Trong nhiều bài viết trước (phần 6 đến phần 25), người viết đã giới thiệu nguyên lý cơ bản và ứng dụng của máy chụp X-quang cắt lớp vi tính (Computed Tomography-CT) và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging hay MRI). Hai kỹ thuật này rất phổ biến trong cộng đồng y khoa và đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc phòng bệnh và chửa trị.  

Trước khi đi sang bài viết tới về một đề tài khác khá thú vị và có triển vọng quan sát và theo dõi các hoạt động của não: chức năng cộng hưởng từ (functional magnetic resonance imaging hay fMRI), chúng tôi xin tóm lược lại những điểm khác nhau chính giữa hai kỹ thuật CT và MRI. 

1. Tóm lược về CT và MRI

1.1 CT

Máy chụp X-quang cắt lớp vi tính (Computed Tomography-CT) hay chụp X-quang cắt lớp vi tính trục ngang (Computed Axial Tomography-CAT) là một thiết bị công nghệ được sử dụng trong cộng đồng y tế để chuẩn đoán xạ hình. Máy này còn được biết với nhiều tên khác nhau như chụp cắt lớp điện toán theo trục ngang, chụp cắt lớp điện toán, máy chụp cắt lớp hay ngắn gọn hơn gọi là máy chụp CT. Đây là một phát minh lớn trong lãnh vực xạ hình y học. Thuật ngữ “Tomography” gồm có từ “tomo” có nghĩa là cắt lát; và “graphy” có nghĩa là in hình. “Tomography” vì thế có nghĩa là in hình cắt lát. Trong quá trình chụp cắt lớp vi tính, X-quang quét lên một khu vực của cơ thể bằng cách phóng một chùm tia X qua người theo lát cắt ngang; bộ cảm biến đo cường độ tia X còn lại sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân và cung cấp dữ liệu vào máy tính, để có được hình ảnh hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) với những đậm độ (density) khác nhau của bộ phận cần khảo sát.

Chụp hình X-quang cắt lớp vi tính có thể dùng để khảo sát bất kỳ các bộ phận nào trong cơ thể con người. Chẳng hạn như chụp sọ não để xác định nguyên nhân của đột quỵ hay chấn thương đầu, phát hiện và xác định vị trí của khối u, chụp hình ảnh của ngực để khảo sát phổi, tim, động mạch, chụp bụng để khảo sát viêm ruột, nhiễm trùng, và chụp gan và đường tiết niệu.

So với chụp X-quang thông thường, chụp CT cho hình rõ nét hơn, đặc biệt là hình mô mềm trong cơ thể. Khả năng tạo cấu trúc 3D nhằm giúp công tác chẩn đoán và sàng lọc của bác sĩ X-quang (hay còn gọi là bác sĩ chẩn đoán xạ hình) được hiệu quả hơn. Một lợi điểm nữa là hình ba chiều 3D hay có thể triển khai đến 4D (với thời gian và sự di động) hay 5D (với động lực học chất lưu và lưu lượng máu) trở nên một công cụ tiện lợi trong việc giảng dạy ở các trường đại học y khoa hay các viện nghiên cứu [1]

1.2 MRI

Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (Magnetic resonance imaging hay MRI) dựa vào hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear magnetic resonance hay NMR). Đây là một phương pháp thu hình ảnh dựa vào lượng nước bên trong của các cơ quan trong cơ thể con người. Cộng hưởng từ thực hiện được do sự hấp thụ và phóng xuất năng lượng trong tần số vô tuyến ( RF) của phổ điện từ (electromagnetic spectrum). Khác với năng lượng dùng trong việc chụp X quang như chụp hình cắt lớp CT với năng lượng phóng xạ tia X, năng lượng dùng chụp MRI là năng lượng vô tuyến điện, vì thế không gây độc hại cho cơ thể. So với máy chụp cắt lớp CT, MRI đắt hơn; cho hình các cấu trúc phần mềm rõ nét với độ phân giải cao; nhưng chất lượng thấp hơn về xương và thời gian chụp hình dài hơn. Một yếu điểm của MRI là vì từ trường mạnh, người ta không thể chụp hình những bệnh nhân có mang theo những bộ phận kim lọai trong cơ thể như van tim, đĩa đệm nhân tạo vì nhiễu từ. Trong thời gian chụp hình MRI, bệnh nhân phải nằm yên; nếu không hình sẽ bị mờ.

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 B₁ dọc 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 từ trường B₁ và thời gian phát xung. Nói một cách nôm na hơn, 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).

Nên ghi nhận ở đây là tần số tần số sóng radio hay sóng vô tuyến vào khoảng 10⁷ trong khi đó tầng số của tia X là 10¹⁹. Vì năng lượng (energy) tỉ lệ với tần số (frequency) bởi hằng số Plank, năng lượng dùng trong tia X và CT nằm trong khoảng một nghìn tỷ (trillion) lần năng lượng dùng trong MRI. Một con số đáng kể về liều lượng khác nhau giữa hai kỹ thuật quan trọng trong y khoa điện tử CT và MRI!

Về cơ cấu vận hành của MRI, neutron và proton quay quanh trục của chúng giống như con vụ, Các tín hiệu đạt được sẽ được xử lý và tạo ra hình ảnh để bác sĩ phân tích và chẩn đoán. Dưới ảnh hưởng của từ trường máy, trục từ trường của các proton trong mô sẽ xếp dọc theo từ trường. 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. Sau khi sóng radio tắt đi, các proton quay trở lại xếp 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 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 (hồi giãn T1 hay thời gian hồi giãn theo trục dọc). 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. T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho 63.2% vectơ hồi giãn theo chiều dọc. 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% của giá trị ban đầu. T1 và T2 tùy thuộc vào bộ phận trong cơ thể; thí dụ như nước có T1 dài trong khi đó mỡ có T1 ngắn; nhưng đại khái thì T1 nằm trong khoảng từ 100 ms đến 3 giây và lớn hơn T2 khoảng từ 2 đến 10 lần. Thường thì cả hai T1 và T2 đều được xử dụng và dùng các thuật toán để tạo hình MRI. Mỗi mô có lượng nguyên tử hydrogen khác nhau và bằng cách thay đổi trình tự của xung tần số vô tuyến RF, nhiều hình ảnh khác nhau có thể đạt được. Hình ảnh được thể hiện trên một dãi màu từ trắng sang đen; trong đó màu trắng có cường độ tín hiệu cao và màu đen không có tín hiệu. [2] 

2. So sánh chức năng của CT và MRI 

Bảng 1. Tóm tắc ưu điểm và khuyết điểm của CT và MRI

3. Vài thí dụ

(i) CT chỉ cho phép cắt ngang trục, kỹ thuật cộng hưởng từ cho phép cắt ngang trục

(axial), cắt dọc đứng (sagittal) và cắt dọc ngang (coronal).

Hình 1 biểu hiện một thí dụ về hình ảnh mặt phẳng MRI qua vết cắt ngang trục, cắt dọc ngang và cắt dọc đứng trong não bộ [3]. Chúng ta thường thấy những hình này trong phòng nhân viên y tế khi họ chẩn đoán và tầm soát các bệnh lý liên quan đến bộ não. 

Hình 1. Mặt phẳng MRI của đầu con người: (a) cắt ngang trục (axial)- hình bên trái, (b) cắt dọc ngang (coronal)- hình giữa và (c ) cắt dọc đứng (sagittal)- hình bên phải. Nếu đi theo hướng nhìn từ ba vết cắt liên quan đến ba mặt phẳng cơ bản của MRI: mặt cắt ngang trục (từ trên xuống dưới), mặt cắt dọc ngang (từ trước ra sau) và mặt và mặt cắt dọc đứng từ phía lỗ tai bên này sang phía lỗ tai bên kia (trái sang phải hay ngược lại) [3]  

(ii) Màu trắng trong hình CT biểu hiện mật độ cao (high density), trong khi đó màu trắng trong MRI biểu hiện tín hiệu cao (high signal). 

Hình 2. Hình CT vs MRI [4]. 

Trong Hình 2, Cerebrospinal fluid (CSF) có mật độ thấp trong hình CT và tín hiệu cao trong hình MRI [3] 

4. Lời kết

CT và MRI là hai công nghệ điện tử y khoa rất phổ biến ở nhiều bệnh viện trên thế giới.

Cà CT và MRI có những ưu và khuyết điểm riêng như đã trình bày ở Bảng 1. Tùy theo bệnh lý của bệnh nhân, bác sĩ sẽ chọn một trong hai công nghệ hay cả hai.

5. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Godfre-%20Hounsfield.htm

[2] ttp://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2012-09012021.htm

[3] https://www.researchgate.net/figure/MRI-planes-for-MRI-head-scan-a-Axial-b-Coronal-c-Sagittal-MR-scanner-can-generate_fig2_338448026

 [4] Graham Lloyd-Jones- Salisbury NHS Foundation Trust UK

September 27, 2022