, và dưới tác dụng của thang chọn lớp Gs, xung kích thích chỉ cộng hưởng với các proton nằm trong lớp cắt cần khảo sát. Tiếp theo chúng ta áp dụng thang mã pha Gp để mã hóa thông tin vị trí của các proton bằng cách thay đổi pha của chúng một cách có hệ thống. Tại thời điểm TE/2, một xung tái lập 180o được phát ra. Xung này, như đã thảo luận ở trên, sẽ lật trục quay của các proton 180o, nhờ vậy tại thời điểm TE, các proton lại quay cùng pha, tạo ra một điểm vang spin (spin echo, SE) mà chúng ta có thể thu nhận để tạo ra hình cộng hưởng từ. Hình 3 là một sơ đồ trình bày diễn tiến thời gian của các chuỗi xung điểm vang spin SE.

Một điểm cần giải thích rõ hơn ở đây là ảnh hưởng của thang chọn lớp Gs và thang mã tần số Gf. Cả hai thang từ này đều làm thay đổi tần số quay của các proton, vì vậy làm cho chúng lệch pha nhau, nghĩa là khử pha của các proton (nên có tên là thùy khử pha). Hậu quả của tình trạng lệch pha của các proton là tín hiệu bị suy giảm. Để điều chỉnh tình trạng lệch pha do nguyên nhân thang từ, chúng ta áp dụng một thùy hồi pha ngay sau thùy khử pha bằng cách đảo ngược chiều của thang từ, nghĩa là nếu ở thùy khử pha, thang từ tăng dần cường độ từ đầu này đến đầu kia thì trong thùy hồi pha, thang từ đảo hướng tác dụng, tăng dần cường độ theo chiều ngược lại. Cường độ và thời gian áp dụng thùy hồi pha được tính toán để có thể bù trừ được tình trạng lệch pha do thùy khử pha gây ra.


Hìn
h 3: Diễn tiến thời gian của các xung và thang từ được sử dụng để tạo ra chuỗi xung điểm vang spin. Điểm quan trọng nhất của những chuỗi xung loại này là chúng luôn có một xung tái lập 180o được phát ra tại thời điểm TE/2, cho phép tái lập một tín hiệu đủ mạnh tại thời điểm đo tín hiệu TE và được gọi là điểm vang spin.

Tuy nhiên trong chuỗi xung điểm vang spin, đối với thang từ mã hóa tần số Gf chúng ta không cần áp dụng thùy hồi pha theo chiều ngược lại với thùy khử pha vì tác dụng của thùy khử pha đã được xung tái lập điều chỉnh. Trong các chuỗi xung điểm vang thang từ (GRE) được thảo luận trong Phần 3 chúng ta phải dùng một thùy hồi pha theo chiều ngược lại để điều chỉnh tác dụng của thùy khử pha.

3. CHUỖI XUNG ĐIỂM VANG THANG TỪ

Như chúng ta đã biết từ Phần 2, chuỗi xung điểm vang spin SE bao gồm một xung kích thích 90o, theo sau là một xung tái lập 180o tại thời điểm TE/2 để điều chỉnh lại tình trạng lệch pha của các proton do ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học và tính chất không đồng nhất của từ trường cục bộ vốn tồn tại trong mọi mô. Khuyết điểm của kỹ thuật này là thời kích TR dài làm tốn thời gian thu nhận tín hiệu và thời gian chụp ảnh.

Để có thể rút ngắn thời kích TR, người ta đưa ra một kỹ thuật chụp có tên là chuỗi xung điểm vang thang từ GRE (gradient echo). Chuỗi xung GRE này có hai đặc điểm quan trọng giúp chúng ta phân biệt nó với chuỗi xung điểm vang spin SE.

  1. Thứ nhất, chuỗi xung điểm vang thang từ GRE không dùng xung tái lập 180o. Thay vì thế, GRE chỉ sử dụng thêm một thùy hồi pha của thang mã tần số để điều chỉnh tình trạng lệch pha do tác dụng của thùy khử pha gây ra.

  2. Thứ hai, xung kích thích dùng một góc lật a < 90o thay vì một góc lật 90o như của xung kích thích trong chuỗi xung điểm vang spin.

Hình 4 trình bày sơ đồ diễn tiến thời gian của chuỗi xung điểm vang thang từ GRE. Tác dụng của chuỗi xung GRE được bàn luận ngay bên dưới.


Hình
4: Diễn tiến thời gian của các xung và thang từ trong chuỗi xung điểm vang thang từ GRE. Hai đặc điểm quan trọng của chuỗi xung GRE là xung kích thích có góc lật a < 90o và thay xung tái lập bằng thùy hồi pha của thang mã tần số Gf, tạo ra một điểm vang thang từ.

Như đã được giải thích trong Phần 2 rằng các thang từ đều làm cho các proton quay lệch pha nhau, dẫn đến tình trạng suy giảm tín hiệu. Ở đặc điểm thứ nhất, vì chuỗi xung điểm vang thang từ GRE không dùng xung tái lập 180o, người ta phải dùng một thùy hồi pha riêng cho thang mã tần số Gf để làm cho các proton quay cùng pha trở lại với nhau. Vì vậy dưới tác dụng của thùy hồi pha này, một điểm vang được hình thành và được gọi là điểm vang thang từ (gradient echo).

Mặc dù điều chỉnh được tình trạng lệch pha do tác dụng của thùy khử pha trong thang mã tần số, thùy hồi pha này không điều chỉnh được tình trạng lệch pha do tính không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học gây ra. Do vậy, hình thu được bằng chuỗi xung điểm vang thang từ về cơ bản là hình ảnh trọng T2* (T2*W), đặc biệt khi dùng thời vang TE đủ dài.

Trong thực tế, đặc thù trọng T2* này của chuỗi xung điểm vang thang từ GRE có thể được tận dụng để phát hiện một số loại tổn thương. Cụ thể, các tổn thương vôi hóa (chứa canxi) hoặc xuất huyết (chứa sắt) là những tổn thương có chứa các chất nhạy từ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, chúng trở nên nhiễm từ và làm cho các mô chứa chúng trở thành một từ trường rất không đồng nhất. Khi đó nếu dùng thời vang TE đủ dài, trên hình ảnh trọng T2* khi dùng chuỗi xung GRE, vùng mô đó sẽ hầu như mất tín hiệu.

Với đặc điểm thứ hai của chuỗi xung GRE, nghĩa là dùng một xung kích thích có góc lật nhỏ hơn 90o, chuỗi xung GRE cho phép dùng một thời kích TR ngắn hơn nhiều so với thời kích TR được dùng trong chuỗi xung SE. Như chúng ta đã biết từ Phần 3, sử dụng một xung kích thích có góc lật 90o sẽ lật hoàn toàn độ từ hóa dọc thành độ từ hóa ngang. Thế nhưng nếu dùng một góc lật nhỏ hơn, chúng ta vẫn có thể có được một độ từ hóa ngang đủ lớn để cho ra một tín hiệu có ích, đồng thời do độ từ hóa dọc chỉ bị lật một phần thành độ từ hóa ngang, thời gian cần để khôi phục lại độ từ hóa dọc sẽ ngắn hơn, cho phép sử dụng một thời kích TR ngắn hơn (Hình 5).

Trong một số trường hợp, thời kích TR được dùng trong chuỗi xung GRE có thể xấp xỉ bằng hoặc ngắn hơn thời gian T2 của một số mô đang được khảo sát. Hệ quả là tại thời điểm phát xung kích thích tiếp theo, độ từ hóa ngang của các mô có thời gian T2 dài hơn thời kích TR vẫn còn lại một ít. Thế rồi mỗi xung kích thích tiếp theo lại tiếp tục lật độ từ hóa ngang ngày càng xa hơn, cho đến khi độ từ hóa ngang được lật đứng lên trùng với độ từ hóa dọc, làm cho độ từ hóa dọc lúc này “lớn hơn chính nó”. Đến lúc này, độ từ hóa được xem như đã đạt trạng thái ổn định (steady state). Khi đó nó được gọi là độ từ hóa dọc ổn định (steady state longitudinal magnetization), được cấu thành bởi độ từ hóa dọc khôi phục được và độ từ hóa ngang còn dư.


Hìn
h 5: Ảnh hưởng của góc lật đối với độ từ hóa dọc và độ từ hóa ngang. (a) Với góc lật lớn gần bằng 90o, độ từ hóa dọc lật hầu như hoàn toàn thành độ từ hóa ngang, chỉ còn lại một ít chưa lật hết. (b) Với góc lật nhỏ hơn nhiều so với 90o, độ từ hóa dọc chỉ lật một ít thành độ từ hóa ngang và hầu như còn nguyên.

Chuỗi xung có nhiễu phá

Đối với độ từ hóa ngang còn dư xảy ra khi dùng TR ngắn trong các chuỗi xung điểm vang thang từ, chúng ta có thể nhiễu phá nó trước khi phát xung kích thích tiếp theo. Bằng cách này, độ từ hóa dọc tại thời điểm phát xung tiếp theo chỉ thuần túy là độ từ hóa dọc đã khôi phục lại được. Loại chuỗi xung này được gọi là chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá (spoiled gradient echo sequence)

Để thực hiện nhiễu phá độ từ hóa ngang còn dư, người ta có thể sử dụng các xung hoặc các thang từ thích hợp. Nếu nhiễu phá bằng thang từ, thang từ nhiễu phá (spoiler gradient) này được áp dụng ngay trước thời điểm phát xung tiếp theo, bảo đảm không còn độ từ hóa ngang khi xung kích thích được phát ra (Hình 6).

Độ tương phản của các hình thu được bằng chuỗi xung này phụ thuộc vào các tham số thời kích TR, góc lật a và thời vang TE. Cụ thể, khi sử dụng thời vang TE dài, hình thu được bằng chuỗi xung này được xem là hình trọng T2* nhờ đặc tính nhạy cảm đối với tình trạng từ trường cục bộ không đồng nhất như đã phân tích ở trên. Nếu góc lật a khá lớn, hình thu được về cơ bản là hình trọng T1. Nếu muốn giảm góc lật, thời gian TR cũng phải giảm theo.

Trong thực tế, loại chuỗi xung có nhiễu phá này thường được dùng với các tên thương mại là FLASH (Fast Low Angle SHot) hoặc SPGR (SPoiled GRASS).


Hình 6:
Một thang từ nhiễu phá được áp dụng ngay trước khi phát xung kích thích tiếp theo để nhiễu phá độ từ hóa ngang còn dư. Nhờ vậy vào lúc phát xung kích thích, độ từ hóa ngang không còn, chỉ còn độ từ hóa dọc đã khôi phục lại được.

Chuỗi xung không nhiễu phá

Khi độ từ hóa ngang còn dư không bị nhiễu phá, nó có thể bị lật dần sau mỗi xung kích thích. Đến một lúc nào đó, độ từ hóa ngang sẽ bị lật hoàn toàn 360o và có chiều trùng với chiều của từ trường ngoài. Kết quả là độ từ hóa ngang còn dư cộng lực với độ từ hóa dọc đã khôi phục được, tạo ra một độ từ hóa dọc thực tế lớn hơn độ từ hóa dọc đã khôi phục, đạt đến một trạng thái gọi là trạng thái ổn định.

Để mau chóng đạt được trạng thái ổn định, người ta sử dụng thêm một thang từ có tác dụng trái ngược với thang mã pha và gọi là thang từ tái cuộn (rewinding gradient). Thật ra, thang từ tái cuộn chỉ là thùy hồi pha của thang mã pha nhưng được áp dụng ngay trước khi phát xung kích thích lần tiếp theo. Nghĩa là cứ ứng với mỗi cường độ của thang mã pha, chúng ta sẽ áp dụng một thang từ có cùng cường độ nhưng ngược chiều ngay trước khi phát xung kích thích (Hình 7).


Hìn
h 7: Thang từ tái cuộn được sử dụng trong các chuỗi xung không nhiễu phá thật ra là thùy hồi pha của thang mã pha. Hai mũi tên trái ngược nhau nằm giữa ký hiệu thang mã pha để chỉ chiều áp dụng ngược chiều nhau.

Về mặt độ tương phản, các hình thu được bằng các chuỗi xung không nhiễu phá là các hình trọng T2/T1. Nghĩa là, các mô có T1 ngắn hoặc T2 dài đều cho tín hiệu cao. Biểu hiện trọng T1 trên hình có nguồn gốc từ độ từ hóa dọc đã khôi phục lại được khi phát xung kích thích, trong khi đó biểu hiện trọng T2 lại do công lao của độ từ hóa ngang còn dư. Mức độ trọng T2/T1 vì vậy tùy thuộc vào các tham số TR và góc lật. Trong thực tế, chuỗi xung điểm vang thang từ không nhiễu phá có tên thương mại là FISP (Fast Imaging with Steady state Precession) hoặc GRASS (Gradient Recalled Acquisition in the Steady State).

Trong số các chuỗi xung không nhiễu phá, có một loại chuỗi xung rất nhanh có tên chung là SSFP (Steady State Free Precession) với các tên thương mại quen thuộc là trueFISP (hãng Siemens) hoặc FIESTA (hãng GE). Loại chuỗi xung này có góc lật khá lớn, khoảng 60o hoặc lớn hơn và thời gian TR rất ngắn (3 ms hoặc ngắn hơn). Thời gian TR ngắn như thế làm cho chuỗi xung này có thể ghi nhận các “khoảnh khắc”, nhờ vậy nó có thể được dùng trong các kỹ thuật chụp hình tim và các mạch máu lớn.

4. KỸ THUẬT KHÔI PHỤC ĐẢO NGHỊCH

Về cơ bản, kỹ thuật khôi phục đảo nghịch IR (inversion recovery) chỉ là một dạng mở rộng của chuỗi xung điểm vang spin SE. Nghĩa là một chuỗi xung khôi phục đảo nghịch IR cũng gồm có một xung kích thích 90o, tiếp theo tại thời điểm TE/2 là một xung tái lập 180o. Tuy nhiên trong khi thực hiện chuỗi xung khôi phục đảo nghịch IR, tại một thời điểm nhất định trước khi phát xung kích thích 90o, người ta phát một xung đảo 180o. Khoảng thời gian từ lúc phát xung đảo 180o đến lúc phát xung kích thích 90o được gọi là thời gian đảo nghịch hay thời đảo TI (inversion time). Hình 8 minh họa diễn tiến thời gian của các xung trong chuỗi xung khôi phục đảo nghịch.


Hìn
h 8: Diễn tiến thời gian trong chuỗi xung khôi phục đảo nghịch IR. Các trục của các thang từ Gs, Gf và Gp đã được lược bỏ để cho đơn giản. Thời đảo TI được tính là thời gian giữa xung đảo và xung kích thích. Chú ý rằng xung đảo 180o và xung tái lập 180o có bản chất hoàn toàn giống nhau. Tác dụng của chúng khác nhau vì chúng được phát ra tại những thời điểm khác nhau khi trạng thái cộng hưởng từ của các proton khác nhau. 

Câu hỏi đặt ra ở đây là: xung đảo 180o này có ảnh hưởng như thế nào đối với các tín hiệu cộng hưởng từ của các mô khi chuỗi xung điểm vang spin SE được phát ra sau đó?

Trước tiên hãy trở về tình huống trước khi phát xung kích thích 90o. Lúc này, độ từ hóa dọc M0 đang hướng thuận chiều với từ trường ngoài B0. Dưới tác dụng của xung đảo 180o, độ từ hóa dọc bị đảo ngược 180o và hướng theo chiều ngược lại (chiều âm). Sau khi tắt xung đảo, độ từ hóa dọc đảo ngược dần dần khôi phục trở lại độ từ hóa dọc ban đầu (theo chiều dương): trước tiên thu giảm độ lớn theo chiều âm, qua zero rồi lớn dần theo chiều dương.

Thời gian khôi phục độ từ hóa dọc phụ thuộc thời gian T1 của mô: phải mất một thời gian T1 để độ từ hóa dọc đang hướng theo chiều âm trở về zero, tiếp theo là một thời gian T1 nữa để độ từ hóa dọc này lấy lại độ lớn ban đầu theo chiều dương. Như vậy thời gian khôi phục lại độ từ hóa dọc của các mô có T1 dài ngắn khác nhau sẽ khác nhau; nghĩa là mô có T1 ngắn sẽ khôi phục nhanh hơn mô có T1 dài. Khi đó tại một thời điểm sau khi tắt xung đảo 180o sao cho các mô chưa khôi phục hoàn toàn độ từ hóa dọc ban đầu, độ từ hóa dọc của một số mô vẫn còn âm (do có T1 dài), một số mô trở thành zero (do có T1 trung bình) và một số mô khác đã dương (do có T1 ngắn). Hình 9 minh họa quá trình khôi phục độ từ hóa dọc của hai mô A và B tại các thời điểm khác nhau x1, x2, x3, x4 và x5.


Hìn
h 9: Diễn tiến khôi phục các độ từ hóa dọc (vectơ xanh và đỏ) tương ứng với hai mô: mô A (T1 ngắn) và B (T1 dài) qua nhiều thời điểm sau khi tắt xung đảo 180o. (x1) Cả hai độ từ hóa đều âm. (x2) Độ từ hóa dọc của mô A (vectơ xanh) gần như bằng zero. (x3) Độ từ hóa của mô A đã dương nhưng mô B còn âm. (x4) Mô B lúc này gần như bằng zero còn mô A đã dương khá nhiều. (x5) Mô B bắt đầu dương, mô A gần như đã khôi phục hoàn toàn.

Bây giờ nếu phát một xung kích thích 90o, tác dụng của xung kích thích này phụ thuộc vào tình trạng khôi phục độ từ hóa dọc của mỗi mô. Cụ thể, các mô có độ từ hóa dọc còn độ lớn (dương hoặc âm) sẽ bị lật thành độ từ hóa ngang và cho ra tín hiệu cộng hưởng từ, trong khi đó các mô có độ từ hóa dọc bằng zero cũng sẽ có độ từ hóa ngang bằng zero và vì thế không có tín hiệu cộng hưởng từ.

  1. Đối với mô A có thời gian T1 ngắn, tình trạng mất tín hiệu xảy ra tại thời điểm x2 khi dùng thời đảo TI ngắn.

  2. Đối với mô B có thời gian T1 dài, tình trạng mất tín hiệu xảy ra tại thời điểm x4 (dùng thời đảo TI dài).

Khả năng xóa mất tín hiệu của một mô là một đặc điểm quan trọng nhất của kỹ thuật khôi phục đảo nghịch. Khi đó, tổn thương bị che khuất bên dưới có thể được bộc lộ ra rõ ràng hơn. Để xóa được tín hiệu của một mô, thời đảo TI cần chọn cho phù hợp với thời gian T1 của mô muốn xóa. Tính toán cụ thể cho thấy giá trị TI thường xấp xỉ khoảng 0,7 giá trị của T1.

Trong thực tế người ta thường dùng hai loại chuỗi xung khôi phục đảo nghịch IR: chuỗi STIR (short tau TI inversion recovery) để làm mất tín hiệu của mỡ (xóa mỡ) và chuỗi FLAIR (fluid attenuated inversion recovery) để làm mất tín hiệu của các dịch (thường là dịch não tủy).

Chuỗi STIR

Mục đích của chuỗi xung STIR là làm mất tín hiệu của mô mỡ, do vậy thời đảo TI được chọn khá ngắn, gần với thời gian T1 của mô mỡ. Cụ thể hơn, ở từ trường 1 Tesla, giá trị của TI khoảng 135-150 ms; ở từ trường 1,5 Tesla, giá trị của TI khoảng 155-175 ms. Với thời đảo TI ngắn như vậy, độ từ hóa dọc của các mô có thời gian T1 dài vẫn còn rất âm, trong khi đó độ từ hóa dọc của các mô có thời gian T1 ngắn chỉ còn âm ít hoặc có thể dương ít. Kết quả là khi phát xung kích thích, các mô có T1 dài sẽ cho ra tín hiệu mạnh hơn các mô có T1 ngắn.

Trong thực tế, chuỗi STIR thường có TR dài và TE ngắn. Với các tham số như vậy, hình thu được bằng chuỗi xung STIR là một hình đảo ngược (âm bản) của hình trọng T1 (T1W).

Chuỗi xung FLAIR

Mục đích của chuỗi xung FLAIR là xóa tín hiệu của các dịch đơn giản như dịch não tủy. Để làm được điều này, thời đảo TI được chọn thật dài (trên 2000 ms), phù hợp với thời gian T1 dài của các dịch.

Điển hình, chuỗi xung FLAIR có TR thật dài và TE dài. Kết quả là ảnh thu được từ chuỗi xung này thuộc loại ảnh trọng T2 (T2W) nhưng các thành phần thuần nước và dịch không có tín hiệu.

5. KỸ THUẬT BÃO HÒA

Theo một nghĩa nào đó, kỹ thuật bão hòa có thể được xem như cùng nhóm với kỹ thuật khôi phục đảo nghịch. Nghĩa là, cả hai đều dùng một xung chuẩn bị trước khi phát xung kích thích. Trong trường hợp khôi phục đảo nghịch, xung chuẩn bị là một xung 180o, làm lật ngược độ từ hóa dọc từ dương thành âm.

Trong trường hợp bão hòa, xung chuẩn bị cần lật hoàn toàn độ từ hóa dọc thành độ từ hóa ngang. Vùng mô có độ từ hóa dọc được lật hoàn toàn thành độ từ hóa ngang được xem như đã đạt tình trạng đã bão hòa (saturated). Lúc này nếu nhiễu phá độ từ hóa ngang, vùng mô đã bão hòa sẽ “trơ” đối với xung kích thích và không có tín hiệu. Xung chuẩn bị loại này được gọi là xung bão hòa (saturation pulse).

Mỗi xung bão hòa được chọn hoàn toàn phụ thuộc vào vùng mô cần xóa tín hiệu. Tuy nhiên về cơ bản, xung bão hòa bao gồm một xung được thiết kế đặc biệt để kích thích vùng mô cần xóa, lật hoàn toàn độ từ hóa dọc của vùng mô này thành độ từ hóa ngang. Sau đó sử dụng một thang từ hoặc một xung khác nhiễu phá độ từ hóa ngang, tương tự như kỹ thuật nhiễu phá được dùng trong chuỗi xung GRE có nhiễu phá. Kết quả là vùng mô không còn độ từ hóa dọc lẫn độ từ hóa ngang. Vì vậy khi xung kích thích được phát ra sau đó, nó hoàn toàn trơ và không cho ra tín hiệu.

Để cho cụ thể hơn, chúng tôi sẽ nêu ra ba kỹ thuật xung bão hòa được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế lâm sàng: bão hòa chọn lọc vùng, bão hòa chọn lọc độ xê dịch hóa học và kỹ thuật truyền độ từ hóa MT.

Bão hòa chọn lọc vùng

Mục đích của xung bão hòa chọn lọc vùng là làm bão hòa một vùng cơ thể không muốn có tín hiệu. Thông thường người ta dùng một xung bão hòa cho mỗi xung kích thích, mặc dù trong các kỹ thuật chụp nhanh, người ta có thể dùng một xung bão hòa chung cho nhiều xung kích thích.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của xung bão hòa loại này là bão hòa dòng chảy hoặc bão hòa các mô chuyển động. Chúng ta biết rằng dòng chảy của máu hoặc sự chuyển động của mô là một nguyên nhân gây ra các ảnh giả hoặc ảnh nhiễu (artifact). Tình trạng này xảy ra bởi vì trong thực tế chúng ta luôn phải mất một khoảng thời gian nhất định giữa lúc phát xung kích thích và lúc đo nhận tín hiệu. Để làm mất tín hiệu của phần dòng chảy hiện diện tại vùng cơ thể cần khảo sát, người ta tính toán tốc độ của dòng chảy và phát một xung bão hòa cho toàn bộ vùng cơ thể hiện đang chứa phần dòng chảy vốn sẽ đi vào vùng cơ thể cần khảo sát vào khoảng thời gian phát xung kích thích. Nhờ vậy khi phát xung kích thích cho vùng cơ thể cần khảo sát, phần dòng chảy đã bị bão hòa và không có tín hiệu.

Bão hòa chọn lọc độ xê dịch hóa học

Như chúng ta đã biết sự khác biệt giữa tần số cộng hưởng từ của các proton trong các phân tử được gọi là độ xê dịch hóa học (chemical shift). Mặt khác, do đặc thù cấu tạo hóa học của mình, nước và mỡ là những loại phân tử thực sự tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ, chủ yếu là từ các proton có mặt trong phân tử của chúng. Nói cách khác, hình ảnh cộng hưởng từ chẳng qua là bản đồ phân bố nước và mỡ trong cơ thể. Do vậy, độ xê dịch hóa học giữa nước và mỡ có thể được sử dụng khi cần xóa bỏ tín hiệu của một trong hai chất này.

Theo đó, để xóa mỡ bằng phương pháp bão hòa mỡ (fat saturation), người ta dùng một xung có tần số phù hợp với tần số quay của proton của mỡ, lật hoàn toàn độ từ hóa dọc của nó thành độ từ hóa ngang rồi nhiễu phá độ từ hóa ngang. Xung bão hòa được thiết kế cho mục đích này hầu như không có tác dụng gì trên proton của nước. Do vậy khi xung kích thích được phát ra, chỉ có nước là thành phần tham gia tạo tín hiệu; tín hiệu của mỡ lúc này không có. Ngược lại nếu muốn xóa tín hiệu của nước, người ta thực hiện tương tự: sử dụng một xung bão hòa nước rồi sau đó phát xung kích thích. Tín hiệu lúc này chỉ là tín hiệu của mỡ.

Cũng có thể phối hợp kỹ thuật xung bão hòa với một kỹ thuật khác. Chẳng hạn nếu muốn có ảnh “thuần silicon” ở những người bơm hoặc ghép silicon vào ngực, người ta có thể phối hợp chuỗi xung STIR (xóa mỡ) với kỹ thuật bão hòa nước để xóa nước. Kết quả là chỉ còn lại tín hiệu từ silicon, cho ra một ảnh thuần silicon.

Cũng cần nói thêm rằng khi sử dụng chuỗi xung bão hòa mỡ, vốn thường được gọi là xung Fatsat (FS), góc lật của xung bão hòa thường lớn hơn 90o. Vì thời gian T1 của mỡ khá ngắn nên nếu sử dụng góc lật 90o, độ từ hóa dọc có thể sẽ được khôi phục lại một phần trước khi phá nhiễu xong độ từ hóa ngang, khiến cho hình ảnh vẫn còn sót lại tín hiệu của mô mỡ. Với góc lật được chọn lựa phù hợp, thông thường từ 100o đến 150o, độ từ hóa dọc sẽ khôi phục về zero, cho ra hình ảnh được xóa mỡ tốt hơn.

Kỹ thuật truyền độ từ hóa MT

Dưới tác dụng của các xung kích thích với dải tần số được dùng trong thực tế lâm sàng, chúng ta biết rằng proton trong các đại phân tử như protein và phospholipid của màng tế bào không tạo ra được tín hiệu cộng hưởng từ. Điều này không có nghĩa rằng chúng hoàn toàn “vô tâm” trước hiện tượng cộng hưởng từ. Thực tế là các proton này cũng bị từ hóa và bão hòa. Độ từ hóa sau đó truyền sang cho các proton trong các phân tử nước nằm xung quanh (được gọi là nước tù), làm giảm bớt tín hiệu có thể thu nhận được từ các phân tử nước này. Hiện tượng độ từ hóa bão hòa truyền từ các đại phân tử sang các phân tử nước xung quanh được gọi là hiện tượng truyền độ từ hóa MT (magnetization transfer).

Hiện tượng truyền độ từ hóa MT này có thể được sử dụng khi chúng ta muốn xóa tín hiệu của một số mô mềm bởi vì nước ở mô mềm chủ yếu là nước tù. Để thực hiện điều này, chúng ta dùng một xung bão hòa có tần số thấp hơn hoặc cao hơn dải tần số của nước và mỡ. Với xung bão hòa loại này, hiện tượng truyền từ hóa MT xảy ra, làm giảm hoặc mất tín hiệu của vùng mô mềm cần xóa.

6. KỸ THUẬT KHỬ MỠ

Chúng ta đã biết rằng tín hiệu cộng hưởng từ thu được trong thực tế chủ yếu là tín hiệu của nước và một phần ít hơn là mỡ. Trong các ứng dụng lâm sàng chúng ta gặp nhiều trường hợp cần làm mất tín hiệu của mỡ, chẳng hạn khi muốn làm rõ hơn tình trạng bắt thuốc tương phản của một số tổn thương sau khi tiêm thuốc hay muốn khẳng định mô tổn thương chính là mô mỡ. Lúc này, khử mỡ hay xóa mỡ (fat suppression) bằng một kỹ thuật nào đó là một yêu cầu cần được thực hiện để khẳng định chẩn đoán.

Trong hai phần trước chúng ta đã biết rằng khử mỡ có thể được thực hiện bằng kỹ thuật xung đảo nghịch và kỹ thuật bão hòa. Với kỹ thuật xung đảo nghịch, thời đảo TI cần chọn gần bằng với thời gian T1 của mỡ. Bằng cách đó, mỡ sau khi bị đảo nghịch 180o sẽ khôi phục trong khoảng thời đảo TI về zero. Khi này nếu xung kích thích được phát ra, độ từ hóa dọc của mỡ bằng zero nên không tạo ra được độ từ hóa ngang và vì thế không cho tín hiệu. Với kỹ thuật xung bão hòa, thay vì phát xung đảo nghịch trước khi phát xung kích thích, người ta phát xung bão hòa chọn lọc đối với mỡ. Nghĩa là xung này chỉ làm độ từ hóa dọc của mỡ lật thành độ từ hóa ngang. Tiếp theo sau xung bão hòa mỡ là một xung nhiễu phá hoặc thang từ nhiễu phá để làm mất hoàn toàn độ từ hóa ngang. Sau đó nếu một xung kích thích bình thường được phát ra, chỉ có nước còn độ từ hóa dọc và lật thành độ từ hóa ngang rồi phát ra tín hiệu; mỡ hoàn toàn bị “trơ” đối với xung kích thích này.

Ngoài hai kỹ thuật này, chúng ta bây giờ sẽ tìm hiểu thêm hai kỹ thuật có tác dụng khử mỡ, đó là kỹ thuật Dixon và kỹ thuật kích thích có chọn lọc phổ không gian.

Kỹ thuật Dixon

Chúng ta đã biết rằng tần số quay của proton trong nước và mỡ thật sự không giống nhau và khác biệt này được gọi là độ xê dịch hóa học. Nói chính xác hơn, nước quay nhanh hơn mỡ với độ xê dịch hóa học vào khoảng 3,5 phần triệu (ppm hay parts per million).

Sau khi được kích thích, lúc đầu cả nước và mỡ đều quay cùng pha hay đồng pha (in-phase). Theo thời gian, nước quay nhanh hơn nên giữa chúng bắt đầu lệch pha nhau cho đến lúc chúng nghịch pha hay đối pha (opposed phase), nghĩa là pha chênh nhau 180o. Khi này tín hiệu chung sẽ giảm đi rõ rệt. Tuy nhiên do nước vẫn tiếp tục quay nhanh hơn nên sau một khoảng thời gian giống như trên, nước và mỡ trở lại đồng pha. Khi này tín hiệu chung lại mạnh trở lại.

Kỹ thuật Dixon thực chất là một kỹ thuật đo đạc tín hiệu và xử lý. Theo kỹ thuật này, để có được ảnh khử mỡ, chúng ta thực hiện hai lần đo tín hiệu và tạo ra hai bộ ảnh. Một ảnh đo tại thời điểm nước và mỡ nghịch pha, gọi là ảnh nghịch pha (opposed-phase image); ảnh còn lại đo tại thời điểm nước và mỡ trở lại đồng pha, gọi là ảnh đồng pha (in-phase image). Với từ trường 1,5 T, ảnh nghịch pha đo tại thời điểm 2,25 ms còn ảnh đồng pha đo tại thời điểm 4,5 ms. Hai ảnh đồng pha và nghịch pha có thể được đo riêng rẽ hoặc đo xen kẽ với nhau bằng kỹ thuật điểm vang kép.

Khi cộng tín hiệu của hai ảnh nghịch pha và đồng pha ở khâu xử lý, chúng ta thu được ảnh khử mỡ bằng kỹ thuật Dixon. Nói một cách dễ hiểu, ảnh đồng pha là ảnh “nước+mỡ” còn ảnh nghịch pha là ảnh “nước-mỡ”. Tổng của hai ảnh này là ảnh của nước đã khử mất tín hiệu mỡ.

Kích thích có chọn lọc phổ không gian

Trong kỹ thuật kích thích có chọn lọc phổ không gian (spatial-spectral selective exitation), người ta tìm cách kích thích một mình nước mà không kích thích mỡ. Tuy nhiên sử dụng một xung kích thích duy nhất có tần số hẹp đối với nước lại không hiệu quả. Thay vì thế người ta sử dụng xung tổ hợp (composite pulse). Xung tổ hợp này bao gồm nhiều xung với nhiều góc lật khác nhau, được phát ra tại nhiều thời điểm khác nhau đã được thiết kế một cách hợp lý để tổng tác dụng của chúng là nước có được một độ từ hóa phù hợp còn mỡ không còn độ từ hóa nào. Kết quả là chỉ có nước cho tín hiệu.

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

  • Tập hợp các xung và các thang chọn lớp, thang mã tần số cũng như thang mã pha, cùng với thời kích TR và TE phù hợp, tạo thành một chuỗi xung (pulse sequence).

  • Chuỗi xung điểm vang spin SE gồm có một xung kích thích 90ovà một xung tái lập 180o được phát tại thời điểm TE/2, cho ra một điểm vang spin (spin echo) tại thời điểm TE.

  • Chuỗi xung điểm vang thang từ GRE sử dụng một xung kích thích có góc lật nhỏ hơn 90o và không dùng xung tái lập 180o. Thay vì thế nó dùng một thùy khử pha của thang mã tần số để tạo ra một điểm vang.

  • Kỹ thuật khôi phục đảo nghịch IR gồm một xung đảo 180o được phát trước khi phát xung kích thích 90o một thời đảo TI thích hợp để làm cho độ từ hóa dọc của một mô cần xóa có giá trị zero tại thời điểm phát xung kích thích. Xung STIR được dùng để xóa mỡ có thời đảo TI khá ngắn. Xung FLAIR được dùng để xóa các dịch, nhất là dịch não tủy, với thời đảo rất dài (trên 2000 ms).

  • Giống với kỹ thuật xung đảo nghịch, kỹ thuật bão hòa sử dụng một xung chuẩn bị trước khi phát xung kích thích với mục đích làm bão hòa một loại mô nào đó. Kỹ thuật bão hòa có thể dùng để xóa tín hiệu của mỡ, của nước hoặc của dòng chảy.

  • Để xóa tín hiệu của mỡ, ngoài cách dùng kỹ thuật khôi phục đảo nghịch và bão hòa, người ta còn có thể dùng kỹ thuật Dixon và kích thích có chọn lọc phổ không gian.

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 5, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 71-88.