Nguyên lý chụp cộng hưởng từ (MRI)

Only in my Website

PGS. TS. Hà Hoàng Kiệm, BVQY 103, HVQY

Hình 1. Máy chụp MRI (bên trái), hình ảnh MRI sọ não cắt theo mặt phẳng dọc Sagittal (bên phải).

1. Sơ lược nguyên lí

          Chụp cộng hưởng từ hay còn gọi là chụp MRI (magnetic resonance imaging). Phim MRI cho chúng ta hình ảnh một lát cắt qua cấu trúc cơ thể. Ưu điểm của MRI so với CTscanner là có thể hiện hình rõ các cấu trúc phần mềm có độ phân giải cao, cho phép chúng ta nhận định hình ảnh rõ ràng. Chụp MRI không sử dụng tia X-quang nên không gây độc hại cho cơ thể bệnh nhân. Nhưng vì bệnh nhân phải được đặt trong một từ trường mạnh nên những bệnh nhân có kim loại trong cơ thể như phương tiện kết xương, thay chỏm xương đùi hay khớp gối nhân tạo, van tim nhân tạo bằng kim loại, đĩa đệm nhân tạo, mảnh đạn mảnh kim loại sẽ gây nhiễu từ không chụp được.

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 về điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng số electron của nguyên tử đó. Tất cả các “hạt” 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 “hạt” nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mômen góc quay gọi là spin (Spin nghĩa là quay quanh trục). 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 nam châm nhỏ, gọi là mômen từ (magnetic moment). Trong điều kiện bình thường các momen từ định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta không ghi được tín hiệu gì của chúng.

               Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, các momen từ đang định hướng phân tán sẽ trở nên định hướng song song và đối song song.

Hình 2. Phương trình Larmor (hình trái). Hình giữa: Định hướng phân tán của các momen từ trong điều kiện bình thường. Hình phải: Các momen từ định hướng song song và đối song song dưới tác dụng của từ trường ngoài. Các proton có trạng thái năng lượng thấp sẽ sắp xếp song song (mũi tên đỏ) theo hướng của từ trường ngoài. Các proton có trạng thái năng lượng cao se sắp xếp theo hướng đối song song (mũi tên xanh). Các vectơ từ sắp sếp song song cùng chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn hơn các vectơ từ sắp sếp 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.

           Cơ thể chúng ta có tỉ lệ chủ yếu nước (60-70%). Trong thành phần của phân tử nước có hai 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. Điều đó 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 (RF: radio frequancy) để điều khiển hoạt động điện từ của hạt 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.

          Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ có thể hiểu sơ lược gồm bốn bước cơ bản sau:

1.1. Bước 1. Đặt người bệnh vào một từ trường mạnh

          Từ trường có cường độ từ 0,2-2,0 Tesla (T), (1T = 10.000 Gauss) để làm các proton đang có mô men từ phân tán trở nên định hướng song song và đối song song.

Hình 3. Mô hình cấu tạo máy MRI.

Radio Frequancy Coil: cuộn phát sóng tần số radio, Gradient coils: cuộn gradient,  Maggnet: Từ trường, Scanner: Bộ phận quét, Patient: Bệnh nhân. Patient Table: Bàn bệnhh nhân.

1.2. Bước 2. Phát sóng radio vào bệnh nhân

          Mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các proton đang ở vị trí định hướng song song hoặc đối song song, và đang quay đảo theo hướng từ trường ngoài. Muốn kích thích được các proton này, sóng radio phải có cùng tần số với tần số đảo wo của các proton trong cơ thể, hiện tượng này gọi là “cộng hưởng”. Dưới tác dụng của sóng RF, một số spin ở trạng thái năng lượng thấp hấp thu năng lượng của trường RF và biến đổi thành trạng thái 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. Vì vậy, tại cùng một thời điểm, các proton này sẽ cùng hướng về một phía. Véc tơ của các proton đồng pha này sẽ tổng hợp tạo thành một vector tổng hợp theo hướng ngang (vuông góc với hướng của từ trường ngoài của máy). Hiện tượng này gọi là hiện tượng “từ hoá ngang”. Sóng radio làm giảm hiện tượng từ hoá dọc và tạo mới hiện tượng từ hoá ngang.

          Như vậy có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa dọc (longitudinal magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng song song với từ trường ngoài của máy và từ hóa ngang (transverse magnetization) là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng ngang vuông góc với từ trường ngoài của 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 của dòng điện có tần số radio (RF) tác động làm vector từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy. Khi ngừng 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 thư dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation). Người ta không chờ thời gian thư giãn theo trục dọc kết thúc vì quá dài mà chỉ cần xác định thời gian hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% là đủ. Như vậy khái niệm: Thời gian thư 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.

Hình 4. Từ hóa dọc (hình trái) và từ hoá ngang (hình phải)

- Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô. Xung này thường là xung 90⁰. Do hiện tượng cộng hưởng nên vector từ hoá lệch khỏi hướng của vector từ trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vector từ hóa ngang (transverse magnetization vector). Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF. Từ hoá ngang giảm dần về không là một quá trình thư dãn gọi là thư 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 ngang ban đầu bị phân rã gọi là thời gian thư dãn theo trục ngang (transverse relaxation time). Thời gian này còn gọi là thời gian T2. Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1.

Hình 5: 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. M_Z là vectơ từ hoá khi thư dãn theo trục dọc.

1.3. Bước 3. Tắt sóng radio

          Khi ngắt xung RF, các proton không còn bị kích thích, trở lại sắp hàng như cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình thư dãn theo trục dọc, thời gian để khôi phục theo trục dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó được gọi là thời gian T1). Trong quá trình này, khi momen 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 (tín hiệu ảnh T1).

          Các proton đang đảo theo hướng ngang sẽ dần trở lại hướng dọc của từ trường ngoài khi tắt sóng radio. Từ  hoá ngang giảm dần về không, gọi là thư duỗi ngang, thể hiện bằng khoảng thời gian T2, các tín hiệu nó phát ra được ghi lại để tạo ảnh T2.

Hình 6. Mối liên hệ giữa thời gian T1 (hình trái), T2 (hình phải) với mức độ từ hoá và cường độ tín hiệu trên phim chụp.

          Sau khi tắt sóng radio, các tín hiệu dòng điện thu được cũng giảm dần về không. Định vị các tín hiệu này dựa vào tình trạng chênh lệch từ lực dọc theo khung máy. Độ dày của các bước chênh lệch từ trường chính là độ dày của lớp cắt. Chính vì vậy các máy có cùng cường độ từ trường (giả sử 1,5 Tesla), máy nào có độ chênh từ càng lớn thì độ nét của hình càng tốt.

          Trong quá trình thư dãn (trở 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 sẽ có tốc độ tăng lại 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 thư dãn.

Hình 7. Biểu đồ mô tả giá trị từ hóa dọc (các đường đi lên) và từ hóa ngang (các đường đi xuống) của các mô khác nhau, người ta chỉ cần xác định thời gian giá trị từ hóa dọc (T1) và từ hóa ngang (T2) đạt 63% giá trị của nó, thời gian đó sẽ được thể hiện bằng mức thang xám khác nhau trên hình ảnh.

          Như vậy phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau. Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc (tạo ảnh T1) và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang (tạo ảnh T2). Mặt khác, 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 ảnh tương phản khác nhau. Nhờ đó ta có thể phân 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.

          Thời gian T1 bao giờ cũng lớn hơn T2 gấp 2 lần, hoặc 5 lần, hoặc 10 lần. T1 và T2 phụ thuộc vào loại cấu trúc của cơ thể và từ lực của từ trường ngoài. Nước có T1 dài, mỡ có T1 ngắn.

          Ảnh xử lý T1 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh, còn được gọi là đối quang tổ chức, chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T1 giữa các tổ chức. Trên ảnh T1, những tổ chức nào nhiều nước thì giảm tín hiệu có màu tối. Ví dụ ảnh chụp cột sống thì tủy sống có màu tối, ảnh chụp não thì các não thất chứa dịch não tủy có màu tối.

          Ảnh xử lý T2 thì sự khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các tổ chức được hiện trên ảnh chủ yếu do sự khác nhau về thời gian T2 giữa các tổ chức. Trên ảnh T2, hình ảnh sẽ ngược với T1, những tổ chức nào nhiều nước thì tăng tín hiệu có màu trắng. Ví dụ ảnh chụp cột sống thì tủy sống có màu trắng, ảnh chụp não thì các não thất chứa dịch não tủy có màu trắng.

Hình 8. Quá trình kích thích hạt nhân bằng sóng có tần số radio (RF) để tạo hiện tượng từ hóa ngang và quá trình thư dãn sau khi tắt sóng radio làm các vec tơ từ trở về theo hướng dọc. Từ hóa ngang giảm dần gọi là thư duỗi ngang và bức xạ năng lượng dưới dạng tính hiệu sóng radio, năng lượng này thu được cho phép máy ghi được tín hiệu để tạo ảnh  (tín hiệu thu được tạo ảnh T2).

1.4. Bước 4. Dựng ảnh bằng tín hiệu ghi được

          Để thể hiện cường độ tín hiệu thu được phân bố trên một lớp cắt, người ta áp dụng phương pháp toán học của Fourrier để chuyển các tín hiệu thu được thành những thông tin trong không gian. Quá trình tạo ảnh tiếp theo giống như tạo ảnh trong CTscanner.

          Do các tín hiệu thu được bắt nguồn từ các proton của các nguyên tử trong mô, vì vậy độ phân giải của ảnh MRI lớn hơn ảnh CTscanner rất nhiều, ảnh rõ nét hơn và cho phép dựng các ảnh dọc, ảnh ngang, ảnh chéo, ảnh không gian ba chiều, có chất lượng cao.

Hình 9. Tóm tắt các bước chụp MRI (FT là phương pháp toán học của Fourrier).

Một số khái niệm trong quá trình tạo ảnh: 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.

T1: còn gọi là thời gian hồi giãn dọc, có giá trị khoảng 100 ms - 3000 ms. Trong một từ trường nhất định T1 có các giá trị khác nhau. Mỡ có thời gian T1 ngắn nhất 200 - 250 ms, nước tự do càng nhiều thời gian T1 càng dài (>2000 ms). Chất trắng có thời gian T1 ngắn hơn chất xám vì chất trắng chứa nhiều mỡ hơn. Mô nào có T1 ngắn sẽ có tín hiệu mạnh (trắng) và mô nào có T1 dài sẽ có tín hiệu yếu (đen). Cụ thể mỡ sẽ có màu trắng nhất, các mô mềm sẽ có màu xám hơn và các loại dịch có màu đen.

T2: còn gọi là thời gian hồi giãn ngang, có giá trị khoảng 40 - 200 ms, sự khác biệt các mô cũng tương tự cũng tương tự T1 nhưng ngược lại. Mô có T2 dài sẽ cho tín hiệu mạnh (trắng) và mô có T2 ngắn sẽ cho tín hiệu yếu (đen). Trong cơ thể, gan có thời gian T2 ngắn nhất (40ms), mỡ (80 ms) và dịch não tủy có thời gian T2 dài nhất (160ms). Trên hình T2 dịch não tủy ở não thất và khoang dưới nhện có màu trắng, các mô mềm có màu xám và vỏ xương hầu như không có tín hiệu nên có màu đen.

TR (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu thư 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 (ở trên chúng ta lấy TR là 63% mức thư giãn dọc).

TE (Time of Echo event) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu thư dãn ngang đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh (ở trên chúng ta lấy TE là 63% mức thư giãn ngang). 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 hay trọng T1 hay hướng tới T1 (T1-weighted: T1W) và T2 điều chỉnh hay trọng T2 hay hướng tới T2 (T2-weighted: T2W). Trong trường hợp lấy TR và TE theo tiêu chuẩn quy ước là thời gian mà thư giãn dọc hay thư giãn ngang đạt 63% giá trị của nó thì đó là ảnh T1 hay T2, còn nếu người chụp điều chỉnh theo TR và TE thì cho ảnh T1W và 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 hay hướng tới T1 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. 

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: Đậm độ proton).  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. Hiện nay hình ảnh PDW được sử dụng trong chuyên khoa thần kinh và cơ xương khớp, trên thực tế lâm sàng PDW có giá trị khi cần đánh giá cấu trúc có tín hiệu thấp như mô sợi.

Các chuỗi xung:

FLAIR (Fluid Attenuated Inversion Recovery): chuỗi xung xóa tín hiệu các dịch

Hình thu được từ chuỗi xung FLAIR thuộc loại hình T2W nhưng thành phần nước không có tín hiệu (đen). Trên phim sọ não, FLAIR là chuỗi xung T2, xóa dịch não tủy. Chuỗi xung FLAIR có ý nghĩa phát  hiện  các  tổn  thương  khác  như  chảy  máu, viêm não, xơ hóa mảng (MS).  Trên FLAIR, dịch não tủy bị xóa tín hiệu nên có màu đen, như vậy nếu có chảy máu màng não, tăng tín hiệu, sẽ dễ dàng nhận ra. Đối với nhồi máu não tối cấp (<6h), tín hiệu vùng nhồi máu trên FLAIR đa số bình thường hoặc tăng tín hiệu rất nhẹ.

STIR (Short Time Inversion Recovery): chuỗi xung làm mất tín hiệu của mô mỡ. Hình thu được bằng chuỗi xung STIR là hình đảo ngược âm bản của hình T1W.

DWI (Diffusion Weighted Imaging): Hình ảnh cộng hưởng từ khuếch tán.

Đây là một trong các kỹ thuật mới của cộng hưởng từ, hiện đang được sử dụng phổ biến đối với các bệnh lý sọ não. Cộng hưởng từ khuếch tán là kỹ thuật rất nhạy phát hiện tổn thương não ở giai đoạn nhồi máu rất sớm <1h có thể phát hiện vài phút sau khởi phát, giúp cải thiện độ chính xác cộng hưởng từ lên 95%. Nó được dùng gần như là thiết yếu để phát hiện sớm bệnh lý nhồi máu não tối cấp, cho phép phát hiện tổn thương sau 11 phút và gần như chắc chắn  sau  30 phút. Chuỗi xung khuyếch tán đối với nhồi máu não cấp có độ nhạy khoảng 88-100%, độ đặc hiệu 86-100%. Người ta còn gọi đây là “chuỗi xung nhồi máu”.

Với chuỗi xung khuyếch tán và bản đồ ADC cho phép phát hiện được nhồi máu não >90% trong 1h đầu, nói chung có thể phát hiện được vùng nhồi máu ngay từ những phút đầu tiên, (chỉ âm tính giả khi tổn thương quá nhỏ và thường ở hố sau). Tín hiệu vùng nhồi máu thay đổi theo thời gian, đối với nhồi máu não cấp tính sẽ tăng tín hiệu trên Diffusion và giảm tín hiệu trên bản đồ ADC.

Bình thường nước phân bố trong nội bào và ngoại bào cân bằng nhau và sự khuyếch tán của các phân tử nước dễ dàng trong khoang gian bào. Khi tế bào não bị thiếu oxy làm bơm Na+/K+ và các bơm ion khác suy yếu, dẫn đến tái phân bố nước, nước từ ngoại bào đi vào nội bào (nơi vốn hạn chế sự chuyển động của nước), gây nên phù nề tế bào và giảm thể tích khoang ngoại bào, làm hạn chế sự chuyển động (khuếch tán) của nước khi thiếu máu cấp. Như vậy trong giai đoạn cấp <7 ngày phù nề tế bào làm khoang gian bào hẹp lại và nước trong tế bào bị hạn chế khuyếch tán (giảm tín hiệu). Tuy nhiên sau 7 ngày các tế bào tổn thương bị hoại tử giải phóng nước làm khuyếch tán tăng (tăng tín hiệu).

Nguyên lý DWI là đánh giá sự khuyếch tán của các phân tử nước trong khoang gian bào.

Để biểu thị độ lớn và chiều hướng khuếch tán, người ta sử dụng hệ số khuyếch tán biểu kiến ADC (Apparent Diffusion Coefficient). Hệ số ADC thay đổi tuỳ theo cấu trúc và tình trạng bệnh lý của mô. Mô có hệ số ADC càng lớn, khả năng khuyếch tán của nước trong mô càng mạnh.

Để đánh giá mức độ khuyếch tán, người ta dùng các chênh từ đặc biệt, gọi là chênh từ khuyếch tán (diffusion gradient), cho phép bộc lộ tình trạng lệch pha do ảnh hưởng của khuếch tán. Các chênh từ này được điều chỉnh bằng một tham số gọi là hệ số nhạy cảm khuyếch tán b (diffusion sensitivity factor) được tính bằng sec/mm2. Khi b=0, ảnh chụp không nhạy cảm với khuyếch tán là bình thường. Người ta thường dùng giá trị b = 500 và 1000 để đánh giá khả năng khuyếch tán trong lâm sàng.

Bản đồ ADC là hình được vẽ lại từ các giá trị ADC của các mô, do vậy vùng kém khuyếch tán sẽ có màu đen hơn vùng có khuếch tán tốt. Ngược lại, hình DWI ghi nhận tín hiệu của các proton trong quá trình khuếch tán của chúng tuy vẫn chưa bị chứa một phần đặc thù T2W. Do vậy vùng có tín hiệu cao trên hình DWI là vùng giảm mức độ khuếch tán, ngược với hình bản đồ ADC sẽ có tín hiệu thấp.

Do DWI được sử dụng chuỗi xung điểm vang đồng phẳng nên rất nhạy với chuyển động rất nhỏ của proton nước. Trên DWI, những cấu trúc khuếch tán nhanh sẽ tạo sự suy giảm tín hiệu nhanh hơn, chúng là tín hiệu tối trên hình DWI.

Hình MRI nhồi máu não tối cấp (4h)

Mô nhồi máu sáng trên DWI, tương ứng vùng tín hiệu thấp trên ADC.

Hình ảnh trên phim MRI được tạo dựng trên 3 mặt phẳng:

- Axial plane: Mặt phẳng ngang. Đay là hình ảnh trực tiếp thu được từ tín hiệu MRI.

- Saggital plaine: Mặt phẳng đứng dọc (trước sau) là ảnh dựng lại từ các tín hiệu MRI.

- Coronal plane: Mặt phẳng đứng ngang (mặt phẳng trán) là ảnh dựng lại từ các tín hiệu MRI.

2. Đọc phim MRI

          Phim MRI được đọc và nhận xét kết quả tương tự như phim chụp CTscanner, nhưng phim MRI không xác định tỉ trọng của cấu trúc như khi đọc phim CTscanner, mà phân biệt giữa các cấu trúc dựa trên bậc thang xám tạo nên mức độ đối quang của các cấu trúc trên ảnh.

Ảnh T1 tạo ra từ thời gian T1: còn gọi là thời gian hồi giãn dọc, có giá trị khoảng 100 ms - 3000 ms. Trong một từ trường nhất định T1 có các giá trị khác nhau. Mỡ có thời gian T1 ngắn nhất 200 - 250 ms, nước tự do càng nhiều thời gian T1 càng dài (>2000 ms). Chất trắng có thời gian T1 ngắn hơn chất xám vì chất trắng chứa nhiều mỡ hơn. Mô nào có T1 ngắn sẽ có tín hiệu mạnh (trắng) và mô nào có T1 dài sẽ có tín hiệu yếu (đen). Cụ thể mỡ sẽ có màu trắng nhất, các mô mềm sẽ có màu xám hơn và các loại dịch có màu đen.

Ảnh T2 tạo ra từ thời gian T2: còn gọi là thời gian hồi giãn ngang, có giá trị khoảng 40 - 200 ms, sự khác biệt các mô cũng tương tự cũng tương tự T1 nhưng ngược lại. Mô có T2 dài sẽ cho tín hiệu mạnh (trắng) và mô có T2 ngắn sẽ cho tín hiệu yếu (đen). Trong cơ thể, gan có thời gian T2 ngắn nhất (40ms), mỡ (80 ms) và dịch não tủy có thời gian T2 dài nhất (160ms). Trên hình TW2 dịch não tủy ở não thất và khoang dưới nhện có màu trắng, các mô mềm có màu xám và vỏ xương hầu như không có tín hiệu nên có màu đen.

Đậm độ proton: (Proton density) 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. Hiện nay hình ảnh PDW được sử dụng trong chuyên khoa thần kinh và cơ xương khớp, trên thực tế lâm sàng PDW có giá trị khi cần đánh giá cấu trúc có tín hiệu thấp như mô sợi.

Chuỗi FLAIR (Fluid attenuated inversion recovery) là chuỗi xung xóa tín hiệu các dịch, như dịch não tủy. Hình thu được từ chuỗi xung FLAIR thuộc loại hình T2W nhưng thành phần nước không có tín hiệu (đen).

Chuỗi STIR (short time inversion recovery) là chuỗi xung làm mất tín hiệu của mô mỡ. Hình thu được bằng chuỗi xung STIR là hình đảo ngược âm bản của hình T1W.

          Ảnh xử lý T1 giống như ảnh trên phim chụp CTscanner. Ảnh xử lý T2 có đậm độ các bậc thang xám ngược với ảnh T1. Chẳng hạn, trên ảnh T1 cấu trúc có đậm độ xám thấp thì trên ảnh T2 lại có đậm độ xám tăng. Ảnh T2 và T1 bổ xung cho nhau, cho phép nhận định kết quả tốt hơn. Những tổ chức nhiều nước có độ thang xám tối hơn trên ảnh T1 và sáng hơn trên ảnh T2.

Hình 7. Phim chụp MRI cột sống thắt lưng ở một bệnh nhân bị thoát vị đĩa đệm cột sống thắt lưng L4-5. Bên trái là ảnh T2, các đĩa đệm chưa thoái hóa và tủy sống có nhiều nước nên sáng (trắng), Bên phải là ảnh T1, các đĩa đệm chưa thoái hóa và tủy sống có đậm độ xám tăng (tối hơn).

          Trong chụp cắt lớp vi tính, để chẩn đoán bản chất tổn thương cần dựa vào tỉ trọng. Chụp MRI lại dựa vào tính chất tín hiệu (tăng, giảm hay đồng tín hiệu so với tổ chức xung quanh). Các xung RF có tần số khác nhau sẽ tạo ra sự cộng hưởng khác nhau và do đó cho ra các hình ảnh có cường độ tín hiệu, độ sáng tối và độ tương phản tổ chức khác nhau. Ví dụ xung T1W (weighted) cho ảnh T1W có dịch não tủy màu đen, xung PD (proton density) cho ảnh mật độ proton có dịch não tủy màu xám, xung T2W cho ảnh T2W có dịch não tủy màu sáng. Mỗi loại ảnh có một giá trị chẩn đoán riêng, ảnh T2W để chẩn đoán các tổn thương chứa dịch, ảnh T1W để quan sát hình ảnh giải phẫu lát cắt của các cơ quan, ảnh T2W FLAIR để chẩn đoán nhồi máu não sớm hay tổn thương thoái hóa myelin trong xơ hóa rải rác.

          Hiện nay, ngoài các xung truyền thống như T1W, T2W, PD, T2W FLAIR, các nhà sản xuất đã và đang tạo ra rất nhiều xung khác cho máy MRI, đó là SPIR hay STIR (xung xóa mỡ), myelography (chụp tủy sống), PCA hay inflow (chụp mạch máu), cholangiography (chụp đường mật), VISTA (chụp đám rối thần kinh cánh tay).

Hình 8: Hình trái: Cholangiography chụp cây đường mật (OG: ống gan, OMC: ống mật chủ). Ảnh phải: Chụp đám rối thần kinh cánh tay (đứt hoàn toàn thân thần kinh các rễ C6-C8 bên phải phía ngoài lỗ ghép, rễ C5 còn nguyên vẹn, rễ T1 phù nề).

          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 (thời gian thư giãn dọc) 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 (thời gian thư giãn ngang) 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.

Hình 9. Hình ảnh MRI sọ não. Ảnh T1W bên trái (dịch não tủy màu đen). Ảnh T2W bên phải (dịch não tủy màu sáng).

          Do lợi thế của phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ, như không dùng bức xạ ion hoá, hình ảnh phần mềm đặc biệt rõ nét trên ảnh, có thể chụp mạch máu không cần can thiệp vào người bệnh, vì vậy ngày càng được ứng dụng nhiều. Tuy vậy, do sử dụng từ trường mạnh, nên khi người bệnh có bộ phận giả bằng kim loại không thể đưa vào khung máy được. Những người mang máy tạo nhịp tim cũng chống chỉ định chụp MRI. Các máy hồi sức cấp cứu cũng không đưa theo bệnh nhân vào phòng đặt máy MRI được.

Hình 10. MRI sọ não cho thấy xuất huyết não vùng bao trong bên trái (hình trái, khối tăng tỉ trọng, xung quanh là phù não giảm tỉ trọng, đè đẩy não thất, ảnh T1). Hình phải: nhồi máu não ổ lớn vùng thái dương phải (vùng giảm tỉ trọng, ảnh T1).

Hình 11. Hình trái: MRI sọ não bình thường, hình phải xơ cứng não đa ổ

Hình 12. .Hình ảnh các nang sán rải rác trong não trên phim chụp MRI. Hình trái ảnh T1 cho thấy nhiều ổ giảm tỉ trọng rải rác trên khắp các thùy não cỏ vỏ dày. Ảnh giữa và ảnh phải: sau tiêm thuốc cản quang tĩnh mạch, vỏ nang sán ngấm thuốc tăng đậm.

Hình 13. MRI mạch máu não cho thấy túi phình động mạch máu não giữa bên phải (mũi tên).

Hình 14. Hình trái: MRI cắt dọc cột sống thắt lưng (ảnh T2) cho thấy thoát vị đĩa đệm L5-S1 ra sau, thoái hóa và lồi đĩa đệm L4-L5 (Đĩa đệm thoái hóa mất nước có màu tối trên ảnh T2 và đẩy lồi ra sau). Đĩa đệm L3-L4 bình thường màu trắng do chứa nhiều nước, có dạng bánh dầy kẹp chả và nằm gọn bên trong giữa hai thân đốt, tủy sống phía sau màu trắng viền trước tủy sống thẳng không bị đẩy lõm. Hình phải cắt ngang thấy đĩa đệm thoát vị ra sau lệc trái chèn ép rễ thần kinh tương ứng.

Tài liệu tham khảo

1. Võ Minh Thành. Nguyên lý của chụp cộng hưởng từ. Thứ ba - 15/04/2014 13:50. www:/http. benhviendaklak.org.vn

2. Hà Hoàng Kiệm. Thận học lâm sàng. chẩn đoán X-quang hệ thống thận-tiết niệu. Chụp cộng hưởng từ hạt nhân. NXB YH 2010. trang 276-277.

2. Micheal Y. M. Chen, Thomas L. Pope, David J. Ott, 2010, Basic Radiology. 2^nd edition, McGraw-Hill Medical, 408 pages.

3. Ralph Weissleder, Jack Wittenberg, Mukesh MGH Harisinghani, John W. Chen, 2011, Primer of Diagnostic Imaging. 5^nd edition, Elservier Mosby, 816 pages.

4. William Herring, 2011, Learning Radiology: Recognizing the Basics. 2^nd edition, Elservier Saunders, 333 pages.

5. James Mattson and Merrill Simon. The Pioneers of NMR and Magnetic Resonance in Medicine: The Story of MRI. Jericho & New York: Bar-Ilan University Press, 1996. ISBN 0-9619243-1-4.

CHIA SẺ BÀI VIẾT