Lưu trữ cho từ khóa: Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ

PHẦN 8: KỸ THUẬT CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ TIM MẠCH

Nói chung, các phương pháp chụp hình chẩn đoán như X quang quy ước, CT, siêu âm và cộng hưởng từ đều là các kỹ thuật chụp tĩnh, nghĩa là chụp một vật tại một thời điểm (khoảnh khắc) nhất định. Do vậy chúng đều gặp phải những vấn đề giống nhau khi chụp những vùng cơ thể có các cơ quan chuyển động như ngực và bụng.

Vấn đề còn phức tạp hơn khi chụp hình hệ thống tim mạch. Hoạt động co bóp của tim và dòng chảy của máu biểu hiện cho chức năng của chúng. Vì thế chúng ta không những chẳng có cách gì để làm cho chúng “đứng yên hoặc chảy chậm lại một chút” mà còn phải tìm cách ghi nhận đúng thực trạng hoạt động của chúng. Trong phần này chúng ta bàn luận chủ yếu về các kỹ thuật mạch đồ cộng hưởng từ MRA (MR Angiography), dành một phần của phần cho kỹ thuật tâm đồ cộng hưởng từ (cardiac MR). Ngoài ra, các kỹ thuật dựng hình, mặc dù không phải là kỹ thuật chụp mạch máu nhưng vì rất thường được sử dụng trong lĩnh vực này nên cũng được phân tích ở đây. Nội dung cụ thể bao gồm:

  • Hiệu ứng dòng chảy
  • Mạch đồ cộng hưởng từ có thuốc tương phản
  • Kỹ thuật mạch đồ máu đen
  • Kỹ thuật mạch đồ máu sáng
  • Tâm đồ cộng hưởng từ
  • Kỹ thuật dựng hình

1. HIỆU ỨNG DÒNG CHẢY

Dòng máu chảy trong lòng mạch cũng giống như các chất lỏng chảy trong lòng ống, nghĩa là chúng cũng tuân theo các định luật thủy động học trong y học được đề cập đến trong lĩnh vực huyết động học (hemodynamics). Ngoài ra dưới tác dụng của các xung và thang từ, dòng máu đang chảy có những biểu hiện về mặt cộng hưởng từ (tín hiệu) khác hẳn với các mô tĩnh xung quanh, sinh ra các hiệu ứng dòng chảy (flow effect).

Dòng máu trong lòng mạch

Dòng máu chảy vốn rất phức tạp, tùy thuộc vào hoạt động của tim (thì tâm thu, thì tâm trương), kích thước của mạch máu (động mạch chủ và các nhánh), loại mạch máu (động mạch, tĩnh mạch, mao mạch, xoang tĩnh mạch), hướng máu chảy (điểm phân chia mạch máu, chỗ rẽ ngoặt), tình trạng bệnh lý của mạch máu (chỗ phình, mảng xơ vữa) và rất nhiều các yếu tố khác. Tuy nhiên để cho đơn giản và phù hợp với bối cảnh thảo luận về cộng hưởng từ, chúng ta tạm phân chia tình trạng dòng chảy trong lòng mạch thành ba loại: dòng chảy đều (laminar flow), dòng chảy dồn (plug flow) và dòng cuộn xoáy (turbulent flow).

Với dòng chảy đều, vận tốc của các proton đều như nhau, bất kể vị trí của chúng trong lòng mạch (Hình 1a). Ngược lại ở dòng chảy dồn, tốc độ của các proton ở gần thành mạch chậm hơn so với các proton ở chính giữa lòng mạch (Hình 1b). Trong khi đó, tình trạng xoáy dòng chỉ xảy ra ở những chỗ kích thước lòng mạch hoặc hướng chảy thay đổi đột ngột, sinh ra các dòng chảy phụ xoáy cuộn, thường gặp ở chỗ phình mạch, sau đoạn hẹp, chỗ tách các nhánh từ các động mạch lớn (Hình 1c).


Hình 1:
(a) Dòng chảy đều. (b) Dòng chảy dồn. (c) Dòng cuộn xoáy.

Tính chất cộng hưởng từ của dòng máu

Vì nước chiếm một lượng lớn trong máu và hầu như ở dạng tự do, thời gian T1 và T2 của máu đều khá dài, chỉ ngắn hơn chút ít so với T1 và T2 của dịch não tủy. Do vậy nếu không chuyển động, máu sẽ có tín hiệu thấp trên hình trọng T1 và tín hiệu cao trên hình trọng T2, gần giống với tín hiệu của dịch não tủy. Tuy nhiên do chuyển động liên tục, tín hiệu của dòng máu bị thay đổi. Sự thay đổi này do những nguyên nhân được lý giải sau đây:

  1. Trong quá trình chụp hình cộng hưởng từ, các xung và thang từ được thiết kế để chúng tác dụng lên các mô đứng yên. Cụ thể, trong các chuỗi xung điểm vang spin SE, xung tái lập 180o sẽ tác dụng lên đúng các mô đã được kích hoạt bởi một xung kích thích trước đó tại đúng vị trí đã định sẵn. Tuy nhiên do máu chuyển động liên tục, khối máu được kích hoạt bằng xung kích thích đã trôi qua khỏi vị trí ban đầu vào lúc phát xung tái lập khiến pha của các proton trong khối máu này không được tái lập. Chúng ngày càng lệch pha nhau nhiều hơn nên không tạo ra được tín hiệu nào.

  2. Tình trạng cũng gần như thế dưới tác động của các thang từ. Chúng ta đã biết rằng các thang từ chọn lớp và thang mã tần số đều có một thùy khử pha, sau đó là một thùy hồi pha để điều chỉnh lại pha của các proton do tác dụng của thùy khử Thế nhưng do dòng máu chuyển động nên vào thời điểm hồi pha, vị trí của khối máu không còn ở đúng vị trí ban đầu nên tác dụng của thùy hồi pha không còn thích hợp như trước nữa. Kết quả là thùy hồi pha không điều chỉnh được pha của các proton, dẫn đến chúng ngày càng lệch pha nhau nhiều hơn.

  3. Khi thực hiện một chuỗi xung, người ta thường phải lập lại các xung nhiều lần sau mỗi khoảng thời kích TR. Lúc này nếu so với các mô đứng yên trong lớp cắt, khối máu đang chảy vào lớp cắt đó nhận được ít các xung hơn. Điều này đồng nghĩa với việc độ từ hóa dọc của nó còn nguyên vẹn và lớn hơn so với các mô đứng yên xung quanh. Nói cách khác, các mô đứng yên đã bị bão hòa nhiều còn khối máu đang di chuyển vào lớp cắt hầu như không bị bão hòa Nếu lúc này nó bị kích thích, tín hiệu của nó sẽ cao hơn.

Hiệu ứng dòng chảy

Các đặc điểm cộng hưởng từ vừa nêu cùng với các đặc điểm huyết động ở trên cùng nhau tạo ra ba hiệu ứng dòng chảy (flow effect) sau đây:

  1. Hiệu ứng trống dòng. Hiệu ứng trống dòng (flow void) là tình trạng mạch máu “trống trơn” không có tín hiệu và gặp ở các hình chụp bằng các chuỗi xung điểm vang spin, nhất là khi thời vang TE khá dài (hình trọng T2). Trong các chuỗi xung này, khối máu đang chuyển động chỉ nhận được một xung kích thích mà không nhận được xung tái lập, khiến cho tình trạng lệch pha của các proton trong khối máu do tác dụng của các thang từ và của môi trường xung quanh không được điều chỉnh. Kết quả là trong lòng mạch không có tín hiệu và cho ra màu đen (Hình 2).


Hìn
h 2: Hiệu ứng trống dòng trên hình trọng T2 được chụp bằng chuỗi xung điểm vang spin. Hai mũi tên phía trên chỉ vào hai động mạch não giữa (MCA) phải và trái. Mũi tên phía dưới chỉ vào xoang tĩnh mạch dọc trên.

  1. Hiệu ứng nội dòng. Như đã nói ở trên, khối máu đang di chuyển vào một lớp cắt bị bão hòa ít hơn so với các mô đứng yên trong lớp cắt và do vậy nó có tín hiệu cao hơn so với các mô này. Khi đi càng sâu vào các lớp cắt kế tiếp, khối máu càng nhận được nhiều xung và ngày càng bị bão hòa nhiều hơn. Tuy nhiên do phần máu nằm ngay trung tâm lòng mạch chảy nhanh hơn so với phần máu nằm sát thành mạch (dòng chảy dồn), phần máu trung tâm thoát được nhiều xung và bị bão hòa ít hơn, cho ra tín hiệu cao hơn phần máu cận thành (Hình 3). Kết quả này được gọi là hiệu ứng nội dòng (inflow effect).

  2. Hiu ng cận thành. Bên trong dòng chảy dồn, phần máu trung tâm chảy nhanh và có tốc độ đều hơn so với phần máu ở vùng sát thành mạch (Hình 4). Ở mức độ các voxel, điều này có nghĩa là các proton trong các voxel sát thành mạch có các tốc độ khác nhau nhiều, làm cho các proton lệch pha nhau nhiều hơn. Khi đó, tín hiệu chung của toàn voxel bị mất, gây ra tình trạng mất tín hiệu ở vùng cận mạch.


Hìn
h 3: Hiệu ứng nội dòng: lúc đầu khối máu chảy vào vùng đang chụp không bị bão hòa nên cho tín hiệu mạnh hơn so với các mô đứng yên. Càng vào trong sâu, khối máu càng bị bão hòa nhiều hơn nhưng phần trung tâm vẫn có tín hiệu mạnh hơn phần cận thành.


Hình 4:
Hiệu ứng cận thành: các voxel sát thành mạch chảy chậm và không đều bằng các voxel trung tâm, dẫn đến tín hiệu của dòng máu sát thành mạch bị mất.

Mạch đồ cộng hưởng từ MRA

Khả năng ghi nhận được sự chuyển động của máu trong lòng mạch so với các mô đứng yên xung quanh đã cho phép sử dụng các kỹ thuật cộng hưởng từ để đánh giá tình trạng bệnh lý của mạch máu. Hình ảnh mạch máu thu nhận được dù vẫn có những khác biệt so với hình mạch máu đồ chụp bằng X quang thường quy nhưng nhìn chung cả hai phương pháp đều có mục đích giống nhau và cho ra kết quả hình ảnh với rất nhiều đặc điểm tương tự. Vì lẽ đó, các phương pháp cộng hưởng từ dùng để chụp hình mạch máu cũng được gọi bằng một tên tương tự là mạch máu đồ cộng hưởng từ hay viết gọn hơn là mạch đồ cộng hưởng MRA (MR Angiography).

Mới nghe qua, chúng ta cứ ngỡ rằng chụp mạch máu cộng hưởng từ phải dùng đến thuốc tương phản, tương tự như chụp mạch máu bằng X quang hoặc CT phải dùng đến thuốc cản quang. Điều này chỉ đúng một phần. Các kỹ thuật mạch đồ cộng hưởng từ MRA có thể sử dụng thuốc tương phản hoặc có thể không. Khả năng không cần sử dụng thuốc tương phản là một ưu điểm hết sức tuyệt vời của cộng hưởng từ so với các kỹ thuật khác.

Các kỹ thuật mạch đồ cộng hưởng không dùng thuốc tương phản được chia thành hai nhóm: kỹ thuật máu tối (dark blood) hay máu đen (black blood) và kỹ thuật máu sáng (bright blood) hay máu trắng (white blood). Trong các kỹ thuật máu tối, người ta sử dụng hiệu ứng trống dòng hoặc một phương pháp khác để làm mất tín hiệu của dòng chảy, cho phép khảo sát và đánh giá chính xác hơn tình trạng của thành mạch. Ngược lại, các kỹ thuật máu sáng sử dụng hiệu ứng nội dòng (kỹ thuật TOF) hoặc sự khác biệt pha giữa hai lần chụp dòng mạch (kỹ thuật tương phản pha) để ghi nhận và biểu hiện dòng máu chảy sáng hơn mô xung quanh. Kỹ thuật TOF và kỹ thuật tương phản pha sẽ được bàn luận trong Phần 4.

Mặc dù các mạch đồ cộng hưởng đều có thể dùng phương pháp chụp hai chiều (2D) hoặc chụp ba chiều (3D) nhưng phương pháp ba chiều vẫn được ưa chuộng hơn. Sau khi thu dữ liệu vào trong k-không gian và dùng thuật toán biến đổi Fourier ba chiều (3DFT) để có được một tập dữ liệu số ba chiều, người ta có thể dùng một phương pháp dựng ảnh ba chiều để tái tạo lại hình ảnh mạch máu. Kỹ thuật tái tạo mạch máu ba chiều hay được sử dụng là MIP (maximum intensity projection).

2. MẠCH ĐỒ CỘNG HƯỞNG TỪ CÓ THUỐC TƯƠNG PHẢN

Như chúng ta đã biết tác dụng của các loại thuốc tương phản từ là làm cho thời gian T1 và T2 của các mô ngắn đi. Trong kỹ thuật chụp hình mạch máu, thuốc tương phản từ chủ yếu là nhóm gado chelate được bơm vào máu qua đường tĩnh mạch với một nồng độ thích hợp để làm cho T1 của máu ngắn hơn hẳn so với các mô đứng yên xung quanh, nhờ đó tín hiệu của máu trong lòng mạch đủ cao để có thể phân định rõ các mạch máu.

Chuỗi xung và các tham số

Trong chụp hình mạch máu có thuốc tương phản, người ta thường dùng phương pháp chụp ba chiều với chuỗi xung điểm vang thang từ có phá nhiễu (spoiled GRE). Thời vang TE cần phải thật ngắn để làm giảm tối đa tình trạng lệch pha của các proton trong máu. Thời kích TR cũng cần phải thật ngắn. Thứ nhất nó bảo đảm cho các mô đứng yên gần như bị bão hòa nên chúng không che khuất các mạch máu. Thứ hai nó bảo đảm cho chúng ta có thời gian ghi nhận đủ tín hiệu ngay trong lúc nồng độ thuốc tương phản còn khá cao trong động mạch. Góc lật cũng thường khá nhỏ, thay đổi trong khoảng 20o-45o, tương ứng với thời gian TR dưới 10 ms.

Để giảm bớt thời gian chụp, người ta còn điều chỉnh mặt phẳng chụp theo vị trí giải phẫu của mạch máu, chẳng hạn chụp theo mặt phẳng dọc nghiêng (sagittal oblique) đối với động mạch chủ (Hình 5). Ngoài ra vì mô mỡ có T1 khá ngắn nên để làm rõ hơn hình ảnh mạch máu, người ta có thể dùng thuốc với liều cao và bơm với tốc độ nhanh (kỹ thuật bơm dồn hay bơm bolus) hoặc phải dùng đến kỹ thuật xóa mỡ dù có tốn thêm thời gian thu nhận tín hiệu.


Hìn
h 5: Phình động mạch chủ đoạn lên ở một bệnh nhân nam 34 tuổi. (a) Hình dọc nghiêng có thuốc tương phản cho thấy giãn rộng gốc động mạch chủ (mũi tên) và một phần cung động mạch chủ đoạn lên. (b) Hình ngang theo hướng dòng máu phụt ra từ tâm thất trái cho thấy giãn rõ gốc động mạch chủ (mũi tên lớn) cùng với dòng máu phụt ngược (mũi tên nhỏ).

Định thời gian bơm thuốc

Do cần phải bảo đảm một nồng độ thuốc tương đối cao trong động mạch khi thực hiện chụp nên chúng ta cần phối hợp nhịp nhàng giữa thời điểm bơm thuốc và thời điểm phát xung chụp. Liều lượng thuốc thông thường là 40-50 mL được bơm với tốc độ 2-2,5 mL/giây, sau đó là 20 mL dung dịch nước muối sinh lý để rửa sạch thuốc trong lòng tĩnh mạch. Thời điểm phát xung có thể khoảng 25 giây sau đó đối với động mạch chủ ngực và 30 giây đối với động mạch chủ bụng.

Nín thở

Nín thở cũng là một động tác quan trọng để bảo đảm hình thu được không bị nhòe, đặc biệt khi cần chụp các mạch máu vùng ngực và bụng. Cho bệnh nhân thở thêm oxy và tăng thông khí có thể giúp bệnh nhân nín thở được lâu hơn, đa số có thể nín thêm được khoảng 25 giây. Dù vậy đối với bệnh nhân già hoặc thể trạng quá kém, nín thở lâu thường không thực hiện được.

3. KỸ THUẬT MẠCH ĐỒ MÁU ĐEN

Dựa trên hiệu ứng trống dòng (flow void) kèm với một phương pháp thích hợp nào đó, người ta có thể làm mất tín hiệu dòng máu đang chảy trong lòng mạch và nhờ đó cho thấy rõ hơn tình trạng của thành mạch (Hình 6). Những kỹ thuật chụp mạch máu loại này được gọi chung là kỹ thuật mạch đồ máu đen (black blood MRA).


Hình 6:
Chụp hình các mạch máu lớn ở tim bằng kỹ thuật máu đen. Trên hình này, dòng máu đang chảy không có tín hiệu (màu đen), làm nổi bật thành mạch của đoạn lên (đầu mũi tên đen), đoạn xuống (đầu mũi tên trắng) của quai động mạch chủ. RPA là động mạch phổi phải.

Để có hiệu ứng trống dòng, người ta sử dụng chuỗi xung điểm vang spin, thường gặp hơn là chuỗi xung nhanh FSE (fast spin echo) với một xâu điểm vang khá dài, càng làm cho lòng mạch đen thêm. Bổ sung thêm cho hiệu ứng trống dòng vốn gây ra bởi tình trạng lệch pha của các proton trong lòng mạch, người ta còn sử dụng nhiều phương pháp khác để làm cho chúng lệch pha nhau nhiều hơn nữa. Chẳng hạn dùng một xung bão hòa tác dụng trên khối máu trước khi nó đi vào lớp cắt định chụp, nhờ đó khi khối máu này đi vào lớp cắt, nó không bị tác dụng của xung kích thích và vì thế không cho tín hiệu. Rõ ràng phương pháp này chỉ có tác dụng tốt khi chúng ta biết rõ hướng của dòng chảy.

Một phương pháp khác hiệu quả hơn, đặc biệt ở những nơi có nhiều mạch máu lớn chảy theo nhiều hướng khác nhau như vùng tim và cung động mạch chủ. Phương pháp này, được gọi là kỹ thuật khử dòng đảo kép (double inversion nulling) sử dụng hai xung đảo 180o.

Trước tiên áp dụng một xung đảo không kèm thang từ để lật độ từ hóa dọc 180o. Loại xung này được gọi là xung đảo không chọn lọc vì nó tác dụng lên toàn bộ khối cơ thể đang cần chụp. Sau đó xung đảo thứ hai được áp dụng kèm với thang từ chọn lớp Gs. Khi này chỉ có các proton trong lớp cắt mới bị tác dụng và đảo ngược tiếp 180o trở lại vị trí ban đầu. Các proton bên ngoài lớp cắt vẫn bị đảo 180o. Khi đó nếu chọn một thời đảo TI thích hợp để độ từ hóa của máu khôi phục về zero, xung kích thích được phát ra lúc này không tác dụng lên dòng máu đang chảy, cho ra tín hiệu trống trong lòng mạch.

Kỹ thuật mạch đồ máu đen hay được sử dụng để chẩn đoán các bệnh lý của thành mạch, nhất là động mạch chủ. Các bệnh lý loại này hay gặp là: phình bóc tách động mạch chủ và tụ máu nội thành (Hình 7).


Hìn
h 7: Tụ máu nội thành ở một bệnh nhân nam 87 tuổi với triệu chứng đau ngực. Hình cắt ngang trọng T1 cho thấy thành mạch ở đoạn xuống của quai động chủ dày lên với tín hiệu tăng lên rõ rệt (mũi tên), phù hợp với tình trạng tụ máu nội thành.

4. KỸ THUẬT MẠCH ĐỒ MÁU SÁNG

Các kỹ thuật mạch đồ máu sáng ghi nhận dòng máu đang chảy trong lòng mạch nhờ vào tín hiệu của nó cao hơn các mô xung quanh. Về cơ bản có hai kỹ thuật mạch đồ máu sáng. Một được gọi là kỹ thuật TOF (time of flight) với nguyên lý dựa trên hiệu ứng nội dòng đã thảo luận ở Phần 1. Loại thứ hai là kỹ thuật tương phản pha (phase contrast) dựa trên sự khác biệt về pha của dòng máu khi nó chảy theo một chiều nào đó.

Kỹ thuật TOF

Kỹ thuật mạch đồ TOF dựa trên hiệu ứng nội dòng, nghĩa là hiện tượng tăng tín hiệu của dòng chảy so với các mô đứng yên khi một khối máu trôi vào một lớp cắt bởi vì nó không bị hoặc ít bị bão hòa hơn so với những mô đó (xem lại Hình 3). Cả hai phương pháp chụp hai chiều và ba chiều với chuỗi xung điểm vang thang từ GRE đều được sử dụng với những ưu khuyết điểm vốn có của chúng.

  1. Trong kỹ thuật TOF hai chiều (2D-TOF), khối máu “mới” chưa bị bão hòa phải “trôi” vào lớp cắt đang được khảo sát không cần quá lớn. Vì vậy kỹ thuật 2D-TOF rất có giá trị khi đánh giá các dòng chảy chậm, nhất là khi cần phân biệt giữa tình trạng chảy chậm với tắc nghẽn (Hình 8). Thời gian TR thường dùng từ 20 đến 50 ms, đủ ngắn để bảo đảm cho các mô đứng yên bị bão hòa và đủ dài để cho khối máu trôi vào lớp cắt chưa bị bão hòa. Góc lật cũng cần điều chỉnh tương tự. Góc lật lớn làm giảm tín hiệu của mô đứng yên (do có độ bão hòa cao) và làm tăng tín hiệu của khối máu đang chảy vào (do có độ bão hòa thấp) nên làm tăng độ tương phản giữa dòng máu chảy với mô đứng yên. Tuy nhiên sau đó khối máu bắt đầu bị bão hòa và giảm tín hiệu nên nếu dòng máu chảy chậm hoặc hầu như không chảy, đặc biệt là trong thì tâm trương, góc lật lớn sẽ làm giảm tín hiệu của dòng máu. Trong thực tế, một góc lật nằm trong khoảng từ 30o đến 60o thường đủ đến bảo đảm “chất lượng tương phản” của hình. Độ dày của lớp cắt cũng cần chọn khá mỏng để bảo đảm luôn có đủ lượng máu mới thay thế, nhất là khi có nghi ngờ tắc nghẽn. Khi đó, độ dày lớp cắt có khi chỉ cỡ 2 mm hoặc mỏng hơn. Ngoài các yêu cầu kỹ thuật vừa nêu, người ta còn sử dụng thêm hai kỹ thuật nữa để làm tăng chất lượng của ảnh. Thứ nhất là dùng các xung bão hòa để làm mất tín hiệu của những dòng chảy ngược như đã mô tả trong Phần 5.5. Thứ hai là dùng một kỹ thuật khử moment thang từ, thường được gọi là kỹ thuật bù dòng, để làm giảm tình trạng lệch pha của các proton trong dòng máu chảy.

  1. Với kỹ thuật TOF ba chiều (3D-TOF), độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu SNR lớn hơn so với kỹ thuật TOF hai chiều. Vì vậy nó đánh giá tốt hơn các vùng máu chảy tốc độ cao, chẳng hạn vùng động mạch cảnh và vùng đa giác Willis (Hình 9). Tuy nhiên đối với các mạch máu có dòng chảy chậm, kỹ thuật khảo sát này không tốt bằng kỹ thuật 2D-TOF.     


Hình 8:
Bệnh lý mạch máu ngoại biên ở một bệnh nhân nam 65 tuổi có triệu chứng thiếu máu ở chân trái. Hình (a) chụp cẳng chân có thuốc tương phản cho thấy có tắc nghẽn ở động mạch kheo (mũi tên lớn) kèm với tình trạng tái cấu trúc ở động mạch chày sau (các mũi tên nhỏ). Động mạch chày trước và động mạch mác có biểu hiện tổn thương nhưng không thấy rõ. Hình (b) chụp bằng kỹ thuật 2D-TOF ở vùng thấp hơn một chút và sử dụng kỹ thuật dựng hình MIP cho thấy động mạch chày sau khá lớn và rõ ràng (các mũi tên lớn); động mạch chày trước chỉ còn rất nhỏ (các mũi tên nhỏ).

So với kỹ thuật chụp có thuốc tương phản, kỹ thuật mạch đồ TOF thuộc loại kỹ thuật không xâm phạm (noninvasive) nên an toàn và tiện lợi hơn. Dẫu vậy trong nhiều trường hợp, sử dụng thuốc tương phản vẫn giúp đánh giá thêm mức độ và phạm vi tổn thương (Hình 8 và 9). Đặc biệt, thời gian chụp khi có dùng thuốc tương phản thường ngắn hơn nhiều.

Kỹ thuật tương phản pha

Đúng như tên gọi của nó, kỹ thuật tương phản pha PC (phase contrast) sử dụng sự chênh lệch pha của dòng máu đang chảy giữa hai lần “chụp” để tính ra tốc độ của dòng chảy. Để làm được điều này, người ta phải có ít nhất hai bộ dữ liệu được ghi nhận cùng lúc hoặc xen kẽ nhau. Hai bộ dữ liệu này hoàn toàn giống nhau đối với các mô đứng yên; với dòng máu đang chảy, khác biệt về pha theo một trục nào đó cho phép tính ra tốc độ chảy của dòng máu (Hình 10).


Hìn
h 9: Hình có thuốc tương phản (a) cho thấy hẹp nặng một đoạn động mạch cảnh trong bên trái còn bên phải bị tắc ở thấp hơn một ít. Tuy nhiên trên hình chụp 3D-TOF ở vùng đa giác Willis (b), tình trạng thông nối vẫn rất tốt vì còn thấy rõ các đoạn A1, động mạch thông trước và thông sau.


Hìn
h 10: Hai hình thu được khi chụp tương phản pha động mạch chủ. Hình (a) được tạo từ tín hiệu với độ lớn thực sự của chúng. Đoạn lên của quai động mạch chủ (đầu mũi tên trắng), đoạn xuống (đầu mũi tên đen) và động mạch phổi gốc (MPA) đều có tín hiệu mạnh. Hình (b) là hình tương phản pha với đoạn xuống quai động mạch chủ sáng (mũi tên đen) vì dòng chảy thuận chiều còn đoạn lên (mũi tên trắng) và MPA đen vì dòng chảy ngược chiều.

Muốn tạo được sự khác biệt pha tùy theo vận tốc, người ta áp dụng một thang từ mã hóa hai thùy theo một trục cho một lần ghi nhận dữ liệu và áp dụng thang từ theo chiều ngược lại cho lần ghi nhận kia. Sự khác biệt về pha hay độ xê dịch pha khi đó tỷ lệ với vận tốc. Độ xê dịch này được điều chỉnh bằng cường độ thang từ và thời điểm áp dụng sao cho chúng nằm trong khoảng từ -180o đến +180o thông qua một tham số của chuỗi xung có tên là tham số mã hóa vận tốc VENC (velocity encoding) được tính theo đơn vị cm/s. Trong thực tế, để đánh giá các dòng chảy chậm như dịch não tủy, giá trị tham số VENC từ 5-10 cm/s; để đánh giá các dòng chảy nhanh trong các động mạch lớn, giá trị tham số VENC từ 80-400 cm/s.

Kỹ thuật tương phản pha tránh được tình trạng bão hòa hay xảy ra trong kỹ thuật TOF. Nó cũng có khả năng loại bỏ tín hiệu cao của các mô đứng yên như mỡ và các sản phẩm của máu. Những mô này vốn có T1 ngắn nên có thể cũng cho ra tín hiệu cao giống như tín hiệu dòng chảy trong kỹ thuật TOF. Dĩ nhiên khuyết điểm chính của kỹ thuật tương phản pha là tốn thời gian chụp.

Tương tự như kỹ thuật TOF, kỹ thuật tương phản pha cũng có thể dùng phương pháp chụp hai chiều (2D-PC) hoặc ba chiều (3D-PC). Để chụp các hình 2D-PC, chúng ta có thể cho bệnh nhân nín thở hoặc chụp qua nhiều giai đoạn của chu kỳ tim. Khi đó các mô đứng yên sẽ được biểu diễn bằng màu xám; dòng chảy theo một hướng có màu sáng và dòng chảy theo hướng ngược lại sẽ có màu đen (xem lại Hình 10). Mức độ xám phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy; chảy nhanh sẽ được biểu hiện thật trắng hoặc thật đen. Theo cách này, các hình 2D-PC có thể mã hóa vận tốc bằng các màu khác nhau thay vì mức độ trắng đen, tương tự như kỹ thuật Doppler màu.

Kỹ thuật 3D-PC, so với kỹ thuật 2D-PC, luôn có những ưu điểm tốt hơn về độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR. Khuyết điểm chính của nó là tốn thời gian hơn. Một đặc điểm đáng chú ý nữa là trong kỹ thuật 3D-PC, dòng máu cuộn xoáy có thể làm giảm tín hiệu dòng chảy, gây ra tình trạng dương tính giả. Tuy nhiên trong trường hợp có hẹp, dấu hiệu mất dòng chảy ở xa chỗ hẹp là một gợi ý đã có sự thay đổi lớn về mặt huyết động.

5. TÂM ĐỒ CỘNG HƯỞNG TỪ

Sự chuyển động hầu như liên tục của tim là một trở ngại rất lớn đối với các kỹ thuật chụp hình tim và các mạch máu lớn bằng cộng hưởng từ. Tuy nhiên trong những năm gần đây, nhờ những tiến bộ vượt bậc về công nghệ phần cứng và kỹ thuật chụp, người ta đã dần dần khắc phục được trở ngại này. Vì vậy cộng hưởng từ ngày nay đã trở thành một phương tiện chẩn đoán rất có giá trị đối với các bệnh lý tim bẩm sinh và mắc phải, kể cả các mạch máu lớn có liên quan như quai động mạch chủ.

Gác tim

Hoạt động co bóp của tim qua các thì tâm thu và tâm trương tuy là một hoạt động chức năng nhưng lại làm thay đổi cả về vị trí giải phẫu lẫn hình thái của tim và các mạch máu lớn. Trong một chu kỳ co bóp của tim, những thay đổi về mặt giải phẫu này hầu như xảy ra liên tục. Như vậy một hình chụp qua một mặt cắt nếu có thời gian ghi nhận dữ liệu kéo dài, nghĩa là thời gian chụp khá lâu, sẽ chỉ là một hình ảnh chồng chéo của nhiều cấu trúc giải phẫu đã chạy ngang qua mặt cắt đó trong thời gian ghi nhận dữ liệu.

Muốn chụp được một “khoảnh khắc” của tim, chúng ta không thể ghi đủ dữ liệu của khoảnh khắc đó trong một lần ghi, dù rằng hiện tại có những kỹ thuật ghi rất nhanh. Bù lại, do hoạt động co bóp của tim xảy ra có quy luật, mỗi chu kỳ tim đều có một khoảnh khắc “tương tự”. Thay vì ghi một lần tất cả dữ liệu cần thiết để chụp một khoảnh khắc, chúng ta sẽ ghi nhận dữ liệu từ nhiều khoảnh khắc tương tự trong các chu kỳ tim khác nhau. Khi này, tập hợp dữ liệu thu được qua các khoảnh khắc tương tự sẽ cùng nhau tạo ra hình ảnh chung của các khoảnh khắc đó trong mỗi chu kỳ tim.

Với cách làm như vậy, mọi kỹ thuật chụp hình tim cần phải xác định thời điểm chụp và ghi dữ liệu dựa vào các mốc thời gian trong một nhịp đập của tim. Các phương pháp sử dụng chu kỳ tim để xác định thời điểm chụp và ghi dữ liệu được gọi chung là kỹ thuật gác tim (cardiac gating).

Trong kỹ thuật gác tim, người ta có thể dùng điện tâm đồ ECG (electrocar- diography) hoặc mạch đập ngoại biên làm mốc chuẩn cho mỗi nhịp đập. Trong thực tế, phương pháp mạch đập ngoại biên ít được sử dụng vì chúng ta phải mất một thời gian nhất định kể từ lúc tim co bóp đến lúc có được tín hiệu mạch đập.

Theo phương pháp gác tim ECG, sóng R của phức hợp QRS được dùng làm tín hiệu kích hoạt. Khoảng cách R-R là một nhịp đập (một chu kỳ tim). Trong khoảng thời gian R-R, chúng ta có thể dùng một hoặc nhiều xung kích thích, mỗi xung tương ứng với một lần đo tín hiệu (lấy mẫu một điểm vang) và điền một hàng dữ liệu vào k-không gian.

Nếu mỗi nhịp đập chỉ phát một xung kích thích (R-R = TR), thời gian chụp sẽ rất lâu bởi vì chúng ta phải mất nhiều nhịp đập để ghi đủ dữ liệu cho một mặt cắt và cần phải có nhiều mặt cắt để khảo sát toàn bộ tim. Các kỹ thuật hiện nay đều phát nhiều xung kích thích trong một nhịp đập (TR nhỏ hơn nhiều so với R-R) theo một trong hai chế độ:

  1. Với thể thức nhiều-mặt, một-thì (multisection, single-phase mode), sau khi phát xung kích thích (một hoặc nhiều lần) rồi đo tín hiệu cho một mặt cắt, người ta lại tiếp tục kích thích và đo tín hiệu của các mặt cắt khác ngay trong một nhịp đập. Tên gọi nhiều-mặt, một-thì thật ra không chính xác bởi vì thể thức này mặc dù cho phép khảo sát toàn bộ cấu trúc giải phẫu của tim qua nhiều mặt cắt nhưng mỗi mặt cắt đều được khảo sát tại những thời điểm khác nhau (nhiều thì) trong chu kỳ tim chứ không phải một thì.

  1. Với thể thức một-mặt, nhiều-thì (single-section, multiphase mode), một mặt cắt được chụp nhiều lần qua suốt chu kỳ tim, cho thấy nhiều cấu trúc chạy ngang qua mặt cắt trong khoảng thời gian đó. Nếu số lượng hình chụp đủ nhiều và liên tục, loạt hình tại những thời điểm khác nhau của mặt cắt, khi được chiếu khá nhanh, sẽ tạo ra một đoạn phim xi-nê, cho phép khảo sát tình trạng động (chức năng) của tim và các mạch máu lớn. Cách chụp như thế được gọi là chụp cộng hưởng từ ci-nê (cine MRI).

Gác viễn cảnh và gác vọng cảnh

Như đã nói ở trên, sóng R của phức hợp QRS thường được dùng làm tín hiệu kích hoạt quá trình phát xung và lấy mẫu điểm vang. Có hai cách sử dụng sóng R khác nhau, được gọi là phương pháp gác viễn cảnh và gác vọng cảnh.

Trong phương pháp gác viễn cảnh (prospective gating), quá trình phát xung và lấy mẫu tín hiệu chỉ được thực hiện khi nhận được tín hiệu kích hoạt của sóng R và như vậy phụ thuộc hoàn toàn vào tín hiệu kích hoạt. Sau khi chụp xong một chu kỳ tim, quá trình này ngừng lại để chờ tín hiệu kích hoạt của chu kỳ tiếp theo. Nhờ vậy, phương pháp gác viễn cảnh ít bị ảnh hưởng bởi nhịp tim, nhất là trong những trường hợp các nhịp đập không đều.

Ngược lại, phương pháp gác vọng cảnh (retrospective gating) thực hiện đo dữ liệu liên tục qua suốt các chu kỳ tim những vẫn ghi nhận tín hiệu kích hoạt của sóng R như những mốc thời gian. Sau đó trong quá trình dựng ảnh, các mốc này được dùng để ghép dữ liệu từ nhiều chu kỳ tim khác nhau dựa vào khoảng cách giữa chúng đến các mốc. Như vậy trong phương pháp gác vọng cảnh, chúng ta có thể thu được dữ liệu của toàn bộ chu kỳ tim, kể cả khoảng thời gian cuối thì tâm trương.

Hình giải phẫu và hình chức năng

Tựu chung có hai nhóm chuỗi xung được sử dụng trong tâm đồ cộng hưởng từ: một cho thấy rõ cấu trúc giải phẫu và một cho phép đánh giá hoạt động co bóp của tim (chức năng) và các mạch máu lớn.

  1. Nhóm chuỗi xung cho ra hình ảnh giải phẫu cũng được gọi là nhóm chuỗi xung máu tối. Các chuỗi xung trong nhóm này đều thuộc loại chuỗi xung điểm vang spin (SE hoặc FSE) với thời gian chụp dài, cho ra hình ảnh giải phẫu nhờ vào hiệu ứng trống dòng. Nhờ dòng máu chảy đã bị mất tín hiệu, cấu trúc giải phẫu của tim và các mạch máu lớn được hiển thị tốt hơn. Với loại chuỗi xung này, người ta có thể chụp một loạt hình giải phẫu theo nhiều mặt cắt khác nhau qua tim. Loạt hình cắt ngang (Hình 11) hay được dùng trong các bệnh lý tim bẩm sinh.


Hình 11:
Loạt hình cắt ngang qua tim với chuỗi xung điểm vang spin cho thấy cấu trúc giải phẫu tương tự như trên CT. Aa, Ad: ĐMC lên và xuống; MP: ĐM phổi gốc; S, IVC: TMC trên và dưới; RP LP: ĐM phổi phải và trái; RB, LB: Phế quản phải và trái; RV, RA: thất và nhĩ phải; LV, LA: thất và nhĩ trái.

  1. Nhóm chuỗi xung chụp hình ảnh chức năng đa số thuộc loại chuỗi xung điểm vang thang từ GRE với thời gian chụp ngắn, cho ra một loạt hình xi-nê có tín hiệu máu sáng. Trong số này, chuỗi xung SSFP hay true- FISP với các tham số TR = 2,5-10 ms, TE = 1-2 ms, góc lật a = 8-20o rất hay được dùng (Hình 12).


Hình 12:
Hình xi-nê chụp bằng chuỗi xung SSFP theo trục ngắn của tim lần lượt qua các thì: đầu tâm thu, cuối tâm thu, đầu tâm trương, cuối tâm trương.

Các mặt cắt

Ngoài các mặt cắt ngang trục, cắt dọc đứng và cắt dọc trán thông thường, người ta phải thực hiện thêm các mặt cắt quan trọng: mặt cắt theo trục ngắn (short-axis section), mặt cắt theo trục dài (long-axis section) và mặt cắt bốn buồng (four-chamber section). Phương pháp thực hiện được gọi là chụp chếch đôi (double oblique projection). Khởi điểm là một mặt cắt ngang hoặc mặt cắt dọc trán cho thấy rõ hai buồng thất trái và nhĩ trái. Ở đây chúng ta dùng một mặt cắt ngang làm hình dẫn đường khởi điểm.


Hình 13:
Các hình hai buồng dẫn đường. Bên trái là hình cắt ngang khởi điểm, thu được từ loạt hình cắt ngang tương tự như trong Hình 11. Bên phải là hình hai buồng đứng thu được từ hình bên trái và làm hình dẫn đường cho các mặt cắt tiếp theo.

Trong Hình 13 chúng ta có một hình cắt ngang làm hình dẫn đường khởi điểm (hình bên trái). Hình này có thể lấy trong loạt hình cắt ngang tương tự như ở Hình 11. Từ đây chúng ta sẽ thực hiện mặt cắt chếch phải (right oblique projection) để cho ra hình hai buồng đứng ở bên trái của Hình 13. Từ hình hai buồng đứng dẫn đường, chúng ta sẽ có được mặt cắt theo trục ngắn (Hình 14) và mặt cắt theo trục dài (Hình 15).


Hình
14: Hình mặt cắt theo trục ngắn thu được từ hình hai buồng đứng dẫn đường của Hình 13.


Hình
15: Hình mặt cắt theo trục dài thu được từ hình hai buồng đứng dẫn đường của Hình 13.

Để thực hiện mặt cắt bốn buồng, chúng ta dựa vào mặt cắt theo trục ngắn đã thu được từ Hình 14. Bước cắt này được thực hiện theo như mô tả trong Hình 16.


Hình
16: Hình mặt cắt bốn buồng thu được từ mặt cắt theo trục ngắn ở Hình 14.

Một vài ứng dụng lâm sàng

Tâm đồ cộng hưởng từ rất có giá trị trong nhiều bệnh lý tim mạch. Một số ứng dụng lâm sàng thường gặp có thể kể ra là:

  1. Phình bóc tách động mạch chủ (aortic dissection). Cộng hưởng từ là một phương tiện chẩn đoán có giá trị để loại trừ bệnh lý bóc tách động mạch chủ. Nếu được chẩn đoán xác định, các hình ảnh thu được còn có thể cho thấy điểm vào và điểm ra của đoạn bóc tách, kể cả mức độ lan rộng đến các mạch máu lớn của quai động mạch chủ cũng như tình trạng huyết động ở động mạch chủ.

  2. Viêm màng ngoài tim co thắt (constrictive pericarditis). Phương tiện chụp cộng hưởng từ có gác tim bằng ECG cho phép phân biệt bệnh lý cơ tim hạn chế với viêm màng ngoài tim co thắt. Trong trường hợp viêm màng ngoài tim co thắt, màng tim sẽ dày ít nhất 4 mm và do đó làm tăng khoảng cách giữa vách buồng tim với bờ ngoài tim.

  3. Bệnh lý tim bẩm sinh (congenital heart disease). Nhờ khả năng phân định rõ cấu trúc giải phẫu và đánh giá được chức năng cũng như các dòng chảy, kỹ thuật cộng hưởng từ là một phương tiện chẩn đoán thường được sử dụng để đánh giá các bệnh tim bẩm sinh, đặc biệt là các bệnh lý có thông nối giữa các buồng tim.

Ngoài một vài bệnh lý thường gặp được nêu ở trên, các kỹ thuật tâm đồ cộng hưởng từ có thể đánh giá các bệnh lý cơ tim, hoạt động của các van tim, đo kích thước buồng tim, đánh giá dòng chảy. Hiện tại, các kỹ thuật chụp mạch vành bằng cộng hưởng từ cũng đang được nghiên cứu và đánh giá thử nghiệm.

6. KỸ THUẬT DỰNG HÌNH

Dựng hình hay tái định dạng để người xem có thể quan sát được vật ở nhiều góc độ khác nhau trong không gian ba chiều là bước cuối cùng không kém phần quan trọng trong quá trình chụp hình. Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính (phần cứng, phần mềm), quá trình dựng hình có thể được thực hiện và cho ra kết quả gần như ngay lập tức. Nhờ vậy trong nhiều tình huống, nó cho phép chúng ta có cơ sở đưa ra những quyết định chụp hình hợp lý và kinh tế hơn.

Tập dữ liệu làm cơ sở để dựng hình là một tập dữ liệu ba chiều. Nếu sử dụng kỹ thuật chụp ba chiều, chúng ta đã có sẵn một tập dữ liệu như thế. Tuy nhiên nếu sử dụng kỹ thuật chụp hai chiều, chúng ta phải “chồng ghép” dữ liệu của các lớp cắt để có được tập dữ liệu ba chiều (Hình 17). Trong trường hợp này, các lớp cắt và khoảng trống giữa chúng cần phải khá mỏng.


Hìn
h 17: Chồng ghép dữ liệu của các lớp cắt ngang để có được tập dữ liệu ba chiều.

Kỹ thuật MPR

Về lý thuyết, cộng hưởng từ cho phép chúng ta chụp trực tiếp mọi mặt cắt theo bất kỳ chiều hướng nào bằng cách điều chỉnh các thang từ chọn lớp sao cho lực tác dụng chung của chúng chỉ làm cho các proton trong lớp cắt định khảo sát có tần số quay phù hợp.

Tuy nhiên thực hiện quá nhiều mặt cắt ở những chiều hướng khác nhau sẽ làm tăng thời gian chụp. Thay vì thế, chúng ta chỉ chụp một số mặt cắt quan trọng và sử dụng một thuật toán thích hợp “cắt” dữ liệu ba chiều đã thu thập được theo một mặt cắt bất kỳ (Hình 18). Kỹ thuật này có tên là tái tạo đa phẳng MPR (multiplanar reformation hay reconstruction).


Hìn
h 18: Dựng lại một mặt cắt chếch để thấy rõ hơn hệ thống đường mật.

Kỹ thuật MIP

Khi chụp mạch máu có thuốc tương phản, tín hiệu của các voxel trong lòng mạch cao hơn hẳn tín hiệu của các mô xung quanh. Nếu tưởng tượng rằng chúng ta đang đứng quan sát hệ thống mạch máu từ một góc độ nào đó, chúng ta sẽ thấy hình ảnh mạch máu hiện rõ hẳn trên một nền tối hơn ở xung quanh (Hình 19).


Hình 19:
Ảnh chụp có thuốc tương phản vùng tim và quai động mạch chủ được dựng lại bằng kỹ thuật MIP cho thấy rõ hình ảnh tim và các mạch máu lớn quanh đó. Dấu hiệu hẹp cục bộ ở động mạch dưới đòn trái biểu hiện bằng một đoạn thu nhỏ dần và mất tín hiệu (đầu mũi tên). Ở đoạn xa (mũi tên) bị mất tín hiệu do thuốc tương phản đậm hơn ở tĩnh mạch cạnh đó.

Kỹ thuật MIP (maximum-intensity projection) sử dụng ý tưởng đơn giản này. Giả thiết rằng người quan sát đứng ở một góc độ nhất định hướng về vật cần quan sát, kỹ thuật MIP sẽ giữ lại các voxel có tín hiệu cao nhất trên mỗi đường thẳng nối từ mắt người quan sát đến vật (tia quan sát). Khi chụp mạch máu có dùng thuốc tương phản (trong cộng hưởng từ) hoặc thuốc cản quang (trong CT), các voxel có giá trị cao nhất trên một tia quan sát đa phần là các voxel của mạch máu. Đối với CT, kỹ thuật MIP có thể dùng để tái tạo lại hình ảnh của khung xương (Hình 20).


Hình 20:
Các tia quan sát từ mắt người quan sát đến vật chỉ nhìn thấy các voxel có giá trị cao nhất. Xương (trên CT) và các mạch máu có tiêm thuốc (trên CT và cộng hưởng từ) thường có các voxel như vậy nên người quan sát có thể nhìn thấy chúng rõ hơn so với các mô xung quanh.

Trong lĩnh vực cộng hưởng từ mạch máu, kỹ thuật MIP cũng có thể được dùng cho cả trường hợp không dùng thuốc tương phản. Với các dữ liệu thu được bằng các kỹ thuật mạch đồ máu sáng, chúng ta có thể dùng kỹ thuật MIP để dựng lại hình ảnh mạch máu (xem lại Hình 8).

Kỹ thuật dựng bề mặt

Trong k thuật dng bề mặt (surface rendering), các voxel nằm ở bờ của một cấu trúc sẽ được xác định và cho hiển thị ra; các voxel còn lại được cho “ẩn đi”, tạo ra một hình ảnh bề mặt của một cấu trúc.

Mặc dù không được phổ biến như các kỹ thuật MIP và MPR, kỹ thuật dựng bề mặt cho phép “quan sát” rõ bề mặt (mặt trong và mặt ngoài) của một cấu trúc. Đặc biệt đối với các cơ quan dạng ống như ống tiêu hóa, khí phế quản hoặc mạch máu, kỹ thuật này cho phép thực hiện các cuộc ngoại soi ảo (virtual exoscopy) hoặc nội soi ảo (virtual endoscopy) như được minh họa trong Hình 21.


Hìn
h 21: Nội soi ảo ruột già (virtual colonoscopy) cho phép nhìn thấy polyp ở cả hai phía khi đi từ trong ra (A) và từ ngoài vào (B).

Kỹ thuật dựng khối vật

Mặc dù mới chỉ được ứng dụng trong thời gian gần đây do các yêu cầu tốc độ xử lý của máy tính quá cao, k thuật dng khối vật (volume rendering) thật ra là trường hợp tổng quát của hai kỹ thuật MIP và kỹ thuật dựng bề mặt. Trong kỹ thuật này, toàn bộ tập dữ liệu ba chiều đều được sử dụng; mỗi voxel được cho hiển thị hoặc không hiển thị dựa trên các ngưỡng của một số tham số được chọn trước, nhờ vậy người quan sát có thể định ra một mức độ trong suốt, cho phép họ “nhìn thấu” vào các cấu trúc sâu hơn.


Hình 22:
(a) Hình ảnh các nhánh động mạch não giữa (các đầu mũi tên) và khối thuyên tắc (mũi tên) được dựng lại bằng kỹ thuật dựng khối vật. (b) Hình chụp tương ứng trong lúc phẫu thuật.

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

  • Có thể phân chia tình trạng dòng chảy thành ba loại: dòng chảy đều, dòng chảy dồn và dòng cuộn xoáy. Trong dòng chảy đều, vận tốc của mọi voxel đều như n Trong dòng chảy dồn, các voxel ở trung tâm chảy đều và nhanh hơn các voxel ở sát thành mạch.
  • Ba hiệu ứng dòng chảy đáng chú ý là: hiệu ứng trống dòng bị mất hẳn tín hiệu trong lòng mạch; hiệu ứng nội dòng có tín hiệu dòng chảy mạnh hơn các mô đứng yên xung quanh tuy càng chảy tiếp, tín hiệu càng giảm nhưng vùng trung tâm vẫn mạnh hơn vùng sát thành mạch; hiệu ứng cận thành là một dạng hiệu ứng trống dòng, trong đó dòng chảy sát thành mạch bị mất tín hiệu.
  • Các kỹ thuật mạch đồ cộng hưởng nói chung được chia thành ba nhóm: mạch đồ cộng hưởng có dùng thuốc tương phản từ, mạch đồ máu đen và mạch đồ máu sáng. Mạch đồ máu đen sử dụng hiệu ứng trống dòng và một số kỹ thuật phụ trợ khác để làm mất tín hiệu của dòng chảy trong lòng mạch, cho phép đánh giá được tình trạng của thành mạch. Mạch đồ máu sáng sử dụng hiệu ứng nội dòng, cho ra kỹ thuật chụp TOF. Mạch đồ máu sáng cũng sử dụng độ chênh lệch pha (kỹ thuật tương phản pha) của dòng chảy để tính toán và đánh giá được vận tốc của dòng chảy.
  • Tâm đồ cộng hưởng từ sử dụng kỹ thuật gác tim bằng điện tâm đồ, cho phép chụp một loạt các phim liên tục nhau (phim xi-nê). Bằng cách đó chúng ta có thể đánh giá được chức năng co bóp của tim qua các thì của chu kỳ tim.
  • Các kỹ thuật dựng hình thông dụng trong lĩnh vực hình ảnh y học bao gồm: kỹ thuật MPR, kỹ thuật MIP, kỹ thuật dựng bề mặt và kỹ thuật dựng khối vật. Kỹ thuật MPR cho phép chúng ta xem xét vùng cơ thể đã được chụp theo một mặt cắt bất kỳ, không chỉ là những mặt cắt được thực hiện trong lúc chụp. Kỹ thuật MIP giữ lại những điểm “sáng nhất” khi chúng ta đang quan sát vùng cơ thể đã được chụp từ một góc độ bất kỳ, do vậy kỹ thuật này có thể được dùng để dựng lại hình ảnh xương (trong CT) hoặc hình ảnh mạch máu (CT và cộng hưởng từ). Kỹ thuật dựng bề mặt có thể được dùng trong các cuộc nội soi hoặc ngoại soi ảo vì nó cho phép nhìn thấy bề mặt của vật. Cuối cùng kỹ thuật dựng khối vật cho phép dựng lại toàn bộ khối cơ thể cần khảo sát và có thể “bóc” khối này theo từng lớp. 

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 8, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 113-136.

 

 

 

 

 

 

 

PHẦN 7: CÁC LOẠI THUỐC TƯƠNG PHẢN TỪ

Cũng như thuốc cản quang, thuốc tương phản từ hiện đã được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực chụp hình cộng hưởng từ. Do vậy, những kiến thức về các loại thuốc tương phản từ cùng cơ chế tác động của chúng sẽ giúp chúng ta biết sử dụng chúng một cách đúng đắn và hiệu quả. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các loại thuốc tương phản từ qua các nội dung cụ thể như sau:

  • Cơ chế tác động của thuốc tương phản từ
  • Thuốc tương phản ngoại bào
  • Thuốc tương phản đặc hiệu tế bào gan
  • Thuốc tương phản đặc hiệu hệ thực bào

1. CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA THUỐC TƯƠNG PHẢN TỪ

Khi so sánh phim chụp cắt lớp điện toán (computed tomography) hay phim CT có tiêm thuốc cản quang với phim cộng hưởng từ có tiêm thuốc tương phản từ, chúng ta thấy chúng có rất nhiều điểm giống nhau, đặc biệt là độ tương phản giữa các mô trong cơ thể. Điều này thường dẫn đến sự ngộ nhận, cho rằng thuốc tương phản từ cũng có cơ chế tác động giống như thuốc cản quang, nghĩa là nó có khả năng “cản từ”. Thực tế không phải như vậy.

Theo nguyên tắc tạo hình trên phim, hình ảnh X quang quy ước và hình CT biểu thị mức độ hấp thu tia X của các mô cơ thể. Mô hấp thụ tia X càng nhiều, nghĩa là khả năng cản tia hay cản quang càng tốt, hình ảnh của mô trên phim càng trắng. Ngược lại, hình ảnh trên phim cộng hưởng từ biểu thị cường độ tín hiệu được phát ra từ mỗi mô sau khi được kích thích bằng từ trường. Cường độ tín hiệu của mô càng cao, hình ảnh trên phim của mô càng trắng. Như chúng ta đã biết, tín hiệu thu được trong phạm vi cộng hưởng từ y học chủ yếu là tín hiệu từ các proton của nước và mỡ có trong cơ thể. Thuốc tương phản từ, do tính chất thuận từ (paramagnetism) của mình, có tác động trực tiếp lên các proton xung quanh, làm thay đổi cường độ tín hiệu của các proton và vì vậy làm thay đổi độ tương phản của các mô trên phim. Nói cách khác, các thuốc này không hề có khả năng “cản từ” như cảm tưởng ban đầu của chúng ta.

Về mặt hóa học, các chất tương phản từ đa phần đều là các hợp chất có chứa một trong ba nguyên tố: gado (Gd), mangan (Mn) hoặc sắt (Fe). Gado là một nguyên tố thuộc nhóm đất hiếm trong bảng phân loại tuần hoàn. Các hợp chất chelate* của gado (Gd3+) là các thuốc tương phản từ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Trong các hợp chất của mangan (Mn2+) hiện mới chỉ có mangafodipir trisodium hay Mn-DPDP (Manganese dipyridoxyl diphos- phate) được phép sử dụng. Riêng sắt được sử dụng dưới dạng các oxyt sắt (Fe2+, Fe3+) nhưng được bọc trong một lớp  vỏ dextran hoặc một hợp  chất polysaccharide.

Nhìn chung các thuốc tương phản đều dùng đường tiêm tĩnh mạch; một số ít được dùng bằng đường uống để khảo sát ống tiêu hóa. Chúng ta không thảo luận thuốc tương phản từ đường uống vì chúng ít phổ biến, một mặt do bản thân cộng hưởng từ hiện vẫn còn ít giá trị đối với đường tiêu hóa, mặt khác do các kỹ thuật “kinh điển” hơn như đối quang kép hay nội soi vẫn là những phương tiện rất có giá trị đối với các tổn thương ở đường tiêu hóa nhưng có chi phí rẻ hơn rất nhiều so với cộng hưởng từ.

*(chelate hay chélate là một cấu trúc hóa học dạng vòng có chứa một ion kim loại.)

chế cộng hưởng từ

Về mặt từ tính, các thuốc tương phản từ đều là các chất thuận từ mặc dù cũng có tài liệu phân loại chi tiết hơn thành các chất nhạy từ (superparamagnetic). Tuy nhiên do không có proton trong phân tử, các chất thuận từ không tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ.

Dưới tác động của từ trường ngoài B0, các chất thuận từ bị từ hóa (nhiễm từ) và trở thành các từ trường tí hon. Với một nồng độ đủ cao, chất thuận từ làm cho từ trường cục bộ mạnh hơn. Từ trường cục bộ mạnh hơn này đã góp phần làm giảm thời gian hồi giãn dọc (T1) và thời gian hồi giãn ngang (T2) của mô.

Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng loại thuốc tương phản từ cụ thể mà mức độ làm  giảm  T1  và  T2  của  chúng  khác  nhau.  Các  thuốc  làm  giảm  T1  nhiều thường được xem là chất tương phản “dương” vì chúng làm cho tín hiệu của mô tăng lên ở hình trọng T1. Ngược lại các thuốc làm giảm T2 nhiều được xem là chất tương phản “âm” vì chúng làm giảm tín hiệu của mô trên hình trọng T2.

Các khoang phân b

Để dễ hình dung quá trình tác động của chất tương phản từ sau khi được tiêm vào đường tĩnh mạch, chúng ta có thể xem như các dịch trong cơ thể được phân bố vào các khoang: nội mạch, gian bào, nội bào. Khoang nội mạch và gian bào có thể được gọi chung là khoang ngoại bào. Đối với khoang nội bào, trong nhiều trường hợp chúng ta cũng cần phân biệt giữa hệ lưới nội mô, hệ lympho và tế bào chủ mô của từng cơ quan vì một số thuốc tương phản từ có tính đặc hiệu đối với một số loại tế bào (xem bên dưới).

Tính đặc hiệu tế bào

Chế tạo các chất tương phản từ đặc hiệu với một loại tế bào nhất định rõ ràng là một ý tưởng rất thú vị, nhất là đối với các tế bào bất thường. Theo đây, chỉ cần sử dụng thuốc tương phản từ thích hợp, chúng ta có khả năng khẳng định được chẩn đoán, định vị nơi tổn thương với cả phạm vi, mức độ tổn thương.

Mặc dù đa số các thuốc tương phản từ hiện nay đều không có tính đặc hiệu tế bào mà chỉ hoạt động chủ yếu ở khoang ngoại bào (nội mạch và gian bào), người ta cũng đã chế tạo thành công một số thuốc khá đặc hiệu với tế bào gan hoặc hệ thực bào đơn nhân (mononuclear phagocytic system) như hệ lưới nội mô, các đại thực bào và hệ lympho. 

Tính chất dược động học

Về mặt dược động học, sau khi được tiêm vào mạch máu qua đường tĩnh mạch, các thuốc tương phản từ sẽ theo dòng máu trong tĩnh mạch về tim, qua phổi rồi trở lại tim để theo hệ thống động mạch tỏa đi khắp cơ thể. Ở các mô, qua hệ thống mao mạch, chất tương phản từ có thể khuếch tán vào khoảng gian bào. Ở đây có thể xảy ra ba tình huống:

  1. Nếu chất tương phản từ đặc hiệu với tế bào gan, nó có thể được bắt giữ rồi được thải vào đường mật, qua ruột và theo phân ra ngoài.
  2. Nếu chất tương phản từ đặc hiệu với hệ thực bào, nó sẽ bị bắt giữ và tiêu hủy tại đây (hệ lưới nội mô, hạch lympho, tủy xương).
  3. Tuy nhiên một lượng lớn thuốc cản từ vẫn ở nội mạch (hồ máu). Chúng nhanh chóng được lọc qua thận rồi đào thải ra ngoài. Cần chú ý rằng lượng chất tương phản từ ở khoang gian bào cũng sẽ dần dần khuếch tán ngược trở lại vào nội mạch rồi được đào thải ở thận.

Một điểm cần đặc biệt nhấn mạnh ở đây: mao mạch của hệ thần kinh và tinh hoàn không cho thuốc tương phản từ thấm qua. Nghĩa là khi không có tổn thương, hệ thần kinh và tinh hoàn không bắt thuốc tương phản từ. Đặc điểm này rất có ý nghĩa trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh thần kinh: não và tủy sống chỉ bắt thuốc tương phản từ khi có tổn thương hàng rào máu-não.

2. THUỐC TƯƠNG PHẢN NGOẠI BÀO

Chúng ta đã biết rằng ngoại bào bao gồm nội mạch và gian bào. Các thuốc tương phản từ chỉ tồn tại ở khoang ngoại bào đều là các chelate gado, chẳng hạn gadopentetate dimeglumine (Magnevist), gadoteridol (Dotarem), vân vân. Sau khi được tiêm tĩnh mạch, chúng nhanh chóng lan tỏa vào toàn bộ khoang ngoại bào. Cuối cùng chúng sẽ được lọc qua thận và đào thải qua nước tiểu. Về mặt thời gian, chúng ta có thể chia quá trình lan tỏa này thành ba giai đoạn, gọi là ba thì: thì động mạch, thì hồ máu và thì ngoại bào.

Thì động mạch

Trong khoảng thời gian không quá 30 giây sau khi tiêm thuốc tương phản từ, chất tương phản tồn tại chủ yếu trong hệ thống động mạch. Vì thế, khoảng thời gian này được gọi là thì động mạch (arterial phase). Đây là khoảng thời gian cho phép đánh giá khả năng tưới máu của các mô.

Khi chụp thì động mạch, dấu hiệu chụp thành công là trên hình chỉ thấy động mạch tăng tín hiệu; rất ít hoặc không thấy tĩnh mạch. Nếu chụp vùng bụng, tụy, lách và vỏ thận đã bắt đầu có ngấm thuốc mặc dù có thể không đồng nhất; tủy thận và chủ mô gan hầu như chưa thấy có thuốc.

Về mặt chức năng, hình ảnh sớm của thì động mạch đánh giá các động mạch tốt nhất. Các hình ảnh muộn hơn biểu thị khả năng được tưới máu của các mô. Để có được các hình ảnh của thì động mạch, trong thực tế người ta sử dụng các chuỗi xung GRE có nhiễu phá (hai chiều hoặc ba chiều).

Thì hồ máu

Khoảng thời gian 30 giây tiếp theo sau thì động mạch được xem là thì hồ máu (blood pool phase), nghĩa là thì hồ máu thường không vượt quá một phút kể từ khi tiêm thuốc tương phản từ vào tĩnh mạch. Trong khoảng thời gian này, thuốc tương phản từ đã hòa trộn vào toàn bộ hệ thống mạch máu (động mạch, mao mạch, tĩnh mạch). Một phần thuốc cũng có thể đã bắt đầu đi vào các ống thận hoặc ngấm qua thành mao mạch để vào khoang gian bào.

Ở gan, thì hồ máu cũng được gọi là thì tĩnh mạch cửa (portal vein  phase), mặc dù chủ mô gan cũng bắt thuốc mạnh nhất ở thì này. Lý do là xấp xỉ hai phần ba lượng máu vào gan thông qua hệ thống tĩnh mạch cửa. Ngoài ra do có một lượng máu rất lớn trong các xoang gan nên trong thì này, các tổn thương kém tưới máu trong gan dễ dàng được phát hiện. Các tổn thương tăng tưới máu thường khó phát hiện hơn trong thì hồ máu do chúng có thể bắt thuốc gần bằng với chủ mô gan.

Thì ngoại bào

Mặc dù về lý thuyết, thì ngoại bào (extracellular phase) hay thì cân bằng (equilibrium phase) đã bắt đầu từ sau 1 phút kể từ khi tiêm thuốc vào tĩnh mạch thế nhưng trên thực tế, thời gian tốt nhất để chụp hình thì ngoại bào là sau 2 phút.

Đến thời điểm này, thuốc tương phản từ đã lan tỏa vào tất cả các khoang gian bào, ngoại trừ hệ thần kinh và tinh hoàn. Mức độ bắt thuốc trong thì ngoại bào thể hiện rất rõ ở các mô phù, vốn thường gặp trong các tổn thương u và viêm. Mô sợi cũng thường bắt thuốc mạnh trong thì ngoại bào do chúng có khoang gian bào lớn mặc dù khả năng tưới máu thường rất kém. Các tổn thương di căn thường cũng bắt thuốc rất mạnh vì cũng có khoang gian bào lớn.

Do toàn bộ chất tương phản đều được đào thải qua nước tiểu nên trong thì ngoại bào, chủ mô thận và đường niệu (đài bể thận, niệu quản, bàng quang) đều tăng tín hiệu.

Đối với não, đánh giá các tổn thương ở thì ngoại bào rất có giá trị. Ở khoảng thời gian này, lượng thuốc tương phản từ trong hồ máu đã giảm đáng kể. Mặt khác, do hàng rào máu-não của mô bình thường không cho thuốc tương phản thấm qua để vào khoảng gian bào nên các vùng tăng tín hiệu trong nhu mô não ở thì ngoại bào đều biểu thị cho tình trạng tổn thương hàng rào máu-não.

Về mặt kỹ thuật, chúng ta cần lưu ý hai điểm khi thực hiện chụp hình thì ngoại bào.

  1. Sự phân bố thuốc tương phản trong thì ngoại bào khá ổn định và kéo dài, do vậy các kỹ thuật chụp nhanh không còn quan trọng nữa.
  2. Xóa mỡ là một yêu cầu gần như bắt buộc vì mỡ có tín hiệu cao khiến chúng ta có thể không phân biệt được với mô bắt thuốc trong thì này. Tuy nhiên chúng ta lại không nên dùng chuỗi xung STIR để xóa mỡ. Do T1 của mô bắt thuốc bị ngắn lại dưới tác dụng của thuốc tương phản từ, việc sử dụng thời đảo TI ngắn trong chuỗi xung STIR có thể làm mất cả tín hiệu của mỡ lẫn của mô bắt thuốc.

4. THUỐC TƯƠNG PHẢN ĐẶC HIỆU TẾ BÀO GAN

Thuốc tương phản đặc hiệu tế bào gan có thể được chia thành hai nhóm: nhóm thứ nhất có chứa gado (Gd3+) và cũng là các chất chelate; nhóm thứ hai là một hợp chất của mangan (Mn2+).

Các chelate gado

Gắn thêm một cấu trúc thích hợp vào một loại chelate gado ngoại bào có thể khiến cho nó di chuyển qua được màng tế bào gan. Hai chất hiện được phép sử dụng trong lâm sàng là gadobenate dimeglumine (Gd-BOPTA) và gadoxetic acid disodium (Gd-EOB-DTPA).

Giống như các chelate gado hoạt động ngoại bào khác, các chelate đặc hiệu tế bào gan này cũng có tác dụng ngoại bào như đã thảo luận trong phần trước, vì vậy chúng cũng được lọc và thải qua thận. Tuy nhiên do khả năng được tế bào gan hấp thụ, chúng cũng được đào thải qua đường mật, vào ruột và theo phân ra ngoài.

Khoảng từ 5 đến 10 phút sau khi được tiêm vào tĩnh mạch, các thuốc tương phản từ sẽ phân bố qua đường mạch máu vào khoang ngoại bào và tế bào gan. Ở các phim muộn sau 30 phút, phần thuốc trong khoang ngoại bào hầu như đã được đào thải hết nên chủ yếu chúng chỉ còn trong tế bào gan, đường mật, ở phần đầu ruột non, và dĩ nhiên ở cả hệ thống góp của thận.

Hợp chất mangan

Chỉ có một hợp chất mangan được chấp thuận cho sử dụng trong lâm sàng là mangafodipir trisodium (Mn-DPDP). Thật ra chất tương phản này cũng có thể được bắt giữ bởi các mô có quá trình chuyển hóa ái khí như tụy, vỏ thận và một số mô khác nhưng hiện tại nó chỉ được dùng với mục đích chẩn đoán các tổn thương của gan.

4. THUỐC TƯƠNG PHẢN ĐẶC HIỆU HỆ THỰC BÀO

Khác với các chất tương phản từ đã thảo luận ở hai phần trước mà đa phần đều là các chelate gado, chất tương phản từ đặc hiệu hệ thực bào là các hạt nhỏ chứa một lõi oxyt sắt được bọc bên ngoài bằng một lớp vỏ dextran hoặc polysaccharide. Tên gọi chung cho các thuốc có kích thước hạt lớn là SPIO (superparamagnetic iron oxide) và cho các thuốc có kích thước hạt cực nhỏ là USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxide). Nhìn chung các thuốc tương phản này đều bị bắt giữ và tiêu hủy bởi các tế bào hệ lưới nội mô có trong gan và lách, các đại thực bào, các hạch lympho và tủy xương. Hoạt tính sinh học của chúng phụ thuộc vào kích thước hạt và lớp vỏ polysaccharide bọc bên ngoài hạt.

Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO)

Nhóm các chất tương phản SPIO, điển hình là ferumoxide (AMI-25), có kích thước từ khoảng 30 đến 1000 nm. Do có kích thước khá lớn nên sau khi được tiêm vào máu qua đường tĩnh mạch, chúng nhanh chóng bị thực bào và giảm nhanh nồng độ trong máu (bán hủy) trong khoảng thời gian không quá 60 phút. Khoảng 80% lượng thuốc bị bắt giữ bởi các tế bào Kuffer trong hệ lưới nội mô của gan; 20% còn lại bị bắt ở lách và tủy xương. Do vậy các thuốc SPIO rất hay được dùng để chẩn đoán các tổn thương của gan. Thời điểm được chọn để thực hiện chụp hình là 30 phút sau tiêm và có thể kéo dài đến 4 giờ.

Về tác dụng cộng hưởng từ, các thuốc SPIO có tác dụng làm giảm T2 mạnh hơn tác dụng làm giảm T1. Do vậy trên các hình trọng T2 hoặc T2*, mô gan bình thường giảm tín hiệu rõ rệt. Các hình trọng T1 dù hạn chế hơn nhưng vẫn có ích khi được chụp tại nhiều thời điểm cách nhau vài phút trong khoảng thời gian 10 phút sau tiêm để so sánh. Ở thời điểm vài phút sau tiêm, mô gan có tăng tín hiệu rồi giảm dần khi lượng thuốc trong máu giảm, bắt đầu khá rõ ở thời điểm 10 phút sau tiêm.

Do cũng có khả năng bị bắt giữ tại lách, hạch lympho và tủy xương nên thuốc SPIO cũng còn được sử dụng để chẩn đoán các tổn thương ở những nơi này tuy ít phổ biến trong lâm sàng.

Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide (USPIO)

Mặc dù cùng nhóm với các thuốc SPIO, các thuốc USPIO có kích thước nhỏ hơn nhiều, thường dưới 10 nm. Nhờ kích thước siêu nhỏ này, chúng khó bị phát hiện hơn nên tốc độ bị bắt giữ bởi các tế bào hệ lưới nội mô tại gan và lách chậm hơn, nghĩa là chúng tồn tại trong máu lâu hơn (thời gian bán hủy dài hơn). Yếu tố này khiến cho các thuốc USPIO lan tỏa tốt hơn vào khoang gian bào. Cuối cùng tại các hạch lympho và tủy xương, chúng bị hệ thống thực bào tại đây bắt giữ và tiêu hủy.

Về đặc điểm cộng hưởng từ, các thuốc USPIO có tác dụng làm giảm T2 kém hơn so với các thuốc SPIO. Kết quả là tác dụng làm giảm T1 và T2 của các thuốc USPIO không còn khác biệt nhiều lắm. Nghĩa là chúng vừa làm tăng tín hiệu của mô đích trên hình trọng T1, vừa làm giảm tín hiệu của nó trên hình trọng T2.

Khả năng tồn tại khá lâu trong máu và tích tụ muộn tại hạch lympho và tủy xương của các thuốc USPIO đã được ứng dụng để chẩn đoán các tổn thương di căn hạch và tủy xương mặc dù cho đến hiện nay chúng vẫn chưa được phổ biến rộng rãi.

5. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

    • Hình ảnh CT sau tiêm thuốc cản quang và hình ảnh cộng hưởng từ sau tiêm thuốc tương phản từ trông có vẻ giống nhau và có thể làm cho chúng ta ngộ nhận rằng thuốc tương phản từ cũng có khả năng “cản từ”, tương tự như khả năng “cản quang” của thuốc cản quang.
    • Các thuốc tương phản từ được phép sử dụng đa số thuộc nhóm chelate ga Mangan chỉ có một hợp chất là Mn-DPDP. Sắt được dùng dưới dạng các oxyt sắt nhưng được bọc bằng một lớp vỏ dextran hoặc polysaccharide.
    • Các thuốc tương phản từ thường được dùng bằng đường tiêm tĩnh mạch và theo hệ thống mạch máu lan tỏa khắp cơ thể. Trong khoảng 30 giây đầu tiên sau tiêm, thuốc chủ yếu tồn tại trong các động mạch (thì động mạch). Trong khoảng 30 giây tiếp theo, thuốc đã lan tỏa khắp hệ thống mạch máu (thì hồ máu, thì tĩnh mạch cửa). Từ thời điểm 1 phút trở về sau, thuốc bắt đầu ngấm qua hệ thống mao mạch để vào khoang gian bào mặc dù vẫn tồn tại trong hệ thống mạch máu (thì ngoại bào). Mao mạch của hệ thần kinh và tinh hoàn không cho thuốc thấm qua trừ khi chúng bị tổn thương.
    • Về tính đặc hiệu tế bào, hầu hết các thuốc đều có tác dụng ngoại bào và không có tính đặc hiệu đối với bất kỳ loại tế bào nào. Khi được gắn thêm một cấu trúc thích hợp, một số hợp chất chelate gado (Gd- BOPTA, Gd-EOB-DTPA) có thể bị tế bào gan bắt giữ và đào thải theo đường mật  vào  ống  tiêu  hó  Hợp  chất  Mn-DPDP  cũng  có  tác  dụng tương tự đối với tế bào gan. Riêng oxyt sắt dưới dạng các hạt SPIO và USPIO dễ bị hệ thực bào bắt giữ, đặc biệt là tế bào Kuffer của gan, nên cũng được xem như “đặc hiệu” đối với những loại tế bào có khả năng thực bào.
    • Các thuốc tương phản từ nói chung đều có tác dụng làm giảm cả T1 lẫn T2 của mô có “bắt thuốc” tuy mức độ có khác nha Cụ thể, các thuốc chelate gado có tác dụng làm giảm T1 mạnh hơn, cho ra hình ảnh tăng tín hiệu ở các mô có “bắt thuốc” trên các hình trọng T1. Ngược lại các thuốc SPIO lại có tác dụng làm giảm T2 mạnh hơn, cho ra hình ảnh giảm tín hiệu ở các mô có “bắt thuốc” trên các hình trọng T2.

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 7, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 105-112.

 

 

PHẦN 3: NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN CỘNG HƯỞNG TỪ

 Một hình ảnh y học chỉ có ích khi nó cho phép chúng ta phân định rõ ràng các cấu trúc giải phẫu, kể cả các cấu trúc bất thường. Nói cách khác, các cấu trúc khác nhau cần được thể hiện trên hình với một mức độ khác biệt nhất định để chúng ta có thể xác định được ranh giới giữa chúng. Trong thực tế, sự khác biệt thường được biểu hiện bằng màu sắc khác nhau, phổ biến hơn là mức độ trắng đen khác nhau. Khi đó mức độ khác biệt trắng đen được gọi là độ tương phản (contrast). Trong thực tế, độ tương phản có thể được xem là một trong những chỉ số quan trọng nhất của một hình ảnh y học. Mục tiêu của phần này tập trung vào việc trình bày các nguyên lý tương phản được sử dụng trong các hình cộng hưởng từ. Nội dung cụ thể bao gồm:

  • Các tham số thời gian và góc lật
  • Nguyên lý tương phản cộng hưởng từ
  • Nguyên lý tương phản trọng T1
  • Nguyên lý tương phản trọng T2
  • Nguyên lý tương phản trọng đậm độ proton

1. CÁC THAM SỐ THỜI GIAN VÀ GÓC LẬT

Để sử dụng được các tính chất thời gian T1 và T2 của các mô, chúng ta cần chọn một thời điểm phù hợp để đo tín hiệu. Thoạt tiên chúng ta có thể cho rằng thời điểm tốt nhất là thời điểm vừa tắt xung kích thích vì lúc này, tín hiệu cộng hưởng từ mạnh nhất. Thế nhưng vấn đề không hoàn toàn đơn giản như vậy. Thứ nhất, lượng tín hiệu thu được trong một lần đo chưa đủ để chúng ta tạo lập được hình ảnh, vì vậy chúng ta cần phải đo nhiều lần. Thứ hai, như vừa lý luận ở trên, sự khác biệt tín hiệu giữa các mô là một yếu tố quan trọng hơn cường độ tín hiệu của từng mô bởi vì chính nó cho phép tạo ra một độ tương phản nhất định giữa các mô. Trong phần này chúng ta thử xem một số tham số thời gian có ảnh hưởng đến độ tương phản này.

Thời kích TR

Như đã nói ở trên, nếu chỉ kích thích một lần rồi đo tín hiệu, lượng dữ liệu của một lần đo như thế không đủ để chúng ta xây dựng ảnh cộng hưởng từ. Trong thực tế, chúng ta phải sử dụng xung kích thích nhiều lần, khoảng thời gian giữa hai lần phát xung kích thích được chọn cho phù hợp và được gọi là thời kích hoặc thời lặp TR (repetition time).

Thời kích TR này có liên quan mật thiết với thời gian T1 của mô. Giả sử chúng ta đang xem xét một mô có thời gian T1. Sau khi xung kích thích đầu tiên được phát ra, chúng ta đợi một khoảng thời gian TR để phát xung thứ hai. Lúc này chúng ta gặp một trong hai tình huống:

1. Thời kích TR dài bằng hoặc hơn hẳn so với T1, hoặc

2. Thời kích TR nhỏ hơn nhiều so với T1

Trong tình huống (1), do thời kích TR dài bằng hoặc hơn T1 nên khi phát xung lần thứ hai, độ từ hóa dọc hầu như đã khôi phục lại hoàn toàn và vì thế, tín hiệu cộng hưởng từ có được sau khi phát xung lần hai cũng giống tín hiệu sau khi phát xung lần một.

Thế nhưng trong tình huống (2), thời kích TR ngắn hơn nhiều so với T1 nên khi phát xung lần hai, độ từ hóa dọc chỉ mới khôi phục một phần (Mz). Ở lần này, độ từ hóa dọc một phần Mz này bị lật ngang vào mặt phẳng xy, tạo ra một độ từ hóa ngang Mxy nhỏ hơn so với độ từ hóa ngang của lần phát xung đầu tiên. Độ từ hóa ngang lần hai này tạo ra tín hiệu lần hai nhỏ hơn so với tín hiệu lần một (Hình 1).

Với những lần phát xung tiếp theo sau được lặp lại sau mỗi khoảng TR, độ từ hóa dọc Mz được khôi phục lại dưới tác dụng của từ trường B0 sẽ khá ổn định và có độ lớn tùy theo sự chênh lệch giữa TR với T1 của mô. Nói một cách cụ thể hơn, chúng ta có kết quả sau:

1. Nếu TR và T1 gần như bằng nhau hoặc TR dài hơn T1, tín hiệu cộng hưởng từ được tạo ra mạnh nhất.

2. Ngược lại, nếu TR ngắn hơn nhiều so với T1, tín hiệu cộng hưởng từ sẽ yếu hơn so với trường hợp (1).


Hình
1: Tác dụng tạo tín hiệu cộng hưởng từ của một thời kích TR ngắn hơn so với thời gian T1 của một mô. (a) Xung kích thích lần đầu tiên làm lật Mo vào mặt phẳng ngang. (b) Xung kích thích lần hai xảy ra khi độ từ hóa dọc Mz 
chỉ mới khôi phục một phần, tạo ra Mxy nhỏ hơn nhiều so với lần một.

Kết quả này sẽ được vận dụng trong Phần 3 để tạo ra hình trọng T1 hay ảnh tương phản theo T1.

Góc lật

Từ trước đến giờ chúng ta vẫn ngầm định với nhau rằng xung kích thích đang được sử dụng là xung 90o, nghĩa là xung kích thích tạo một góc lật 90o. Trong phần này chúng ta xét đến khả năng sử dụng những xung kích thích có góc lật nhỏ hơn 90o.

Thử quan sát Hình 2. Độ từ hóa dọc và độ từ hóa ngang khi góc lật 90o được vẽ bằng các vectơ xám. Trong Hình 2a, chúng ta sử dụng một góc lật lớn gần bằng 90o. Khi đó, độ từ hóa ngang được tạo ra có nhỏ hơn chút ít so với trường hợp góc lật 90o. Bù lại độ từ hóa dọc Mz chưa bị lật hoàn toàn và vẫn còn lại một ít (các vectơ đậm). Kết quả là tín hiệu cộng hưởng từ được tạo ra không giảm bao nhiêu so với trường hợp góc lật 90o.

Quan sát tiếp Hình 2b, chúng ta thấy góc lật khá nhỏ so với 90o. Khi đó, độ từ hóa dọc chỉ bị mất một ít để chuyển thành độ từ hóa ngang, cho ra tín hiệu cộng hưởng từ không mạnh bằng so với khi dùng góc lật lớn. Hơn thế nữa, do độ từ hóa dọc hầu như còn nguyên nên chúng ta mất ít thời gian để khôi phục lại hoàn toàn độ từ hóa dọc. Do vậy nếu chúng ta dùng thời kích TR ngắn, độ từ hóa dọc vẫn được khôi phục hoàn toàn.

Những nhận xét trên cho phép chúng ta rút ra được điều gì? Trước tiên chúng ta cần nhấn mạnh rằng tín hiệu cộng hưởng từ được tạo ra là do độ từ hóa ngang quay quanh trục z, do vậy khi độ từ hóa ngang nhỏ, tín hiệu  cộng hưởng từ yếu. Trong phần trước chúng ta cũng đã biết rằng nếu T1 của mô khá dài thì khi dùng thời kích TR ngắn, chúng ta chỉ có được một độ từ hóa ngang nhỏ, sinh ra một tín hiệu yếu. Tuy nhiên nếu biết cân đối thì trong trường hợp này, chúng ta vẫn có thể thu được một tín hiệu cộng hưởng từ đủ mạnh bằng cách chọn một góc lật thích hợp.


Hìn
h 2: 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.

Về mặt lý thuyết, nếu chúng ta định dùng một thời kích TR trên một mô có thời gian T1 đã biết, góc lật tối ưu cho phép tạo ra được tín hiệu mạnh nhất có thể được tính bằng công thức sau đây:

Góc tối ưu = arccos(e-TR/T1)

trong đó e ≈ 2,7282 là cơ số của logarit tự nhiên. Góc lật tối ưu ứng với các giá trị TR và T1 cho trước còn được gọi là góc Ernst (Richard Ernst là một trong những người có những đóng góp quan trọng nhất cho kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ y học. Năm 1991, ông nhận được giải Nobel vì những đóng góp này).

Như vậy khi chúng ta muốn dùng thời kích TR ngắn nhưng vẫn muốn có được tín hiệu đủ mạnh trên các mô có T1 dài, sử dụng một góc lật nhỏ là một kỹ thuật thích hợp. Vấn đề này sẽ được xem xét lại trong những phần sau khi chúng ta nói đến các kỹ thuật làm giảm bớt thời gian đo tín hiệu cộng hưởng từ.

Thời vang TE

Như chúng ta đã biết, tín hiệu cộng hưởng từ ngay sau khi tắt xung luôn là tín hiệu mạnh nhất. Tuy nhiên vì cần phải thực hiện thêm một số kỹ thuật quan trọng khác trước khi đo tín hiệu nên trong thực tế, chúng ta luôn có một khoảng thời gian nhất định kể từ lúc tắt xung kích thích đến lúc đo tín hiệu. Khoảng thời gian này được gọi là thời vang TE (echo time).

Sở dĩ gọi là thời vang vì tín hiệu đo được lúc này không phải là tín hiệu gốc ban đầu mà là tín hiệu đã được tái lập lại bằng một kỹ thuật thích hợp. Nói cách khác, tín hiệu đo được là tín hiệu vọng lại hay một điểm vang (echo) của tín hiệu ban đầu. Ngay trong phần tiếp theo chúng ta sẽ gặp một kỹ thuật tái lập lại tín hiệu rất độc đáo được dùng trong một chuỗi xung căn bản là chuỗi xung điểm vang spin (viết tắt là chuỗi xung SE).

Cần nhắc lại rằng thời gian T2 chính là thời gian xảy ra hiện tượng suy giảm tín hiệu FID. Do vậy thời vang TE có mối liên hệ chặt chẽ với thời gian T2 của một mô. Khi TE khá nhỏ so với T2, tín hiệu thu được lúc này còn khá mạnh. Tuy nhiên khi TE dài gần bằng T2, tín hiệu thu được sẽ yếu vì đã bị suy giảm nhiều.

Chúng ta cũng biết rằng trong thực tế, do tác động của từ trường cục bộ không đồng nhất vốn luôn tồn tại trong các mô, thời gian suy giảm tín hiệu thực tế còn ngắn hơn nữa. Thời gian này gọi là T2*. Như vậy nếu TE khá ngắn, tín hiệu thu được vẫn còn là tín hiệu chịu ảnh hưởng của T2. Khi TE dài hơn, ảnh hưởng của T2* càng rõ, và tín hiệu thu  được  lúc  này  càng  biểu  hiện  cho  tình  trạng  không  đồng  nhất  của  từ trường cục bộ.

Xung tái lập 180o

Theo như phân tích ở trên, thời vang TE cho phép chúng ta có đủ thời gian để thực hiện một số kỹ thuật cần thiết trước khi đo tín hiệu. Tuy nhiên qua thời gian, số proton quay lệch pha nhau càng nhiều và đây là nguyên nhân của hiện tượng suy giảm tín hiệu FID.

Bây giờ thử quan sát các proton đang quay trong mặt phẳng xy tại một số thời điểm sau khi tắt xung kích thích. Trên Hình 3, mỗi proton được biểu thị bằng một vectơ nhỏ. Ở Hình 3a, các proton sau khi tắt xung kích thích đang cùng pha, tạo ra một vectơ lớn nhất tại vạch xuất phát. Trên hình này, chúng ta xem như trục x là vạch xuất phát. Sau đó do sự khác biệt về tốc độ quay, chúng dần dần lệch pha nhau: các proton quay nhanh hơn vượt dần lên trước, các proton quay chậm rớt lại phía sau như được minh họa trong Hình 3b. Ở đây, proton có vectơ xám chạy chậm và rớt hẳn lại phía sau, nghĩa là nó nằm gần vạch xuất phát (đường chấm đứt đoạn).

Bây giờ, nếu tại thời điểm TE/2, nghĩa là sau khi hết khoảng một nửa thời vang TE, chúng ta phát ra một xung 180o. Tác dụng của xung là làm lật các proton 180o, đồng nghĩa với việc lật úp mặt phẳng xy quanh trục xuất phát ban đầu. Lúc này, các proton đang chạy “lật đật” phía sau “bỗng dưng” lại trở thành những proton dẫn đầu (Hình 3c). Tuy nhiên do chúng vẫn quay chậm hơn nên trong khoảng nửa thời gian TE còn lại, chúng dần bị các pro- ton chạy nhanh bắt kịp. Vì vậy tại đúng thời điểm đo TE như trên Hình 3d, tín hiệu đã được tái lập, tạo ra một điểm vang (echo). Xung 180o được dùng với mục đích này gọi là xung tái lập (refocusing pulse).

Về cơ bản, xung tái lập đã hóa giải được các nguyên nhân làm cho các pro- ton lệch pha nhau do tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ. Kỹ thuật độc đáo này hiện nay đã trở thành một trong những kỹ thuật căn bản của cộng hưởng từ. Các chuỗi xung điểm vang spin hay spin echo (SE) mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong các phần tiếp theo đều dựa trên nền tảng của kỹ thuật này.


Hìn
h 3: Kỹ thuật dùng xung tái lập 180o 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 quay chậm lại đứng trước các proton quay nhanh. Cuối cùng vào thời điểm TE như trong (d), các proton lại cùng pha, tạo ra một điểm vang.

2.  NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN CỘNG HƯỞNG TỪ

Chúng ta đã biết rằng mục tiêu quan trọng nhất của các kỹ thuật chụp ảnh y học là khả năng phân định rõ ràng các cấu trúc giải phẫu, nhờ đó chúng ta dễ dàng phát hiện các cấu trúc bất thường ngay cả khi kích thước của chúng còn rất nhỏ. Trên một hình trắng đen, các cấu trúc cạnh nhau có thể “phân biệt được” nếu chúng có mức độ trắng-đen khác nhau đủ để mắt phân biệt được.

Khác biệt về mức độ trắng-đen giữa các cấu trúc trên một hình ảnh y học được gọi là độ tương phản (contrast). Yêu cầu tạo ra được một độ tương phản cao giữa các cấu trúc nằm cạnh nhau có thể được xem là một trong những yêu cầu quan trọng nhất của mọi kỹ thuật chụp ảnh y học. Cộng hưởng từ là một kỹ thuật chụp ảnh y học tạo được độ tương phản tốt nhất hiện nay đối với nhiều cấu trúc trong cơ thể.

Theo cách hiểu thông thường, ảnh chụp cộng hưởng từ là hình ảnh phân bố nước và mỡ (chủ yếu là nước) trong các mô cơ thể. Điều này nghe có vẻ như nơi đâu có nhiều nước, nơi đó có nhiều tín hiệu cộng hưởng từ. Cách hiểu giản đơn như vậy chỉ đúng một phần. Trước tiên, như chúng ta đã biết, tỷ lệ nước tự do và nước tù trong mô có ảnh hưởng trực tiếp đến các thời gian hồi giãn của mô: mô có nhiều nước tự do sẽ có các thời gian hồi giãn dài hơn mô có ít nước tự do. Thứ hai, bởi vì tín hiệu cộng hưởng từ bị suy giảm theo thời gian, thời điểm đo tín hiệu có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng tín hiệu thu được. Thời gian hồi giãn và thời điểm đo tín hiệu có thể được dùng phối hợp để có được các loại ảnh cộng hưởng từ với những đặc điểm tương phản khác nhau, không hoàn toàn biểu thị cho sự phân bố nước trong các mô cơ thể.

Kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ sử dụng cường độ tín hiệu thu được từ các proton của nước và mỡ có mặt trong các mô để tạo ảnh. Cường độ tín hiệu của mô càng mạnh, hình ảnh cộng hưởng từ của mô đó càng trắng. Như vậy, mức độ trắng-đen của mô trên ảnh cộng hưởng từ biểu thị cho cường độ tín hiệu được phát ra từ mô. Trong thực hành lâm sàng, người ta thường dùng thuật ngữ tín hiệu cao (high signal) để mô tả một vùng “trắng” và thuật ngữ tín hiệu thấp (low signal) để mô tả một vùng “đen” trên hình cộng hưởng từ. Khi muốn chỉ rõ sự khác biệt tín hiệu giữa các mô (độ tương phản), người ta dùng các thuật ngữ cường độ mạnh (hyperintensity), cùng cường độ (isointensity) và cường độ yếu (hypointensity).

Để có được một độ tương phản tốt trên ảnh, kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ hiện sử dụng nhiều nguyên lý tương phản khác nhau. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu ba nguyên lý tương phản cơ bản được sử dụng thường xuyên trong các hệ thống chụp ảnh cộng hưởng từ là:

  1. Nguyên lý tương phản trọng T1 dựa trên sự khác biệt về thời gian T1, cho ra một loại ảnh cộng hưởng từ có tên gọi là hình trọng T1 (T1- weighted image hay T1W)

  2. Nguyên lý tương phản trọng T2 dựa trên sự khác biệt về thời gian T2, cho ra một loại ảnh cộng hưởng từ có tên gọi là hình trọng T2 (T2- weighted image hay T2W)

  3. Nguyên lý tương phản trọng đậm độ proton dựa trên sự khác biệt về đậm độ proton trong mô, cho ra một loại ảnh cộng hưởng từ có tên gọi là hình trọng đậm độ proton (proton density-weighted image hay PDW)

Ngoài ba loại hình ảnh tương phản nêu trên, kỹ thuật cộng hưởng từ cũng sử dụng một số nguyên lý tương phản khác. Chẳng hạn như dựa vào khả năng khuyếch tán của nước trong cơ thể, kỹ thuật cộng hưởng từ có thể tạo ra một loại ảnh được gọi là hình trọng khuyếch tán (Diffusion-weighted  Image hay DWI). Nguyên lý tương phản trọng khuyếch tán rất có giá trị  trong lĩnh vực hình ảnh học thần kinh, đặc biệt là phát hiện tình trạng nhồi máu não giai đoạn sớm giúp các thầy thuốc lâm sàng có cơ sở để thực hiện điều trị tích cực.

3.  NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN TRỌNG T1

Một hình trọng T1 được tạo lập dựa trên sự khác biệt thời gian T1 giữa các mô. Để có được một hình như thế, chúng ta cần chọn thời kích TR và thời vang TE sao cho các thời gian T1 khác nhau càng nhiều sẽ phát ra tín hiệu cộng hưởng từ có cường độ khác nhau càng lớn.

Như chúng ta đã biết từ những phần trước, tín hiệu cộng hưởng từ phụ thuộc vào độ lớn của vectơ từ hóa ngang trong mặt phẳng xy. Độ từ hóa ngang này đến lượt nó lại phụ thuộc vào độ lớn của vectơ từ hóa dọc và góc lật a (xem Phần 1): khi a = 90o, độ từ hóa dọc bị lật hoàn toàn thành độ từ hóa ngang; khi a nhỏ hơn 90o, độ từ hóa dọc chỉ bị lật một phần. Trong cả hai trường hợp, độ lớn của vectơ từ hóa dọc có ảnh hưởng đến độ lớn của vectơ từ hóa ngang, và vì vậy ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu cộng hưởng từ.

Chúng ta xem lại tình huống ngay trước lần phát xung kích thích đầu tiên. Dưới tác dụng của từ trường ngoài B0, proton trong các mô lúc này cùng nhau tạo thành độ từ hóa thực Mo. Thế rồi xung kích thích thứ nhất được phát ra, độ từ hóa thực Mo bị lật thành độ từ hóa ngang Mxy trong mặt phẳng xy. Sau khi tắt xung, độ từ hóa dọc bắt đầu được khôi phục. Tốc độ khôi phục độ từ hóa dọc ở các mô tùy thuộc vào thời gian T1 của chúng: mô có T1 ngắn khôi phục độ từ hóa dọc nhanh hơn so với mô có T1 dài. Lúc đầu, vectơ từ hóa dọc của các mô có T1 ngắn sẽ lớn hơn vectơ từ hóa dọc của các mô có T1 dài. Dần dà theo thời gian, khác biệt độ lớn giữa các vectơ từ hóa dọc của các mô có T1 dài ngắn khác nhau sẽ bị thu hẹp lại để rồi cuối cùng chúng sẽ bằng nhau và bằng với vectơ từ hóa thực Mo sau một khoảng thời gian đủ lớn tính từ lúc tắt xung kích thích lần đầu.

Tuy nhiên nếu cho phát xung kích thích lần hai tại một thời điểm khá ngắn so với thời điểm phát xung lần một, nghĩa là thời kích TR ngắn, khác biệt thời gian T1 giữa các mô sẽ bộc lộ rõ: các T1 ngắn đã hồi phục độ từ a dọc khá nhiu so với c T1 dài nên trong ln thứ hai phát xung kích thích sẽ có độ từ hóa ngang lớn hơn, tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ mạnh hơn các mô có thời gian T1 dài. Ở những lần phát xung tiếp theo với cùng thời kích TR, chúng ta cũng có kết quả tương tự bởi vì độ lớn của vectơ từ hóa dọc hồi phục lại được sau mỗi xung kích thích phụ thuộc vào từ trường ngoài B0 và thời gian T1, vốn là những đại lượng không đổi. Do vậy, chọn một thời kích TR ngắn sẽ bộc lộ rõ ràng sự khác biệt thời gian T1 của các mô. Khi đó, các mô có T1 ngắn sẽ cho tín hiệu mạnh; ngược lại các mô có thời gian T1 dài sẽ cho tín hiệu yếu (Hình 4). Hình ảnh tạo ra dựa trên sự khác biệt T1 được gọi là hình trọng T1 (T1-weighted image).


Hìn
h 4: Hình trọng T1 cắt ngang não ỏ mức não thất bên cho thấy rất rõ cấu trúc chất xám-chất trắng của mô não. Trên hình trọng T1, chất xám có màu xám (vỏ não và các nhân xám trung ương) còn chất trắng có màu trắng. Lý do là do chất trắng có T1 ngắn hơn so với chất xám nên cho tín hiệu mạnh hơn. Chú ý rằng lớp viền thật sáng quanh sọ là lớp mỡ dưới da có T1 rất ngắn. Vùng đen giữa hình ngăn cách bởi một viền trắng là hình ảnh hai não thất bên với tín hiệu rất yếu của dịch não tủy vì có T1 rất dài.

Thế nhưng thời kích TR bao nhiêu mới được gọi là ngắn? Không có một giá trị cụ thể nào như thế. Tuy nhiên để độc giả dễ hình dung, chúng tôi tạm đưa ra một con số dễ nhớ: thời kích TR nhỏ hơn 1000 ms (dưới 1 giây) có thể được xem là ngắn.

Bây giờ đến thời vang TE. Để có được một hình có độ tương phản tốt nhất trên một hình trọng T1, chúng ta cũng cần chọn thời vang TE ngắn vì theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ sẽ suy giảm dần. Trong thực hành, TE dưới 30 ms có thể được xem như TE ngắn.

Chúng ta có thể tóm tắt một số điểm chính về loại hình trọng T1 như sau:

  1. Một hình trọng T1 được tạo lập bằng cách dùng thời kích TR ngắn cùng với thời vang TE ngắn.

  2. Trên một hình trọng T1, các mô có T1 ngắn sẽ có tín hiệu mạnh (màu trắng) còn các mô có T1 dài sẽ có tín hiệu yếu (màu đen). Cụ thể, mỡ có màu trắng nhất, các mô mềm có màu xám hơn còn các loại dịch cho màu đen trên hình trọng

4.  NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN TRỌNG T2

Nguyên lý tương phản thứ hai được xem xét trong phần này dựa vào sự khác biệt thời gian T2 giữa các mô. Chúng ta cần nhớ lại rằng theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ sẽ yếu dần do hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID. Thời gian suy giảm tín hiệu chính là thời gian T2. Nếu dùng thời vang TE ngắn, nghĩa là nếu đo tín hiệu thật sớm, sự suy giảm tín hiệu của các mô lúc này chưa nhiều nên sự khác biệt tín hiệu giữa các mô không rõ.

Thế nhưng nếu đo tín hiệu trễ hơn, nghĩa là thời vang TE dài, các mô có T2 ngắn sẽ bị mất khá nhiều tín hiệu còn các mô có T2 dài lúc này chỉ suy giảm một ít, làm cho sự khác biệt tín hiệu giữa các mô có thời gian T2 khác nhau rõ ràng hơn (Hình 5). Hình ảnh thu được dựa trên nguyên lý tương phản do thời gian T2 này được gọi là hình trọng T2 (T2-weighted image).

Theo nguyên lý này, chúng ta cần dùng thời vang TE dài để bộc lộ rõ sự khác biệt tín hiệu giữa các mô có thời gian T2 khác nhau. Như chúng ta đã biết trong phần trước, thời vang dài ngắn không có một mốc cụ thể. Thông thường, thời vang TE lớn hơn 80 ms có thể được xem là TE dài.

Thế nhưng không giống như trong nguyên lý tương phản trọng T1, ở đó chúng ta cần dùng thời kích TR ngắn để có được sự khác biệt tín hiệu giữa các mô dựa trên T1, trong nguyên lý tương phản trọng T2, chúng ta cần dùng thời kích TR dài để cho các mô có đủ thời gian hồi phục hoàn toàn vectơ từ hóa dọc, để rồi sau đó nó sẽ lật thành vectơ từ hóa ngang, phát ra tín hiệu cộng hưởng từ có cường độ mạnh nhất có thể có. Trên cơ sở tín hiệu cộng hưởng từ sau khi ngừng phát xung kích thích, tốc độ suy giảm tín hiệu sẽ được tận dụng để tạo ra độ tương phản.

Nói tóm lại, chúng ta cần nhớ một số điểm chính yếu về hình trọng T2 như sau:

  1. Hình trọng T2 được tạo lập bằng cách dùng thời kích TR dài cùng với thời vang TE dài.

  2. Trên một hình trọng T2, các mô có T2 dài sẽ có tín hiệu mạnh (màu trắng) còn các mô có T2 ngắn sẽ có tín hiệu yếu (màu đen). Cụ thể, các chất dịch như dịch não tủy có màu trắng nhất, các mô mềm có màu xám hơn. Các mô có tín hiệu suy giảm cực nhanh (T2 cực ngắn) như vỏ xương hầu như không có tín hiệu nên rất đen trên hình trọng T2.


Hìn
h 5: Một hình trọng T2 cắt dọc đứng vùng cột sống thắt lưng cho thấy rõ các đốt sống, đĩa đệm, các thành phần trong ống sống và các mỏm ngang của đốt sống. Một điểm rất đáng chú ý là dịch não tủy trong ống sống rất trắng trên hình trọng T2 do có thời gian T2 dài. Chúng bao quanh một vệt đen là phần cuối của chóp tủy kéo dài thành chùm đuôi ngựa.

5. NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN TRỌNG ĐẬM ĐỘ PROTON

Ngoài hai nguyên lý tương phản đã nêu, người ta còn dùng nguyên lý tương phản  dựa  trên  đậm  độ  của  proton  trong  các  mô  cơ  thể, cho  ra  loại  hình trọng đậm độ proton (proton density-weighted image hay PDW).

Như chúng ta đã biết, tín hiệu cộng hưởng từ thu được ngay sau khi tắt xung kích thích về nguyên tắc chỉ phụ thuộc vào đậm độ pro- ton có trong mô, nghĩa là phụ thuộc vào lượng nước và mỡ trong mô. Muốn thu được tín hiệu ở giai đoạn này, chúng ta cần dùng thời kích TR đủ dài để có được tín hiệu tốt nhất kèm với thời vang TE ngắn để làm giảm bớt sự suy giảm tín hiệu (Hình 6).


Hình
6: Một hình trọng đậm độ proton cắt ngang não qua một lớp cắt nằm trên mức não thất bên.

Thế nhưng như chúng ta đã biết, tín hiệu cộng hưởng từ chỉ phản ánh một cách tương đối đậm độ proton trong mô. Tỷ lệ giữa lượng nước tù và nước tự do trong mô làm thay đổi các thời gian hồi giãn đặc trưng của mô, và do vậy tín hiệu cộng hưởng từ của mô không hoàn toàn biểu thị cho đậm độ proton trong mô. Độ xê dịch hóa học cũng là một yếu tố làm thay đổi tín hiệu. Chính vì vậy một số tác giả đề xuất không gọi là hình trọng đậm độ proton mà gọi là ảnh trung gian (intermediate-weighted image). Tuy nhiên thuật ngữ hình trọng đậm độ proton đã được sử dụng phổ biến nên trong cuốn sách này nó vẫn được sử dụng.

Để kết thúc phần này, chúng ta tóm tắt ba nguyên lý tương phản cơ bản bằng cách so sánh các tham số TR và TE được dùng cho mỗi loại tương phản (Hình 7).

  1. Thời kích TR và thời vang TE đều ngắn sẽ tạo ra hình trọng T1

  2. Thời kích TR và thời vang TE đều dài sẽ tạo ra hình trọng T2

  3. Thời kích TR dài còn thời vang TE ngắn sẽ tạo ra hình trọng đậm độ proton

  4. Thế còn trường hợp thời kích TR ngắn còn thời vang TE dài? Nói chung chúng không tạo ra được một hình ảnh có ý nghĩa về độ tương phản vì khi dùng TR ngắn, khác biệt tín hiệu giữa các mô có nguồn gốc từ sự khác biệt thời gian T1 nhưng vì lại dùng thời vang TE dài nên sự khác biệt tín hiệu lại không còn đáng kể nữa do lúc này tín hiệu đã bị suy giảm nhiều.

Hình 7. Các dạng tương phản hình ảnh do phối hợp TR và TE.

6. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

Trong phần này chúng ta đã xem xét ba nguyên lý tương phản thường được dùng khi tạo lập ảnh cộng hưởng từ. Dưới đây chúng ta tóm tắt một số khái niệm quan trọng.

  • Khi chụp ảnh cộng hưởng từ, sự khác biệt cấu trúc giữa các mô được xác định bằng sự khác biệt về cường độ tín hiệu giữa chúng. Thông thường, cường độ tín hiệu được biểu hiện trên hình bằng mức độ trắng đen: cường độ càng cao, cấu trúc càng trắng. Mức độ khác biệt trắng đen khi này được gọi là độ tương phản của hình.

  • Để có được đủ dữ liệu cho một ảnh cộng hưởng từ, chúng ta cần phải phát xung kích thích nhiều lần, tương ứng với nhiều lần đo tín hiệu. Khoảng cách thời gian giữa hai lần phát xung kích thích được gọi là thời kích TR. Khoảng cách thời gian từ khi phát xung kích thích đến lúc thực hiện đo tín hiệu được gọi là thời vang TE. Mỗi tín hiệu tại thời điểm đo được gọi là điểm vang (echo).

  • Ngoài thời kích TR và thời vang TE, người ta còn có thể dùng một góc lật a nhỏ hơn 90o. Mục đích là chỉ lật một phần vectơ từ hóa dọc thành vectơ từ hóa ngang đủ để tạo ra một lượng tín hiệu cần thiết, giảm bớt thời gian khôi phục hoàn toàn vectơ từ hóa dọc.

  • Có ba nguyên lý tương phản cơ bản được dùng trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ: nguyên lý trọng T1 sử dụng TR và TE ngắn; nguyên lý trọng T2 sử dụng TR và TE dài; nguyên lý trọng đậm độ proton sử dụng TR dài và TE ngắn.

  • Trên một hình trọng T1, chúng ta dùng một thời kích TR ngắn để bộc lộ rõ sự khác biệt cường độ tín hiệu giữa hai mô có thời gian T1 khác nhau: mô có T1 ngắn hầu như đã khôi phục hoàn toàn độ từ hóa dọc, cho ra độ từ hóa ngang ở lần kích thích tiếp theo khá lớn; trong khi đó mô có T1 dài chỉ khôi phục được một phần nên độ từ hóa ngang tương ứng ở lần kích thích tiếp theo sẽ nhỏ. Khi đó nếu đo tín hiệu tại một thời điểm khá ngắn sau khi phát xung kích thích (thời vang TE ngắn), tín hiệu của mô có T1 ngắn sẽ cao còn tín hiệu của mô có T1 dài sẽ thấp.

  • Trên một hình trọng T2, chúng ta tận dụng sự khác biệt thời gian T2 giữa các mô, nghĩa là tốc độ suy giảm tín hiệu: mô có T2 càng ngắn, tín hiệu suy giảm càng nhanh. Trước tiên chúng ta cần dùng thời kích TR đủ dài để độ từ hóa dọc của các mô đều khôi phục hoàn toàn, cho ra độ từ hóa ngang tốt nhất có thể có. Sau đó phát xung kích thích và thực hiện đo tín hiệu tại một thời điểm khá dài (thời vang TE dài). Lúc này các mô có thời gian T2 ngắn hầu như đã mất hết tín hiệu; các mô có thời gian T2 dài chỉ mất một ít, cho ra một hình trọng T2, trong đó mô có T2 dài sẽ có tín hiệu cao (màu trắng) còn mô có T2 ngắn sẽ có tín hiệu thấp (màu đen).

  • Trên một hình trọng đậm độ proton, chúng ta tận dụng sự khác biệt giữa đậm độ proton của các mô để tạo độ tương phản trên hình bằng cách chọn thời kích TR dài và thời vang TE ngắ Thời kích TR dài cho phép các mô khôi phục hoàn toàn độ từ hóa dọc, tạo ra một độ từ hóa ngang lớn nhất trong lần kích thích tiếp theo. Thời vang TE ngắn cho phép đo được tín hiệu “thật” của các mô vì lúc này tín hiệu ở các mô chưa bị mất nhiều. Sự khác biệt tín hiệu lúc này biểu thị một cách tương đối sự khác biệt của đậm độ proton trong mô.

Tham khảo: 

  1. Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 3, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 35-48.
  2. Mriquestions.com
  3. Radiopaedia.org

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PHẦN 2: HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG TỪ CỦA CÁC MÔ

Chúng ta đã biết hiện tượng cộng hưởng từ và hiệu ứng cộng hưởng từ của các hạt proton (hạt nhân nguyên tử hydro). Trong cơ thể sống, hydro có mặt trong thành phần của nhiều hợp chất thiết yếu, đặc biệt là nước và mỡ. Vì vậy, nghiên cứu tính chất cộng hưởng từ của proton có vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ và là bước đầu tiên giúp chúng ta hiểu được quá trình này.
Chúng ta biết rằng nước là một chất thiết yếu của mọi cơ thể sống và thường chiếm một hàm lượng cao trong tế bào. Ngoài việc tham gia vào cấu trúc của tế bào, nước còn là môi trường để các quá trình sống xảy ra và trong nhiều trường hợp còn tham gia trực tiếp vào các quá trình sống. Với một mật độ cao và một vai trò cực kỳ quan trọng như thế, nước là thành phần chính tạo ra các tín hiệu cộng hưởng từ. Ngoài nước, mỡ cũng là một nguồn tín hiệu cộng hưởng quan trọng do chứa các nguyên tử hydro ở những vị trí “thuận lợi”.
Trong phần này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về hiệu ứng cộng hưởng từ của các mô cơ thể. Nội dung của phần bao gồm:

  • Độ xê dịch hóa học
  • Đặc tính cộng hưởng từ của nước
  • Thời gian hồi giãn dọc T1
  • Thời gian hồi giãn ngang T2

1. ĐỘ XÊ DỊCH HÓA HỌC

Như chúng ta đã biết, tần số cộng hưởng hay tần số quay f của proton phụ thuộc vào từ trường ngoài B0 và hằng số Larmor g qua phương trình Larmor:

f = γB0

Khi tham gia cấu thành các phân tử, tần số cộng hưởng của proton còn phụ thuộc vào liên kết hóa học giữa proton với các nguyên tử khác và vị trí của proton trong phân tử. Sự khác biệt giữa tần số cộng hưởng của proton do liên kết hóa học và vị trí của proton trong phân tử được gọi là độ xê dịch hóa học (chemical shift).

Thực tế, độ xê dịch hóa học biểu thị sự chênh lệch tương đối giữa tần số quay của các proton trong các phân tử khác nhau, được tính bằng đơn vị ppm (parts per million) hay đơn vị phần triệu. Chẳng hạn, độ xê dịch hóa học giữa nước và mỡ là 3,5 ppm, nghĩa là proton trong nước quay nhanh hơn proton trong mỡ khoảng 3,5 phần triệu.

Khi cường độ từ trường tăng lên, tần số quay của các proton cũng tăng theo. Proton có tần số quay càng nhanh sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn và quay càng nhanh hơn. Nghĩa là sự khác biệt tuyệt đối giữa tần số quay của proton ở hai loại phân tử khác nhau có thay đổi theo cường độ từ trường nhưng độ xê dịch hóa học của chúng không thay đổi.

Liên kết hóa học của proton

Chúng ta biết rằng phân tử nước H2O có hai nguyên tử hydro (proton) và một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy tham gia hai liên kết hóa học với các nguyên tử hydro, một liên kết cho mỗi hydro. Trong mỗi liên kết, nguyên tử oxy và hydro đều đóng góp một điện tử vào đám mây chung (Hình 1a).

Tương tự, trong các phân tử lipid với các gốc methylene CH2 và methyl CH3, nguyên tử carbon cũng tham gia liên kết hóa học với các nguyên tử hydro bằng cách đóng góp một điện tử vào đám mây chung giữa carbon và hydro. Ngoài ra, mỗi nguyên tử carbon còn có thể tham gia vào các liên kết hóa học với hai nguyên tử carbon khác như được minh họa trong Hình 1b.

Độ xê dịch hóa học giữa nước và mỡ

Khi so sánh proton trong phân tử nước H2O và proton trong gốc CH2 hoặc CH3 của lipid, chúng ta thấy rằng ái lực với điện tử của oxy cao hơn của car- bon: oxy của nước giữ đám mây điện tử chung của nó với hydro chặt hơn so với carbon của lipid.

Mặt khác, điện tử vốn mang điện âm, khi quay quanh trục của mình cũng sinh ra một từ trường. Khi điện tử ở gần proton, từ trường này tác động vào proton và làm thay đổi chút ít tần số quay của proton.
Với một từ trường cố định, proton của nước bị ảnh hưởng của điện tử ít hơn so với proton của lipid, và vì vậy proton của nước quay hơi nhanh hơn (Hình 1). Khi từ trường mạnh hơn, proton của nước càng quay nhanh hơn, chênh lệch thực sự về tần số quay của nước và mỡ sẽ lớn hơn.


Hình 1: Liên kết hóa học của proton trong phân tử nước và lipid. (a) Đám mây điện tử chung giữa oxy và hydro bị lệch nhiều về phía oxy, cho phép pro- ton quay nhanh hơn. (b) Đám mây điện tử giữa carbon và hydro trải đều giữa chúng làm cho proton trong các phân tử lipid quay chậm hơn.

Chúng ta cũng cần biết rằng do lipid là loại phân tử có cấu trúc phức tạp nên thực chất tần số quay của proton trong lipid cũng khác nhau tùy theo vị trí của chúng. Nghĩa là bản thân mỡ cũng có độ xê dịch hóa học nội tại của mình. Nói cách khác, mỡ là một chất có độ xê dịch hóa học không đồng nhất.

Ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học

Như chúng ta đã biết, tín hiệu cộng hưởng từ phụ thuộc vào “sức mạnh tổng hợp” của các proton. Nghĩa là sau khi tắt xung kích thích, số proton quay cùng pha càng lớn, tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh.

Độ xê dịch hóa học, vốn là sự khác biệt về tần số quay của các proton do đặc thù hóa học của các chất, sẽ nhanh chóng làm cho các proton “xa rời nhau”. Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do khi đó xảy ra rất nhanh, đồng nghĩa với việc tín hiệu cộng hưởng từ nhanh chóng giảm cường độ và biến mất.

Độ xê dịch hóa học còn khiến chúng ta phải tạo ra một xung kích thích có tần số cộng hưởng thích hợp, và đủ bao quát để cộng hưởng được với những proton có tần số cộng hưởng khác nhau. Điều này lại tạo ra một từ trường kém đồng nhất và đến lượt nó, từ trường kém đồng nhất này lại làm mất nhanh tín hiệu cộng hưởng từ.
Tuy nhiên trong một số trường hợp, độ xê dịch hóa học được tận dụng tối đa nhằm làm cho vùng cần khảo sát dễ thấy hơn. Chẳng hạn bằng cách dùng một xung kích thích có tần số thích hợp, người ta có thể làm mất hẳn tín hiệu được phát ra từ các mô mỡ, chỉ còn lại tín hiệu được phát ra từ nước. Nói cách khác, chúng ta đã “xóa mất mỡ” của vùng cần khảo sát trên hình cộng hưởng từ.

Về sau qua từng bối cảnh cụ thể, chúng ta sẽ bàn luận chi tiết hơn về ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học và giải thích rõ hơn ý nghĩa của từng điểm đã nêu ở trên.

2. ĐẶC TÍNH CỘNG HƯỞNG TỪ CỦA NƯỚC

Nước có mặt trong tất cả các mô cơ thể. Trong tế bào, nước là thành phần chủ yếu của bào tương, làm dung môi để hòa tan các chất và là môi trường để các quá trình sống xảy ra. Ngoài tế bào, nước có mặt trong các khoảng gian bào, mô kẽ và là thành phần chủ yếu của các chất dịch và máu.

Nhờ sự có mặt ở khắp nơi với mật độ cao và một cấu trúc hóa học với hai proton (hạt nhân hydro), tín hiệu cộng hưởng từ của nước từ các mô khác nhau trong cơ thể là nguồn tín hiệu quan trọng nhất để từ đó chúng ta xây dựng các ảnh cộng hưởng từ. Trong thực tế lâm sàng, các kỹ thuật phát xung và đo đạc tín hiệu chỉ cho phép kích thích và ghi nhận các tín hiệu được phát ra từ nước và mỡ. Do vậy đặc tính cộng hưởng từ của nước là một đề tài quan trọng cần được chú ý đặc biệt.

Mô hình hai khoang

Mặc dù có mặt trong hầu hết các mô với nhiều cấu trúc phức tạp khác nhau nhưng về mặt cộng hưởng từ, chúng ta có thể dùng một mô hình hai khoang đơn giản để mô tả tình trạng của nước: nước tù (bound water) và nước tự do (free water).

Nước tù nói chung là phần nước trong cơ thể bị hạn chế chuyển động. Tình trạng này xảy ra do các phân tử nước bị hút và bị giữ chặt hơn khi chúng nằm gần các phân tử cực lớn như protein, phospholipid và ADN. Những đại phân tử này thường có nhiều điểm tích điện trên bề mặt và có khuynh hướng hút các proton mang điện tích dương. Chúng tạo thành các cầu nối lỏng lẻo làm giảm bớt khả năng chuyển động tự do của các phân tử nước.

Nước tự do là phần nước trong cơ thể có thể chuyển động tự do vì không nằm gần các đại phân tử hoặc trong môi trường không có hoặc có ít các đại phân tử. Nếu môi trường có các đại phân tử, nước tự do bị chúng hút rất yếu nhờ nằm cách xa chúng và lực hút này dễ dàng bị phá vỡ do tốc độ di chuyển của chính các phân tử nước.

Nước trong các mô

Trong các mô mềm như gan, tụy và não với diện tích nội bào lớn, lượng nước tù chiếm nhiều hơn nước tự do. Ngược lại trong dịch não tủy, máu và nước tiểu, lượng nước tự do rõ ràng là chiếm đa phần. Nang và tuyến cũng có lượng nước tự do nhiều hơn đáng kể so với nước tù. Ở mức trung gian, các chất dịch với tỷ lệ protein cao như dịch tiết và dịch khớp cũng làm giảm đáng kể tỷ lệ lượng nước tự do trong dịch.

Đặc tính cộng hưởng từ

Trước tiên chúng ta cần nhấn mạnh rằng proton trong các phân tử nước tù và nước tự do đều có tần số cộng hưởng như nhau, nghĩa là không có độ xê dịch hóa học giữa nước tù và nước tự do. Khác biệt giữa chúng nằm ở chỗ: nước tự do chuyển động nhiều hơn nên tác động của từ trường đối với chúng xảy ra chậm hơn. Ngược lại, do bị các đại phân tử giữ chặt hơn, nước tù cùng với các đại phân tử hình thành một môi trường có cấu trúc khá “ổn định”. Sự ổn định này khiến cho nước tù “nhạy cảm” hơn với sự thay đổi của từ trường ngoài.
Chính vì vậy, tỷ lệ giữa nước tù và nước tự do trong các mô có ảnh hưởng rất lớn đến các thời gian hồi giãn đặc trưng của các mô. Hai phần tiếp theo sẽ bàn luận chi tiết về các đặc tính thời gian cùng với ảnh hưởng của tỷ lệ nước tự do và nước tù trong các mô đối với những đặc tính đó.

3. THỜI GIAN HỒI GIÃN DỌC T1

Khi không có từ trường ngoài tác động, các proton trong môi trường tự quay quanh trục của mình. Hướng của các trục quay hoàn toàn ngẫu nhiên nên mỗi proton mặc dù có một từ trường riêng nhưng tổng từ trường chung của các proton ở trạng thái này vẫn bằng zero.

Khi có một từ trường ngoài B0 thật mạnh tác động vào, các proton trong môi trường bắt đầu định lại trục quay của chính mình cho phù hợp với hướng tác động của từ trường. Theo quy ước, chúng ta xem như hướng tác động này là hướng của trục z. Trục quay của các proton có thể hướng cùng chiều với trục z hoặc ngược chiều với z. Số proton có trục hướng cùng chiều với z chỉ nhiều hơn chút ít so với số proton hướng ngược chiều trong mỗi triệu proton. Tuy khác biệt này rất nhỏ nhưng do số lượng proton trong cơ thể rất lớn (có ý nghĩa nhất là các proton nằm trong nước và mỡ), chúng vẫn tạo ra một từ trường nhỏ gọi là độ từ hóa thực M0 có hướng vectơ (hướng tác động) cùng chiều với chiều vectơ B0 (Hình 2).


Hình 2: Độ từ hóa thực M0 hướng theo trục z được tạo thành do sự chênh lệch về số lượng giữa các proton có trục quay cùng và ngược chiều với B0.

Trong bối cảnh này, độ từ hóa thực cũng chính là độ từ hóa dọc.
Khi phát ra một xung kích thích RF quay quanh trục z có tần số quay bằng với tần số quay của proton, từ trường B1 do xung RF tạo ra sẽ kéo vectơ M0 lệch khỏi trục z một góc lật a. Khi a = 90o, vectơ M0 bị lật hoàn toàn vào mặt phẳng xy, tạo thành độ từ hóa ngang.

Lúc này nếu tắt xung kích thích, môi trường chỉ còn chịu tác động của từ trường B0. Bối cảnh này tương tự như bối cảnh khởi đầu khi áp đặt từ trường B0 khi các proton đang có trục quay ngẫu nhiên định lại trục quay để rồi dần dần tạo ra độ từ hóa thực M0 hay độ từ hóa dọc. Nghĩa là sau khi tắt xung, dưới tác động của B0, độ từ hóa dọc dần dần được hình thành trở lại. Quá trình này gọi là quá trình hồi giãn dọc (longitudinal relaxation).

Đường cong của quá trình hồi giãn dọc

Trong quá trình hồi giãn dọc, vectơ từ hóa dọc lớn dần, lúc đầu thật nhanh nhưng về sau chậm dần cho đến độ lớn tối đa của nó là M0. Nghĩa là quá trình hồi giãn dọc xảy ra từ từ, ban đầu nhanh rồi dần dần chậm lại. Để cho dễ hình dung, người ta thường mô tả quá trình hồi giãn dọc bằng một đường cong cho thấy mức độ hồi phục của vectơ từ hóa dọc theo thời gian (Hình 3). Đường cong này cho thấy rằng hơn phân nửa độ lớn của vectơ từ hóa dọc được hồi phục rất nhanh, và người ta chọn thời gian hồi phục được khoảng 63% độ lớn của M0 làm thời gian tiêu biểu cho quá trình hồi phục này và gọi nó là thời gian hồi giãn dọc hay thời gian T1.

Hình 3 cũng cho thấy rằng khôi phục hoàn toàn M0 cần phải mất một khoảng thời gian gấp bốn đến năm lần thời gian T1. Do vậy trong thực tế, T1 được dùng thay cho thời gian hồi giãn dọc thực sự. Nếu dùng đơn vị đo là ms (mili-giây), thời gian T1 có giá trị từ khoảng 100 ms đến 3000 ms (3 giây).


Hình 3: Đường cong mô tả thời gian hồi giãn dọc cho thấy mối liên hệ giữa độ lớn của vectơ từ hóa dọc với thời gian. T1 là thời gian khôi phục được khoảng 63% độ lớn so với độ từ hóa thực M0. Sau khi mất thêm một khoảng thời gian T1 nữa (2T1), vectơ từ hóa dọc khôi phục được khoảng 86%. Thực tế, để khôi phục hoàn toàn độ từ hóa dọc phải mất một khoảng thời gian gấp bốn hoặc năm (4T1 hoặc 5T1) lần T1.

Thời gian T1 của một số mô điển hình

Với một từ trường có cường độ nhất định, mỗi mô trong cơ thể đều có một thời gian T1 khá đặc trưng. Trong các mô khác với mô mỡ, thời gian này thường phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nước tự do và nước tù: nước tự do càng nhiều, thời gian T1 càng dài vì sự chuyển động của các phân tử nước làm cho các proton khó định hướng lại trục quay của mình dưới tác dụng của từ trường ngoài. Chẳng hạn với từ trường 1,5 Tesla, thời gian T1 của dịch não tủy (nhiều nước tự do) có thể xấp xỉ 2400 ms, trong khi đó thời gian T1 của các mô mềm như chất trắng và chất xám thường không quá 1000 ms. Hình 4 trình bày một bảng các giá trị thời gian T1 ghi nhận được của các mô khác nhau trong một nghiên cứu được tiến hành và so sánh giữa các từ trường 0,5 và 1,5 Tesla.

Ghi nhận tổng quát từ Hình 4 cho thấy rằng mô mỡ có thời gian T1 ngắn hơn hẳn so với các mô khác. Các mô mềm như gan, cơ do diện tích bề mặt nội bào lớn và cấu trúc mô nhất quán nên chúng có thể giữ chặt được nhiều phân tử nước và làm cho thời gian T1 của chúng cũng khá ngắn. Dịch não tủy với thành phần chủ yếu là nước tự do có T1 rất dài. Khi so sánh giữa chất xám và chất trắng, T1 của chất trắng ngắn hơn so với T1 của chất xám vì chất trắng chứa nhiều mỡ hơn chất xám.


Hình 4: Giá trị T1 tính bằng đơn vị ms (mili-giây) của các mô khác nhau được đo trong hai từ trường với cường độ là 0,5T và 1,5T. Bảng này cũng cho thấy rằng khi cường độ từ trường tăng, thời gian T1 cũng tăng theo tuy mức độ tăng không đồng đều.

Theo chiều hướng đó, các loại dịch tiết trong cơ thể như dịch khớp và mủ có thời gian T1 dài hơn so với T1 của các mô mềm. Tuy nhiên nếu so với các dịch thấm như dịch não tủy và nước tiểu chẳng hạn, thời gian T1 của loại dịch thấm thường dài hơn đáng kể so với các loại dịch tiết vì chúng chứa rất ít các phân tử lớn.
Cũng cần ghi nhận rằng nước tự do trong máu cũng khá lớn nên T1 của máu không ngắn hơn nhiều so với T1 của dịch não tủy. Tuy nhiên do ảnh hưởng mạnh của dòng chảy trong máu nên thời gian T1 của máu không còn được dùng làm một tham số đặc trưng như trong các cấu trúc tĩnh. Các phần tiếp theo sẽ bàn luận chi tiết về hiệu ứng dòng chảy (flow effect) và những ứng dụng của nó trong lĩnh vực cộng hưởng từ tim mạch.

Ảnh hưởng của cường độ từ trường

Như chúng ta đã thấy trong Hình 4, khi cường độ từ trường tăng lên, thời gian T1 của các mô có xu hướng tăng theo mặc dù không đồng đều. Mô mỡ tăng rất ít, chỉ từ 210 ms ở từ trường 0,5T thành 260 ms ở từ trường 1,5T (tỷ lệ 260/210 ≈ 1,2). Các mô mềm đều tăng đáng kể, chẳng hạn tỷ lệ tăng của mô cơ là 870/550 ≈ 1,6. Dịch não tủy, do có lượng nước cao nên có thời gian T1 thay đổi ít hơn (tỷ lệ 2400/1800 ≈ 1,3).

Khác biệt thời gian T1 giữa các mô

Trong các ứng dụng lâm sàng, khác biệt thời gian T1 giữa các mô thường được tận dụng để tạo hình cộng hưởng từ, cho phép chúng ta phân định rõ ranh giới giữa chúng. Nghĩa là trên hình cộng hưởng từ, các mô có thời gian T1 khác nhau càng lớn thì mức độ trắng đen giữa chúng càng rõ mà theo cách nói trong nghề “hình ảnh”, chúng có độ tương phản (contrast) cao. Hình cộng hưởng từ sử dụng mức độ khác biệt T1 của các mô để tạo độ tương phản được gọi là hình trọng T1 (T1-weighted image). Hình 5 là một hình trọng T1 cho thấy rõ cấu trúc các mô. Độ tương phản và hình trọng T1 sẽ được thảo luận trong trong các phần tiếp theo.


Hình 5: Một hình trọng T1 chụp cắt ngang qua đầu cho thấy rõ các cấu trúc của các mô (chất trắng, chất xám, mô mỡ…).

4. THỜI GIAN HỒI GIÃN NGANG T2

Bây giờ chúng ta quay lại tình huống đã được mô tả ngay từ đầu Phần 2.3 mà ở đó, ngay sau khi tắt xung kích thích, độ từ hóa ngang đang quay quanh trục z với tần số quay bằng tần số quay của các proton. Do hiện tượng cảm ứng điện từ, độ từ hóa ngang này tạo ra một tín hiệu cộng hưởng từ có thể đo được bằng các thiết bị ghi nhận thích hợp.

Bắt đầu từ lúc này, ngoài hiện tượng hồi giãn dọc xảy ra dưới tác dụng của từ trường ngoài B0 đã được thảo luận trong phần trước, hai hiện tượng nhân quả đáng chú ý nữa xảy ra song song với hiện tượng hồi giãn dọc là:

  1. Quá trình hồi giãn ngang, trong đó độ từ hóa ngang giảm dần độ lớn rồi mất hẳn.
  2. Do độ từ hóa ngang giảm dần, tín hiệu cộng hưởng từ cũng giảm dần rồi mất hẳn. Đây được gọi là hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID (Hình 6).


Hình 6: Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID: theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu có độ lớn bằng M0 giảm dần rồi mất hẳn.

Trong khi cơ chế của quá trình hồi giãn dọc là sự tương tác giữa proton với môi trường (tương tác spin-lattice) xảy ra dưới tác dụng của từ trường ngoài B0, cơ chế của quá trình hồi giãn ngang lại do tương tác giữa các proton với nhau (tương tác spin-spin). Lúc đầu các proton quay cùng pha, tạo ra một “sức mạnh tổng hợp” tối đa. Theo thời gian, các proton quay gần nhau có thể “đụng nhau” (tác động từ tính qua lại) khiến cho chúng dần lệch pha, làm giảm bớt đi sức mạnh tổng hợp của chúng. Nghĩa là vectơ từ hóa ngang lúc này nhỏ hơn so với lúc đầu.

Đường cong của quá trình hồi giãn ngang

Tương tự như quá trình hồi giãn dọc, người ta cũng mô tả quá trình hồi giãn ngang bằng một đường cong (Hình 7). Đường cong này cho thấy mức độ hồi giãn ngang, tức là sự suy giảm của vectơ từ hóa ngang, lúc đầu xảy ra khá nhanh rồi chậm dần. Ở đây, thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2 được tính là khoảng thời gian để vectơ từ hóa ngang giảm đi khoảng 63% độ lớn của mình hay nói cách khác, nó chỉ còn khoảng 37% độ lớn.

Chúng ta cần nhớ rằng tín hiệu cộng hưởng từ được tạo ra do độ từ hóa ngang, vốn là một từ trường, quay quanh trục z. Do vậy, suy giảm vectơ từ hóa ngang sẽ gây ra hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID và thời gian T2 cũng chính là thời gian suy giảm tín hiệu cộng hưởng từ. Mặt khác, khi vectơ từ hóa dọc được khôi phục hoàn toàn thì vectơ từ hóa ngang chắc chắn không còn tồn tại nữa. Vì thế thời gian T1 có thể được xem như giá trị lớn nhất của T2 (trong trường hợp nước tinh khiết). Thực tế, T2 thường nhỏ hơn nhiều so với T1.


Hình 7: Đường cong mô tả thời gian hồi giãn ngang cho thấy mối liên hệ giữa độ lớn của vectơ từ hóa ngang với thời gian. T2 là thời gian vectơ từ hóa ngang chỉ còn khoảng 37% độ lớn so với độ lớn ban đầu M của nó. Nghĩa là hết một thời gian T2, nó đã mất khoảng 63% độ lớn của mình.

Thời gian T2 của một số mô điển hình

So với thời gian T1, thời gian T2 của các mô cơ thể thường ngắn hơn nhiều. Bảng được đưa ra trong Hình 8 minh họa cho chúng ta thấy điều này. Vì thời gian T2 biểu thị tốc độ suy giảm tín hiệu, giá trị T2 trong bảng đó giúp chúng ta so sánh độ suy giảm tín hiệu của các mô khác nhau. Với các mô có thời gian T2 ngắn, tín hiệu sẽ suy giảm nhanh và ngược lại với các mô có thời gian T2 dài, tín hiệu sẽ tồn tại lâu hơn. Do vậy theo bảng này, gan là mô có tín hiệu suy giảm nhanh nhất; dịch não tủy là mô có tín hiệu suy giảm lâu nhất.


Hình 8: Giá trị T2 tính theo đơn vị ms (mili-giây) của các mô khác nhau được đo trong một nghiên cứu giống như bảng của Hình 4. Nếu so sánh với giá trị T1 của bảng được cho trong Hình 4, giá trị T2 của các mô tương ứng nhỏ hơn nhiều, chỉ nằm trong khoảng từ vài chục đến vài trăm mili-giây.

Chúng ta cần nhớ rằng các mô trong cơ thể vốn phức tạp do chứa nhiều loại tế bào và các chất chuyển hóa khác nhau. Ở mức vi thể, chúng đều có những từ trường riêng rất nhỏ tác động qua lại, tạo ra một từ trường cục bộ không đồng nhất. Đây là một nguyên nhân làm cho các proton bị lệch pha ngoài nguyên nhân tương tác trực tiếp giữa các proton đã nêu.

Cụ thể, thời gian T2, tương tự như T1, cũng phụ thuộc vào tỷ lệ nước tự do/ nước tù trong các mô. Tuy nhiên sự phụ thuộc này lại có nguồn gốc từ sự không đồng nhất của từ trường cục bộ vừa nêu. Nước tự do có các phân tử chuyển động nhanh nên các proton của chúng ít bị tác động bởi tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ xung quanh. Ngược lại nước tù với các phân tử bị giữ chặt bởi các phân tử lớn khiến chúng dễ bị tác động của từ trường cục bộ này, làm ngắn thời gian T2 của những mô có lượng nước tù nhiều. Vỏ xương là một thí dụ rõ nhất. Tín hiệu của vỏ xương hầu như không có do vỏ xương hầu như không có nước tự do. Nước có mặt trong vỏ xương đều là nước tù và bị giữ quá chặt khiến cho thời gian T2 của vỏ xương cực ngắn và hầu như trong mọi chuỗi xung đều không ghi nhận được tín hiệu cộng hưởng từ.

Như vậy, dù căn nguyên là gì đi chăng nữa, cả thời gian T1 và T2 đều phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nước tự do và nước tù của các mô. Nhận xét vừa nêu cho phép chúng ta khẳng định rằng trong thực tế, các mô có thời gian T1 dài thường cũng có thời gian T2 dài và ngược lại.

Thời gian hồi giãn ngang T2*

Theo như đã mô tả trong phần trước, quá trình hồi giãn ngang xảy ra do sự tương tác giữa các proton, làm cho vectơ từ hóa ngang suy giảm dần trong thời gian T2. Tuy nhiên trong môi trường cơ thể, tín hiệu cộng hưởng từ thường mất khá nhanh chứ không tồn tại và kéo dài trong suốt thời gian T2, nghĩa là thời gian hồi giãn ngang thực tế này ngắn hơn so với thời gian hồi giãn ngang T2. Để phân biệt rõ ràng thời gian T2 thực tế với thời gian T2, người ta dùng khái niệm thời gian hồi giãn ngang T2*.

Lý do giải thích sự suy giảm nhanh chóng tín hiệu cộng hưởng từ này được quy cho các nguyên nhân đã dẫn đến tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học vốn có giữa các proton của mỡ và của nước. Tính không đồng nhất của từ trường cục bộ, xét ở một góc độ nào đó, là một nguyên nhân vốn có vì như đã giải thích trong phần trước, các mô cơ thể có rất nhiều chất với những từ trường khác nhau. Ngoài ra, các chất thuận từ được đưa từ ngoài vào (chẳng hạn như các thuốc tương phản từ) hay được tạo ra trong một quá trình bệnh lý cũng là một nguyên nhân gây ra tính không đồng nhất của từ trường cục bộ.

Cũng cần nhấn mạnh rằng thuật ngữ T2 được dùng với ý nghĩa thông thường là thời gian hồi giãn ngang biểu thị một đặc trưng vốn có của mỗi mô cơ thể. Trong trường hợp cần nói đến ảnh hưởng của những nguyên nhân khác, chẳng hạn ảnh hưởng của tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc do độ xê dịch hóa học, người ta dùng T2*. Điều này có nghĩa là T2* được dùng thay cho T2 trong những trường hợp đặc biệt với những mục đích đặc biệt.

Ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học

Như chúng ta đã biết từ Phần 1, độ xê dịch hóa học là sự khác biệt về tần số quay giữa các proton ở những phân tử khác nhau. Với những kỹ thuật cộng hưởng từ hiện có, proton của nước và của mỡ là hai nguồn quan trọng nhất tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ.

Trước tiên, bản thân mô mỡ chứa nhiều loại phân tử với những độ xê dịch hóa học khác nhau, mặc dù nguồn tín hiệu quan trọng nhất của mô mỡ là các proton CH2 bão hòa trong các phân tử triglyceride.

Thứ hai, proton của nước có tần số quay hơi nhanh hơn so với proton của CH2. Vì thế mặc dù lúc đầu khi vừa tắt xung kích thích, các proton của nước và của CH2 đều quay cùng pha nhưng theo thời gian, do ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học, chúng dần lệch pha nhau cho đến thời điểm pha của chúng chênh lệch nhau 180o (nghịch pha). Lúc này tín hiệu hoàn toàn bị biến mất. Thế nhưng vì proton của nước vẫn quay nhanh hơn proton của CH2 nên mất một khoảng thời gian bằng như thế nữa, proton của nước và của CH2 sẽ có pha chênh nhau 360o. Tại thời điểm này, chúng lại cùng pha và tín hiệu lúc này mạnh trở lại. Đây là cơ sở của kỹ thuật Dixon thực hiện xóa tín hiệu của mỡ sẽ được phân tích trong các phần tiếp theo.

Như vậy, độ xê dịch hóa học không hoàn toàn làm mất hẳn tín hiệu cộng hưởng từ: nó chỉ làm thay đổi tín hiệu cộng hưởng từ theo một quy luật nhất định. Quy luật này sẽ được sử dụng trong nhiều trường hợp để gợi ý hoặc khẳng định chẩn đoán.

Ảnh hưởng của các chất thuận từ

Chúng ta đã biết rằng chất thuận từ là nhóm chất có khả năng bị từ hóa dưới tác động của một từ trường. Khi đó chúng trở thành một nam châm yếu và từ trường của chúng hợp sức với từ trường hiện có, làm cho từ trường chung mạnh hơn, mặc dù so với tác động của nhóm chất sắt từ, sức mạnh bổ sung này khá nhỏ.

Tuy nhiên ở mức vi thể, chất thuận từ có thể làm mất tính đồng nhất của từ trường cục bộ, một nguyên nhân quan trọng làm suy giảm nhanh tín hiệu cộng hưởng từ, khiến cho thời gian T2* vốn đã ngắn lại càng ngắn hơn. Tuy nhiên ảnh hưởng này phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc giữa chất thuận từ với các phân tử nước. Một chất thuận từ có thể có rất ít tác động đối với mô nếu nó bao khuất không nằm sát với các phân tử nước.

Tùy theo hàm lượng và mức độ thuận từ, một chất thuận từ khi có tác động của một từ trường ngoài có thể làm tăng cường độ của từ trường cục bộ. Những chất thuận từ đó đôi khi được gọi bằng thuật ngữ chất nhạy từ (superparamagnetic) và được định nghĩa là những chất có khả năng từ hóa giữa mức chất sắt từ và chất thuận từ. Chẳng hạn các loại thuốc tương phản từ khi được đưa vào bằng đường tĩnh mạch đều nằm trong nhóm chất nhạy từ. Với một nồng độ cao và tiếp xúc đều khắp với các phân tử nước, các loại thuốc này làm tăng cường độ từ trường cục bộ, kết quả là cả thời gian T1 và T2 đều ngắn đi.

Một số quá trình bệnh lý có thể sản sinh ra các chất thuận từ. Thí dụ như trong quá trình phân hủy cục máu đông, một sản phẩm phân hủy hemoglobin của hồng cầu là chất methemoglobin, vốn là một chất thuận từ, có thể làm thay đổi tín hiệu của vùng bị xuất huyết. Trong giai đoạn bán cấp sớm, chất methemoglobin được tạo ra nhưng hồng cầu chưa bị vỡ nên ảnh hưởng của nó không rõ ràng. Tuy nhiên ở giai đoạn bán cấp muộn khi hồng cầu đã vỡ, methemoglobin làm thay đổi rõ rệt tín hiệu cộng hưởng từ.

Khác biệt thời gian T2 giữa các mô

Tương tự như T1, khác biệt thời gian T2 giữa các mô cũng được tận dụng để tạo sự tương phản giữa các mô trên hình cộng hưởng từ. Một hình cộng hưởng từ có sử dụng sự khác biệt thời gian T2 giữa các mô được gọi là hình trọng T2 (T2-weighted image): khác biệt T2 của hai mô càng lớn, mức độ trắng đen giữa chúng trên ảnh trọng T2 càng rõ. Hình 9 trình bày một hình trọng T2 của não cho thấy cấu trúc các mô không rõ ràng lắm. Tuy nhiên tín hiệu của dịch não tủy rất mạnh, thể hiện bằng hai vùng trắng tương ứng với hai não thất bên và các đường trắng len giữa các hồi não. Độ tương phản và hình trọng T2 cũng sẽ được thảo luận trong các phần tiếp theo.

5. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

Đến đây chúng ta đã nghiên cứu xong những đặc điểm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng từ trên các mô cơ thể. Chúng là cơ sở để trong những phần sau, với nhiều kỹ thuật cực kỳ độc đáo, chúng ta có thể “nhìn thấu” vào trong cơ thể sống bằng cách tạo ra những hình ảnh giống như thể chúng ta đang cắt cơ thể sống ra thành từng lớp để biết được chúng đang “sống” như thế nào. Những khái niệm quan trọng và đáng chú ý trong phần này được tóm tắt như dưới đây:


Hình 9: Một hình trọng T2 chụp cắt ngang qua đầu ngang mức não thất bên cho thấy rõ hình dạng của hai não thất bên nhờ chứa nhiều dịch não tủy. Phân biệt giữa chất xám và chất trắng không được rõ ràng.

  • Hình ảnh cộng hưởng từ được tạo thành từ hai nguồn tín hiệu quan trọng của cơ thể là nước và mỡ. Các proton của nước có tần số quay nhanh hơn chút ít so với tần số quay của các proton trong mỡ. Khác biệt này thường được gọi là độ xê dịch hóa học.
  • Nước là thành phần chủ yếu có mặt khắp nơi trong cơ thể. Về mặt tín hiệu cộng hưởng từ, chúng ta chỉ phân biệt hai loại nước trong cơ thể: nước tù và nước tự do.
  • Nước tù là phần nước nằm gần các phân tử lớn. Những phân tử nước ở tình trạng này bị các đại phân tử hút chặt nên chúng chuyển động rất ít, do vậy chúng dễ bị tác động của từ trường.
  • Ngược lại, nước tự do chuyển động rất nhanh vì chúng ở xa các đại phân tử. Nhờ tốc độ chuyển động như thế, nước tự do bị tác động của từ trường chậm hơn nước tù.
  • Quá trình hồi giãn dọc xảy ra do sự tương tác giữa proton với môi trường dưới tác dụng của từ trường ngoài. Thời gian hồi giãn dọc còn được gọi là T1.
  • Quá trình hồi giãn ngang và hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID là hai hiện tượng nhân quả xảy ra song song với quá trình hồi giãn dọc. Thời gian hồi giãn ngang còn được gọi là T2 và thường ngắn hơn nhiều so với T1.
  • Tín hiệu cộng hưởng từ của mô thường suy giảm nhanh hơn so với thời gian T2 của nó. Nguyên nhân của nó được quy cho tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học của các mô. Khi đó, T2 được gọi là T2*.
  • Tỷ lệ giữa nước tự do và nước tù là một dấu chỉ quan trọng cho tính chất cộng hưởng từ của mô. Các mô mềm có lượng nước tù nhiều hơn nên thời gian T1 và T2 thường ngắn. Các loại dịch tiết có lượng nước tự do nhiều hơn nên T1 và T2 dài hơn. Tuy nhiên các loại dịch thấm luôn có T1 và T2 dài nhất vì có lượng nước tự do nhiều nhất.
  • Khác biệt thời gian hồi giãn giữa các mô có thể được dùng để phân định cấu trúc của chúng trên hình cộng hưởng từ. Một hình dùng T1 để phân định cấu trúc của các mô được gọi là hình trọng T1. Tương tự, một hình dùng T2 để phân định cấu trúc của các mô được gọi là hình trọng T2.

Tham khảo: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 2, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 19-34.

PHẦN 1: HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Hiểu rõ những khái niệm vật lý của hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân là bước quan trọng đầu tiên giúp chúng ta nắm bắt được cơ chế của quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ. Bản thân hiện tượng cộng hưởng từ đến lượt nó lại dựa trên cơ sở những hiện tượng có liên quan đến trường và sóng điện từ. Bài này chúng ta sẽ cố gắng thiết lập những nguyên lý căn bản nhất làm nền tảng cho các kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ: bắt đầu từ những hiện tượng vật lý có liên quan đến cộng hưởng từ và tín hiệu cộng hưởng từ. Hiệu ứng cộng hưởng từ của các mô cơ thể. Sau khi tìm hiểu các nguyên lý tương phản trong, chúng ta sẽ nghiên cứu về quá trình đo tín hiệu và tạo ảnh cộng hưởng từ. Với những hiểu biết đó, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về các kỹ thuật cộng hưởng từ.
Bây giờ, chúng ta hãy khởi đầu bằng những hiện tượng vật lý căn bản:

  • Từ tính và từ trường
  • Khả năng từ hóa của các chất
  • Trường và sóng điện từ
  • Từ tính của hạt nhân nguyên tử
  • Hiện tượng cộng hưởng từ
  • Tín hiệu cộng hưởng từ

1. TỪ TÍNH VÀ TỪ TRƯỜNG

Trong đời sống hàng ngày, chúng ta vẫn gặp một số vật có khả năng hút các vật khác khi đặt gần nó. Những vật có khả năng đó chúng ta thường gọi là nam châm (magnet).

Từ tính của nam châm

Ngoài hiện tượng hút một số vật, nam châm cũng có khả năng đẩy một số vật khác. Khả năng hút hoặc đẩy các vật khác được xem như một tính chất vốn có của nam châm và được gọi là tính chất từ hay từ tính (magnetism) của nó.

Khi đặt hai thanh nam châm gần nhau, người ta nhận thấy mỗi thanh đều có hai đầu rõ rệt: Lấy một đầu của thanh A lần lượt đặt gần mỗi đầu của thanh B, nó bị một đầu hút và một đầu đẩy. Kết quả ngược lại khi dùng đầu còn lại của thanh A: một đầu đẩy và một đầu hút.

Người ta cũng nhận thấy rằng trái đất của chúng ta cũng là một nam châm (khổng lồ). Từ tính của trái đất đã được biết đến từ lâu khi nhận xét rằng một đầu của kim la bàn, vốn là một thanh nam châm, luôn chỉ về hướng bắc (north) còn đầu kia luôn chỉ về hướng nam (south).

Dựa theo tên gọi của “nam châm trái đất”, đầu chỉ về hướng nam của nam châm được gọi là cực bắc N (North); đầu chỉ về hướng bắc của nam châm được gọi là cực nam S (South). Khi đặt hai nam châm gần nhau, hai cực cùng tên sẽ đẩy nhau còn hai cực khác tên sẽ hút nhau (Hình 1).

Hình 1: Cực của nam châm được đặt tên dựa theo cực của trái đất. Các cực cùng tên đẩy nhau còn các cực khác tên hút nhau.

Từ trường

Khi có sự hiện diện của nam châm, môi trường xung quanh nó bị tác động bởi từ tính của nam châm, hình thành một môi trường “có từ tính” và được gọi là từ trường (magnetic field). Sức tác động của nam châm đối với môi trường được gọi là cường độ từ trường (magnetic field strength) và thường được đo bằng đơn vị Tesla (T). Trái đất, dù được xem là một nam châm khổng lồ, lại có cường độ từ trường rất nhỏ. Thực tế, cường độ từ trường 1 Tesla gấp khoảng 20.000 lần cường độ từ trường của trái đất. Do vậy với các loại máy chụp cộng hưởng từ hiện nay có cường độ từ trường khoảng 0,2 đến 3 Tesla, ảnh hưởng của từ trường trái đất được xem như không đáng kể.
(Cường độ từ trường cũng thường được đo bằng đơn vị Gauss (G) với 1T = 10.000G.)

Vectơ biểu diễn từ trường

Để mô tả cường độ từ trường một cách trực quan, người ta hay vẽ một mũi tên (đoạn thẳng có hướng). Hướng của vectơ chỉ ra hướng tác động của cường độ từ trường. Chiều dài vectơ biểu thị độ lớn của cường độ. Trong phạm vi của một cuốn sách mô tả các khái niệm một cách định tính nhiều hơn định lượng, chúng ta không câu nệ vào từng đơn vị đo chiều dài cụ thể để quy ra cường độ từ trường mà chỉ cảm nhận thật đơn giản: vectơ càng dài, cường độ càng lớn (Hình 2).


Hình 2: Biểu diễn từ trường bằng vectơ. Trong hình là tên và chiều tác động của một số từ trường thường gặp; chiều tác động được vẽ theo quy ước chung. Độ dài của vectơ biểu thị một cách tương đối cường độ của từ trường: vectơ càng dài, cường độ từ trường càng lớn.

2. KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT

Khi đưa một thỏi sắt vào từ trường của một nam châm, người ta nhận thấy thỏi sắt bị hút rất mạnh về phía nam châm. Điều này cho thấy rằng thỏi sắt đã bị “nhiễm từ” hay bị từ hóa và biến thành nam châm. Nghĩa là, thỏi sắt cũng có khả năng hút thanh nam châm. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ hóa (magnetization).

Lập lại thí nghiệm trên với một thỏi nhôm, người ta thấy thỏi nhôm bị từ hóa rất yếu, chỉ nhận ra khi quan sát thật kỹ. Tuy nhiên khi thay thỏi nhôm bằng một miếng bismut, người ta không những chẳng thấy miếng bismut bị nam châm hút mà còn thấy bismut bị đẩy ra khỏi thanh nam châm (dù rằng rất yếu).

Qua ba thí nghiệm nêu trên và nhiều thí nghiệm tương tự, người ta nhận định và phân chia các chất thành ba nhóm với khả năng từ hóa khác nhau: chất sắt từ (ferromagnetic material), chất thuận từ (paramagnetic material) và chất nghịch từ (diamagnetic material).

Chất sắt từ

Sắt từ là nhóm chất có khả năng từ hóa mạnh giống như sắt trong thí nghiệm đã nêu. Những chất này khi bị từ hóa có thể tạo ra một từ trường mạnh và làm thay đổi các tín hiệu cộng hưởng từ của các mô cơ thể. Vì thế nên mọi vật dụng có chứa các chất thuộc nhóm sắt từ (điện thoại, thẻ từ, chìa khóa…) đều không được đưa vào phòng cộng hưởng từ. Một số bệnh nhân có các thiết bị cấy ghép cũng không chụp cộng hưởng từ được.

Chất thuận từ

Chất thuận từ là nhóm chất có khả năng từ hóa yếu (giống như nhôm trong thí nghiệm đã nêu) nên có thể “nhiễm từ” ở một mức độ nhất định. Một số quá trình bệnh lý, chẳng hạn như xuất huyết não, có thể sản sinh ra những chất thuận từ và làm tăng tín hiệu cộng hưởng từ ở vùng não bị tổn thương.

Chất nghịch từ

Chất nghịch từ là nhóm chất “dị ứng” với từ trường giống như bismut trong thí nghiệm đã nêu. Chúng có thể hoàn toàn “trơ” đối với nam châm hoặc phản ứng “nghịch từ” rất yếu nên không ảnh hưởng đến tình trạng từ tính của nam châm. Đa số các chất trong cơ thể sống đều thuộc nhóm này.

Một số tài liệu phân định thêm một nhóm chất gọi là superparamagnetic material (chất nhạy từ) có khả năng từ hóa trung gian giữa chất sắt từ và chất thuận từ.

3. TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

Vật lý học hiện đại đã chứng minh được mối liên hệ giữa điện trường và từ trường qua hai luận điểm Maxwell: (1) từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra điện trường; (2) ngược lại điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra từ trường. Hiện tượng biến đổi điện trường thành từ trường và ngược lại được đặt tên là hiện tượng cảm ứng điện từ (electromagnetic induction). Điện trường và từ trường cùng nhau tạo thành một môi trường thống nhất và được gọi chung là trường điện từ (electromagnetic field). 

Sóng điện từ

Khi làm cho trường điện từ thay đổi theo thời gian, trường điện từ biến thiên này lan truyền trong không gian tạo thành sóng điện từ (electromagnetic wave). Chúng ta có thể hình dung sóng điện từ lan truyền trong không gian tương tự như những gợn sóng lan truyền trên mặt nước khi ném một cục đá nhỏ xuống một hồ nước phẳng lặng. Thực tế là các sóng radio (sóng vô tuyến), tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều là sóng điện từ.

Trong kỹ thuật cộng hưởng từ, các xung và tín hiệu cộng hưởng từ đều là các sóng radio (radiofrequency, viết tắt là sóng RF hoặc xung RF) mà về cơ bản có dạng hình sine tương tự như trong hình 3. Những tham số mô tả một sóng như thế gồm có chu kỳ (cycle), tần số (frequency), bước sóng (wave length), biên độ (amplitude) và pha (phase).

Để dễ nắm bắt được những khái niệm vừa được liệt kê, chúng ta thử hình dung có một vận động viên đang chạy “đều bước”. Quan sát một bàn chân của anh ta, chẳng hạn như bàn chân phải, chúng ta thấy cách thức nó hoạt động trông tương tự như sóng hình sine trong hình 3. Nếu xem vị trí khởi đầu là vị trí bàn chân đang ở sát mặt đất, nó sẽ được đưa cao dần lên cho đến một vị trí cao nhất rồi bắt đầu hạ thấp dần xuống cho đến khi chạm lại mặt đất. Sau đó quá trình này được lập lại nhiều lần và hoàn toàn giống nhau.

Theo đó, khoảng thời gian giữa hai lần bàn chân phải chạm đất (một bước chạy) được gọi là một chu kỳ. Khoảng thời gian giữa hai lần nó duỗi thẳng ra trước cũng bằng khoảng thời gian giữa hai lần nó chạm đất và cũng được xem là một chu kỳ.


Hình 3: Hình ảnh một sóng hình sine điển hình. Trục dọc biểu diễn cho độ lớn (biên độ) của sóng; trục ngang biểu diễn thời gian. Khoảng thời gian để sóng truyền giữa hai điểm đánh dấu trên hình (đoạn được vẽ đậm) gọi là một chu kỳ.

Nếu đếm được số bước chạy (số chu kỳ) trong một giây, chúng ta gọi đó là tần số. Chẳng hạn nếu vận động viên chạy được 15 bước trong một giây, chúng ta nói tần số là 15 chu kỳ/giây hay 15 hertz (Hz). Trong nhiều trường hợp, tần số có thể được tính bằng megahertz (MHz) với 1 MHz = 106 Hz (một triệu Hz).

Chiều dài của mỗi bước chạy có thể được tính bằng khoảng cách giữa hai lần bàn chân phải chạm đất. Khi đó nó có thể được xem như tương ứng với bước sóng của sóng điện từ.

Bây giờ đến lượt khái niệm biên độ, đó là khoảng cách giữa vị trí cao nhất và thấp nhất mà bàn chân có thể đạt tới được. Đối với sóng, biên độ cho biết độ lớn của sóng. Trong hình 3, trục dọc biểu diễn biên độ tức độ lớn của sóng. Vì bản thân tín hiệu cộng hưởng từ cũng là sóng radio nên khi biên độ của tín hiệu càng cao, bản thân tín hiệu càng mạnh.

Để minh họa cho khái niệm pha của sóng, giả sử chúng ta quan sát cả hai bàn chân. Hoạt động của chúng hầu như hoàn toàn nhịp bước với nhau, nghĩa là cùng tần số, ngoại trừ một điểm là khi bàn chân phải chạm đất thì bàn chân trái đang ở lơ lửng tại vị trí cao nhất và ngược lại. Chúng ta nói hai bàn chân hoạt động nghịch pha với nhau. Nếu thay vì chạy, vận động viên đó lại “nhảy bao bố” thì chúng ta nói hai bàn chân hoạt động cùng pha với nhau, nghĩa là nhịp bước song song với nhau.

Đối với khái niệm pha của sóng, chúng ta cần nói chính xác hơn một ít. Giả sử chúng ta có hai sóng hình sine cùng tần số, nghĩa là cứ mỗi giây, số lần mỗi sóng trở lại một vị trí giống như trước đó đều như nhau. Nếu so ghép hai sóng vào cùng một hình thì theo trục thời gian, hai sóng có thể trùng khớp lên nhau (Hình 4a) hoặc lệch nhau (Hình 4b).


Hình 4: Pha của hai sóng hình sine. (a) Hai sóng cùng pha, độ chênh lệch pha giữa chúng có thể là 0° hoặc 360°. (b) Hai sóng lệch pha, độ chênh lệch pha giữa chúng có thể là một giá trị từ 0 đến 360°. (c) Hai sóng nghịch pha, độ chênh lệch pha giữa chúng là 180°.

Trong hình 4a, chúng ta có hai sóng cùng pha và nói rằng chúng có pha chênh nhau một góc 0°. Nếu giữ yên một sóng và xê dịch tới trước một sóng sao cho chúng lại trùng khớp với nhau, chúng ta nói hai sóng có pha chênh nhau một góc 360°. Tuy nhiên để cho đơn giản, chúng ta xem như hai sóng cùng pha là hai sóng có pha chênh nhau 0°.
Trong hình 4b, hai sóng chênh nhau chút ít nhưng chưa đủ để chúng lại trùng khớp với nhau như trong hình 4a. Khi này chúng ta nói hai sóng có pha chênh nhau một góc với giá trị nằm trong khoảng từ 0° đến 360°. Trường hợp đặc biệt xảy ra trong hình 4c với hai sóng được gọi là nghịch pha nhau (chênh nhau 180°) khi tại một thời điểm, một sóng đang ở vị trí cao nhất còn một sóng đang ở vị trí thấp nhất.

Một điểm quan trọng cần ghi nhận ở đây: khi hai sóng cùng pha, sức mạnh tổng hợp của chúng sẽ tăng lên (nhảy bao bố); khi hai sóng lệch pha (chân thấp chân cao), sức mạnh đó sẽ giảm đi. Đặc biệt, sức mạnh của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong trường hợp chúng nghịch pha.

Phổ sóng điện từ

Để độc giả hình dung được bức tranh tổng thể về vai trò của sóng điện từ và sự an toàn của các sóng radio được dùng trong cộng hưởng từ, chúng tôi trình bày phổ các sóng điện từ được phân chia dựa vào tần số của chúng như trong hình 5. Trong hình này chúng ta thấy dải tần số của ánh sáng nhìn thấy được rất hẹp, chỉ quanh quẩn trong dải tần 1015 Hz; dải tần số của sóng radio khá rộng, trải dài từ khoảng tần số 103 Hz đến 1010 Hz. Nên biết rằng tia X được dùng để chụp X quang và CT cũng là một loại sóng điện từ nhưng có tần số rất cao. Từ dải tần số này trở lên, các sóng điện từ bắt đầu có khả năng ion hóa và gây hại cho tế bào.

Bây giờ sau khi đã ôn lại những khái niệm vật lý cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về từ tính của hạt nhân nguyên tử mà chủ yếu là hạt nhân nguyên tử hydro (chỉ có một hạt proton). Sau đó sẽ tìm hiểu về hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân, một hiện tượng cơ sở của các kỹ thuật cộng hưởng từ.

4. TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Như chúng ta đã biết qua hai luận điểm Maxwell như đã trình bày ở trên, điện trường biến thiên sẽ sinh ra từ trường. Các hạt cơ bản của nguyên tử có mang điện tích như proton (mang điện dương) và electron (điện tử mang điện âm), với thuộc tính vốn có là tự quay quanh trục (tính chất spin) của chúng, đều sinh ra một từ trường rất nhỏ và như thế có thể được xem như một nam châm. Khi nghiên cứu tính chất spin của các hạt cơ bản, người ta cũng thường gọi các nam châm tí hon này là spin. Trong cuốn sách này, hai thuật ngữ spin và proton sẽ được dùng lẫn lộn và xem như đồng nghĩa.


Hình 5: Phổ tần số của các sóng điện từ. Các sóng có tần số lớn hơn 1016 Hz (vạch đậm ngang) đều có khả năng ion hóa và gây hại cho tế bào sống.

Hạt nhân hydro

Nguyên tử hydro chỉ chứa một proton và một electron. Vì chỉ có duy nhất một proton trong hạt nhân (không có hạt neutron), hạt nhân hydro thường được gọi đơn giản là proton. Mặt khác, hydro chiếm một lượng khá lớn trong thành phần của nước và mỡ, những chất vốn có mặt ở hầu hết các mô cơ thể, vì thế nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tạo hình ảnh cộng hưởng từ. Trong những phần sau đây, chúng ta bàn luận chủ yếu về tính chất spin của các proton (hạt nhân nguyên tử hydro).

Độ từ hóa thực

Khi không có tác dụng của từ trường bên ngoài, các proton hay spin quay quanh trục của chúng với hướng các trục quay hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi đó từ trường của chúng tương tác và bù trừ qua lại làm triệt tiêu từ trường chung (Hình 6).


Hình 6: Trục quay ngẫu nhiên của các proton làm cho từ trường chung bằng zero khi không có tác dụng của từ trường ngoài.

Khi có tác động của một từ trường bên ngoài, ký hiệu là B0, các proton sẽ chịu tác động của từ trường và định hướng lại trục quay của mình theo từ trường ngoài B0: một số có trục quay cùng chiều với chiều tác động của từ trường B0; một số khác lại có trục quay ngược chiều với chiều tác động của nó (Hình 7). Thực tế đo đạc lâm sàng đã cho thấy rằng cứ ứng với một triệu proton trong cơ thể, số lượng proton cùng chiều với B0 chỉ nhiều hơn một hoặc hai so với số proton ngược chiều. Sự khác biệt “nhỏ bé” này chính là độ từ hóa thực M0 (net magnetization), mà như chúng ta sẽ thấy trong những phần sau, nó vốn là một từ trường làm cơ sở để tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ. Độ từ hóa thực tăng lên khi cường độ từ trường B0 tăng và do vậy tín hiệu cộng hưởng từ tỷ lệ với cường độ từ trường B0.

Trạng thái năng lượng của proton

Khi proton có trục quay cùng chiều với chiều tác động của từ trường, nó ở trạng thái năng lượng thấp và bền vững. Khi proton có trục quay ngược chiều với chiều tác động của từ trường, nó ở trạng thái năng lượng cao, kém bền vững và có xu hướng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái năng lượng thấp (cùng chiều với từ trường). Theo lý thuyết lượng tử, proton chỉ có khả năng giải phóng hay hấp thụ một năng lượng vừa đủ để nó chuyển bật từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp và ngược lại (Hình 8). Năng lượng này là một quang tử (photon).


Hình 7: Khi có tác dụng của một từ trường ngoài B0, các proton sẽ định lại trục quay cùng hoặc ngược chiều với chiều tác động của từ trường ngoài. Chênh lệch giữa số proton cùng chiều và ngược chiều sẽ tạo ra một từ trường thường được gọi là độ từ hóa thực.

Trong thực tế, proton không hề ở nguyên một trạng thái mà luôn tương tác với nhau (tương tác spin-spin) và với môi trường xung quanh (tương tác spin-lattice), giải phóng và hấp thu năng lượng để chuyển bật qua lại giữa các trạng thái. Tuy nhiên nhìn tổng thể, số proton cùng chiều và ngược chiều với từ trường ngoài hoàn toàn ổn định.


Hình 8: Chuyển bật từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp giải phóng một quang tử; ngược lại chuyển bật từ trạng thái thấp sang trạng thái cao sẽ hấp thụ một quang tử.

Tần số cộng hưởng

Tốc độ quay của các proton đều giống nhau và phụ thuộc vào từ trường. Mối liên hệ giữa tốc độ quay của proton và cường độ từ trường được diễn tả bằng một công thức đơn giản sau đây, còn được gọi là phương trình Larmor:
F  =  γBo
trong đó F là tần số quay (số vòng quay được mỗi giây) hay tần số cộng hưởng (resonance frequency), Bo là cường độ từ trường còn g là một giá trị không đổi gọi là hằng số Larmor. Đối với proton, γ có giá trị xấp xỉ 42,58 MHz/T (42,58 triệu chu kỳ mỗi giây cho mỗi Tesla từ trường).
Theo phương trình Larmor, chúng ta có thể tính tần số cộng hưởng của proton ở các từ trường khác nhau. Thí dụ tần số cộng hưởng của proton ở từ trường 1 Tesla là 42,58 MHz, tần số cộng hưởng của proton ở từ trường 1,5 Tesla là 63 MHz.

5. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TỪ

Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance, viết tắt là NMR) được phát hiện hoàn toàn độc lập bởi Felix Bloch và Edward Purcell năm 1946 (cả hai được nhận giải Nobel năm 1952). Khi cộng hưởng từ hạt nhân được sử dụng phổ biến trong y khoa vào cuối thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, do tính chất “nhạy cảm” của thuật ngữ hạt nhân (thường liên quan đến các vấn đề phóng xạ), người ta có xu hướng bỏ thuật ngữ hạt nhân mà chỉ nói đơn giản là cộng hưởng từ (magnetic resonance, viết tắt là MR) hoặc chụp cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging, MRI). Trọng tâm của phần này nhằm trả lời cho câu hỏi: cộng hưởng từ là gì?

Vectơ độ từ hóa thực

Để mô tả hiện tượng cộng hưởng từ, trước tiên chúng ta xây dựng một hệ trục tọa độ vuông góc với ba trục xyz như trong hình 9. Trục z là trục thẳng đứng theo chiều tác dụng của từ trường ngoài B0, còn mặt phẳng xy vuông góc với trục z. Từ trường ngoài B0 gây ra một độ từ hóa thực M0 có vectơ hướng cùng chiều với B0, vì vậy độ từ hóa thực còn được gọi là độ từ hóa dọc Mz (longitudinal magnetization). Cần nhớ rằng vào thời điểm này, các proton đang quay với tần số cộng hưởng γB0

Xung kích thích

Bây giờ chúng ta cho phát ra một xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB0, tạo ra một từ trường B1 vuông góc với B0 (Vì sóng radio là sóng điện từ nên khi lan truyền, nó sẽ tạo ra một từ trường). Do B1 quay quanh z với cùng tần số cộng hưởng γB0 của các proton nên đối với các proton, từ trường B1 “không hề chuyển động”. Có nghĩa rằng đối với chúng, từ trường B1 là từ trường tĩnh giống như từ trường B0.


Hình 9: Từ trường ngoài B0 tạo ra độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc.

Dưới tác dụng của từ trường B1 trong một thời gian nhất định, vectơ M0 thay đổi và lệch ra khỏi trục z một góc a. a được gọi là góc lật (flip angle) và có giá trị tùy thuộc vào cường độ từ trường B1 và thời gian phát xung. Để cho đơn giản, người ta dùng a để chỉ xung RF đã tạo ra nó. Chẳng hạn nếu góc lật là 90° thì xung đã phát ra được gọi là xung RF 90° hay xung 90°; nếu góc lật 180° thì gọi là xung 180°.

Cộng hưởng từ hạt nhân

Cho tới lúc này, câu hỏi “Cộng hưởng từ là gì?” đã có thể trả lời được. Từ trường B1 quay quanh trục quay của các proton (hạt nhân) theo cùng tần số quay γB0 của các proton đã cộng hưởng với chúng, làm cho độ từ hóa thực lệch ra khỏi trục quay một góc lật a.

Xung 90°

Chúng ta hãy đi sâu tìm hiểu chi tiết một xung đặc biệt được dùng phổ biến nhất: xung 90° (Hình 10). Dưới tác dụng của xung kích thích kéo dài trong một khoảng thời gian và với một tần số thích hợp, độ từ hóa thực đang hướng theo trục z sẽ bị lật ngang (90°) và nằm hẳn trong mặt phẳng xy. Độ từ hóa thực khi đó đã chuyển hoàn toàn thành độ từ hóa ngang Mxy (transverse magnetization) quay quanh z với tần số cộng hưởng γB0. Độ từ hóa dọc lúc này hoàn toàn biến mất.


Hình 10: Xung 90° làm lật ngang hướng của M0, khiến nó lúc này nằm trong mặt phẳng xy vuông góc với trục z và được gọi là độ từ hóa ngang Mxy.

Quá trình hồi giãn dọc

Bây giờ ngừng phát xung (tắt từ trường B1). Các proton lúc này chỉ còn chịu tác dụng của từ trường B0 và có xu hướng giải phóng phần năng lượng đã hấp thu từ xung vào môi trường xung quanh để trở về trạng thái năng lượng thấp (cân bằng). Tương tác này vì thế có tên là tương tác spin-lattice.

Trong quá trình tương tác spin-lattice, độ từ hóa dọc, dưới tác dụng của từ trường B0 ban đầu sẽ dần dần được khôi phục lại (Hình 11). Quá trình khôi phục độ từ hóa dọc Mz được gọi là quá trình hồi giãn dọc (longitudinal relaxation). Khoảng thời gian cần thiết cho quá trình hồi giãn dọc được gọi là thời gian hồi giãn dọc hay thời gian T1.

Trong thực tế, T1 được xem là thời gian cần thiết để độ từ hóa dọc khôi phục lại khoảng 63% giá trị ban đầu M0 của nó. Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ biết rằng T1 là một tham số khá đặc trưng cho mỗi mô và được dùng để tạo độ tương phản giữa các mô trên hình cộng hưởng từ.

6. TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ

Như đã nói trong phần trước, khi cho từ trường B1 dưới dạng một xung radio quay quanh trục z, vuông góc với nó và có tần số quay bằng với tần số quay của các proton, từ trường B1 sẽ cộng hưởng với các proton, làm lệch độ từ hóa thực M0 ban đầu một góc lệch a so với trục z. Nếu dùng xung 90° (a = 90°), độ từ hóa thực M0 dần bị lật ngang và rơi vào mặt phẳng xy thành độ từ hóa ngang Mxy quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB0. Nếu ngừng phát xung thì như đã trình bày trong Phần 3, từ trường biến thiên Mxy này sẽ sinh ra một sóng điện từ (ở đây là sóng radio) có thể phát hiện được bằng các thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn như ăng-ten. Sóng radio này chính là tín hiệu cộng hưởng từ (magnetic resonance signal). Quá trình tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ như trên được gọi là quá trình cảm ứng cộng hưởng từ (magnetic resonance induction).


Hình 11: Quá trình hồi giãn dọc sau khi ngừng phát xung. Độ từ hóa ngang Mxy giảm dần trong khi độ từ hóa dọc Mz lớn dần lên, khôi phục lại độ từ hóa thực M0. Từ trường tổng hợp của chúng lúc này là M.

Như vậy, tín hiệu cộng hưởng từ có nguồn gốc từ độ từ hóa thực M0 khi nó bị lật ngang thành độ từ hóa ngang Mxy và vì thế, cường độ của tín hiệu phụ thuộc vào độ lớn của độ từ hóa thực M0.

Quá trình hồi giãn ngang

Sau khi tắt xung, về nguyên tắc độ từ hóa ngang chỉ mất hẳn khi độ từ hóa dọc đã khôi phục hoàn toàn. Tuy nhiên trong thực tế, độ từ hóa ngang thường mất khá nhanh, đồng nghĩa với tín hiệu cộng hưởng từ cũng mất khá lâu trước khi độ từ hóa dọc khôi phục xong.
Do tác dụng trước đó của xung kích thích nên sau khi tắt, các proton vẫn còn quay cùng pha với nhau. Theo thời gian, các proton va chạm với nhau rồi lệch pha. Chúng dần dần “mất đoàn kết nội bộ”, dẫn đến tình trạng “nội lực tổng hợp” Mxy suy giảm dần rồi mất hẳn. Quá trình này, được gọi là quá trình hồi giãn ngang (transverse relaxation), vốn xảy ra khá nhanh so với quá trình hồi giãn dọc. Khoảng thời gian xảy ra quá trình hồi giãn ngang được gọi thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2.

Cần nhớ rằng quá trình hồi giãn dọc và hồi giãn ngang xảy ra hoàn toàn độc lập với nhau vì cơ chế vật lý của chúng hoàn toàn khác nhau: nguyên nhân của quá trình hồi giãn dọc là sự tương tác giữa spin và môi trường (tương tác spin-lattice) làm giải phóng năng lượng đã hấp thụ từ xung kích thích; nguyên nhân của quá trình hồi giãn ngang là sự tương tác giữa các spin (tương tác spin-spin) làm chúng dần lệch pha với nhau, dẫn đến sức mạnh tổng hợp của chúng giảm dần rồi mất hẳn. Tuy nhiên cũng cần biết rằng nếu không có tương tác spin-spin, độ từ hóa ngang cũng sẽ mất hẳn khi độ từ hóa dọc khôi phục lại hoàn toàn. Vì thế thời gian T2 không thể dài hơn thời gian T1. Nói cách khác, thời gian T1 chính là cận trên của thời gian T2.

Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do

Do cơ chế của quá trình hồi giãn ngang, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu sẽ có cường độ lớn nhất, suy giảm dần rồi mất hẳn (Hình 12). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID (free induction decay). Thời gian suy giảm cảm ứng tự do vì thế cũng là thời gian T2.


Hình 12: Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID: Theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu có độ lớn bằng M0 giảm dần rồi mất hẳn.

Theo như kết quả vừa nêu, thời gian T2 có mối liên hệ chặt chẽ với mức độ suy giảm tín hiệu cộng hưởng từ. Tương tự như thời gian T1, trong thực tế người ta xem T2 là thời gian tín hiệu mất khoảng 63% độ lớn so với ban đầu. Nói cách khác, T2 là thời gian tín hiệu chỉ còn lại khoảng 37% độ lớn so với ban đầu. Tham số T2 khi ấy có thể được dùng để tạo ra độ tương phản giữa các cấu trúc khác nhau trên hình cộng hưởng từ. Phần tiếp theo sẽ làm sáng tỏ điều này.

Đậm độ proton

Cho đến lúc này chúng ta đã biết hai tham số quan trọng có ảnh hưởng đến độ tương phản của các cấu trúc trên hình cộng hưởng từ là thời gian T1 và T2. Để cho hoàn chỉnh, chúng ta sẽ xem xét một tham số nữa gọi là đậm độ proton (proton density). Tham số này không liên quan với bất kỳ thời gian hồi giãn nào; nó biểu thị cho số lượng proton có trong tế bào và mô.

Trong những phần trước chúng ta đã biết rằng độ từ hóa thực biểu thị cho sự chênh lệch về số proton có trục quay cùng chiều và trái chiều với từ trường ngoài B0. Điều này cho thấy rằng số lượng proton càng nhiều, sự chênh lệch càng lớn và do vậy độ từ hóa thực càng lớn.

Theo đó, rõ ràng là tín hiệu cộng hưởng từ phải phụ thuộc vào số lượng proton có mặt trong mô và tế bào: đậm độ proton càng cao, tín hiệu cộng hưởng càng mạnh.

Câu hỏi cuối cùng được đặt ra ở đây (nhưng chưa được giải đáp rõ ràng) là: Những tác nhân nào có thể làm ảnh hưởng đến tín hiệu cộng hưởng từ? Câu trả lời tổng quát là: từ trường ngoài B0, từ trường B1 (xung kích thích RF), đậm độ proton và mọi yếu tố ảnh hưởng đến tình trạng quay quanh trục của các proton đều làm thay đổi cường độ của tín hiệu cộng hưởng từ.

Qua từng bối cảnh cụ thể của những phần sau, chúng ta sẽ nêu ra và giải thích ảnh hưởng của từng yếu tố đối với quá trình suy giảm cảm ứng tự do FID và trình bày các kỹ thuật khôi phục lại tín hiệu sao cho vào thời điểm cần thiết, tín hiệu cần đo sẽ đủ mạnh.

Diễn tiến của hiện tượng cộng hưởng từ

Tổng kết lại để cho dễ nhớ, chúng ta mô tả diễn tiến của hiện tượng cộng hưởng từ qua các sự kiện sau đây:

1. Áp đặt một từ trường ngoài B0 thật mạnh (theo trục z) để điều chỉnh lại trục quay của các proton ở trạng thái cân bằng: một số có trục quay cùng chiều với từ trường (hướng theo trục z), một số có trục quay ngược chiều (ngược hướng với z); chúng tạo ra một độ từ hóa thực M0 hay độ từ hóa dọc Mz.

2. Dùng một xung kích thích RF làm lật ngang độ từ hóa thực M0 vào mặt phẳng xy; độ từ hóa thực lúc này trở thành độ từ hóa ngang Mxy. Độ từ hóa ngang (hay từ trường ngang) này quay quanh trục z làm xuất hiện một sóng radio có thể đo được, đó là tín hiệu cộng hưởng từ. Tín hiệu cộng hưởng từ lúc này chỉ phụ thuộc vào đậm độ proton.

3. Do tương tác giữa các proton nên khi tắt xung kích thích, độ từ hóa ngang giảm dần rồi mất hẳn, kéo theo tín hiệu cộng hưởng từ cũng giảm dần rồi mất hẳn (hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do). Khoảng thời gian này là thời gian hồi giãn ngang T2.

4. Đồng thời với quá trình hồi giãn ngang, dưới tác dụng duy nhất của từ trường ngoài B0 sau khi tắt xung kích thích, các proton tương tác với môi trường xung quanh, giải phóng phần năng lượng đã hấp thu từ xung kích thích, trở lại trạng thái cân bằng và khôi phục lại độ từ hóa thực M0 ban đầu. Thời gian này dài hơn T2 và được gọi là thời gian hồi giãn dọc T1.

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

  • Một vật có từ tính sẽ tạo ra xung quanh nó một từ trường. Đơn vị đo từ trường thường được dùng là Tesla (T) hay Gausse (G).
  • Mọi vật đều có khả năng bị từ hóa ở những mức độ khác nhau: chất sắt từ bị từ hóa mạnh nhất, tiếp theo là chất thuận từ bị từ hóa yếu hơn và cuối cùng là chất nghịch từ hoàn toàn “trơ” với từ trường hoặc phản ứng “nghịch” lại với từ trường.
  • Từ trường biến thiên tạo ra điện trường và ngược lại. Thực tế, từ trường và điện trường là những hình thái biểu hiện khác nhau của một trường thống nhất gọi là trường điện từ.
  • Trường điện từ biến thiên tạo ra sóng điện từ. Sóng radio, một dạng sóng điện từ, được dùng làm các xung kích thích để tạo ra từ trường và đây cũng chính là hình thái của tín hiệu cộng hưởng từ mà chúng ta có thể ghi nhận được.
  • Nguyên tử hydro chỉ chứa một proton trong nhân và mang điện tích dương. Hạt proton này khi quay quanh trục của mình với tần số γB0 cũng tạo ra một từ trường và được xem là một nam châm tí hon.
  • Khi có tác động của một từ trường ngoài B0, các hạt nam châm tí hon proton sẽ định lại trục quay của mình cùng chiều (năng lượng thấp) hoặc ngược chiều (năng lượng cao) với chiều của B0. Sự khác biệt giữa số proton cùng chiều và ngược chiều tạo ra một từ trường gọi là độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc.
  • Khi có tác động của một từ trường B1 (xung kích thích) quay cùng tần số với các proton, chúng sẽ cộng hưởng với nhau và làm cho độ từ hóa dọc nghiêng khỏi hướng ban đầu của chúng một góc lật a. Nếu góc lật là 90°, độ từ hóa dọc bị lật ngang vào mặt phẳng xy và được gọi là độ từ hóa ngang.
  • Khi tắt xung kích thích, độ từ hóa dọc dần dần được khôi phục lại qua quá trình hồi giãn dọc. Thời gian hồi giãn dọc T1 được xem là khoảng thời gian để độ từ hóa dọc khôi phục được khoảng 63% giá trị ban đầu của nó.
  • Song song và độc lập với quá trình hồi giãn dọc là quá trình hồi giãn ngang làm mất dần độ từ hóa ngang. Về mặt tín hiệu, quá trình này đồng nghĩa với hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID. Thời gian hồi giãn ngang T2 được xem là khoảng thời gian tín hiệu mất khoảng 63% giá trị ban đầu của nó.
  • Đậm độ proton trong tế bào và mô, cùng với các tham số T1 và T2, được dùng để tạo ra độ tương phản của các cấu trúc trên hình cộng hưởng từ. 

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 1, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 1-17.