Hiểu rõ những khái niệm vật lý của hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân là bước quan trọng đầu tiên giúp chúng ta nắm bắt được cơ chế của quá trình tạo ảnh cộng hưởng từ. Bản thân hiện tượng cộng hưởng từ đến lượt nó lại dựa trên cơ sở những hiện tượng có liên quan đến trường và sóng điện từ. Bài này chúng ta sẽ cố gắng thiết lập những nguyên lý căn bản nhất làm nền tảng cho các kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ: bắt đầu từ những hiện tượng vật lý có liên quan đến cộng hưởng từ và tín hiệu cộng hưởng từ. Hiệu ứng cộng hưởng từ của các mô cơ thể. Sau khi tìm hiểu các nguyên lý tương phản trong, chúng ta sẽ nghiên cứu về quá trình đo tín hiệu và tạo ảnh cộng hưởng từ. Với những hiểu biết đó, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về các kỹ thuật cộng hưởng từ.
Bây giờ, chúng ta hãy khởi đầu bằng những hiện tượng vật lý căn bản:

• Từ tính và từ trường
• Khả năng từ hóa của các chất
• Trường và sóng điện từ
• Từ tính của hạt nhân nguyên tử
• Hiện tượng cộng hưởng từ
• Tín hiệu cộng hưởng từ

1. TỪ TÍNH VÀ TỪ TRƯỜNG

Trong đời sống hàng ngày, chúng ta vẫn gặp một số vật có khả năng hút các vật khác khi đặt gần nó. Những vật có khả năng đó chúng ta thường gọi là nam châm (magnet).

Từ tính của nam châm

Ngoài hiện tượng hút một số vật, nam châm cũng có khả năng đẩy một số vật khác. Khả năng hút hoặc đẩy các vật khác được xem như một tính chất vốn có của nam châm và được gọi là tính chất từ hay từ tính (magnetism) của nó.

Khi đặt hai thanh nam châm gần nhau, người ta nhận thấy mỗi thanh đều có hai đầu rõ rệt: Lấy một đầu của thanh A lần lượt đặt gần mỗi đầu của thanh B, nó bị một đầu hút và một đầu đẩy. Kết quả ngược lại khi dùng đầu còn lại của thanh A: một đầu đẩy và một đầu hút.

Người ta cũng nhận thấy rằng trái đất của chúng ta cũng là một nam châm (khổng lồ). Từ tính của trái đất đã được biết đến từ lâu khi nhận xét rằng một đầu của kim la bàn, vốn là một thanh nam châm, luôn chỉ về hướng bắc (north) còn đầu kia luôn chỉ về hướng nam (south).

Dựa theo tên gọi của “nam châm trái đất”, đầu chỉ về hướng nam của nam châm được gọi là cực bắc N (North); đầu chỉ về hướng bắc của nam châm được gọi là cực nam S (South). Khi đặt hai nam châm gần nhau, hai cực cùng tên sẽ đẩy nhau còn hai cực khác tên sẽ hút nhau (Hình 1).

Hình 1: Cực của nam châm được đặt tên dựa theo cực của trái đất. Các cực cùng tên đẩy nhau còn các cực khác tên hút nhau.

Từ trường

Khi có sự hiện diện của nam châm, môi trường xung quanh nó bị tác động bởi từ tính của nam châm, hình thành một môi trường “có từ tính” và được gọi là từ trường (magnetic field). Sức tác động của nam châm đối với môi trường được gọi là cường độ từ trường (magnetic field strength) và thường được đo bằng đơn vị Tesla (T). Trái đất, dù được xem là một nam châm khổng lồ, lại có cường độ từ trường rất nhỏ. Thực tế, cường độ từ trường 1 Tesla gấp khoảng 20.000 lần cường độ từ trường của trái đất. Do vậy với các loại máy chụp cộng hưởng từ hiện nay có cường độ từ trường khoảng 0,2 đến 3 Tesla, ảnh hưởng của từ trường trái đất được xem như không đáng kể.
(Cường độ từ trường cũng thường được đo bằng đơn vị Gauss (G) với 1T = 10.000G.)

Vectơ biểu diễn từ trường

Để mô tả cường độ từ trường một cách trực quan, người ta hay vẽ một mũi tên (đoạn thẳng có hướng). Hướng của vectơ chỉ ra hướng tác động của cường độ từ trường. Chiều dài vectơ biểu thị độ lớn của cường độ. Trong phạm vi của một cuốn sách mô tả các khái niệm một cách định tính nhiều hơn định lượng, chúng ta không câu nệ vào từng đơn vị đo chiều dài cụ thể để quy ra cường độ từ trường mà chỉ cảm nhận thật đơn giản: vectơ càng dài, cường độ càng lớn (Hình 2).

Hình 2: Biểu diễn từ trường bằng vectơ. Trong hình là tên và chiều tác động của một số từ trường thường gặp; chiều tác động được vẽ theo quy ước chung. Độ dài của vectơ biểu thị một cách tương đối cường độ của từ trường: vectơ càng dài, cường độ từ trường càng lớn.

2. KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT

Khi đưa một thỏi sắt vào từ trường của một nam châm, người ta nhận thấy thỏi sắt bị hút rất mạnh về phía nam châm. Điều này cho thấy rằng thỏi sắt đã bị “nhiễm từ” hay bị từ hóa và biến thành nam châm. Nghĩa là, thỏi sắt cũng có khả năng hút thanh nam châm. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ hóa (magnetization).

Lập lại thí nghiệm trên với một thỏi nhôm, người ta thấy thỏi nhôm bị từ hóa rất yếu, chỉ nhận ra khi quan sát thật kỹ. Tuy nhiên khi thay thỏi nhôm bằng một miếng bismut, người ta không những chẳng thấy miếng bismut bị nam châm hút mà còn thấy bismut bị đẩy ra khỏi thanh nam châm (dù rằng rất yếu).

Qua ba thí nghiệm nêu trên và nhiều thí nghiệm tương tự, người ta nhận định và phân chia các chất thành ba nhóm với khả năng từ hóa khác nhau: chất sắt từ (ferromagnetic material), chất thuận từ (paramagnetic material) và chất nghịch từ (diamagnetic material).

Chất sắt từ

Sắt từ là nhóm chất có khả năng từ hóa mạnh giống như sắt trong thí nghiệm đã nêu. Những chất này khi bị từ hóa có thể tạo ra một từ trường mạnh và làm thay đổi các tín hiệu cộng hưởng từ của các mô cơ thể. Vì thế nên mọi vật dụng có chứa các chất thuộc nhóm sắt từ (điện thoại, thẻ từ, chìa khóa…) đều không được đưa vào phòng cộng hưởng từ. Một số bệnh nhân có các thiết bị cấy ghép cũng không chụp cộng hưởng từ được.

Chất thuận từ

Chất thuận từ là nhóm chất có khả năng từ hóa yếu (giống như nhôm trong thí nghiệm đã nêu) nên có thể “nhiễm từ” ở một mức độ nhất định. Một số quá trình bệnh lý, chẳng hạn như xuất huyết não, có thể sản sinh ra những chất thuận từ và làm tăng tín hiệu cộng hưởng từ ở vùng não bị tổn thương.

Chất nghịch từ

Chất nghịch từ là nhóm chất “dị ứng” với từ trường giống như bismut trong thí nghiệm đã nêu. Chúng có thể hoàn toàn “trơ” đối với nam châm hoặc phản ứng “nghịch từ” rất yếu nên không ảnh hưởng đến tình trạng từ tính của nam châm. Đa số các chất trong cơ thể sống đều thuộc nhóm này.

Một số tài liệu phân định thêm một nhóm chất gọi là superparamagnetic material (chất nhạy từ) có khả năng từ hóa trung gian giữa chất sắt từ và chất thuận từ.

3. TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

Vật lý học hiện đại đã chứng minh được mối liên hệ giữa điện trường và từ trường qua hai luận điểm Maxwell: (1) từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra điện trường; (2) ngược lại điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra từ trường. Hiện tượng biến đổi điện trường thành từ trường và ngược lại được đặt tên là hiện tượng cảm ứng điện từ (electromagnetic induction). Điện trường và từ trường cùng nhau tạo thành một môi trường thống nhất và được gọi chung là trường điện từ (electromagnetic field). 

Sóng điện từ

Khi làm cho trường điện từ thay đổi theo thời gian, trường điện từ biến thiên này lan truyền trong không gian tạo thành sóng điện từ (electromagnetic wave). Chúng ta có thể hình dung sóng điện từ lan truyền trong không gian tương tự như những gợn sóng lan truyền trên mặt nước khi ném một cục đá nhỏ xuống một hồ nước phẳng lặng. Thực tế là các sóng radio (sóng vô tuyến), tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều là sóng điện từ.

Trong kỹ thuật cộng hưởng từ, các xung và tín hiệu cộng hưởng từ đều là các sóng radio (radiofrequency, viết tắt là sóng RF hoặc xung RF) mà về cơ bản có dạng hình sine tương tự như trong hình 3. Những tham số mô tả một sóng như thế gồm có chu kỳ (cycle), tần số (frequency), bước sóng (wave length), biên độ (amplitude) và pha (phase).

Để dễ nắm bắt được những khái niệm vừa được liệt kê, chúng ta thử hình dung có một vận động viên đang chạy “đều bước”. Quan sát một bàn chân của anh ta, chẳng hạn như bàn chân phải, chúng ta thấy cách thức nó hoạt động trông tương tự như sóng hình sine trong hình 3. Nếu xem vị trí khởi đầu là vị trí bàn chân đang ở sát mặt đất, nó sẽ được đưa cao dần lên cho đến một vị trí cao nhất rồi bắt đầu hạ thấp dần xuống cho đến khi chạm lại mặt đất. Sau đó quá trình này được lập lại nhiều lần và hoàn toàn giống nhau.

Theo đó, khoảng thời gian giữa hai lần bàn chân phải chạm đất (một bước chạy) được gọi là một chu kỳ. Khoảng thời gian giữa hai lần nó duỗi thẳng ra trước cũng bằng khoảng thời gian giữa hai lần nó chạm đất và cũng được xem là một chu kỳ.

Hình 3: Hình ảnh một sóng hình sine điển hình. Trục dọc biểu diễn cho độ lớn (biên độ) của sóng; trục ngang biểu diễn thời gian. Khoảng thời gian để sóng truyền giữa hai điểm đánh dấu trên hình (đoạn được vẽ đậm) gọi là một chu kỳ.

Nếu đếm được số bước chạy (số chu kỳ) trong một giây, chúng ta gọi đó là tần số. Chẳng hạn nếu vận động viên chạy được 15 bước trong một giây, chúng ta nói tần số là 15 chu kỳ/giây hay 15 hertz (Hz). Trong nhiều trường hợp, tần số có thể được tính bằng megahertz (MHz) với 1 MHz = 106 Hz (một triệu Hz).

Chiều dài của mỗi bước chạy có thể được tính bằng khoảng cách giữa hai lần bàn chân phải chạm đất. Khi đó nó có thể được xem như tương ứng với bước sóng của sóng điện từ.

Bây giờ đến lượt khái niệm biên độ, đó là khoảng cách giữa vị trí cao nhất và thấp nhất mà bàn chân có thể đạt tới được. Đối với sóng, biên độ cho biết độ lớn của sóng. Trong hình 3, trục dọc biểu diễn biên độ tức độ lớn của sóng. Vì bản thân tín hiệu cộng hưởng từ cũng là sóng radio nên khi biên độ của tín hiệu càng cao, bản thân tín hiệu càng mạnh.

Để minh họa cho khái niệm pha của sóng, giả sử chúng ta quan sát cả hai bàn chân. Hoạt động của chúng hầu như hoàn toàn nhịp bước với nhau, nghĩa là cùng tần số, ngoại trừ một điểm là khi bàn chân phải chạm đất thì bàn chân trái đang ở lơ lửng tại vị trí cao nhất và ngược lại. Chúng ta nói hai bàn chân hoạt động nghịch pha với nhau. Nếu thay vì chạy, vận động viên đó lại “nhảy bao bố” thì chúng ta nói hai bàn chân hoạt động cùng pha với nhau, nghĩa là nhịp bước song song với nhau.

Đối với khái niệm pha của sóng, chúng ta cần nói chính xác hơn một ít. Giả sử chúng ta có hai sóng hình sine cùng tần số, nghĩa là cứ mỗi giây, số lần mỗi sóng trở lại một vị trí giống như trước đó đều như nhau. Nếu so ghép hai sóng vào cùng một hình thì theo trục thời gian, hai sóng có thể trùng khớp lên nhau (Hình 4a) hoặc lệch nhau (Hình 4b).

Hình 4: Pha của hai sóng hình sine. (a) Hai sóng cùng pha, độ chênh lệch pha giữa chúng có thể là 0° hoặc 360°. (b) Hai sóng lệch pha, độ chênh lệch pha giữa chúng có thể là một giá trị từ 0 đến 360°. (c) Hai sóng nghịch pha, độ chênh lệch pha giữa chúng là 180°.

Trong hình 4a, chúng ta có hai sóng cùng pha và nói rằng chúng có pha chênh nhau một góc 0°. Nếu giữ yên một sóng và xê dịch tới trước một sóng sao cho chúng lại trùng khớp với nhau, chúng ta nói hai sóng có pha chênh nhau một góc 360°. Tuy nhiên để cho đơn giản, chúng ta xem như hai sóng cùng pha là hai sóng có pha chênh nhau 0°.
Trong hình 4b, hai sóng chênh nhau chút ít nhưng chưa đủ để chúng lại trùng khớp với nhau như trong hình 4a. Khi này chúng ta nói hai sóng có pha chênh nhau một góc với giá trị nằm trong khoảng từ 0° đến 360°. Trường hợp đặc biệt xảy ra trong hình 4c với hai sóng được gọi là nghịch pha nhau (chênh nhau 180°) khi tại một thời điểm, một sóng đang ở vị trí cao nhất còn một sóng đang ở vị trí thấp nhất.

Một điểm quan trọng cần ghi nhận ở đây: khi hai sóng cùng pha, sức mạnh tổng hợp của chúng sẽ tăng lên (nhảy bao bố); khi hai sóng lệch pha (chân thấp chân cao), sức mạnh đó sẽ giảm đi. Đặc biệt, sức mạnh của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong trường hợp chúng nghịch pha.

Phổ sóng điện từ

Để độc giả hình dung được bức tranh tổng thể về vai trò của sóng điện từ và sự an toàn của các sóng radio được dùng trong cộng hưởng từ, chúng tôi trình bày phổ các sóng điện từ được phân chia dựa vào tần số của chúng như trong hình 5. Trong hình này chúng ta thấy dải tần số của ánh sáng nhìn thấy được rất hẹp, chỉ quanh quẩn trong dải tần 1015 Hz; dải tần số của sóng radio khá rộng, trải dài từ khoảng tần số 103 Hz đến 1010 Hz. Nên biết rằng tia X được dùng để chụp X quang và CT cũng là một loại sóng điện từ nhưng có tần số rất cao. Từ dải tần số này trở lên, các sóng điện từ bắt đầu có khả năng ion hóa và gây hại cho tế bào.

Bây giờ sau khi đã ôn lại những khái niệm vật lý cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về từ tính của hạt nhân nguyên tử mà chủ yếu là hạt nhân nguyên tử hydro (chỉ có một hạt proton). Sau đó sẽ tìm hiểu về hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân, một hiện tượng cơ sở của các kỹ thuật cộng hưởng từ.

4. TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Như chúng ta đã biết qua hai luận điểm Maxwell như đã trình bày ở trên, điện trường biến thiên sẽ sinh ra từ trường. Các hạt cơ bản của nguyên tử có mang điện tích như proton (mang điện dương) và electron (điện tử mang điện âm), với thuộc tính vốn có là tự quay quanh trục (tính chất spin) của chúng, đều sinh ra một từ trường rất nhỏ và như thế có thể được xem như một nam châm. Khi nghiên cứu tính chất spin của các hạt cơ bản, người ta cũng thường gọi các nam châm tí hon này là spin. Trong cuốn sách này, hai thuật ngữ spin và proton sẽ được dùng lẫn lộn và xem như đồng nghĩa.

Hình 5: Phổ tần số của các sóng điện từ. Các sóng có tần số lớn hơn 1016 Hz (vạch đậm ngang) đều có khả năng ion hóa và gây hại cho tế bào sống.

Hạt nhân hydro

Nguyên tử hydro chỉ chứa một proton và một electron. Vì chỉ có duy nhất một proton trong hạt nhân (không có hạt neutron), hạt nhân hydro thường được gọi đơn giản là proton. Mặt khác, hydro chiếm một lượng khá lớn trong thành phần của nước và mỡ, những chất vốn có mặt ở hầu hết các mô cơ thể, vì thế nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tạo hình ảnh cộng hưởng từ. Trong những phần sau đây, chúng ta bàn luận chủ yếu về tính chất spin của các proton (hạt nhân nguyên tử hydro).

Độ từ hóa thực

Khi không có tác dụng của từ trường bên ngoài, các proton hay spin quay quanh trục của chúng với hướng các trục quay hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi đó từ trường của chúng tương tác và bù trừ qua lại làm triệt tiêu từ trường chung (Hình 6).

Hình 6: Trục quay ngẫu nhiên của các proton làm cho từ trường chung bằng zero khi không có tác dụng của từ trường ngoài.

Khi có tác động của một từ trường bên ngoài, ký hiệu là B₀, các proton sẽ chịu tác động của từ trường và định hướng lại trục quay của mình theo từ trường ngoài B₀: một số có trục quay cùng chiều với chiều tác động của từ trường B₀; một số khác lại có trục quay ngược chiều với chiều tác động của nó (Hình 7). Thực tế đo đạc lâm sàng đã cho thấy rằng cứ ứng với một triệu proton trong cơ thể, số lượng proton cùng chiều với B0 chỉ nhiều hơn một hoặc hai so với số proton ngược chiều. Sự khác biệt “nhỏ bé” này chính là độ từ hóa thực M₀ (net magnetization), mà như chúng ta sẽ thấy trong những phần sau, nó vốn là một từ trường làm cơ sở để tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ. Độ từ hóa thực tăng lên khi cường độ từ trường B₀ tăng và do vậy tín hiệu cộng hưởng từ tỷ lệ với cường độ từ trường B₀.

Trạng thái năng lượng của proton

Khi proton có trục quay cùng chiều với chiều tác động của từ trường, nó ở trạng thái năng lượng thấp và bền vững. Khi proton có trục quay ngược chiều với chiều tác động của từ trường, nó ở trạng thái năng lượng cao, kém bền vững và có xu hướng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái năng lượng thấp (cùng chiều với từ trường). Theo lý thuyết lượng tử, proton chỉ có khả năng giải phóng hay hấp thụ một năng lượng vừa đủ để nó chuyển bật từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp và ngược lại (Hình 8). Năng lượng này là một quang tử (photon).

Hình 7: Khi có tác dụng của một từ trường ngoài B₀, các proton sẽ định lại trục quay cùng hoặc ngược chiều với chiều tác động của từ trường ngoài. Chênh lệch giữa số proton cùng chiều và ngược chiều sẽ tạo ra một từ trường thường được gọi là độ từ hóa thực.

Trong thực tế, proton không hề ở nguyên một trạng thái mà luôn tương tác với nhau (tương tác spin-spin) và với môi trường xung quanh (tương tác spin-lattice), giải phóng và hấp thu năng lượng để chuyển bật qua lại giữa các trạng thái. Tuy nhiên nhìn tổng thể, số proton cùng chiều và ngược chiều với từ trường ngoài hoàn toàn ổn định.

Hình 8: Chuyển bật từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp giải phóng một quang tử; ngược lại chuyển bật từ trạng thái thấp sang trạng thái cao sẽ hấp thụ một quang tử.

Tần số cộng hưởng

Tốc độ quay của các proton đều giống nhau và phụ thuộc vào từ trường. Mối liên hệ giữa tốc độ quay của proton và cường độ từ trường được diễn tả bằng một công thức đơn giản sau đây, còn được gọi là phương trình Larmor:
F  =  γBo
trong đó F là tần số quay (số vòng quay được mỗi giây) hay tần số cộng hưởng (resonance frequency), Bo là cường độ từ trường còn g là một giá trị không đổi gọi là hằng số Larmor. Đối với proton, γ có giá trị xấp xỉ 42,58 MHz/T (42,58 triệu chu kỳ mỗi giây cho mỗi Tesla từ trường).
Theo phương trình Larmor, chúng ta có thể tính tần số cộng hưởng của proton ở các từ trường khác nhau. Thí dụ tần số cộng hưởng của proton ở từ trường 1 Tesla là 42,58 MHz, tần số cộng hưởng của proton ở từ trường 1,5 Tesla là 63 MHz.

5. HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG TỪ

Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance, viết tắt là NMR) được phát hiện hoàn toàn độc lập bởi Felix Bloch và Edward Purcell năm 1946 (cả hai được nhận giải Nobel năm 1952). Khi cộng hưởng từ hạt nhân được sử dụng phổ biến trong y khoa vào cuối thập niên 1970 và đầu thập niên 1980, do tính chất “nhạy cảm” của thuật ngữ hạt nhân (thường liên quan đến các vấn đề phóng xạ), người ta có xu hướng bỏ thuật ngữ hạt nhân mà chỉ nói đơn giản là cộng hưởng từ (magnetic resonance, viết tắt là MR) hoặc chụp cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging, MRI). Trọng tâm của phần này nhằm trả lời cho câu hỏi: cộng hưởng từ là gì?

Vectơ độ từ hóa thực

Để mô tả hiện tượng cộng hưởng từ, trước tiên chúng ta xây dựng một hệ trục tọa độ vuông góc với ba trục xyz như trong hình 9. Trục z là trục thẳng đứng theo chiều tác dụng của từ trường ngoài B₀, còn mặt phẳng xy vuông góc với trục z. Từ trường ngoài B₀ gây ra một độ từ hóa thực M₀ có vectơ hướng cùng chiều với B₀, vì vậy độ từ hóa thực còn được gọi là độ từ hóa dọc Mz (longitudinal magnetization). Cần nhớ rằng vào thời điểm này, các proton đang quay với tần số cộng hưởng γB₀. 

Xung kích thích

Bây giờ chúng ta cho phát ra một xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB₀, tạo ra một từ trường B1 vuông góc với B₀ (Vì sóng radio là sóng điện từ nên khi lan truyền, nó sẽ tạo ra một từ trường). Do B1 quay quanh z với cùng tần số cộng hưởng γB₀ của các proton nên đối với các proton, từ trường B1 “không hề chuyển động”. Có nghĩa rằng đối với chúng, từ trường B1 là từ trường tĩnh giống như từ trường B₀.

Hình 9: Từ trường ngoài B₀ tạo ra độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc.

Dưới tác dụng của từ trường B1 trong một thời gian nhất định, vectơ M₀ thay đổi và lệch ra khỏi trục z một góc a. a được gọi là góc lật (flip angle) và có giá trị tùy thuộc vào cường độ từ trường B1 và thời gian phát xung. Để cho đơn giản, người ta dùng a để chỉ xung RF đã tạo ra nó. Chẳng hạn nếu góc lật là 90° thì xung đã phát ra được gọi là xung RF 90° hay xung 90°; nếu góc lật 180° thì gọi là xung 180°.

Cộng hưởng từ hạt nhân

Cho tới lúc này, câu hỏi “Cộng hưởng từ là gì?” đã có thể trả lời được. Từ trường B1 quay quanh trục quay của các proton (hạt nhân) theo cùng tần số quay γB₀ của các proton đã cộng hưởng với chúng, làm cho độ từ hóa thực lệch ra khỏi trục quay một góc lật a.

Xung 90°

Chúng ta hãy đi sâu tìm hiểu chi tiết một xung đặc biệt được dùng phổ biến nhất: xung 90° (Hình 10). Dưới tác dụng của xung kích thích kéo dài trong một khoảng thời gian và với một tần số thích hợp, độ từ hóa thực đang hướng theo trục z sẽ bị lật ngang (90°) và nằm hẳn trong mặt phẳng xy. Độ từ hóa thực khi đó đã chuyển hoàn toàn thành độ từ hóa ngang Mxy (transverse magnetization) quay quanh z với tần số cộng hưởng γB₀. Độ từ hóa dọc lúc này hoàn toàn biến mất.

Hình 10: Xung 90° làm lật ngang hướng của M₀, khiến nó lúc này nằm trong mặt phẳng xy vuông góc với trục z và được gọi là độ từ hóa ngang Mxy.

Quá trình hồi giãn dọc

Bây giờ ngừng phát xung (tắt từ trường B1). Các proton lúc này chỉ còn chịu tác dụng của từ trường B₀ và có xu hướng giải phóng phần năng lượng đã hấp thu từ xung vào môi trường xung quanh để trở về trạng thái năng lượng thấp (cân bằng). Tương tác này vì thế có tên là tương tác spin-lattice.

Trong quá trình tương tác spin-lattice, độ từ hóa dọc, dưới tác dụng của từ trường B₀ ban đầu sẽ dần dần được khôi phục lại (Hình 11). Quá trình khôi phục độ từ hóa dọc Mz được gọi là quá trình hồi giãn dọc (longitudinal relaxation). Khoảng thời gian cần thiết cho quá trình hồi giãn dọc được gọi là thời gian hồi giãn dọc hay thời gian T1.

Trong thực tế, T1 được xem là thời gian cần thiết để độ từ hóa dọc khôi phục lại khoảng 63% giá trị ban đầu M₀ của nó. Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ biết rằng T1 là một tham số khá đặc trưng cho mỗi mô và được dùng để tạo độ tương phản giữa các mô trên hình cộng hưởng từ.

6. TÍN HIỆU CỘNG HƯỞNG TỪ

Như đã nói trong phần trước, khi cho từ trường B1 dưới dạng một xung radio quay quanh trục z, vuông góc với nó và có tần số quay bằng với tần số quay của các proton, từ trường B1 sẽ cộng hưởng với các proton, làm lệch độ từ hóa thực M₀ ban đầu một góc lệch a so với trục z. Nếu dùng xung 90° (a = 90°), độ từ hóa thực M₀ dần bị lật ngang và rơi vào mặt phẳng xy thành độ từ hóa ngang Mxy quay quanh trục z với tần số cộng hưởng γB₀. Nếu ngừng phát xung thì như đã trình bày trong Phần 3, từ trường biến thiên Mxy này sẽ sinh ra một sóng điện từ (ở đây là sóng radio) có thể phát hiện được bằng các thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn như ăng-ten. Sóng radio này chính là tín hiệu cộng hưởng từ (magnetic resonance signal). Quá trình tạo ra tín hiệu cộng hưởng từ như trên được gọi là quá trình cảm ứng cộng hưởng từ (magnetic resonance induction).

Hình 11: Quá trình hồi giãn dọc sau khi ngừng phát xung. Độ từ hóa ngang Mxy giảm dần trong khi độ từ hóa dọc Mz lớn dần lên, khôi phục lại độ từ hóa thực M₀. Từ trường tổng hợp của chúng lúc này là M.

Như vậy, tín hiệu cộng hưởng từ có nguồn gốc từ độ từ hóa thực M₀ khi nó bị lật ngang thành độ từ hóa ngang Mxy và vì thế, cường độ của tín hiệu phụ thuộc vào độ lớn của độ từ hóa thực M₀.

Quá trình hồi giãn ngang

Sau khi tắt xung, về nguyên tắc độ từ hóa ngang chỉ mất hẳn khi độ từ hóa dọc đã khôi phục hoàn toàn. Tuy nhiên trong thực tế, độ từ hóa ngang thường mất khá nhanh, đồng nghĩa với tín hiệu cộng hưởng từ cũng mất khá lâu trước khi độ từ hóa dọc khôi phục xong.
Do tác dụng trước đó của xung kích thích nên sau khi tắt, các proton vẫn còn quay cùng pha với nhau. Theo thời gian, các proton va chạm với nhau rồi lệch pha. Chúng dần dần “mất đoàn kết nội bộ”, dẫn đến tình trạng “nội lực tổng hợp” Mxy suy giảm dần rồi mất hẳn. Quá trình này, được gọi là quá trình hồi giãn ngang (transverse relaxation), vốn xảy ra khá nhanh so với quá trình hồi giãn dọc. Khoảng thời gian xảy ra quá trình hồi giãn ngang được gọi thời gian hồi giãn ngang hay thời gian T2.

Cần nhớ rằng quá trình hồi giãn dọc và hồi giãn ngang xảy ra hoàn toàn độc lập với nhau vì cơ chế vật lý của chúng hoàn toàn khác nhau: nguyên nhân của quá trình hồi giãn dọc là sự tương tác giữa spin và môi trường (tương tác spin-lattice) làm giải phóng năng lượng đã hấp thụ từ xung kích thích; nguyên nhân của quá trình hồi giãn ngang là sự tương tác giữa các spin (tương tác spin-spin) làm chúng dần lệch pha với nhau, dẫn đến sức mạnh tổng hợp của chúng giảm dần rồi mất hẳn. Tuy nhiên cũng cần biết rằng nếu không có tương tác spin-spin, độ từ hóa ngang cũng sẽ mất hẳn khi độ từ hóa dọc khôi phục lại hoàn toàn. Vì thế thời gian T2 không thể dài hơn thời gian T1. Nói cách khác, thời gian T1 chính là cận trên của thời gian T2.

Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do

Do cơ chế của quá trình hồi giãn ngang, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu sẽ có cường độ lớn nhất, suy giảm dần rồi mất hẳn (Hình 12). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID (free induction decay). Thời gian suy giảm cảm ứng tự do vì thế cũng là thời gian T2.

Hình 12: Hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID: Theo thời gian, tín hiệu cộng hưởng từ lúc đầu có độ lớn bằng M₀ giảm dần rồi mất hẳn.

Theo như kết quả vừa nêu, thời gian T2 có mối liên hệ chặt chẽ với mức độ suy giảm tín hiệu cộng hưởng từ. Tương tự như thời gian T1, trong thực tế người ta xem T2 là thời gian tín hiệu mất khoảng 63% độ lớn so với ban đầu. Nói cách khác, T2 là thời gian tín hiệu chỉ còn lại khoảng 37% độ lớn so với ban đầu. Tham số T2 khi ấy có thể được dùng để tạo ra độ tương phản giữa các cấu trúc khác nhau trên hình cộng hưởng từ. Phần tiếp theo sẽ làm sáng tỏ điều này.

Đậm độ proton

Cho đến lúc này chúng ta đã biết hai tham số quan trọng có ảnh hưởng đến độ tương phản của các cấu trúc trên hình cộng hưởng từ là thời gian T1 và T2. Để cho hoàn chỉnh, chúng ta sẽ xem xét một tham số nữa gọi là đậm độ proton (proton density). Tham số này không liên quan với bất kỳ thời gian hồi giãn nào; nó biểu thị cho số lượng proton có trong tế bào và mô.

Trong những phần trước chúng ta đã biết rằng độ từ hóa thực biểu thị cho sự chênh lệch về số proton có trục quay cùng chiều và trái chiều với từ trường ngoài B₀. Điều này cho thấy rằng số lượng proton càng nhiều, sự chênh lệch càng lớn và do vậy độ từ hóa thực càng lớn.

Theo đó, rõ ràng là tín hiệu cộng hưởng từ phải phụ thuộc vào số lượng proton có mặt trong mô và tế bào: đậm độ proton càng cao, tín hiệu cộng hưởng càng mạnh.

Câu hỏi cuối cùng được đặt ra ở đây (nhưng chưa được giải đáp rõ ràng) là: Những tác nhân nào có thể làm ảnh hưởng đến tín hiệu cộng hưởng từ? Câu trả lời tổng quát là: từ trường ngoài B₀, từ trường B1 (xung kích thích RF), đậm độ proton và mọi yếu tố ảnh hưởng đến tình trạng quay quanh trục của các proton đều làm thay đổi cường độ của tín hiệu cộng hưởng từ.

Qua từng bối cảnh cụ thể của những phần sau, chúng ta sẽ nêu ra và giải thích ảnh hưởng của từng yếu tố đối với quá trình suy giảm cảm ứng tự do FID và trình bày các kỹ thuật khôi phục lại tín hiệu sao cho vào thời điểm cần thiết, tín hiệu cần đo sẽ đủ mạnh.

Diễn tiến của hiện tượng cộng hưởng từ

Tổng kết lại để cho dễ nhớ, chúng ta mô tả diễn tiến của hiện tượng cộng hưởng từ qua các sự kiện sau đây:

1. Áp đặt một từ trường ngoài B₀ thật mạnh (theo trục z) để điều chỉnh lại trục quay của các proton ở trạng thái cân bằng: một số có trục quay cùng chiều với từ trường (hướng theo trục z), một số có trục quay ngược chiều (ngược hướng với z); chúng tạo ra một độ từ hóa thực M₀ hay độ từ hóa dọc Mz.

2. Dùng một xung kích thích RF làm lật ngang độ từ hóa thực M₀ vào mặt phẳng xy; độ từ hóa thực lúc này trở thành độ từ hóa ngang Mxy. Độ từ hóa ngang (hay từ trường ngang) này quay quanh trục z làm xuất hiện một sóng radio có thể đo được, đó là tín hiệu cộng hưởng từ. Tín hiệu cộng hưởng từ lúc này chỉ phụ thuộc vào đậm độ proton.

3. Do tương tác giữa các proton nên khi tắt xung kích thích, độ từ hóa ngang giảm dần rồi mất hẳn, kéo theo tín hiệu cộng hưởng từ cũng giảm dần rồi mất hẳn (hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do). Khoảng thời gian này là thời gian hồi giãn ngang T2.

4. Đồng thời với quá trình hồi giãn ngang, dưới tác dụng duy nhất của từ trường ngoài B₀ sau khi tắt xung kích thích, các proton tương tác với môi trường xung quanh, giải phóng phần năng lượng đã hấp thu từ xung kích thích, trở lại trạng thái cân bằng và khôi phục lại độ từ hóa thực M₀ ban đầu. Thời gian này dài hơn T2 và được gọi là thời gian hồi giãn dọc T1.

7. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ

• Một vật có từ tính sẽ tạo ra xung quanh nó một từ trường. Đơn vị đo từ trường thường được dùng là Tesla (T) hay Gausse (G).
• Mọi vật đều có khả năng bị từ hóa ở những mức độ khác nhau: chất sắt từ bị từ hóa mạnh nhất, tiếp theo là chất thuận từ bị từ hóa yếu hơn và cuối cùng là chất nghịch từ hoàn toàn “trơ” với từ trường hoặc phản ứng “nghịch” lại với từ trường.
• Từ trường biến thiên tạo ra điện trường và ngược lại. Thực tế, từ trường và điện trường là những hình thái biểu hiện khác nhau của một trường thống nhất gọi là trường điện từ.
• Trường điện từ biến thiên tạo ra sóng điện từ. Sóng radio, một dạng sóng điện từ, được dùng làm các xung kích thích để tạo ra từ trường và đây cũng chính là hình thái của tín hiệu cộng hưởng từ mà chúng ta có thể ghi nhận được.
• Nguyên tử hydro chỉ chứa một proton trong nhân và mang điện tích dương. Hạt proton này khi quay quanh trục của mình với tần số γB₀ cũng tạo ra một từ trường và được xem là một nam châm tí hon.
• Khi có tác động của một từ trường ngoài B₀, các hạt nam châm tí hon proton sẽ định lại trục quay của mình cùng chiều (năng lượng thấp) hoặc ngược chiều (năng lượng cao) với chiều của B₀. Sự khác biệt giữa số proton cùng chiều và ngược chiều tạo ra một từ trường gọi là độ từ hóa thực hay độ từ hóa dọc.
• Khi có tác động của một từ trường B1 (xung kích thích) quay cùng tần số với các proton, chúng sẽ cộng hưởng với nhau và làm cho độ từ hóa dọc nghiêng khỏi hướng ban đầu của chúng một góc lật a. Nếu góc lật là 90°, độ từ hóa dọc bị lật ngang vào mặt phẳng xy và được gọi là độ từ hóa ngang.
• Khi tắt xung kích thích, độ từ hóa dọc dần dần được khôi phục lại qua quá trình hồi giãn dọc. Thời gian hồi giãn dọc T1 được xem là khoảng thời gian để độ từ hóa dọc khôi phục được khoảng 63% giá trị ban đầu của nó.
• Song song và độc lập với quá trình hồi giãn dọc là quá trình hồi giãn ngang làm mất dần độ từ hóa ngang. Về mặt tín hiệu, quá trình này đồng nghĩa với hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID. Thời gian hồi giãn ngang T2 được xem là khoảng thời gian tín hiệu mất khoảng 63% giá trị ban đầu của nó.
• Đậm độ proton trong tế bào và mô, cùng với các tham số T1 và T2, được dùng để tạo ra độ tương phản của các cấu trúc trên hình cộng hưởng từ. 

Nguồn: Trần Đức Quang (2008), Nguyên lý và kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, Chương 1, NXB ĐHQG TPHCM, Trang 1-17.