Trong bài viết trước, chúng tôi đã trình bày những đặc tính liên quan đến hình ảnh trong máy chụp cộng hưởng từ MRI như thời gian hồi giãn dọc T1, thời gian hồi giãn ngang T2, T2*, thời kích TR, thời vang TE, hình trọng T1 và hình trọng T2 [1]. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ triển khai rộng rãi hơn về sự liên quan giữa TE, TR với hình trọng T1, T2. Thêm vào đó, chúng tôi sẽ giới thiệu cách nhìn ba mặt cắt (cắt ngang trục, cắt dọc ngang và cắt dọc đứng) trong hình MR- một đặc điểm thuận lợi của kỹ thuật MRI trong việc tầm soát và chẩn đoán bệnh lý.

1. Tại sao hình trọng T1 cần TR và TE ngắn trong khi đó hình trọng T2 cần TR và TE dài?

Người 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. Như được biểu hiện ờ Hình 1, thời kích TR và thời vang TE được định nghĩa như sau [2]:

Thời kích (repetition time) TR: chu kỳ thời gian (cycle time) giữa hai điểm tương ứng.

Thời vang (echo time) TE: thời gian từ điểm giữa của xung thứ nhất (pulse) đến điểm giữa của điểm vang (Hình 1a).

Định nghĩa này dùng cho xung đối xứng. Trong trường họp những xung không đối xứng (asymmetric pulse), định nghĩa này có thể không thích hợp và cần phải điều chỉnh .

Hình 1. (a) Thời kích TR là chu kỳ thời gian giữa hai điểm tương ứng; trong khi đó TE là thời gian từ điểm giữa của xung thứ nhất đến điểm giữa của điểm vang; và (b) biến đổi của cường độ tín hiệu S của trình tự SE (spin-echo) với những giá trị khác nhau của TR, TE, T1 và T2 [2].

1.2 Hình trọng T1 cần TR và TE ngắn trong khi đó hình trọng T2 cần TR và TE dài

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 (công thức trong Hình 1b, khi TR=T1). Và 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 (công thức trong Hình 1b khi TE=T2).

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) được dùng để biểu hiện độ tương phản và cung cấp thêm thông tin về hình ảnh MR trong việc chẩn đoán.

Hình 2. Hình trọng T1 được tạo thành bằng cách giữ thời kích TR và thời vang TE ngắn. Ngược lại, hình trọng T2 được tạo thành với cả hai thời kích TR và thời vang TE đều dài. Trong khi đó, hình trọng đậm độ proton (proton density-weighted hay PDW) được tạo thành bằng cách giữ thời kích TR dài và thời vang TE ngắn.

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 [Hình 2].

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.

Nói một cách chi tiết hơn, cường độ tín hiệu S của trình tự SE (spin-echo) có thể ước đoán như sau (Hình 1b):

Ở đây [H] là spin (proton) density và K là hệ số tỷ lệ (scaling factor) hay còn gọi là bội xuất. Bằng cách khảo sát từng thành phần riêng trong phương trình này, chúng ta có thể thấy được sự kiện trong đó hiệu ứng của T1 kết nối với TR và hiệu ứng của T2 có liên quan đến TE. Độ spin density [H] lúc nào cũng hiện diện. Với công thức về cường độ tín hiệu S và bằng cách tham khảo Hình 1b, chúng ta cũng có thể suy đoán được sự liên quan của thời gian hồi giãn ngang T1 và thời gian hồi giãn dọc T2 đối với thời kích TR và thời vang TE ở Hình 2.

Trong Hình 1(b) ở trên, khi TE nhỏ so với T2, tỉ số TE/T2 -à0; đưa đến kết quả là e^−TE/T2 → e⁻⁰ → 1. Nói một cách khác, hiệu ứng của T2 (ảnh hưởng của T2) hầu như biến mất. Ngược lại, khi TE dài hơn T2, độ quan trọng của thành phần có hàm số mũ (exponential weighting) gia tăng. Một cách khác để hiểu hiệu quả của TE trên hình trọng T2, chúng ta cần khảo sát những tín hiệu nhận được từ hai mô có hai T2 khác nhau. Khi TE ngắn, sự vang (the echo) xảy ra khi có rất ít thời gian để sự suy giảm (decay) của T2 xảy ra và vì thế không thể phân biệt được những mô này. Nếu TE dài, sự khác nhau tương đối về tín hiệu (relative differences in signal) trở nên dễ nhận thấy; và vì thế độ trọng T2 cao – hay nói một cách nôm na, có nhiều “T2-weighting”.

Lý luận tương tự có thể áp dụng trong trường hợp của TR và T1. Khi TR dài so với T1, phần liên quan đến độ trọng T1 (T1- weighting term) e^−TR/T1 → 0, khiến hiệu quả của T1 biến mất. Những mô có TR dài với những T1 khác nhau, sẽ có đủ thời gian để hồi phục lại từ 90 degree xung kích (excitation pulse). Thế nên, tín hiệu của các mô sẽ không khác nhau một cách đáng kể. Ngược lại, TR ngắn sẽ làm rõ nét độ trọng (T1-weighting).

Một điểm khác nữa có liên quan đến hiện tượng ở đó vật thể có T1 dài có màu đen trên hình trọng T1; nhưng vật thể có T2 dài có màu sáng trên hình trọng T2:

(i) Tín hiệu MR tùy thuộc vào độ từ hóa dọc (longitudinal magnetization Mz) trước khi áp đặt xung RF và độ từ hóa ngang (transverse manetization Mxy) sau khi xung RF được áp đặt; (ii) mô có T1 dài hồi phục chậm, vì thế Mz bị đè nén và vì thế tín hiệu thấp; và (iii) mô có T2 dài lệch pha (dephase) chậm, thế nên Mxy được duy trì và tín hiệu cao (Hình 3, ref 3).

Hình 3. (a) Tín hiệu MR tùy thuộc vào độ từ hóa dọc Mz trước khi có sự áp đặt của xung RF; đường cong màu xanh và màu đỏ biểu hiện sự biến đổi của Mz theo thứ tự với T1 ngắn và T1 dài; và (b)Tín hiệu MR tùy thuộc vào độ từ hóa ngang (Mxy) sau khi xung RF được áp đặt. Đường cong màu xanh và màu đỏ biểu hiện sự biến đổi của Mxy theo thứ tự với T2 ngắn và T2 dài [3].

Hình 4 (a và b) biểu hiện ba hướng cắt với ba mặt cắt khác nhau của máy chụp MRI. Trong tọa độ x-y-z, mặt phẳng cắt ngang trục (axial) trải dài từ đầu xuống chân trong mặt phẳng x-y, nằm song song với mặt đất (hay mặt sàn của phòng MRI). Mặt phẳng cắt dọc ngang (coronal) ở trong mặt x-z, thẳng góc với mặt đất, dùng để phân chia hướng trước mặt với hướng sau cổ. Và cắt dọc đứng (sagittal) nằm trong mặt phẳng y-z, thẳng góc với mặt đất, chia bên trái và bên phải (theo hướng của lỗ tai) theo hướng giữa của cơ thể con người [4].

Hay nói một cách khác: khi dùng vị trí đứng của con người như điểm tham khảo; cắt trục ngang đi theo hướng song song với mặt phẳng ngang qua hai lỗ tai và mũi; cắt dọc ngang đi theo hướng song song với mặt phẳng ngang qua hai lỗ tai; và cắt dọc đứng theo hướng song song với mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng ngang qua hai lỗ tai.

Hình 4. (a) Ba hướng cắt: cắt ngang trục (axial hay transverse plane) đi theo hướng song song với mặt phẳng ngang qua hai lỗ tai và mũi; cắt dọc ngang (coronal plane) đi theo hướng song song với mặt phẳng ngang qua hai lỗ tai và cắt dọc đứng (sagittal plane)- trục song song với mặt phẳng ngang qua mũi và thẳng góc với trục ngang qua hai lỗ tai (b) các mặt cắt biểu hiện trên trục x-y-z [4]

Hình 5 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 [5]. 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 não bộ.

Hình 5. 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) [5] .

Chúng tôi đã cắt nghĩa lý do tại sao hình trọng T1 cần thời kích TR và và thời vang TE ngắn trong khi đó hình trọng T2 cần TR và TE dài. Trong công tác chẩn đoán hình MR, mặt cắt đóng một vai trò rất quan trọng. Mặt phẳng cắt ngang trục (axial), mặt phẳng cắt dọc ngang (coronal) và mặt phẳng cắt dọc đứng (sagittal) là ba mặt phẳng cơ bản được xử dụng nhiều trong việc khảo sát và chẩn đoán não bộ và những cơ quan khác trong cơ thể con người.

Trong bài viết tới, chúng tôi sẽ trình bày về vai trò của chất tương phản trong việc gia tăng chất lượng hình MR.

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