(Bài viết này sẽ chấm dứt loạt bài về cơ cấu và nguyên lý hoạt động của cộng hưởng từ chức năng fMRI. Trong những bài viết tới, chúng tôi sẽ trình bày những ứng dụng của fMRI trong việc theo dõi và tầm soát những hoạt động và bệnh lý của não bộ). 

Cộng hưởng từ chức năng (fMRI) sử dụng tín hiệu đặc biệt đạt được bởi độ tương phản gây nên bởi sự phụ thuộc vào nồng độ oxy trong máu (Blood Oxygenation Level Dependent) hay thường được gọi tắt là BOLD [1-2].

Hai ông Fox và Raichle [3] đã thành công trong việc cắt nghĩa sự gia tăng của tín hiệu BOLD với hoạt động của não bộ và xác định rằng khi tế bào não bi kích hoạt, mạch máu nới rộng ra; lượng oxy hóa mới được cung cấp trở nên nhiều hơn lượng  máu cần thiết.

Kết quả này là một bằng chứng cụ thể chứng tỏ rằng cộng hưởng từ chức năng fMRI có thể dùng như một công cụ không xâm lấn hữu hiệu để khảo sát các hoạt động của não, nhất là các bệnh liên quan đến sự thoái hóa não bộ.  

Hình ảnh tương phản của BOLD được quyết định bởi nồng độ cục bộ tương đối trong não của huyết sắc tố khử oxy (deoxyhemoglobin hay deoxy-Hb) và huyết sắc tố được oxy hóa (oxygenated-hemoglobin hay oxy-Hb) gây ra bởi hoạt động của não. Nói một cách nôm na, vùng não bộ nhiều huyết sắc tố oxy-hóa sẽ cho nhiều tín hiệu (vì thế sáng) hơn là vùng não bộ có huyết sắc tố khử oxy. Thời gian hồi giãn T2 và T2* của não biến đổi theo lượng huyết sắc tố khử oxy. Hiệu quả này còn tùy thuộc vào sức mạnh trường, trình tự xung spin (spin of echo hay SE) và thời vang (time of echo hay TE).  

Cũng nên ghi nhận ở đây là độ tương phản BOLD có tính cách định tính và không là thước đo trực tiếp hoạt động của tế bào não; BOLD chỉ đo tính không đồng nhất gây nên bởi sự thay đổi lượng oxy trong máu mà thôi!   

1. Thời gian hồi giãn dọc T1 và thời gian hồi giãn ngang T2

1.1 Thời gian hồi giãn dọc T1

Nguyên lý cơ bản của sự vận hành của chụp cộng hưởng từ là dùng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các tần số sóng điện từ như sóng radio hay sóng vô tuyến RF 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 B₁ nằm dọc theo mặt x,y, 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 khác, từ trường B₁ “cộng hưởng” quanh trục z với cùng tần số với các proton.  

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 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. 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, dựa vào cơ cấu spin-lattice relaxation. T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho 63.2% vectơ hồi giãn theo chiều dọc, tính từ (1-1/e) (Hình 1a & 1c).  

1.2 Thời gian hồi giãn ngang T2

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, dựa vào cơ cấu spin-spin relaxation. Riêng về thời gian hồi giãn ngang T2, đây 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).

T1 và T2 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.

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 [4-5].

1.3 Vài thí dụ

Trong hình trọng T1, mỡ có màu trắng; trong khi đó trong hình trọng T2, cả hai nước và mỡ có màu trắng (Hình 2&3). Đây củng là điểm tham khảo dùng để tham khảo khi khảo sát hình chụp cộng hưởng từ.  

Hình 2.  Hình trọng T1 - giải phẫu cột xương sống.

Hình bên trái: Mô mỡ (fatty tissues, màu trắng): mỡ SC (subcutaneous fat) và tủy xương (bone marrow) cũng có thể tìm thấy trong hình. Vùng  không có mỡ (màu đen) là CSF (cerebrospinal fluid) [6]

Hình bên phải: Hình màu của hình bên trái.

Hình 3. Hình trọng T2 - giải phẫu 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 [6].  

2. Thời kích TR và thời vang TE

2.1 Thời kích TR

Thời kích TR (repetition time) là thời gian chọn lựa giữa hai lần phát xung kích. Đây là chu kỳ thời gian (cycle time)  giữa hai điểm tương ứng. 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 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.

2.2 Thời vang TE

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 xảy ra sự suy giảm tín hiệu (Free Induction Decay hay FID) 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.  

Nhân viên điều khiển máy chụp cộng hưởng từ MRI sẽ chọn TR và TE thích ứng để đạt được hình ảnh họ muốn có trong việc chẩn đoán qua hình ảnh.. Đơn vị của TR và TE thường là milliseconds (ms) [7]. 

2.3  Hình trọng T1 cần TR và TE ngắn trong khi đó hình trọng T2 cần TR và TE dài Trên thực tế lâm sàng, hình trọng T1 hay hình T1 (T1- weighted) và hình trọng T2 hay hình T2  (T2- weighted) được dùng để biểu hiện độ tương phản và cung cấp thêm thông tin về hình ảnh MR trong việc chẩn đoán.  

Thời kích TR dài sẽ giảm thiểu hiệu quả của thời gian hồi giãn dọc T1, bởi vì tất cả các mô có đủ thời gian để hồi phục giữa hai lần xung kích. Tương tự như vậy, TE ngắn sẽ giảm thiểu hiệu quả của T2 bởi vì sẽ có rất ít thời gian để cho sự khác nhau trong sự suy giảm của T2 biểu hiện. Trong việc tạo hình spin-echo (SE),  thời kích TR và thời vang TE được dùng để kiểm soát độ trọng (weighting) của hình MR. 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. Ngược lại, hình trọng T2 được tạo ra với thời kích TR và thời vang TE dài [8].

Độ “dài” hay “ngắn” ở đây chỉ có tính cách định tính; tuy nhiên thông thường khi nói TR hay TE “dài” có nghĩa là thời gian dài khoảng 3-5 lần thời gian hồi giãn dọc T1 và thời gian hồi giãn ngang T2. Trong khi đó, khi nói TR hay TE “ngắn” có nghĩa là hai con số thời gian này ngắn rất nhiều so với T1 và T2.

Sau cùng, khi TR dài và TE ngắn, ảnh hưởng của T1 và T2 đều biến mất, như trong trường hợp của hình trọng đậm độ proton PDW.

2.4  Một phương pháp khác dùng trong việc phân biệt hình trọng T1 và hình trọng T2

Phương pháp tham khảo chung để phân biệt hình trọng T1 và hình trọng T2 là nhìn độ sáng của CSF (cerebrospinal fluid). Nếu màu tối là hình trọng T1 và nếu màu trắng là hình trọng T2 như đã trình bày ở Hình 3 phần trên.  

Tuy nhiên trên thực tế có một số trường hợp, sự phân biệt trở nên khó khăn hơn. Một tiêu chuẩn khác là dựa vào chất xám (grey matter) và chất trắng (white matter). Chất xám ở chung quanh sọ trong khí đó chất trắng nằm ở phía bên trong. Nếu chất xám đậm hơn chất trắng, chúng ta có hình trọng T1 và nếu ngược lại, chúng ta sẽ có hình trọng T2. 

Dưới đây là một thí dụ: 

Hình 4: Mới thoạt nhìn, nếu dựa vào điểm tham khảo ở Hình 3, hình bên trái là T1 và hình bên phải là T2 . Tuy nhiên trên thực tế, cả hai hình đều là hình trọng T2 (Google Images).  

Hình 4 bên trái: chất xám (chỉ định bởi lằn đỏ bên ngoài) sáng hơn chất trắng (lằn đỏ bên trong). Đây là hình trọng T2. Nếu đi theo tiêu chuẩn thông thường, vì CSF màu đen, chúng ta có thể cho đây là hình trọng T1.

Hình 4 bên phải: Tương tự  giống như trường hợp ở hình bên trái. Chất xám bên ngoài sáng hơn chất trắng bên trong. Đây là hình trọng T2. Điều này giống như kết quả từ tiêu chuẩn thông thường: hình trọng T2 vì CSF màu trắng. 

3. Thời gian hồi giãn ngang T2*

3.1 T2* gia tăng với huyết sắc tố được oxy hóa

Như đã được mô tả trong phần trước, từ hóa ngang (dọc theo hướng của  mặt phẳng 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 trên thực tế thời gian hồi giãn ngang 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 thông thường, người ta dùng khái niệm thời gian hồi giãn ngang T2* (hay T2 star).

T2* là thời gian quan sát (observed) hay hiệu lực (effective)  của T2 dưới ảnh hưởng như tính không đồng nhất của từ trường. Sự liên hệ có thể biểu hiện bởi phương trình dưới đây: 

1/T2*= 1/T2(true) + 1/T2 (inhomogeneity)

 Hay T2*= T2 (true)/[(1+T2(true)/T2(inhomogeneity)) 

T2* luôn luôn nhỏ hơn hay bắng T2 (true) hay T2. 

Thời vang TE càng dài thì ảnh hưởng của T2* càng lớn. Lý do giải thích sự suy giảm nhanh chóng tín hiệu cộng hưởng từ này được xem là những nguyên nhân dẫn 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. T2* được dùng thay cho T2 trong những trường hợp đặc biệt với những mục đích đặc biệt. như khi cần khảo sát ảnh hưởng của những yếu tố  khác, thí dụ như  ảnh hưởng của tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc độ xê dịch hóa học.  

3.2 Thí  dụ về T2*

Hình T2* 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 được chỉ định bằng mũi tên trong Hình 5.   

Hình 5. T2*  dùng  để xác định rõ sự hiện diện của u tế bào não (cerebral haemangioma/ haemanglomia) –được chỉ định với mũi tên [6]. 

3. Kết từ

Hình ảnh tương phản của BOLD được quyết định bởi nồng độ cục bộ tương đối trong não  của huyết sắc tố khử oxy (deoxy-Hb)  và huyết sắc tố được oxy hóa (oxy-Hb)  do hoạt động của não gây ra.  Huyết sắc tố khử oxy có tính thuận từ, làm giảm T2 và T2* và vì thế giảm tín hiệu MR. Ngược lại huyết sắc tố được oxy hóa sẽ gia tăng T2*. Độ tương phản cuối cùng sẽ còn tùy thuộc vào sức mạnh trường, trình tự xung và thời vang TE. 

Trong các hoạt động ở vùng cục bộ trong não, nếu tỉ số deoxy-Hb/ oxy-Hb thấp, thời gian hồi giãn ngang T2* sẽ gia tăng và vì thế tín hiệu BOLD (hay tín hiệu MR) sẽ gia tăng.  T2* thường được dùng trong những trường hợp đặc biệt như khi cần khảo sát ảnh hưởng của những yếu tố  khác chẳng hạn như tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ hoặc độ xê dịch hóa học.  

4. Tài liệu tham khảo

[1] Pauling L, Coryell CD. The magnetic properties and structure of hemoglobin, oxyhemoglobin and carbonmonoxyhemoglobin. Proc Natl Acad Sci 1936; 22:210-216. (first paper describing and explaining the diagmagnetic and paramagnetic properties of oxy- and deoxy-hemoglobin respectively).  

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2028-Hieu-Ung-BOLD.htm 

[3] M.D. Fox and M. E. Raichle. Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging . 2007 Sep;8(9):700-11. doi: 10.1038/nrn2201.
[4] Silvennoinen MJ, Clingman CS, Golay X, et al.  Comparison of the dependence of blood R2 and R2* on oxygen saturation at 1.5 and 4.7 Tesla. Magn Reson Med 2003; 49:47–60.​
[5] Thulborn KR, Waterton JC, Matthews PM, Radda GK. Oxygenation dependence of the transverse relaxation time of water protons in whole blood at high field. Biochem Biophys Acta 1982; 714:265–270. (describes T2 changes due to diffusion and their quadratic dependence on field strength)
[6] Graham Lloyd-Jones BA MBBS MRCP FRCR - Consultant Radiologist - Salisbury NHS Foundation Trust UK (Read bio)

[7] Hendrick RE (ed). Glossary of MR Terms (5th ed). Reston, VA: American College of Radiology, 2005.

[8]  http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part%2019-03312022.htm   

May 10, 2023