Trong những bài viết trước [1-3], chúng tôi đã trình bày tính siêu dẫn của thỏi nam châm, cớ cấu, và những thành phần quan trọng trong máy chụp cộng hưởng từ MRI. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày một số đặc tính khác liên quan đến hình ảnh MR đạt được từ máy quét.

Nguyên lý cơ bản của sự vận hành của MRI là dùng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các tần số sóng radio hay sóng vô tuyến RF (cả hai sóng vô tuyến hay sóng radio đều thuộc về dạng sóng điện từ) để điều khiển hoạt động điện từ của hạt nhân nguyên tử hydrô và để tạo ra các lớp cắt mỏng của mô cơ thể. Xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng, tạo nên từ trường nằm B₁dọc theo mặt x,y, nằm thẳng góc với B₀. Một khoảng thời gian sau, vectơ dọc theo từ trường B₀ lệch ra khỏi trục z và tạo một góc lật (flip angle). Giá trị của góc lật này tùy thuộc vào cường độ của từ trường B₁và thời gian phát xung. Nói một cách nôm na, từ trường B₁“cộng hưởng” quanh trục z với cùng tần số với các proton. Những tham số chính dùng để biểu hiện tính năng của sóng radio là tần số, biên độ (amplitude), chu kỳ, bước sóng (wavelength) và pha (phase).

Xung tầng số vô tuyến hay sóng radio dùng để đảo trục một số proton ngược hướng với từ trường dẫn đến năng lượng cao. Điều này có tác dụng “đẩy” các vector hướng tới mặt phẳng nằm ngang. Các proton tiếp nhận năng lượng sóng radio dạng xung sẽ đảo đồng nhịp với xung radio, gọi là hiện tượng đồng pha (các proton sẽ cùng hướng về một phía). Sau khi ngắt xung RF (sóng radio tắt đi), vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và các proton quay trở lại xếp hàng theo trục ban đầu của từ trường; hydrogen protons hồi phục trở lại vị trí bình thường ban đầu trong từ trường và phóng ra năng lượng tàn trữ dư (excess stored energy). Năng lượng được phóng ra dưới dạng nhiệt, hay dưới hình thức sóng radio. Mức độ và năng lượng phóng thích khi các proton quay trở lại trục ban đầu cần thời gian hồi giãn theo trục dọc T1. Ở đây, T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho 63.2% vectơ hồi giãn theo chiều dọc. Con số 63.2 % được tính từ (1-1/e) dựa vào đặc tính hồi giãn dọc (Hình 1a & 1c) [4]. Thời gian T1 cũng tùy thuộc vào tỉ số giữa nước tự do và nước hạn chế; nước tự do càng nhiều thì T1 càng dài vì proton mất nhiều thì giờ hơn để định hướng lại trục quay của mình.

Từ hóa ngang (dọc theo mặt x,y) mất nhanh ngay cả trước khi từ hóa dọc theo trục z khôi phục hoàn toàn vì sự dao động và va chạm của protons. Thời gian xảy ra quá trình hồi giãn ngang được gọi thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2. Riêng về thời gian hồi giãn ngang T2, T2 là thời gian cần thiết để tín hiệu hồi giãn theo trục ngang còn 36.8% tính từ (1/e) của giá trị ban đầu (Hình 1b) [4].

T1 và T2 thay đổi tùy thuộc vào các thành phần trong cơ thể; thí dụ như nước có T1 dài trong khi đó mỡ có T1 ngắn. Thường thì thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1[1].

Hình 1. Cơ cấu của thời gian hồi giãn dọc T1 và thời gian hồi giãn ngang T2. T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho 63.2% vectơ hồi giãn theo chiều dọc. Trong khi đó T2 là thời gian cấn thiết để cho 37% vectơ hồi giãn theo chiều ngang [4].

Thời kích TR (repetition time) là thời gian chọn lựa giữa hai lần phát xung kích. TR có liên quan mật thiết đến T1: (i) nếu TR lớn hay bằng T1: độ từ hóa học hầu như đã khôi phục hoàn toàn; vì thế tín hiệu lần thứ hai và những lần kế tiếp sau đó sẽ bằng tín hiệu lần thứ nhất; tín hiệu cộng hưởng từ mạnh nhất; (ii) nếu TR nhỏ hơn T1: khi phát xung lần thứ hai, độ từ hóa dọc chỉ khôi phục lại được một phần; và độ từ hóa dọc này sẽ bị lật ngang theo mặt x,y và nhỏ hơn độ từ hóa ngang của lần phát xung đầu tiên. Kết quả là tín hiệu lần thứ hai nhỏ hơn tín hiệu lần phát xung thứ nhất. Tín hiệu cộng hưởng từ sẽ yếu hơn tín hiệu đạt được trong lần đầu.

Đây là khoảng thời gian từ khi tắt xung kích thích đến lúc đo tín hiệu. Đây không phải là tín hiệu gốc ban đầu mà là tín hiệu vọng lại của tín hiệu ban đầu. TE có quan hệ mật thiết với T2, thời gian sự suy giảm tín hiệu (Free Induction Decay hay FID) xảy ra do sự gia tăng số proton quay lệch pha. Khi TE quá nhỏ so với T2, tín hiệu thu được vẫn còn mạnh; tuy nhiên khi TE dài gần bằng T2, tín hiệu thu được sẽ bị suy giảm đi rất nhiều.

Trên thực tế lâm sàng, hình trọng T1 hay hình T1 (T1- weighted images or T1 images) và hình trọng T2 hay hình T2 (T2- weighted images or T2 images) và hình trọng đậm độ proton (proton density- weighted hay PDW) dùng để biểu hiện độ tương phản và cung cấp thêm thông tin về hình ảnh MR trong việc chẩn đoán. Cả ba tham số này đều đóng vai trò rất quan trọng trong việc mô tả rõ rệt hình ảnh MR của những tổn thương bất thường trong cơ thể con người. Hình trọng T1 và hình trọng T2 phần lớn dùng để biểu hiện nước và mỡ trong cơ thể.

Có hai loại hồi giãn: (i) điều chỉnh lại (realignment) lượng protons với từ trường và (ii) sự lệch pha (dephasing) của spin protons gây ra tình trạng mất cộng chấn. Tín hiệu T1 liên quan đến tốc độ điều chỉnh lại với từ trường của protons; sự sắp xếp lại càng nhanh bao nhiêu thì T1 càng lớn bấy nhiêu. Tín hiệu T2 liên quan đến tốc độ lệch pha của spin protons; sự lệch pha càng chậm bao nhiêu thì tín hiệu T2 càng lớn bấy nhiêu.

Những mô khác nhau có độ điều chỉnh và độ lệch pha khác nhau. Sự phát hiện tín hiệu sau những khoảng cách thời gian cho phép chúng ta thấy rõ rệt hơn sự hiện diện của những mô khác nhau. Protons trong vùng mỡ điều chỉnh rất nhanh với năng lượng cao và cho ra tín hiệu T1 cao. Hiện tượng này được khai thác để tạo ra hình trọng T1 cao giúp ấn định rõ lượng mỡ trong mô cơ thể. Trong khi đó, protons trong nước có độ lệch pha chậm. Hiện tượng này được khai thác để cho ra hình trọng T2 cao dùng để thẩm định lượng nước trong mô cơ thể.

Độ tương phản (contrast) và độ sáng được quyết định bởi T2. Hình T2 là bản đồ năng lượng proton (map of proton energy) trong mô mỡ (fatty tissues) và mô mềm (water-based tissues). Cường độ phát ra từ một đơn vị thể tích mô (vortex) được thể hiện trên một thang màu từ trắng đến đen, trên đó màu trắng biểu hiện cường độ tín hiệu cao nhất, còn màu đen là tình trạng không có tín hiệu. Chất xám được biểu hiện bằng nhiều sắc màu có độ xám khác nhau (Hình 2a và 2b).

Hình 2. (a) Hình trọng T1 được tạo ra bằng cách giữ thời kích TR và thời vang TE ngắn. Hình trọng T2 được tạo ra bằng cách giữ thời kích TR và thời vang TE dài; trong khi đó proton density- weighted PDW được tạo bằng cách giữ TR dài và TE ngắn [7]. (b) Một thí dụ của hình trọng T1 và hình trọng T2 của não. Mỡ có độ điều chỉnh nhanh (fast alignment), tín hiệu T1 vì thế cao, như được biểu hiện bằng màu trắng trong khi đó nước có độ lệch pha chậm, vì thế tín hiệu T2 cao. (Nguồn: Christoph Korn and Andrea Dantas).

TR và TE dùng để biểu hiện độ tương phản và độ trọng (weighting) của hình ảnh MR. Thời kích TR dài làm giảm thiểu hiệu quả của T1, bởi vì tất cả các mô có đủ thời gian để hồi phục giữa hai lần xung. Ngược lại, thời vang TE ngắn nhằm làm giảm hiệu quả của T2, bởi vì có rất ít thời gian để cho sự khác nhau về sự suy giảm của T2 có thể xuất hiện.

Hình trọng T1 được tạo ra bằng cách giữ thời kích TR và thời vang TE ngắn. TR cần phải ngắn để thu thập sự khác biệt giữa các mô dựa trên T1 [Hình 2a]. Trong hình ảnh T1, mỡ có màu trắng (sáng, tín hiệu cao).

Ngược lại hình trọng T2 được tạo ra với thời kích TR và thời vang TE dài [Hình 2a]. Trong trường hợp liên quan đến dộ tương phản của hình trọng T2, thời kích TR cần phải dài để các mô có đủ thời gian hồi phục hoàn toàn từ hóa dọc và cho tin hiệu cộng hưởng từ có cường độ mạnh. Các mô có T2 dài sẽ có tín hiệu mạnh (màu trắng như dịch não), và các mô có T2 ngắn sẽ có tìn hiệu yếu hơn (màu đen như mô mềm) hay không có tín hiệu (màu rất đen như vỏ xương). Cả mỡ và nước có màu trắng (sáng) trong hình trọng T2.

Hình 3 biểu hiện sự liên quan giữa hình trọng T1 và hình trọng T2 đối với thời kích TR và thời vang TE. Ở Hình 3a, thời kích TR= 500 msec và thời vang TE= 25 msec được chọn để đạt được hình trọng T1 thích hợp. Cả hai con số TR và TE này ngắn hơn TR= 2.500 msec và TE= 125 msec cần thiết để đạt được hình trọng T2 thích hợp [5].

Sự xuất hiện của mô mỡ có thể nhận dạng được và khác với mô mềm bằng cách so sánh hình ảnh sáng trên hình T1 với hình ảnh tương đối tối trên hình T2. Ngược lại hình ảnh sáng trên hình T2 nhưng tối trong hình T1 cho thông tin về những mô có chứa chất lỏng (fluid-based tissue).

Hình 3. Sự liên hệ giữa hình trọng T1 va hình trọng T2 biểu hiện với màu trắng, màu xám và CSF (cerebrospinal spinal: một loại tủy nằm chung quanh não và cột xương sống) ở nhiều thời kích TR và thời vang TE khác nhau. Ở Hình 3a, thời kích TR= 500 msec và thời vang TE= 25 msec cho hình trọng T1 thích hợp. Cả hai con số TR và TE này ngắn hơn TR= 2.500 msec và TE= 125 msec cần thiết để đạt hình trọng T2 thích hợp như có thể thấy ở Hình 3b [6].

Trong trường hợp hình trọng đậm độ proton, thời kích TR dài còn thời vang TE ngắn [Hình 2a].

Khi sự nhiễm từ dọc đạt tới giá trị cực đại thì độ tương phản theo thời gian T1 sẽ kém đi. Lúc này tương phản ảnh do mật độ proton (proton density) của mô sẽ quyết định. Như vậy, nếu ta chọn giá trị TR tương đối dài để tạo ảnh tương phản mật độ proton, chúng ta sẽ có hình trọng đậm độ proton PDW (Proton Density-weighted). Số lượng proton có trong tế bào và mô, không liên quan với thời gian T1 và thời gian T2. Mô nào có đậm độ proton càng cao thì tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh.

Trước khi trình bày vài thí dụ liên quan đến hình trọng T1, hình trọng T2, chúng tôi xin ghi nhận lại một điểm dùng để tham khảo: Trong hình trọng T1, mỡ có màu trắng; trong khi đó trong hình trọng T2, cả hai nước và mỡ có màu trắng.

Hình 3. Hình trọng T1 - giải phẫu cột xương sống. Mô mỡ (fatty tissues, màu trắng): mỡ SC (subcutaneous fat) và tủy xương (bone marrow) có thể tìm thấy trong hình.

Hình 4. Hình trọng T2 - giải phẩu cột xương sống. Hình trọng T1 được dùng để tham khảo. Có nghĩa là trong những hình này, thứ gì sáng trong hình trọng T2 nhưng tối trong hình trọng T1 là mô có chất lỏng (fluid-based tissues) dựa vào sự kiện hình trọng T1, mỡ có màu trắng; trong khi đó trong hình trọng T2, cả hai nước và mỡ có màu trắng. CSF (fluid): trắng trong hình trọng T2 và đen trong hình trọng T1.

Vỏ xương (bone cortex , no free protons): không có tín hiệu trong cả hình trọng T1 và hình trọng T2.

Sự kiện độ suy giảm tín hiệu thường là cao trong tủy xương cho biết sự tổn thất của mô mỡ bình thường và sự gia tăng lượng nước.

Tín hiệu thấp một cách bất bình thường của hình T1 cho biết có một tiến triển liên quan đến bệnh lý đang xảy ra (chấn thương, nhiễm trùng, hay ung thư).

Màu trắng hơn bình thường trên cùng một vùng biểu lộ một sự gia tăng về lượng nước. Độ sáng bất bình thường của hình T2 cho biết có một tiến triển liên quan đến bệnh lý đang xảy ra (chấn thương, nhiễm trùng, hay ung thư).

Trên thực tế, thời gian suy giảm tín hiệu lại còn ngắn hơn vì tác động từ trường không đồng nhất trong các mô. Thời gian này gọi là T2*. TE càng dài thì ảnh hưởng của T2* càng lớn và càng rõ ràng hơn [7].

Như đã mô tả trong phần trước, từ hóa ngang (dọc theo mặt x,y) mất nhanh ngay cả trước khi từ hóa dọc theo trục z khôi phục hoàn toàn vì sự dao động và va chạm của protons; vectơ từ hóa ngang suy giảm dần trong thời gian T2. Tuy nhiên trong môi trường cơ thể, tín hiệu cộng hưởng từ thường mất khá nhanh chứ không tồn tại và kéo dài trong suốt thời gian T2, nghĩa là thời gian hồi giãn ngang thực tế này ngắn hơn so với thời gian hồi giãn ngang T2. Để phân biệt rõ ràng thời gian T2 thực tế với thời gian T2, người ta dùng khái niệm thời gian hồi giãn ngang T2*.

Lý do giải thích sự suy giảm nhanh chóng tín hiệu cộng hưởng từ này chung quy là do các nguyên nhân đã đưa đến tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học vốn có giữa các proton của mỡ và của nước. Thuật ngữ T2 được dùng với ý nghĩa thông thường là thời gian hồi giãn ngang biểu thị một đặc trưng vốn có của mỗi mô cơ thể. Trong khi đó thuật ngữ T2* được dùng thay cho T2 trong những trường hợp đặc biệt với những mục đích đặc biệt như khi cần phải khảo sát ảnh ảnh hưởng của những nguyên nhân khác như ảnh hưởng của tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc do độ xê dịch hóa học

Nếu gọi T2* là thời gian quan sát (observed) hay hiệu lực (effective) của T2 dưới ảnh hưởng của sự không đồng nhất của từ trường, chúng ta có thể tính T2* dựa vào phương trình đưới đây:

T2* luôn luôn nhỏ hơn hay bắng T2. Hình T2* (T2 star) cũng được biết với tên “gradient echo images” có thể dùng để làm làm rõ nét sự hiện diện của những vật thể liên quan đến máu - như u tế bào não hay mô mạch máu não (cerebral haemangioma) như vùng được chỉ định bằng mũi tên trong Hình 7.

Hình 7. T2* dùng để xác định rõ sự hiện diện của u tế bào não (cerebral haemangioma/ haemanglomia) –được chỉ định với mũi tên [7]

Trong bài viết này, chúng tôi đã trình bày những tính chất liên quan đến hình ảnh trong máy quét MRI như thời gian hồi giãn dọc T1, thời gian hồi giãn ngang T2, thời kích TR, thời vang TE và T2*. Hình trọng T1, hình trọng T2, và hình trọng đậm độ proton PDW; cả ba đều đóng vai trò rất quan trọng trong việc chẩn đoán lâm sàng, giúp bác sĩ và cán bộ y tế hoàn thành công tác chẩn đoán và điều trị một cách hữu hiệu hơn. Cường độ tín hiệu được thể hiện trên một thang màu từ trắng đến đen, trên đó vùng màu trắng là cường độ tín hiệu cao, trong khi đó màu đen là vùng không có tín hiệu. Một mặt khác, thời gian hồi giãn ngang T2* có liên quan đến BOLD (Blood Oxygen Level Dependent)- một tham số dùng rất nhiều trong chụp cộng hưởng tứ chức năng fMRI (functional MRI)- một kỹ thuật có triển vọng được dùng nhiều để khảo sát hoạt động của não.