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

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

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

1. CHUỖI XUNG VÀ BỘ XUNG

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

Ký pháp mô tả chuỗi xung

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


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

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

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

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

Bộ xung

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

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

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

2. CHUỖI XUNG ĐIỂM VANG SPIN

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

Xung tái lập 180o

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

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

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

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


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

Diễn tiến thời gian của chuỗi xung điểm vang spin SE

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

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


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

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

3. CHUỖI XUNG ĐIỂM VANG THANG TỪ

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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


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

Chuỗi xung có nhiễu phá

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

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

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

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


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

Chuỗi xung không nhiễu phá

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

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


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

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

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

4. KỸ THUẬT KHÔI PHỤC ĐẢO NGHỊCH

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


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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

Chuỗi STIR

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

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

Chuỗi xung FLAIR

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

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

5. KỸ THUẬT BÃO HÒA

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

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

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

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

Bão hòa chọn lọc vùng

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

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

Bão hòa chọn lọc độ xê dịch hóa học

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

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

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

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

Kỹ thuật truyền độ từ hóa MT

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

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

6. KỸ THUẬT KHỬ MỠ

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

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

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

Kỹ thuật Dixon

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

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

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

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

Kích thích có chọn lọc phổ không gian

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

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *