Để đọc phim đúng, thầy thuốc phải tiếp cận với một số khái niệm đôi khi khá trừu tượng. Vì thế, chúng tôi xin trình bày khái quát một số khái niệm thông dụng của phương tiện nói trên. Các vấn đề cụ thể về vai trò của phương tiện này trong chẩn đoán các bệnh lý của những cơ quan khác nhau sẽ được trình bày trong loạt bài khác. Nguyên lý hoạt động của MRI (Magnetic Resonance Imaging) Chúng ta đều biết mọi vật thể đều được cấu tạo từ nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các proton (mỗi proton mang điện tích +1) và các neutron (không mang điện tích). Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm). Trong nguyên tử trung hòa điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng số electron của nguyên tử đó. Tất cả các tiểu thể này đều chuyển động. Neutron và proton quay quanh trục của chúng, electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chúng. Sự quay của các tiểu thể nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mômen góc quay gọi là spin. Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường. Vì proton có điện tích dương và quay nên nó tạo ra một từ trường, giống như một thanh nam châm nhỏ, gọi là mômen từ (magnetic moment) (Hình 1). Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, vật thể đó có khả năng hấp thụ và bức xạ lại các xung điện từ ở một tần số cụ thể. Khi hấp thụ, trong vật thể đó diễn ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnectic Resonance: NMR). Tần số cộng hưởng của các vật thể mô thông thường nằm trong dải tần của sóng vô tuyến (radiofrequency: RF). Còn khi bức xạ, vật thể đó cũng phát ra các tín hiệu vô tuyến (Hình 2). Cơ thể chúng ta cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%). Trong thành phần của phân tử nước luôn có nguyên tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton. Do đó, nó có một mômen từ lớn. Từ điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó. Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn. Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào từ trường đó. Quá trình chụp MRI gồm có 4 giai đoạn. Nguyên lý của 4 giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Sắp hàng hạt nhân Mỗi proton trong môi trường vật chất đều có một mômen từ tạo ra bởi spin (xoay) nội tại của nó. Trong điều kiện bình thường, các proton sắp xếp một cách ngẫu nhiên nên mômen từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau do đó không có từ trường dư ra để ghi nhận được. Khi đặt cơ thể vào máy chụp MRI, dưới tác động từ trường mạnh của máy, các mômen từ của proton sẽ sắp hàng song song cùng hướng hoặc ngược hướng của từ trường. Tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ hóa thực (net magnetization vector). Các vectơ từ sắp hàng song song cùng chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn hơn các vectơ từ sắp hàng ngược chiều và chúng không thể triệt tiêu cho nhau hết. Do đó vectơ từ hoá thực có hướng của vectơ từ trường máy. Đó là trạng thái cân bằng. Trong trạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào có thể được ghi nhận. Khi trạng thái cân bằng bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được hình thành. Ngoài sự sắp hàng theo hướng của từ trường máy, các proton còn có chuyển động đảo (Precession), tức quay quanh trục của từ trường máy. Chuyển động đảo là một hiện tượng vật lý sinh ra do sự tương tác giữa từ trường và động lượng quay của proton. Chuyển động đảo giống như hiện tượng con quay, nó làm cho proton không đứng yên mà đảo quanh trục của từ trường bên ngoài (Hình 1). Tần số của chuyển động đảo nằm trong dải tần số của tín hiệu RF và được xác định bằng phương trình Lamor. Khi phát xung RF cùng tần số với proton đang chuyển động đảo thì proton hấp thụ năng lượng xung tạo nên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân.  Hình 1: Mô tả một proton có mômen từ µ được đặt trong từ trường ngoài B0 và có chuyển động đảo ρ Giai đoạn 2: Kích thích hạt nhân Sau giai đoạn sắp hàng hạt nhân, cuộn phát tín hiệu (transmitter coil) của máy phát ra các xung điện từ ngắn (đo bằng mili giây) gọi là xung tần số vô tuyến (radiofrequency pulse: xung RF). Vì các xung phát ra có tần số RF tương ứng với tần số cộng hưởng của proton nên một số năng lượng sẽ được proton hấp thụ. Sự hấp thụ năng lượng này sẽ đẩy vectơ từ hoá làm chúng lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy. Hiện tượng này gọi là kích thích hạt nhân (Hình 2). Hình 2: Mô tả quá trình kích thích hạt nhân (cộng hưởng) và quá trình dãn (bức xạ năng lượng dưới dạng tính hiệu RF) Có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa dọc (longitudinal magnetization), song song với từ trường của máy và từ hóa ngang (transverse magnetization), vuông góc với từ trường máy. Từ hóa dọc là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy. Đó chính là trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên. Trạng thái này được duy trì cho đến khi có một xung RF tác động làm vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy. Khi phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu. Quá trình khôi phục (recovery) theo hướng dọc của từ trường máy gọi là quá trình dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation) (Hình 3). Thời gian dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation time) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó. Thời gian này còn gọi là thời gian T1. Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô. Xung này thường là xung 900. Do hiện tượng cộng hưởng nên vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vectơ từ hóa ngang (transverse magnetization vector). Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định, kích thích và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF. Từ hoá ngang cũng là một quá trình dãn gọi là dãn theo trục ngang (transverse relaxation). Khi ngắt xung RF, vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0. Thời gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là thời gian dãn theo trục ngang (transverse relaxation time) (Hình 3). Thời gian này còn gọi là thời gian T2. Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1. Hình 3: Mô tả quá trình từ hoá dọc và từ hoá ngang. M0 là vectơ từ hoá thực ở trạng thái cân bằng. Y là hướng của vectơ từ hoá ngang. MZ là vectơ từ hoá khi dãn theo trục dọc. Giai đoạn 3: Ghi nhận tín hiệu Khi ngắt xung RF, các proton hết bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình dãn theo trục dọc như đã trình bày ở trên). Trong quá trình này, khi mômen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại. Giai đoạn 4: Tạo hình ảnh Các tín hiệu vô tuyến bức xạ từ vật thể mô sau khi được cuộn thu nhận tín hiệu của máy ghi lại sẽ được xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh. Cường độ bức xạ từ một đơn vị khối lượng mô được thể hiện trên phim chụp theo một thang màu từ trắng đến đen. Trong đó màu trắng là cường độ tín hiệu cao, màu đen là không có tín hiệu (Hình 4). Hình 4: Mô tả mối liên hệ giữa thời gian T1, T2 với mức độ từ hoá và cường độ tín hiệu trên phim chụp. Trong quá trình dãn (tăng lại) của từ hoá dọc, các mô khác nhau sẽ có mức từ hoá khác nhau. Vì thế tốc độ tăng sẽ khác nhau, hay nói cách khác giá trị T1 khác nhau. Mô với giá trị T1 ngắn hơn có tốc độ tăng lại sự từ hoá dọc nhanh hơn. Do vậy, trong suốt thời gian này nó có mức từ hoá cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn và xuất hiện trên ảnh sáng hơn. Trong quá trình phân rã sự từ hoá ngang, các mô khác nhau có mức từ hoá khác nhau do đó tốc độ phân rã khác nhau, hay T2 khác nhau. Giá trị T2 dài tức mô có mức nhiễm từ cao, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và sáng hơn trong ảnh so với mô có giá trị T2 ngắn. Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tương phản T2, nhưng tương phản T2 tăng dần trong quá trình dãn. Có thể thấy rằng, phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau. Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang. Mặt khác, như trên đã trình bày, trong thời gian T1 khi mômen từ của các proton khôi phục theo chiều dọc dưới ảnh hưởng của từ trường máy thì tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ hóa thực. Độ lớn của vectơ từ hoá thực phụ thuộc vào mật độ proton của mô đó. Giữa hai mô lân cận, dù thời gian T1 có thể bằng nhau nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hoá sẽ khác nhau. Vì thế cường độ tín hiệu bức xạ ra cũng khác nhau nên sẽ tạo ra tương phản ảnh khác nhau. Nhờ đó ta có thể nhận biết riêng biệt được chúng qua sự tương phản trên ảnh. Nếu hai mô có giá trị T1 khác nhau, thì sự tương phản sẽ càng tăng lên. Nhưng khi các mô tiến dần đến trạng thái cân bằng thì mật độ proton lại trở thành một yếu tố chính ảnh hưởng đến tương phản giữa hai mô. Như vậy, ưu điểm vượt trội của phương pháp tạo ảnh MRI so với các phương pháp khác là ở chỗ ta có thể chọn các đặc tính khác nhau của mô để tạo ra tương phản hiển thị trên phim chụp. Có 3 đặc tính cơ bản của mô là nguồn tương phản ảnh : (1) mật độ proton kết hợp với thời gian dãn dọc T1, (2) thời gian dãn dọc T1, (3) thời gian dãn ngang T2. Khái niệm TR, TE, T1W, T2W, PD và PDW Như đã biết ở trên, cường độ tín hiệu tăng dần từ 0 đến cực đại trong thời gian T1 và giảm dần từ cực đại trở về 0 trong thời gian T2. Nhằm tạo ra sự tương phản tốt nhất về hình ảnh của các mô, người ta phải chọn thời điểm T1 và T2 thích hợp để thu nhận các tín hiệu bức xạ cung cấp cho quá trình tạo ảnh. TR và TE chính là các thông số về thời gian đo tín hiệu được người vận hành máy thiết lập trước khi chụp MRI. TR (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn dọc đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh. Xác định giá trị TR là xác định thời điểm chụp ảnh. TE (Time of Echo event) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn ngang đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh. Các giá trị kết hợp giữa TE và TR được chọn qua các bảng tuỳ thuộc vào từng loại mô. Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2, ta thu được các tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt. Ảnh của T1 và T2 trong trường hợp này gọi là T1 điều chỉnh (T1-weighted: T1W) và T2 điều chỉnh (T2-weighted: T2W). Nhằm tạo ảnh T1 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TR tương ứng với thời gian mà tại đó tương phản T1 lớn nhất giữa hai loại mô. Nếu lựa chọn TR dài hơn sẽ tạo ra cường độ tín hiệu lớn hơn nhưng tương phản T1 ít hơn. Việc lựa chọn TR thích hợp với các giá trị T1 của mô rất có ý nghĩa trong chẩn đoán lâm sàng, đặc biệt khi phân biệt giữa mô lành và mô bệnh lý. Nếu giá trị TR được chọn bằng giá trị T1 của mô, đó là ảnh được chụp khi mô trở lại 63% sự nhiễm từ mô của nó. Nhằm tạo ảnh T2 điều chỉnh, người ta cần chọn một giá trị TE tương ứng với thời gian mà tại đó tương phản T2 lớn nhất giữa hai loại mô. Tương phản T2 cực đại thu được bằng cách dùng TE tương đối dài. Tuy nhiên, nếu dùng TE quá dài thì sự nhiễm từ và tín hiệu RF lại quá thấp để hình thành một ảnh. Một kỹ thuật tạo ảnh hay gặp nữa là PD. PD (Proton Density) là ảnh khảo sát mật độ proton. Như đã nói trên, khi sự nhiễm từ dọc đạt giá trị cực đại thì tương phản theo thời gian T1 sẽ kém đi. Lúc này tương phản ảnh do mật độ proton của mô quyết định. Do vậy, nếu ta chọn giá trị TR tương đối dài để tạo ảnh tương phản mật độ proton thì gọi là ảnh mật độ proton điều chỉnh (Proton Density-weighted: PDW). Kết luận: Việc hiểu biết nguyên lý hoạt động và các khái niệm cơ bản của chụp cộng hưởng từ sẽ giúp thầy thuốc nhận định đúng các cấu trúc bình thường hoặc bệnh lý của các mô. Khi đọc bất kỳ phim MRI nào, trước tiên phải nhận biết đó là phim T1 hay T2. Có thể thấy rằng nước (hay chất lỏng nói chung) vì có mật độ proton cao nên thời gian để nó khôi phục lại 63% giá trị từ hoá ban đầu sẽ kéo dài hơn so với mô có ít nước. Vì thế nước (hay chất lỏng nói chung) có cường độ tín hiệu yếu trong thời gian T1 và thể hiện bằng màu tối (đen) trên phim T1W. Ngược lại, vì có mật độ proton cao nên đầu thời gian T2, nước (hay chất lỏng nói chung) có cường độ tín hiệu cao và suy giảm kéo dài hơn nên thể hiện bằng màu sáng (trắng) trên phim T2W. Các mô bị phù nề, viêm, nhiễm trùng và các nang cũng có tính chất tương tự. Vì vậy khi đọc bất kỳ phim MRI nào, trước tiên phải tìm những cấu trúc nào mà ta biết chắc chắn là nước như dịch não tuỷ trong các não thất và ống sống, nước tiểu trong bàng quang…Nếu cấu trúc nước ấy có màu tối thì đó là ảnh T1W, nếu màu sáng thì chính là ảnh T2W. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Micheal Y. M. Chen, Thomas L. Pope, David J. Ott, 2010, Basic Radiology. 2nd edition, McGraw-Hill Medical, 408 pages. 2. Ralph Weissleder, Jack Wittenberg, Mukesh MGH Harisinghani, John W. Chen, 2011, Primer of Diagnostic Imaging. 5nd edition, Elservier Mosby, 816 pages. 3. William Herring, 2011, Learning Radiology: Recognizing the Basics. 2nd edition, Elservier Saunders, 333 pages. |
