Lưu trữ cho từ khóa: Proton

PHẦN 9: NHÌN LẠI CÁC NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN TRONG CỘNG HƯỞNG TỪ

Sau khi đã tìm hiểu các nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ quan trọng nhất, trong phần này chúng ta sẽ xem xét lại và tổng kết chúng từ một góc độ có tính thực tiễn hơn, góc độ các nguyên lý tương phản. Ngoài ba nguyên lý tương phản đã được phân tích trong phần 3, chúng ta cũng bổ sung nguyên lý tương phản trọng dòng chảy đã được phân tích qua các kỹ thuật chụp tim mạch trong Phần 8, đồng thời thảo luận thêm hai nguyên lý tương phản vốn là cơ sở cho lĩnh vực cộng hưởng từ chức năng (functional MRI): nguyên lý trọng khuếch tán và nguyên lý trọng tưới máu. Thứ tự tổng kết được thực hiện như sau:

  • Nguyên lý trọng T1
  • Nguyên lý trọng T2
  • Nguyên lý trọng đậm độ proton
  • Nguyên lý trọng dòng chảy
  • Nguyên lý trọng khuếch tán
  • Nguyên lý trọng tưới máu

Cũng cần nhấn mạnh rằng ở Phần 3, các nguyên lý tương phản được thảo luận trên cơ sở của chuỗi xung điểm vang spin với các nguyên tắc: hình trọng T1 có TR và TE đều ngắn, hình trọng T2 có TR và TE đều dài, còn hình trọng đậm độ proton có TR dài và TE ngắn. Thời gian cụ thể gọi là dài hoặc ngắn của TR và TE được nêu ra ở Phần 3 thật sự không còn đúng đối với nhiều kỹ thuật đã bàn luận trong những phần vừa qua. Do vậy hiểu biết rõ cơ chế tác động của các xung và các thang từ trong mỗi chuỗi xung sẽ giúp chúng ta hiểu vì sao với những tham số nhất định, một chuỗi xung sẽ cho ra hình trọng T1 hoặc T2.

1. NGUYÊN LÝ TRỌNG T1

Nói tổng quát, một hình trọng T1 có thể có được từ hai chuỗi xung căn bản: chuỗi xung điểm vang spin (chuẩn) và chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá. Các xung đặc hiệu, nhất là các xung xóa mỡ như xung đảo nghịch ngắn (short TI) hay xung bão hòa mỡ cũng có thể được sử dụng kèm với hai chuỗi xung căn bản để tạo ra kết quả mong muốn.

Chuỗi xung điểm vang spin SE

Cho đến nay đây vẫn là chuỗi xung kinh điển để tạo ra hình ảnh trọng T1 (Hình 1), nhất là đối với các hệ thống chụp ảnh có phần cứng hạn chế. Thời gian TR (ngắn) vào khoảng 600 ms còn thời gian TE (ngắn) vào khoảng 20 ms. Góc lật dĩ nhiên là 90o. Cần nhớ rằng do hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID, tín hiệu sẽ ngày càng giảm dần, và vì vậy thời gian TE càng ngắn, chất lượng hình ảnh càng tốt.


Hình 1:
Các hình trọng T1 với chuỗi xung điểm vang spin. (a) Hình cắt ngang não cho thấy dịch não tủy trong não thất bên (mũi tên) có tín hiệu thấp. (b) Hình cắt dọc đứng qua khớp gối cho thấy mô mỡ dưới da và mỡ trong tủy xương có tín hiệu cao. Sụn chêm có viền sáng nhưng có tín hiệu thấp bên trong (mũi tên).

Chuỗi xung đảo nghịch IR

Theo cách hiểu thông thường, chuỗi xung đảo nghịch thật ra chỉ là một biến thể của chuỗi xung điểm vang spin, trong đó người ta dùng thêm một xung đảo nghịch 180o trước khi phát xung kích thích một khoảng thời gian TI. Nếu thời đảo TI được chọn khá ngắn, gần bằng với thời gian T1 của mỡ, chuỗi xung khi đó được gọi là chuỗi xung STIR (short TI inversion recovery) mà như chúng ta đã biết nó có tác dụng xóa mỡ.

Về phương diện tương phản, hình ảnh thu được từ chuỗi xung này là một hình trọng T1 ngược chứ thật sự không phải hình trọng T1. Nghĩa là trên hình này, mô có T1 ngắn lại có tín hiệu thấp (màu đen) còn mô có T1 dài lại có tín hiệu cao (màu trắng). Kết quả “ngược đời” này xuất phát từ chỗ mô có T1 dài khi bị đảo ngược 180o sẽ khôi phục chậm hơn. Do vậy vào lúc phát xung kích thích, giá trị tuyệt đối của độ từ hóa dọc của mô có T1 dài vẫn còn lớn (mặc dù có giá trị âm) trong khi mô có T1 ngắn đã khôi phục gần như trở về zero. Khi bị lật ngang bằng xung kích thích, mô có T1 dài sẽ có độ từ hóa ngang lớn hơn, cho ra tín hiệu cao hơn.

Khi chụp ở não, chuỗi xung STIR thường được in “âm bản” khiến cho vùng trắng được in thành đen và ngược lại. Nghĩa là khi đó hình trọng T1 ngược trở thành hình trọng T1 thực sự (Hình 2).


Hình 2:
Hình trọng T1 chụp bằng chuỗi xung STIR và in âm bản phân định rất rõ cấu trúc chất xám và chất trắng. Để ý vùng nền của không khí xung quanh đầu bệnh nhân lúc chụp trên hình này có màu xám trắng, trong khi đó trên các phim thông thường đều có màu đen.

Chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá GRE

Các chuỗi xung điểm vang thang từ thường dùng thời gian TR ngắn kèm với góc lật nhỏ hơn 90o. Khi TR ngắn hơn T2 của một mô nào đó trong vùng can chụp thì tại thời điểm phát xung kích thích tiếp theo, độ từ hóa ngang vẫn còn tồn tại. Độ từ hóa ngang còn dư lại làm tăng đặc thù trọng T2 và làm giảm đặc thù trọng T1 của hình.

Để bảo đảm chất lượng của một hình trọng T1, trong chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá (spoiled gradient echo), người ta phải nhiễu phá độ từ hóa ngang còn dư lại này bằng một xung hoặc một thang từ nhiễu phá. Khi đó ở lần kích thích tiếp theo, độ từ hóa ngang bị mất hoàn toàn hoặc chỉ còn rất ít. Nếu chọn lựa các tham số TR, TE và góc lật một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một hình trọng T1 rất đặc thù (Hình 3).


Hình 3:
Hình trọng T1 được thực hiện trong thì động mạch sau khi tiêm Gado cho thấy nhiều tổn thương di căn của gan (mũi tên).

Chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá có thể được thực hiện kèm với kỹ thuật chụp đa lớp cắt hoặc chụp ba chiều. Mỗi kỹ thuật này đều có những ưu điểm riêng vốn có của chúng, và khi bổ túc vào chuỗi xung này chúng làm tăng hiệu quả của chuỗi xung lên rất nhiều.

Cũng cần nhắc lại ở đây rằng các tên thương mại khá phổ biến của chuỗi xung điểm vang thang từ có nhiễu phá là FLASH (hãng Siemens), spoiled GRASS hay SPRG (hãng GE).

2. NGUYÊN LÝ TRỌNG T2

So với các hình trọng T1 thường chỉ được tạo ra bằng cách dùng các chuỗi xung điểm vang spin và điểm vang thang từ có nhiễu phá, các hình trọng T2 có thể được tạo ra bằng nhiều kỹ thuật hơn, mặc dù một số kỹ thuật thực sự cho hình trọng T2/T1 chứ không đơn thuần trọng T2. Một hình trọng T2/T1 là hình có tín hiệu cao đối với các mô có T2 dài hoặc có T1 ngắn.

Chuỗi xung điểm vang spin SE

Sử dụng chuỗi xung điểm vang spin để tạo ra một hình trọng T2 là một kỹ thuật kinh điển. Với thời gian TR dài và TE dài, tín hiệu của các mô có T2 ngắn hầu như đã mất hết do hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID, chỉ còn lại tín hiệu của các mô có T2 dài, tạo ra một hình có độ tương phản dựa vào đặc thù thời gian T2 của các mô.


Hình 4:
Hình trọng T2 chụp bằng chuỗi xung điểm vang spin cho não (bên trái) và cột sống (bên phải) cho thấy dịch não tủy có tín hiệu cao (màu trắng) vì có thời gian T2 rất dài.

Chuỗi xung điểm vang thang từ GRE

Chúng ta đã biết rằng chuỗi xung điểm vang thang từ không dùng xung tái lập 180o. Thay vì thế nó sử dụng một thùy hồi pha để điều chỉnh tình trạng lệch pha do thùy khử pha gây ra. Ở điểm này, thùy hồi pha có tác dụng kém hơn xung tái lập 180o. Nó không có khả năng điều chỉnh tình trạng lệch pha gây ra do tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc do độ xê dịch hóa học. Điều này nói lên rằng chuỗi xung điểm vang thang từ dễ bị ảnh hưởng của tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc độ xê dịch hóa học, dẫn đến tình trạng mất tín hiệu cục bộ.

Khi có xuất huyết hoặc vôi hóa, tính chất thuận từ của sắt (từ các sản phẩm của quá trình phân hủy hồng cầu trong khối máu xuất huyết) và canxi sẽ làm cho từ trường cục bộ trở nên kém đồng nhất. Vận dụng đặc điểm nhạy với tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ của chuỗi xung điểm vang thang từ, người ta thường dùng nó để xác định chẩn đoán (Hình 5).

Cũng cần nhắc lại rằng tính không đồng nhất của từ trường và độ xê dịch hóa học vốn luôn hiện diện trong mọi mô. Chúng làm cho thời gian suy giảm tín hiệu FID thực tế (thời gian T2*) ngắn hơn thời gian suy giảm lý thuyết (thời gian T2). Chuỗi xung điểm vang thang từ vì thế được xem là chuỗi xung tạo ra hình trọng T2* thay vì trọng T2. Vì vậy có đôi khi người ta cũng gọi chuỗi xung điểm vang thang từ là chuỗi xung T2* (các tác giả Pháp).


Hìn
h 5: Hình trọng T2 chụp bằng chuỗi xung điểm vang spin nhanh (bên trái) cho thấy nhiều tổn thương xuất huyết (mũi tên). Thế nhưng khi chụp bằng chuỗi xung điểm vang thang từ (bên phải), người ta phát hiện ra khá nhiều tổn thương nhỏ (đầu mũi tên).

Chuỗi xung điểm vang thang từ không nhiễu phá

Các chuỗi xung điểm vang thang từ không nhiễu phá nói chung đều sinh ra các hình trọng T2/T1. Do thời gian TR ngắn, mô có T1 ngắn khôi phục độ từ hóa dọc được nhiều hơn; do không nhiễu phá độ từ hóa ngang còn dư, mô có T2 dài có độ từ hóa ngang lớn hơn. Cả mô có T1 ngắn lẫn mô có T2 dài như vậy đều có tín hiệu cao trên hình, cho ra hình trọng T2/T1.

Thực tế, thời gian T1 và T2 của các mô thường song hành với nhau, nghĩa là mô có T1 dài cũng có T2 dài và ngược lại. Vì vậy độ tương phản trên các hình trọng T2/T1 thường không rõ. Chẳng hạn mô gan có T1 ngắn nên sẽ có tín hiệu cao hơn đa số các tổn thương gan với T1 dài trên hình trọng T1; ngược lại các tổn thương gan thường có T2 cũng dài nên có tín hiệu cao hơn gan trên hình trọng T2. Thế nhưng trên hình trọng T2/T1, cả hai đều có tín hiệu cao, không có được một độ tương phản rõ rệt giữa chúng.

Các chuỗi xung đầu tiên loại này thường được gọi với tên thương mại là FISP (hãng Siemens) và GRASS (hãng GE). Gần đây hơn, chuỗi xung SSFP (Steady State Free Precession) được thiết kế với thời gian TR và TE cực ngắn (3 và 1 ms) có nhiều ứng dụng lâm sàng, đặc biệt đối với vùng bụng và tim mạch. Tên thương mại khá thông dụng của nó là trueFISP (Siemens).


Hình
6: Hình dọc trán chụp bằng chuỗi xung trueFISP thấy rất rõ một khối u lớn nằm ở vùng hố thận phải (mũi tên lớn) được chẩn đoán là carcinoma thận phải.

Chuỗi xung điểm vang spin nhanh FSE

Từ Phần 6 chúng ta đã biết rằng các chuỗi xung nhiều điểm vang cho ra hình trọng T2, đặc biệt khi thời vang hiệu dụng TEef dài. Đối với các chuỗi xung một phát (single-shot), toàn bộ các hàng trong k-không gian đều được lấy mẫu qua một lần phát xung, do vậy không có TR hoặc có thể xem TR dài vô tận. Đối với các chuỗi xung nhiều phát (multishot), mỗi thời khoảng TR sẽ ghi nhận tín hiệu cho nhiều hàng trong k-không gian, mỗi hàng được lấy mẫu từ một điểm vang trong xâu điểm vang.

Trong trường hợp thông thường, hiện nay người ta có xu hướng thay chuỗi xung SE chụp hình trọng T2 bằng chuỗi xung chụp nhanh nhiều phát. Hiệu quả của chuỗi xung chụp nhanh rõ ràng là hơn hẳn dù độ tương phản và chất lượng hình nói chung có giảm bớt một ít.

Nếu phải chụp thật nhanh, người ta có thể dùng chuỗi xung một phát SSFSE (single-shot fast spin echo) mà tên thương mại rất phổ biến của nó là HASTE (half-Fourier acquisition single shot turbo spin echo). Các chuỗi xung có tên turbo đều là chuỗi xung nhanh của của hãng Siemens: turboSE, turbo- FLASH, turboGSE, turboIR. Như tên gọi của nó cho biết, HASTE sử dụng một chiến lược điền dữ liệu vào k-không gian gọi là kỹ thuật nửa-Fourier (half-Fourier). Kỹ thuật này tận dụng tính đối xứng của k-không gian bằng cách thay vì điền hết mọi hàng trong đó, nó chỉ thực hiện điền hơn một nửa số hàng cần thiết; số hàng còn lại sẽ được máy tính “nội suy” và lấp đầy vào. Nếu chọn thời vang hiệu dụng TEef thật dài, hình thu được hầu như chỉ có tín hiệu của nước. Đặc điểm này được sử dụng để chụp đường mật và ống tụy (Hình 7) và gọi là mật tụy đồ cộng hưởng MRCP (MR Cholangiopancreatography).


Hìn
h 7: Hình MRCP chụp bằng kỹ thuật HASTE cho thấy rõ túi mật (mũi tên rỗng), ống gan trái, ống mật chủ, tá tràng (mũi tên cong), ống tụy (mũi tên ngắn). Ống gan phải bị che khuất chỉ thấy một phần (mũi tên dài).

Đặc biệt hơn, chuỗi xung điểm vang spin nhanh có thể sử dụng thêm một xung đảo nghịch 180o trước khi phát xung kích thích, cho phép xóa mỡ (chuỗi xung STIR) hoặc xóa dịch (chuỗi xung FLAIR). Chúng ta cần nhớ rằng chuỗi xung FLAIR vốn đã tạo ra hình trọng T2 khi được chụp bằng kỹ thuật thông thường (dùng điểm vang spin), trong khi đó chuỗi STIR thực chất cho ra hình trọng T1 ngược. Khi sử dụng chuỗi xung STIR với kỹ thuật chụp hình nhanh (điểm vang spin nhanh) và với thời vang TEef đủ dài, chuỗi xung STIR nhanh này cho ra hình trọng T2 (Hình 8) mặc dù vẫn biểu hiện một phần đặc tính trọng T1 vốn có của mình.

Chuỗi xung điểm vang đồng phẳng

Giống như kỹ thuật điểm vang spin nhanh, các chuỗi xung điểm vang đồng phẳng EPI về cơ bản cũng tạo ra các hình trọng T2. Khác biệt chủ yếu của chuỗi xung điểm vang đồng phẳng so với chuỗi xung điểm vang spin nhanh là điểm vang được tạo ra trong chuỗi xung đồng phẳng là điểm vang thang từ, không phải điểm vang spin. Tuy nhiên người ta cũng tìm cách phối hợp chuỗi xung điểm vang đồng phẳng EPI với điểm vang spin SE bằng cách thực hiện một xung tái lập 180o vào thời điểm TEef/2. Nhờ xung tái lập này, hình ảnh thu được ít bị ảnh hưởng bởi tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học vốn là một đặc trưng của các chuỗi xung điểm vang thang từ.


Hình
8: Hình chụp đứng dọc khớp gối với chuỗi xung STIR nhanh (TR/TEef/ TI, 5000/30/150) xóa rất tốt mỡ của tủy xương và cho thấy rõ tụ dịch trên xương bánh chè (mũi tên) bằng tín hiệu rất cao.

3. NGUYÊN LÝ TRỌNG ĐẬM ĐỘ PROTON

Hiện tại, ngoài hai chuyên khoa thần kinh và cơ xương khớp, các hình trọng đậm độ proton (proton density) rất ít được dùng. Kỹ thuật chủ yếu vẫn là chuỗi xung điểm vang spin kinh điển; một số trường hợp có thể dùng kỹ thuật điểm vang spin nhanh. Trong thực tế, hình trọng đậm độ proton thường được chụp chung với hình trọng T2 bằng kỹ thuật điểm vang kép (double-echo hay dual-echo), mỗi điểm vang tạo ra một hình. Với kỹ thuật này, sau mỗi xung kích thích 90o, người ta phát hai xung tái lập 180o tại hai thời điểm khác nhau trong khoảng thời gian TR sao cho điểm vang thứ nhất có thời vang TE khá ngắn dành cho hình trọng đậm độ proton còn điểm vang thứ hai có thời vang TE khá dài dành cho hình trọng T2.

Trong thực tế lâm sàng, hình trọng đậm độ proton rất có giá trị khi cần đánh giá các cấu trúc có tín hiệu thấp như mô sợi. Đặc biệt, hình trọng đậm độ proton được xem là hình có độ nhạy tốt nhất đối với các trường hợp rách sụn chêm (Hình 9).

4. NGUYÊN LÝ TRỌNG DÒNG CHẢY

Nguyên lý và kỹ thuật chụp dòng chảy đã được chúng ta tìm hiểu khá chi tiết trong Phần 8. Tuy nhiên để cho độc giả có được một cái nhìn toàn cảnh từ góc độ nguyên lý tương phản cộng hưởng từ, chúng ta sẽ lược qua một số điểm mấu chốt có liên quan đến tín hiệu của các dòng chảy.


Hình 9:
Hình đứng dọc trọng đậm độ proton cho thấy rất rõ một đường rách ở sừng sau của sụn chêm trong (mũi tên) kéo dài từ mặt khớp trên đến mặt khớp dưới.

Độ tương phản do thuốc

Các thuốc tương phản từ đa số đều dùng theo đường tiêm tĩnh mạch với tác dụng chủ yếu là làm giảm rõ rệt thời gian T1 và T2 của dòng máu và của các mô “bắt thuốc”, dù rằng mức độ có khác nhau tùy theo từng loại thuốc.

Tác dụng làm giảm thời gian T1 biểu hiện ra khi được chụp bằng các chuỗi xung “trọng T1”, chẳng hạn với chuỗi xung điểm vang spin có cả TR và TE đều ngắn, khi đó mạch máu và các mô bắt thuốc sẽ có tín hiệu cao. Tác dụng làm giảm thời gian T2 biểu hiện bằng tình trạng giảm tín hiệu khi được chụp bằng các chuỗi xung “trọng T2”. Tác dụng này trong thực tế không dùng để đánh giá mạch máu mà chỉ được sử dụng để làm giảm T2 của các mô, cho phép chụp các hình trọng T2 hoặc T2*. Thí dụ các chất SPIO có thể được các tế bào Kuffer trong gan bắt giữ, làm giảm tín hiệu của nhu mô gan so với tổn thương và các mô xung quanh (Hình 10).

Về mặt huyết động học, nói chung trong khoảng thời gian 30 giây sau tiêm, thuốc chủ yếu tồn tại trong động mạch (thì động mạch). Trong khoảng 30 giây tiếp theo, thuốc lan tỏa qua mao mạch rồi đến tĩnh mạch (thì hồ máu). Sau thời điểm 60 giây, thuốc đã ngấm qua thành mao mạch (ngoại trừ mao mạch hệ thần kinh và tinh hoàn) để vào khoang gian bào nhưng nhìn chung vẫn tiếp tục tồn tại trong hồ máu (thì ngoại bào). Từ thời gian này trở về sau, các thuốc đặc hiệu với tế bào (tế bào gan, tế bào hệ lưới nội mô, vân vân) mới có thể vào được nội bào và có tác dụng.


Hình
10: (a) Hình cắt ngang bụng trọng T2 không tiêm thuốc cho thấy một tổn thương rất lớn và các tổn thương nhỏ không rõ bờ ở gan. (b) Sau khi tiêm ferumoxide (AMI-25), trên hình trọng T2 tín hiệu của nhu mô gan giảm rõ, làm tăng độ tương phản giữa nhu mô và các tổn thương.

Do những đặc điểm về huyết động học nêu trên, thời điểm chụp sau khi tiêm thuốc có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm thay đổi thời gian T1 và T2 của thuốc tương phản. Nếu muốn đánh giá tình trạng động mạch, chúng ta cần chụp ở thì sớm (thì động mạch), tốt nhất không nên để quá 20 giây sau tiêm. Khi để trễ hơn, chúng ta có thể thấy cả tĩnh mạch (thì hồ máu). Đánh giá khả năng “bắt thuốc” của mô cần thực hiện ở thì ngoại bào, tốt nhất sau tiêm 2 phút. Với các thuốc đặc hiệu tế bào, thời gian chụp có thể lâu hơn và kéo dài nhiều giờ. Thời điểm bắt đầu chụp có thể từ 10 đến 30 phút sau tiêm.

Trong trường hợp đặc biệt hơn, một số tổn thương có tính chất huyết động khá đặc thù, biểu hiện ở tốc độ và cách thức “bắt thuốc”, kể cả tốc độ và cách thức “xả thuốc”. Khi đó, một phương thức chụp “động” (dynamic) sẽ thích hợp hơn. Chẳng hạn để đánh giá một tổn thương nghi ngờ là hemangioma ở gan, người ta tiêm thuốc tương phản nhóm chelate gado rồi chụp các hình trọng T1 bằng chuỗi xung điểm vang thang từ: chụp một hình ngay trước khi tiêm rồi chụp lập lại các hình ở thì động mạch (khoảng 30 giây sau tiêm), thì hồ máu hay thì tĩnh mạch cửa (khoảng 30 giây nữa) và thì ngoại bào hay thì cân bằng (khoảng 2 đến 3 phút sau tiêm). Kỹ thuật chụp động này cho phép đánh giá tính chất “bắt thuốc” và “xả thuốc” của tổn thương (Hình 11).


Hình
11: Chuỗi hình chụp động trọng T1 đánh giá một tổn thương nghi ngờ hemangioma ở gan. (a) Chụp ngay trước tiêm (b-d) Các hình chụp động sau tiêm ở thì động mạch (b), thì tĩnh mạch cửa (c) và thì cân bằng (d).

Độ tương phản do hiệu ứng dòng chảy

Ngoài cách dùng thuốc để tạo ra độ tương phản, một cách làm có phần tương tự như dùng thuốc cản quang trong CT và X quang quy ước, cộng hưởng từ còn có thể sử dụng ngay sự chuyển động của dòng máu để có được một độ tương phản nhất định so với các mô đứng yên. Đặc biệt hơn, máu chảy trong lòng mạch không chỉ sáng tương tự như khi dùng thuốc tương phản mà còn có thể tối hơn so với các mô đứng yên. Hiệu ứng tạo ra hình ảnh máu tối là hiệu ứng trống dòng (flow void effect) trong khi đó hiệu ứng tạo ra hình ảnh máu sáng là hiệu ứng nội dòng (inflow effect).

Hiệu ứng trống dòng thường xảy ra khi chụp bằng chuỗi xung điểm vang spin (SE hoặc FSE) cho những dòng máu chảy chậm, với tín hiệu được ghi nhận tại một thời vang TE hoặc TEef khá dài sau xung kích thích. Trong tình huống này, máu bị lệch pha nhiều nhưng do hầu như đã chảy ra khỏi lớp cắt đang chụp nên không nhận được xung tái lập 180o, trong khi đó khối máu mới thay thế lại chưa nhận được xung kích thích. Kết quả là tại thời điểm đo tín hiệu TE hoặc thời điểm ghi nhận tín hiệu cho các hàng gần trung tâm của k-không gian (TEef), dòng máu chảy có tín hiệu rất thấp, cho ra hình ảnh máu đen khiến chúng ta có cảm giác như trong lòng mạch không có gì (trống dòng).

Hiệu ứng nội dòng xảy ra khi một khối máu mới chưa bị bão hòa chảy vào vùng đang được chụp hình. Ở thời điểm này, các mô đứng yên xung quanh đã nhận được nhiều loại xung và thang từ khác nhau, dẫn đến tình trạng chúng bị bão hòa khá nhiều. Do vậy khi được kích thích ở lần tiếp theo, tín hiệu của các mô đứng yên so với tín hiệu của khối máu mới sẽ thấp hơn. Nếu được chụp bằng một kỹ thuật thích hợp, thường là một chuỗi xung nhanh, dòng máu đang chảy sẽ có tín hiệu cao hơn hẳn so với mô đứng yên xung quanh (Hình 12).


Hìn
h 12: Hình minh họa cho hiệu ứng nội dòng.

Ngoài hiệu ứng nội dòng, người ta còn có thể dùng độ chênh lệch pha hay độ tương phản pha (phase contrast) để tạo ra hình ảnh máu sáng, cho phép đánh giá được cả tốc độ chảy của dòng máu. Muốn vậy, người ta cần chụp vùng đang khảo sát ở hai thời điểm khác nhau. Khi so sánh dữ liệu của hai thời điểm này, các mô đứng yên không có sự khác biệt về pha còn dòng máu chảy có một độ chênh lệch rõ rệt. Độ chênh lệch zero của các mô đứng yên hiển thị thành hình tối còn độ chênh lệch khác zero của dòng máu đang chảy hiển thị thành hình sáng.

5. NGUYÊN LÝ TRỌNG KHUẾCH TÁN

Ở góc độ triết học, chuyển động là một thuộc tính vốn có của sự vật. Ở góc độ sinh học, chuyển động biểu thị các hoạt động chức năng của cơ thể. Các quá trình sinh lý xảy ra trong cơ thể, từ mức độ đại thể như các hoạt động hít vào, thở ra của phổi hay hoạt động co bóp của tim đến các mức độ vi thể như các quá trình trao đổi chất ở tế bào đều những biểu hiện cụ thể của sự chuyển động.

Nhờ khả năng “nhạy cảm” với sự chuyển động, cộng hưởng từ đã được kỳ vọng như một phương tiện giúp chúng ta đánh giá được chức năng của các bộ phận, nghĩa là các quá trình hoạt động của chúng. Mặc dù đã được đặt ra từ lâu nhưng do những hạn chế về phần cứng và kỹ thuật, kỳ vọng này gần đây mới bắt đầu trở thành hiện thực, mở ra một lĩnh vực mới với tên gọi là chụp cộng hưởng từ chức năng fMRI (functional MRI). Trong phần này và phần tiếp theo, chúng ta sẽ rảo qua hai kỹ thuật cơ sở của chụp cộng hưởng từ chức năng, đó là kỹ thuật khuếch tán (diffusion) và kỹ thuật tưới máu (perfusion).

Hiện tượng khuếch tán

Chắc hẳn nhiều người trong chúng ta còn nhớ từ những năm học phổ thông rằng khi ở trạng thái lỏng (thể lỏng), các phân tử nước chuyển động không ngừng và hỗn loạn theo mọi hướng mà chúng ta gọi là chuyển động Brown. Theo thời gian, chúng có thể tản mác ra khắp môi trường. Nói một cách “hàn lâm” hơn, chúng ta bảo rằng chúng khuếch tán khắp nơi. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường, đặc biệt là độ nhớt và nhiệt độ môi trường.

Để lượng hóa khái niệm khuếch tán, người ta sử dụng một con số gọi là h số khuếch n (diffusion coefficient) với đơn vị là diện tích/thời gian. Hệ số này cho biết diện tích mà một phân tử chất lỏng (ở đây là nước) có thể dịch chuyển (khuếch tán) trong một đơn vị thời gian. Trong thực tế, hệ số khuếch tán được tính bằng đơn vị cụ thể mm2/giây (mm2/sec). Thí dụ ở nhiệt độ 37oC, nước nguyên chất có hệ số khuếch tán là 0,003 mm2/sec.

Trong cơ thể, nước cũng khuếch tán khắp nơi, nghĩa là các phân tử nước cũng luôn di chuyển không ngừng và hỗn loạn theo mọi hướng bằng chuyển động Brown. Tuy nhiên chuyển động Brown của nước trong cơ thể bị hạn chế bởi các cấu trúc giải phẫu vi thể và các phân tử lớn có mặt trong mỗi mô. Khi này, thay vì dùng hệ số khuếch tán, người ta đưa ra khái niệm hệ số khuếch tán biểu kiến ADC (apparent diffusion coefficient). Hệ số ADC thay đổi tùy theo cấu trúc và tình trạng bệnh lý của mỗi mô. Mô có hệ số ADC càng lớn, khả năng khuếch tán của nước trong mô càng mạnh.

Tính dị hướng

Không giống như hiện tượng khuếch tán trong môi trường tự do, hiện tượng khuếch tán của nước ở các mô cơ thể không có tính đẳng hướng (isotropy) mà có tính dị hướng (anisotropy), nghĩa là chúng không khuếch tán giống nhau theo mọi hướng. Ở mô sợi hoặc các mô có mức độ tổ chức cao như gân, cơ, chất trắng, các phân tử lớn thường được sắp xếp theo một hướng nhất định, hạn chế khả năng khuếch tán của nước theo một hướng nào đó và làm cho nước “có khuynh hướng” khuếch tán theo một hướng khác nhiều hơn. Hệ số ADC do vậy vừa biểu thị tốc độ khuếch tán (độ lớn của hệ số) vừa biểu thị hướng khuếch tán theo ba chiều không gian x, y, z. Thông tin độ lớn của ADC được sử dụng để tạo ra một hình cộng hưởng từ có tên là bản đồ ADC (ADC map).

Ở não, người ta nhận thấy rằng hiện tượng khuếch tán có khuynh hướng xảy ra dọc theo hướng sợi trục của chất trắng dù rằng nguyên nhân đích xác của nó chưa được giải thích thấu đáo. Hình 13 minh họa khuynh hướng khuếch tán này.


Hình 13:
Các hình chụp ngang não với hệ số nhạy khuếch tán b = 1000 sec/mm2 với thang từ khuếch tán được áp dụng theo một trục. Theo chiều áp dụng của thang từ, bó sợi chất trắng dọc theo trục đó bị giảm tín hiệu (các mũi tên trong mỗi hình). (a) Thang từ được áp dụng theo trục x từ phải sang trái: thể chai có tín hiệu thấp. (b) Thang từ được áp dụng theo trục y từ trước ra sau: chất trắng vùng trán và đính giảm tín hiệu. (c) Thang từ được áp dụng theo trục z (đứng) từ trên xuống dưới: bó vỏ gai (bao trong) giảm tín hiệu.

Đặc tính cộng hưởng từ khuếch tán

Do chuyển động Brown của các phân tử nước, hiện tượng khuếch tán cũng là một nguyên nhân gây ra tình trạng lệch pha của các proton dưới tác dụng của các xung và các thang từ trong quá trình chụp hình. Tình trạng lệch pha này tỷ lệ thuận với cường độ và thời gian áp đặt thang từ. Thế nhưng các xung tái lập và các thùy hồi pha lại không điều chỉnh được nguyên nhân lệch pha do khuếch tán vì tình trạng hỗn loạn vốn có của chuyển động Brown.

Như vậy, ngoài nguyên nhân hồi giãn ngang trong khoảng thời gian T2 làm mất dần tín hiệu vốn tồn tại ngay cả khi không có các thang từ, nguyên nhân khuếch tán làm mất tín hiệu sẽ xảy ra khi có tác dụng của các thang từ. Nghĩa là lúc này, cường độ tín hiệu cần phải được tính theo hai tham số độc lập nhau: thời gian T2 và hệ số khuếch tán.

May mắn là trong những tình huống bình thường, các thang từ được sử dụng có cường độ nhỏ nên ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán đối với tình trạng mất tín hiệu có thể bỏ qua. Khi sử dụng các thang từ có cường độ mạnh được thiết kế để đánh giá hiện tượng khuếch tán, ảnh hưởng lệch pha do khuếch tán mới bộc lộ. Khi đó chúng ta cần đánh giá cả ảnh hưởng của T2 lẫn của hiện tượng khuếch tán.

Hệ số nhạy cảm khuếch tán

Để đánh giá được tình trạng khuếch tán của nước trong các mô cơ thể, người ta sử dụng các thang từ chuyên biệt gọi là thang từ khuếch tán (diffusion gradient). Mức độ nhạy cảm của các chuỗi xung đối với hiện tượng khuếch tán tùy thuộc vào cường độ và thời gian áp dụng thang từ khuếch tán. Khi đó, để điều chỉnh tác dụng của thang từ khuếch tán, người ta sử dụng hệ số nhạy khuếch tán b (diffusion sensitivity factor) được tính bằng đơn vị là giây/mm2 (sec/mm2). Giá trị b = 0 biểu thị chuỗi xung không nhạy khuếch tán, nghĩa là một chuỗi xung bình thường không nhằm đo đạc mức độ khuếch tán. Giá trị nhạy khuếch tán thường được sử dụng trong lâm sàng thay đổi từ 500 đến 1500 sec/mm2.

Kỹ thuật và các hình khuếch tán

Với những đặc tính đã nêu ở trên, hiện tượng khuếch tán trong cơ thể vừa là hiện tượng vật lý vừa là hiện tượng sinh lý. Quá trình này xảy ra ở mức phân tử với một tốc độ rất nhanh nên để có thể đo được hệ số ADC, người ta hay sử dụng các chuỗi xung điểm vang đồng phẳng EPI vì khả năng chụp nhanh của chúng. Bộ hình kinh điển để đánh giá hiện tượng khuếch tán gồm có ba nhóm: hình trọng T2, hình trọng khuếch tán DW và hình bản đồ ADC.

  1. Các hình trọng T2 (T2W) được chụp bằng chuỗi xung điểm vang đồng phẳng và được dùng làm cơ sở để so sánh và tạo lập hình bản đồ ADC. Trong bộ xung chụp hình khuếch tán, hình trọng T2 là hình được chụp với giá trị b = 0.

  2. Các hình trọng khuếch tán DW (diffusion-weighted) được thực hiện bằng cách trước tiên áp dụng thang từ khuếch tán theo mỗi trục x, y, z để có được ba hình trọng khuếch tán DW theo mỗi trục (Hình 13). Sau đó “nhân” tín hiệu của ba hình khuếch tán theo mỗi trục rồi lấy căn bậc ba của tích này, cho ra giá trị tín hiệu được dùng để tạo ra hình trọng khuếch tán DW (Hình 14). Hình trọng khuếch tán DW này chưa loại bỏ yếu tố làm mất tín hiệu do thời gian hồi giãn ngang T2 nên vẫn còn biểu hiện một phần đặc thù trọng T2. Chẳng hạn độ tương phản giữa chất xám chất trắng trên hình trọng khuếch tán DW chính là độ tương phản của chúng trên hình trọng T2.


Hìn
h 14: Hình trọng khuếch tán DW thu được từ ba hình trọng khuếch tán được chụp theo ba trục không gian đã được minh họa trong Hình 13.

  1. Các hình bản đồ ADC (ADC map) biểu thị độ lớn thuần túy của hệ số khuếch tán biểu kiến ADC, không có yếu tố tương phản trọng Chúng có thể được tính ra từ hình trọng khuếch tán DW và hình trọng T2 đã được chụp với giá trị b = 0. Với đặc điểm này, hình bản đồ ADC cho phép loại trừ các đặc thù trọng T2 “ăn theo” vốn có thể biểu hiện trên hình trọng khuếch tán DW.

Cho đến thời điểm hiện nay, các hình khuếch tán mặc dù đã khá thông dụng nhưng các ứng dụng chủ yếu của chúng vẫn là các ứng dụng trong lĩnh vực thần kinh. Trong trường hợp đột quỵ đến sớm (dưới 6 giờ) do nguyên nhân tắc mạch, chúng hầu như là nguồn thông tin duy nhất giúp chúng ta xác định xem vùng mô não bị thiếu máu hiện tại còn sống hay không. Thông tin này cho phép các bác sỹ lâm sàng có đủ cơ sở để đưa ra các quyết định điều trị thích hợp (Hình 15).

Cũng cần nói thêm rằng trong các hình trọng khuếch tán DW, vùng mô có hiện tượng khuếch tán kém sẽ có tín hiệu cao (trắng hơn). Ngược lại trong các hình bản đồ ADC vốn là hình biểu thị độ lớn của hệ số khuếch tán biểu kiến ADC, vùng mô kém khuếch tán (ADC nhỏ) sẽ có tín hiệu thấp (đen hơn).


Hình
15: Nhồi máu cấp đến sớm trước 6 giờ. (a) Hình trọng T2 chỉ thấy tăng nhẹ tín hiệu ở vùng thùy đảo bên trái. (b) Hình trọng khuếch tán DW cho thấy tăng tín hiệu điển hình của vùng cấp máu từ động mạch não giữa trái. (b) Hình bản đồ ADC có giảm tín hiệu rõ ở vùng này.

6. NGUYÊN LÝ CỘNG HƯỞNG TỪ TƯỚI MÁU

Mọi cơ quan trong cơ thể đều cần dưỡng khí và chất dinh dưỡng do máu cung cấp. Hoạt động chức năng càng nhiều, lượng máu đến nuôi càng lớn. Do vậy đánh giá và lượng hóa tình trạng tưới máu (perfusion) của một vùng cơ thể thông qua các chỉ số huyết động giúp chúng ta đánh giá được mức độ hoạt động chức năng đang thực sự xảy ra tại vùng cơ thể đó. Các chỉ số huyết động thường dùng là: thể tích máu trong mô (tissue blood volume), lượng máu chảy qua mô (tissue blood flow) hay thời gian quá cảnh (transit time).

Để thực hiện điều này, người ta cần dùng một chất đánh dấu nào đó có mặt trong máu và có thể nhận ra được bằng các kỹ thuật cộng hưởng từ. Nhìn chung có hai phương pháp: phương pháp dùng chất ngoại sinh và phương pháp dùng chất nội sinh.

Phương pháp ngoại sinh

Trong phương pháp dùng chất ngoại sinh (exogenous material), người ta sử dụng một chất tương phản từ (ngoại sinh) tiêm vào cơ thể theo đường tĩnh mạch. Chúng ta biết rằng thuốc tương phản từ ngoại bào có tác dụng làm giảm cả thời gian T1 lẫn T2. Khi có mặt trong hệ thống mạch máu với một nồng độ cao, tác dụng làm giảm T2 của chúng khá rõ rệt, biểu hiện bằng sự suy giảm tín hiệu ở những vùng có tình trạng tưới máu tốt. Những vùng chậm suy giảm tín hiệu được xem như có tình trạng tưới máu kém hơn (đánh giá định tính).

Cách làm thông dụng là bơm dồn (bolus), nghĩa là bơm một lượng thuốc thật nhiều và thật nhanh vào tĩnh mạch rồi dùng một kỹ thuật chụp nhanh như chuỗi xung đồng phẳng EPI để ghi nhận sự thay đổi tín hiệu vốn xảy ra rất nhanh ở các mô cần đánh giá khi thuốc tương phản lần đầu chảy qua vùng mô đó. Ở não, thời gian chụp toàn bộ não thường chỉ dưới 2 giây.

Từ dữ liệu về sự thay đổi tín hiệu theo thời gian, người ta sẽ biến đổi thành dữ liệu về nồng độ tương đối của thuốc có trong mô theo thời gian. Những dữ liệu này cuối cùng sẽ được tính toán để quy thành các chỉ số huyết động (đánh giá định lượng). Quá trình tính toán này hiện nay đều do máy tính thực hiện nên chúng ta không bàn sâu ở đây. Kết quả có thể được hiển thị dưới dạng các bản đồ tưới máu và có thể được mã hóa bằng các màu sắc khác nhau, biểu thị các giá trị huyết động khác nhau cho từng vùng.

Phương pháp nội sinh

Trong phương pháp này, người ta sử dụng các kỹ thuật cộng hưởng từ để đánh dấu trực tiếp lên các proton trong máu trước khi chúng chảy vào vùng khảo sát. Cụ thể, người ta có thể dùng một xung bão hòa hoặc xung đảo nghịch 180o để “đánh dấu” các proton. Do đã bị đánh dấu (bão hòa hoặc đảo nghịch), dòng máu có chứa các proton này khi chảy vào vùng khảo sát sẽ làm giảm tín hiệu của vùng đó. Sự khác biệt tín hiệu khi so với hình gốc, nghĩa là hình chụp khi chưa đánh dấu, phản ánh tình trạng tưới máu của vùng đang được khảo sát.

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

Những nguyên lý được phân tích trong phần này phần lớn đã được bàn luận khá chi tiết ở những phần trước, ngoại trừ nguyên lý trọng khuếch tán và trọng tưới máu. Do vậy chúng ta chỉ nhắc lại những điểm quan trọng cần nhớ đối với hai nguyên lý này.

  • Hiện tượng khuếch tán xảy ra do chuyển động Brown của các phân tử khí hoặc lỏng, nghĩa là chuyển động tự do và ngẫu nhiên theo mọi hướng. Mức độ khuếch tán của một chất ở một nhiệt độ nhất định được biểu hiện bằng hệ số khuếch tán.
  • Do những đặc điểm về cấu trúc vi thể, các phân tử nước trong cơ thể khuếch tán không đồng đều theo mọi hướng. Chẳng hạn với cấu trúc của hệ thần kinh, hiện tượng khuếch tán xảy ra mạnh hơn dọc theo đường đi của các bó chất trắng. Để có thể biểu thị cả độ lớn lẫn chiều hướng khuếch tán, thay vì sử dụng hệ số khuếch tán thông thường, người ta sử dụng một hệ số đặc biệt hơn gọi là hệ số khuếch tán biểu kiến ADC.
  • Để đánh giá được mức độ khuếch tán, chúng ta phải dùng các thang từ đặc biệt hơn, cho phép bộc lộ tình trạng lệch pha do ảnh hưởng của khuếch tá Các thang từ khuếch tán này được điều chỉnh bằng một tham số gọi là hệ số nhạy cảm khuếch tán b. Giá trị b = 0 cho biết ảnh chụp không nhạy với khuếch tán, nghĩa là ảnh bình thường. Giá trị b nằm trong khoảng 500 đến 1500 thường được sử dụng để đánh giá khả năng khuếch tán trong lâm sàng.
  • Bộ hình khuếch tán điển hình gồm có một hình trọng T2, một hình trọng khuếch tán DW và một hình bản đồ Bản đồ ADC là hình được vẽ lại từ các giá trị ADC của các mô, do vậy vùng kém khuếch tán sẽ có màu đen hơn vùng khuếch tán tốt. Ngược lại, hình trọng khuếch tán DW ghi nhận tín hiệu của các proton trong quá trình khuếch tán của chúng tuy vẫn bị chứa một phần đặc thù trọng T2. Do vậy vùng có tín hiệu cao trên hình trọng khuếch tán DW là vùng giảm mức độ khuếch tán, ngược lại với hình bản đồ ADC.
  • Tình trạng tưới máu tại các mô biểu thị cho hoạt động chức năng của mô: lượng máu đến mô càng nhiều, hoạt động chức năng càng mạnh. Lượng máu đến mô có thể đánh giá được bằng cách dùng một chất đánh dấu nào đó mà chúng ta có thể “đo được” bằng các kỹ thuật cộng hưởng từ.
  • Chất đánh dấu “ngoại sinh” thường dùng là một loại thuốc tương phản từ. Chúng được bơm thật nhiều và nhanh vào tĩnh mạch, nhanh chóng làm thay đổi tình trạng từ hóa tại các mô. Khi dùng các kỹ thuật chụp thật nhanh, chúng ta có thể “đo được” sự thay đổi này.
  • Chất đánh dấu “nội sinh” chính là các proton đang có mặt trong dòng máu chả Chúng được đánh dấu từ tính trước khi chảy vào vùng mô cần khảo sát bằng một phương pháp nào đó, chẳng hạn như bão hòa hoặc đảo nghịch nó. Nhờ đó khi chảy vào vùng mô đang được khảo sát, chúng có thể được nhận ra bằng các kỹ thuật chụp cộng hưởng từ.

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 9, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 137-156.

 

 

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.