Về nguyên tắc, kỹ thuật chụp cộng hưởng từ bằng các chuỗi xung cơ bản đã được bàn luận trong các phần trước có thể cho ra các hình với cấu trúc giải phẫu tốt hơn nhiều so với các kỹ thuật chụp hình khác (Xquang quy ước, chụp cắt lớp điện toán CT và siêu âm). Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ là tốn thời gian. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều kỹ thuật chụp nhanh hơn đã được phát minh và ứng dụng vào thực tế. Mục tiêu của phần này là bàn luận các kỹ thuật chụp nhanh với nội dung cụ thể như sau:
- Các chiến lược tổng quát
- Kỹ thuật chụp đa lớp cắt
- Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng
- Kỹ thuật điểm vang spin nhanh
- Một số kỹ thuật mới
1. CÁC CHIẾN LƯỢC TỔNG QUÁT
Để dễ hình dung các kỹ thuật chụp nhanh sẽ được bàn luận trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng chuỗi xung điểm vang spin làm cơ sở để tính toán thời gian cần thiết để có được một hình cộng hưởng từ. Trên cơ sở phân tích này, chúng ta sẽ tìm cách tối ưu hóa thời gian chụp bằng nhiều cách khác nhau, cho ra các kỹ thuật chụp hình nhanh đang được sử dụng rất phổ biến.
Chúng ta đã biết một chuỗi xung điểm vang spin gồm có một xung kích thích 90o được lập lại sau mỗi khoảng thời gian TR một số lần N, mỗi lần ghi nhận được một điểm vang tại thời điểm TE sau khi đã áp dụng một xung tái hồi 180o tại thời điểm TE/2. Mỗi điểm vang sau đó sẽ được lấy mẫu và số hóa rồi được ghi lại thành một hàng trong một bảng hai chiều gọi là k-không gian. Số hàng cần điền vào k-không gian bằng với số điểm vang cần lấy mẫu N. Để giảm sai số đo đạc, toàn bộ quá trình này có thể được thực hiện lại vài lần, gọi là số lần đo đạc NEX (number of excitation). Kết quả các lần đo đạc sẽ được cộng lại và lấy trung bình.
Theo đấy, thời gian chụp được một ảnh cộng hưởng từ có thể tính bằng công thức:
Thời gian chụp = TR x N x NEX
Trong công thức này, NEX là một giá trị phụ thuộc vào chất lượng đo đạc của hệ thống cộng hưởng từ (thiết bị đo đạc); đương nhiên giá trị nhỏ nhất của con số này là 1. Ngược lại, giá trị thời kích TR và số hàng N cần điền vào k-không gian phụ thuộc vào cách thức phát xung và cách điền các hàng vào k-không gian. Những chiến lược thực hiện chụp nhanh có thể làm thay đổi cả công thức tính thời gian chụp được cho ở trên. Dưới đây chúng ta phác qua một số chiến lược quan trọng.
Giảm bớt các thành phần trong chuỗi xung
Trong các chuỗi xung được trình bày trong phần trước, một số chuỗi sử dụng thêm các xung với những mục đích đặc biệt. Chẳng hạn chuỗi xung bão hòa mỡ cần phải phát thêm một xung “đặc hiệu” cho mỡ để bão hòa nó rồi nhiễu phá độ từ hóa ngang để làm cho nó trơ đối với xung kích thích sau đó.
Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng một xung như thế hoàn toàn không cần thiết và có thể bỏ đi. Chẳng hạn nếu không có nhu cầu xóa mỡ thì rõ ràng có thể loại bỏ hoàn toàn xung xóa mỡ, nghĩa là dùng các chuỗi xung thông thường.
Thế nhưng nếu vẫn phải dùng xung xóa mỡ, thời gian chụp vẫn có thể giảm bớt được bằng cách thay vì phát trước mỗi xung kích thích một xung bão hòa mỡ, người ta có thể “tiết kiệm” bằng cách phát một xung bão hòa cho nhiều xung kích thích. Chẳng hạn dùng một xung bão hòa chung cho mỗi 32 xung kích thích.
Rút ngắn thời kích TR
Rút ngắn thời kích TR rõ ràng là một ý tưởng đầu tiên khi cần giảm bớt thời gian chụp, thế nhưng ý tưởng này gặp ngay một trở ngại cơ bản: thời kích TR là một tham số quan trọng để tạo ra độ tương phản cần thiết: hình trọng T1 cần thời gian TR ngắn; hình trọng T2 cần thời gian TR dài.
Trong Phần trước chúng ta đã biết một giải pháp để giảm bớt thời gian TR: dùng một góc lật nhỏ. Theo cách này, các chuỗi xung điểm vang thang từ GRE có thể được xem như là một cải thiện đáng kể về thời gian chụp so với các chuỗi xung điểm vang spin SE. Theo tính toán, để duy trì được độ tương phản tốt nhất, đặc biệt trên hình trọng T1, khi TR trong khoảng trên dưới 100 ms (mili giây), góc lật nên nằm trong khoảng từ 60o-90o. Khi TR trong khoảng trên dưới 50 ms, góc lật cũng trên dưới 50o. Khi TR nhỏ hơn nữa, góc lật không nên quá nhỏ, chẳng hạn nếu TR = 6 ms thì α = 15o.
Một giải pháp khác có thể xem xét là giảm bớt thời vang TE, chẳng hạn bằng cách giảm bớt thời gian lấy mẫu. Giảm bớt thời gian lấy mẫu có thể bằng cách lấy mẫu nhanh hơn (lấy nhiều mẫu trong một khoảng thời gian ngắn hơn) hoặc lấy ít mẫu đi (kỹ thuật nửa điểm vang).
Tăng tối đa thời gian thu nhận tín hiệu
Khi xem xét diễn tiến thời gian của các chuỗi xung đã bàn luận trong phần trước, chúng ta nhận ra rằng thời gian thu nhận dữ liệu (thời gian lấy mẫu) chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số thời gian chụp. Khoảng thời gian không thực hiện thu nhận dữ liệu chính là thời gian chết (dead time). Sử dụng tối đa thời gian chết này sẽ rút ngắn thời gian chụp xuống một cách rất ngoạn mục.
Chiến lược thứ nhất là chụp cùng lúc nhiều lớp cắt. Với kỹ thuật chụp hai chiều (2D), mỗi lớp cắt sẽ được kích thích bằng một xung kích thích riêng biệt có tần số phù hợp đã được chuẩn bị trước bằng một thang chọn lớp. Với kỹ thuật chụp ba chiều (3D), toàn bộ khối cơ thể cần khảo sát có thể được chụp chung một lần và dữ liệu được tổ chức thành một k-không gian ba chiều. Sau đó bằng thuật toán Fourier ba chiều, chúng ta có thể “xắt mỏng” khối cơ thể đã chụp thành từng “miếng” có độ dày như ý. Chiến lược chụp cùng lúc nhiều lớp cắt sẽ được bàn luận chi tiết trong Phần 2.
Chiến lược thứ hai là tạo và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích. Như chúng ta đã biết, một điểm vang có thể được tạo ra sau một xung tái lập 180o (điểm vang spin hay spin echo) hoặc sau khi áp dụng một thang mã tần số Gf (điểm vang thang từ hay gradient echo). Theo đấy, các điểm vang thu nhận được sau một lần phát xung kích thích được gọi là xâu điểm vang (echo train); bản thân xung kích thích được gọi là phát bắn (shot). Ngoài ra, khoảng thời gian thu nhận một xâu điểm vang được gọi là thời ghi xâu (echo train duration) và số lượng điểm vang trong một xâu được gọi là chiều dài xâu ETL (echo train length).
Trong chiến lược ghi nhận nhiều điểm vang, người ta cũng phải thay đổi thứ tự điền các hàng dữ liệu vào k-không gian. Trước tiên, do có nhiều điểm vang trong cùng một phát bắn, chúng ta có nhiều thời vang TE khác nhau. Thứ đến, chúng ta đã biết từ Phần trước rằng mỗi hàng trong k-không gian là kết quả lấy mẫu một điểm vang, trong đó hàng ở giữa là điểm vang có được khi dùng thang mã pha yếu nhất (bằng zero). Mặt khác, dữ liệu vùng trung tâm của k-không gian chủ yếu mã hóa các thông tin về độ tương phản và cường độ tín hiệu. Vì thế trong chiến lược này, điểm vang được điền vào hàng giữa của k-không gian sẽ có ảnh hưởng nhiều nhất đến độ tương phản của ảnh. Thời vang của điểm vang này do vậy được gọi là thời vang hiệu dụng (effective TE, viết tắt là TEef). Chọn lựa vị trí của thời vang hiệu dụng TEef ở đầu, giữa hoặc cuối xâu điểm vang sẽ làm thay đổi độ tương phản của hình ảnh thu được. Chiến lược này được áp dụng trong kỹ thuật chụp điểm vang đồng phẳng EPI và điểm vang spin nhanh ở các phần 3 và 4.
Chiến lược thứ ba cho phép tạo ra cùng lúc nhiều hình có độ tương phản khác nhau, cụ thể hơn là một hình trọng T2 (T2W) và một hình trọng đậm độ proton (PDW). Theo một nghĩa nào đó, chiến lược này có thể xem như một hình thái khác của chiến lược thứ hai, nghĩa là nó cũng tạo ra và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một xung kích thích. Khác biệt chủ yếu là trên cùng một xung kích thích có TR dài, điểm vang thứ nhất được ghi nhận tại một thời vang TE khá ngắn để tạo ra hình PDW còn điểm vang thứ hai được ghi nhận tại một thời vang TE dài để tạo ra hình T2W (Hình 1).
Hình 1: Hai điểm vang được lấy trong cùng một lần phát xung kích thích với TR dài. Điểm vang thứ nhất có thời vang TE ngắn (TE1) đóng góp cho hình trọng đậm độ proton. Điểm vang thứ hai có thời vang TE dài (TE2) đóng góp cho hình trọng T2.
Thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian
Một số kỹ thuật gần đây không điền dữ liệu vào k-không gian theo từng hàng như chúng ta đã biết mà có thể điền vào theo một vòng xoắn gốc hoặc điền theo từng góc xoay. Để độc giả có thể hình dung được một bức tranh tổng thể và đầy đủ về các kỹ thuật chụp nhanh, chúng ta cũng sẽ phác thảo sơ qua một số kỹ thuật chụp loại này trong Phần 5.
2. KỸ THUẬT CHỤP ĐA LỚP CẮT
Kỹ thuật chụp đa lớp cắt (multislice) cho phép chúng ta thu nhận tín hiệu của nhiều lớp cắt trong cùng một khoảng thời gian, làm hiệu suất đo đạc tăng lên và nhờ vậy làm giảm thời gian chụp. Trong phần này chúng ta xem xét hai phương pháp: chụp đa lớp cắt hai chiều và chụp ba chiều.
Chụp đa lớp cắt hai chiều
Về mặt lý thuyết, phương pháp chụp đa lớp cắt hai chiều không tạo ra các chuỗi xung mới. Chúng đơn thuần chỉ là sự cải tiến về cách sắp đặt các xung cho hợp lý hơn về thời gian, tận dụng các khoảng thời gian chết khi đang chụp một lớp cắt để chụp thêm nhiều lớp cắt khác.
Nguyên lý rất đơn giản: Sau khi kích thích và đo tín hiệu của một lớp cắt, trong khoảng thời gian chờ độ từ hóa dọc của lớp cắt này khôi phục, chúng ta có thể kích thích và đo tín hiệu của một lớp cắt khác. Xung kích thích thứ hai phải có tần số khác với tần số của xung thứ nhất để không làm ảnh hưởng đến lớp cắt thứ nhất. Nếu thời gian vẫn còn trống, chúng ta có thể thực hiện kích thích và đo tín hiệu của một hoặc nhiều lớp cắt khác nữa (Hình 2).
Hình 2: Chụp đa lớp cắt hai chiều. Trong khi chờ để kích thích và đo lại tín hiệu của lớp cắt thứ nhất, chúng ta kích thích và đo tín hiệu của lớp cắt thứ ba, thứ hai rồi thứ tư xen kẽ nhau để làm giảm khả năng nhiễu kế cận.
Chúng ta biết rằng để chụp một lớp cắt, trước tiên chúng ta cần dùng một thang chọn lớp. Thang từ này sẽ làm cho các proton trong các lớp cắt khác nhau dọc theo thang từ quay với tần số khác nhau. Để chụp một lớp cắt, chúng ta chỉ cần phát xung kích thích có tần số phù hợp (cộng hưởng được) với các proton trong lớp cắt đó. Khi áp dụng kỹ thuật chụp đa lớp cắt, người ta tránh không chụp liên tiếp hai lớp kế cận nhau mà chụp xen kẽ như được minh họa trong Hình 2 để tránh tình trạng nhiễu kế cận (cross talk). Tình trạng này xảy ra bởi vì tần số quay của hai lớp cắt kế cận nhau không khác biệt nhiều, đặc biệt là đối với các proton nằm ở vùng biên giáp ranh giữa hai lớp cắt. Do vậy xung kích thích của lớp cắt này có thể kích thích cả các proton nằm ở vùng ranh giới của lớp cắt kia, làm sai lệch kết quả đo tín hiệu của lớp cắt đang được kích thích.
Kỹ thuật chụp ba chiều
Như tên gọi của nó đã cho thấy, kỹ thuật chụp ba chiều hay chụp 3D không chụp từng lớp riêng biệt như trong kỹ thuật chụp hai chiều; nó chụp toàn bộ một khối cơ thể, nghĩa là chụp một vật theo không gian ba chiều vốn có của vật và khi cần có thể cắt vật thành từng lát dày mỏng tùy theo nhu cầu. Theo nghĩa này, kỹ thuật chụp ba chiều có thể được xem như thuộc nhóm kỹ thuật chụp đa lớp cắt.
Ở cuối phần trước chúng ta đã nhấn mạnh rằng kỹ thuật chụp ba chiều không dùng thang chọn lớp bởi vì nó không chụp từng lớp. Để mã hóa vị trí không gian của các voxel, kỹ thuật chụp ba chiều sử dụng hai thang mã pha vuông góc với nhau, mỗi thang từ này mã hóa cho một chiều không gian. Chiều không gian thứ ba được mã hóa bằng thang mã tần số.
Với cách thức chụp như vậy, tín hiệu thu được trong kỹ thuật chụp ba chiều là tín hiệu tổng hợp của cả khối cơ thể đang khảo sát. Tín hiệu này cũng được lấy mẫu rồi điền vào k-không gian. Tuy nhiên, k-không gian bây giờ không phải là một bảng hai chiều như trong kỹ thuật chụp hai chiều mà là một cấu trúc ba chiều. Sau đó, thay vì dùng thuật toán Fourier hai chiều thông thường, người ta phải dùng thuật toán Fourier ba chiều (3D Fourier algorithm) để xử lý k-không gian này và tái tạo lại hình ảnh của từng lát hoặc một cấu trúc giải phẫu nào đó nằm trong khối cơ thể đã được khảo sát. Chú ý rằng vì tên gọi “thuật toán” dễ gây bối rối cho nhiều độc giả nên trong các tài liệu y khoa người ta thường thay bằng từ ngữ “kỹ thuật Fourier” hay “kỹ thuật biến đổi Fourier” 2DFT, 3DFT (hai chiều hoặc ba chiều).
Do ghi nhận tín hiệu tổng hợp của cả khối cơ thể nên kỹ thuật chụp ba chiều có thể cho ra các lát cắt liên tục nhau, nghĩa là không có khoảng trống giữa chúng. Đây là một ưu điểm của kỹ thuật chụp ba chiều so với kỹ thuật chụp hai chiều, trong đó giữa các lớp cắt thường có một khoảng trống nhất định. Với ưu điểm này, kỹ thuật chụp ba chiều hiện được sử dụng ngày càng phổ biến, nhất là trong những trường hợp cần có những lát cắt mỏng, liên tục để phát hiện các tổn thương nhỏ.
Một ưu điểm nữa của kỹ thuật chụp ba chiều là tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR cao nên ảnh chụp bằng kỹ thuật này có độ trung thực cao và rõ nét hơn. Do vậy ở những vùng “khó chụp” như góc cầu tiểu não, khi cần khảo sát chi tiết người ta có thể dùng kỹ thuật chụp ba chiều.
Kỹ thuật chụp ba chiều cũng rất thường được dùng để chụp hệ thống mạch máu (mạch đồ cộng hưởng từ, MR Angiography hay MRA). Ứng dụng của kỹ thuật chụp ba chiều trong lĩnh vực MRA sẽ được bàn luận chi tiết hơn trong các phần sau.
Cuối cùng cũng cần phân biệt giữa kỹ thuật chụp ba chiều và kỹ thuật dựng hình ba chiều. Chúng nằm ở hai công đoạn khác nhau: kỹ thuật chụp ba chiều thuộc công đoạn chụp hình, liên quan đến các chuỗi xung và thu nhận tín hiệu. Ngược lại kỹ thuật tái tạo ảnh ba chiều hay dựng ảnh ba chiều thuộc công đoạn xử lý hình, liên quan đến các thuật toán xử lý ảnh số bằng máy tính. Một số kỹ thuật dựng hình ba chiều thường được dùng trong cộng hưởng từ và chụp cắt lớp điện toán là MIP (maximum intensity projection), dựng khối vật (volume rendering) và dựng bề mặt (surface rendering). Các kỹ thuật dựng hình sẽ được thảo luận nhiều hơn trong các phần sau.
Với những kỹ thuật dựng hình này, dữ liệu có thể là dữ liệu hai chiều thu được bằng kỹ thuật chụp hai chiều hoặc dữ liệu ba chiều thu được bằng kỹ thuật chụp ba chiều. Nếu dùng dữ liệu hai chiều, hình tái tạo có thể bị “gẫy đoạn” nhiều vì giữa các lớp cắt luôn có một khoảng trống, trong khi đó nếu dùng dữ liệu ba chiều, hình tái tạo sẽ đều đặn hơn.
3. KỸ THUẬT ĐIỂM VANG ĐỒNG PHẲNG
Mặc dù đã được Peter Mansfield đề xuất từ năm 1977 nhưng do những hạn chế về công nghệ phần cứng và khả năng xử lý của máy tính nên kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI (echo planar imaging) chỉ mới được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật này là thời gian chụp toàn bộ một hình cộng hưởng từ rất ngắn, có thể đạt đến mức 20 ms. Với thời gian này, các ảnh giả (artifact) do chuyển động gây ra hầu như bị loại bỏ hoàn toàn. Ngoài ra, nhiều quá trình sinh lý vốn xảy ra rất nhanh cũng có thể ghi nhận được, nghĩa là chúng ta có thể đánh giá được “chức năng” của một số cơ quan.
Diễn tiến các xung
Ở hình thái cơ bản nhất, kỹ thuật chụp điểm vang đồng phẳng sử dụng một xung kích thích α, sau đó cho thang mã tần số dao động thật nhanh, tạo ra một xâu điểm vang (echo train). Về bản chất, các điểm vang trong xâu đều thuộc loại điểm vang thang từ (gradient echo) vì chúng được tạo ra sau khi áp dụng một thang mã tần số Gf (Hình 3). Toàn bộ các điểm vang đều được sử dụng để tạo một hình cộng hưởng từ.
Mặt khác, do các điểm vang đều được lấy từ một lần phát xung, thời gian TR được xem như “không có” hoặc “vô tận”. Điều này cũng đồng nghĩa rằng các hình tạo ra bằng kỹ thuật điểm vang đồng phẳng không phải là hình trọng T1 mà cơ bản là hình trọng T2. Nói chính xác hơn, TEef nằm gần đầu xâu điểm vang cho ra hình trọng T2 còn TEef nằm gần cuối xâu cho ra hình trọng T2* do hiện tượng suy giảm cảm ứng tự do FID gây ra.
Hình 3: Diễn tiến chuỗi xung trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI. Để cho đơn giản, thang chọn lớp Gs và thang mã pha Gp đã được lược bỏ.
Thang mã pha
Chúng ta biết rằng thang mã pha cần được áp dụng với cường độ tăng dần từ âm sang dương trong các chuỗi xung căn bản đã bàn luận ở phần trước, mỗi lần ứng với một lần phát xung và kéo dài trong một thời gian rất ngắn. Với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, do nhiều điểm vang được ghi nhận ngay trong một lần phát xung nên cách áp dụng thang từ như trên không sử dụng được. Thay vì thế người ta có thể dùng một trong hai phương pháp (Hình 4):
Phương pháp mã pha lách tách (blipped phase-encoding) áp dụng một loạt thang từ nhỏ có cường độ không đổi, tựa như những tiếng nổ lách tách đều đều. Nhờ đó thông tin mã pha được cộng dần vào, cho phép ghi mỗi điểm vang vào một hàng của k-không gian.
Phương pháp mã pha đều (constant phase-encoding) áp dụng một thang từ kéo dài không thay đổi cường độ.
Thứ tự điền dữ liệu vào k-không gian
Để điền dữ liệu vào k-không gian, các chuỗi xung căn bản điền lần lượt từng hàng, mỗi hàng ứng với một điểm vang. Trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, thứ tự điền cụ thể mỗi hàng vào k-không gian được chọn lựa tùy theo từng phương pháp áp dụng thang mã pha. Hình 5 minh họa sự khác biệt giữa cách điền dữ liệu trong các chuỗi xung căn bản và cách điền dữ liệu được sử dụng trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.
Hình 4: Phương pháp mã pha lách tách áp dụng thang từ Gp (b) nhiều lần thật nhanh với cường độ bằng nhau. Phương pháp mã pha đều áp dụng thang từ Gp (c) một lần kéo dài với cường độ không đổi.
Hình 5: Điền các hàng dữ liệu vào k-không gian trong một chuỗi xung thông thường (bên trái) và trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng (bên phải).
Một phát hoặc nhiều phát
Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được thực hiện bằng cách dùng một xung kích thích duy nhất (một phát, single-shot) hoặc nhiều xung kích thích (nhiều phát, multi-shot). Trong trường hợp này, mỗi xung kích thích được xem như một phát bắn (shot).
Phương pháp điểm vang đồng phẳng một phát có thời gian chụp cực ngắn, thường dưới 100 ms; toàn bộ dữ liệu trong k-không gian đều được lấy trong thời gian này. Để làm được như thế, phương pháp chụp một phát đòi hỏi các thang từ mã hóa phải có khả năng chuyển bật với tốc độ cực kỳ nhanh, một yêu cầu không phải hệ thống máy cộng hưởng từ nào cũng có thể thực hiện được. Ngoài ra, độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu SNR khá thấp cũng là một trở ngại của phương pháp này.
Để khắc phục một phần những trở ngại vừa nêu, người ta có thể dùng phương pháp điểm vang đồng phẳng nhiều phát. Thay vì điền đầy k-không gian ngay trong một phát bắn, trong kỹ thuật nhiều phát, mỗi phát chỉ đóng góp một phần dữ liệu trong k-không gian. Độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu / nhiễu SNR nhờ vậy được cải thiện.
Cũng cần nhấn mạnh rằng do thời gian lấy mẫu tương đối dài, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng nói chung rất dễ bị ảnh giả (artifact) do tình trạng không đồng nhất của từ trường cục bộ và độ xê dịch hóa học. Để giảm bớt các ảnh giả kiểu này, người ta có thể dùng một xung tái lập 180o tại thời điểm giữa thời vang hiệu dụng TEef, nghĩa là tại thời điểm TEef/2. Tuy nhiên ảnh hưởng của độ xê dịch hóa học, đặc biệt là ảnh hưởng của mỡ không được khắc phục tốt lắm bằng xung tái lập này. Do vậy trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng người ta luôn sử dụng một xung xóa mỡ và xem nó như một xung thường quy.
Các biến thể
Với hình thái căn bản đã được trình bày ở đầu phần này, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được tích hợp với một số xung đặc dụng, tạo ra nhiều biến thể rất có ích. Chẳng hạn nếu xung kích thích là xung 90o cùng với một xung tái lập 180o được thực hiện trước khi cho thang mã tần số dao động thật nhanh như vừa nêu ở trên, chúng ta gọi đây là kỹ thuật điểm vang đồng phẳng spin (spin echo-echo planar imaging).
Tương tự, chúng ta có thể áp dụng một xung chuẩn bị trước khi thực hiện các xung điểm vang đồng phẳng. Chẳng hạn có thể dùng một xung truyền độ từ hóa MT, xung khôi phục đảo nghịch 180o…
Một biến thể đáng chú ý khác là hình thái lai giữa kỹ thuật điểm vang đồng phẳng và kỹ thuật điểm vang spin nhanh. Kỹ thuật có tên là GRASE (Gradient Recalled and Spin Echo) này vừa thu nhận các điểm vang thang từ do thang mã tần số tạo ra, vừa thu nhận các điểm vang spin do xung tái lập 180o tạo. Tuy nhiên, kỹ thuật này chưa có nhiều ứng dụng lâm sàng.
Khả năng ứng dụng lâm sàng
Do thời gian chụp cực ngắn, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đã khắc phục được nhược điểm lớn nhất của cộng hưởng từ. Với kỹ thuật này, người ta có thể ghi nhận được nhiều quá trình sinh lý và sinh bệnh học vốn xảy ra rất nhanh, do vậy nó đã làm thay đổi sâu sắc triển vọng ứng dụng của cộng hưởng từ đối với nhiều vùng cơ thể và nhiều đặc điểm sinh bệnh học.
Chẳng hạn đối với não, kỹ thuật này được dùng để đánh giá khả năng tưới máu (perfusion) cho nhu mô não, khả năng khuyếch tán (diffusion) của nước qua các mô não. Nhờ vậy trong những năm gần đây, kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đã trở thành cơ sở nền tảng của một lĩnh vực gọi là chụp cộng hưởng từ chức năng (functional MRI).
Hoạt động của tim và các mạch máu lớn với rất nhiều chuyển động thường gây nhiều khó khăn cho nhiều mô thức chụp hình, kể cả CT và MRI. Khả năng chụp nhanh của kỹ thuật điểm vang đồng phẳng mở ra nhiều triển vọng ứng dụng của nó trong lĩnh vực này.
4. KỸ THUẬT ĐIỂM VANG SPIN NHANH
Theo một nghĩa nào đó, kỹ thuật điểm vang spin nhanh (fast spin echo) có thể được xem như phiên bản nhanh của loại chuỗi xung điểm vang spin, tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng là phiên bản nhanh của loại chuỗi xung điểm vang thang từ. Thuật ngữ ban đầu của kỹ thuật điểm vang spin nhanh là RARE (Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement) nhưng hiện nay ít được sử dụng. Với các máy của hãng Siemens, kỹ thuật này có tên thương mại là Turbo spin echo hay TurboSE.
Diễn tiến các xung
Tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, sau mỗi xung kích thích sẽ có một xâu điểm vang được tạo thành và được thu nhận. Tuy nhiên khác với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, mỗi điểm vang này được tạo ra do một xung tái lập 180o, không phải do thang từ. Nghĩa là chúng thuộc loại điểm vang spin. Hình 6 trình bày diễn tiến thời gian của các xung, tạm bỏ qua không trình bày các thang từ.
Hình 6: Các xung trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, bao gồm một xung kích thích 90o, theo sau là một loạt các xung tái lập 180o, mỗi xung tái lập tạo ra một điểm vang spin.
Các thang từ
Chúng ta đã biết từ phần trước rằng trong chuỗi xung điểm vang spin, ngoài việc áp đặt một thang chọn lớp vào lúc phát xung kích thích, chúng ta còn phải áp đặt lại thang từ này vào lúc phát xung tái lập 180o. Đồng thời vào thời điểm đo tín hiệu, chúng ta cũng cần áp đặt lại thang mã tần số Gf.
Do vậy trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh, đi kèm với một xung tái lập 180o phải là một lần áp dụng thang chọn lớp Gs và đi kèm với mỗi điểm vang được tạo ra phải là một lần áp dụng thang mã tần số Gf.
Ngoài ra, do mỗi xung tái lập 180o đều làm mất tác dụng của thang mã pha nên cả hai phương pháp mã pha lách tách và mã pha đều như trong kỹ thuật điểm vang đồng phẳng đều không dùng được. Thay vì thế, chúng ta phải áp dụng nhiều lần thang mã pha với cường độ thay đổi tùy thuộc vào việc chọn thời vang hiệu dụng TEef ở đầu, ở giữa hay ở cuối xâu điểm vang. Chẳng hạn nếu muốn thời vang hiệu dụng TEef ở giữa xâu điểm vang như trong Hình 7, thang mã pha được cho giảm dần cường độ. Ngược lại nếu muốn thời vang hiệu dụng nằm ngay ở đầu xâu điểm vang, thang mã pha được cho tăng dần cường độ. Diễn tiến thời gian điển hình của các xung cùng với các thang từ được dùng trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh được trình bày trong Hình 7.
Hình 7: Diễn tiến thời gian của các xung trong kỹ thuật điểm vang spin nhanh. Đi kèm với mỗi cặp xung tái lập và điểm vang là một lần áp dụng các thang từ thích hợp. Thời vang hiệu dụng TEef được tính từ lúc phát xung kích thích đến lúc cường độ thang từ mã pha Gp bằng 0.
Mới nhìn qua, kỹ thuật điểm vang spin nhanh tưởng chừng có thể so sánh về tốc độ với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng. Tuy nhiên do phải áp dụng nhiều lần cả ba thang từ cùng với nhiều xung tái lập 180o nên kỹ thuật này thực sự chậm hơn nhiều so với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.
Một phát hoặc nhiều phát
Tương tự như kỹ thuật điểm vang đồng phẳng, kỹ thuật điểm vang spin nhanh cũng có thể dùng phương pháp một phát hoặc nhiều phát. Do cách lấy nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích nên thực chất cả hai phương pháp một phát và nhiều phát đều không có TR hay có TR vô tận. Kết quả là hình thu được đều là hình trọng T2. Chất lượng hình ảnh của phương pháp một phát dĩ nhiên không bằng chất lượng của phương pháp nhiều phát nhưng bù lại thời gian chụp ngắn hơn. Để cải thiện chất lượng, các phiên bản thương mại của phương pháp một phát như chuỗi HASTE (Haft-fourier Acquisition Single-shot Turbo spin Echo) của hãng Siemens hay chuỗi SS-FSE (Single-Shot Fast Spin Echo) của hãng GE đều sử dụng các thang từ tốc độ cao và kỹ thuật nửa Fourier.
Tăng quang đường bờ
So với chuỗi xung điểm vang spin kinh điển, hình ảnh thu được bằng kỹ thuật điểm vang spin nhanh thường nhòe hơn và bờ kém sắc nét hơn, đặc biệt đối với các mô có T2 ngắn. Tình trạng này nặng nề hơn nếu chúng ta dùng chiều dài xâu dài, thời ghi xâu dài và thời vang hiệu dụng TEef nằm gần cuối xâu điểm vang.
Tuy nhiên khi mô có T2 ngắn nằm cạnh mô có T2 dài, chẳng hạn giữa mô não và dịch não tủy trong não thất, bờ của mô có T2 dài bị “tăng quang”, nghĩa là có tín hiệu cao hơn tín hiệu của nó (dịch não tủy). Điều này xảy ra do khi chụp bằng kỹ thuật điểm vang spin nhanh, bờ của mô có T2 ngắn bị nhòe sang phần mô có T2 dài, cộng thêm tín hiệu cho bờ của mô này và làm cho nó có tín hiệu cao hơn bình thường (Hình 8).
Hình 8: Ở hình bên trái, bờ thực sự giữa hai mô có T2 dài và T2 ngắn rõ nét. Ở hình bên phải, do tín hiệu phía mô có T2 ngắn được cộng thêm vào cho mô có T2 dài, vừa làm giảm kích thước thật của mô có T2 dài, vừa làm tăng quang bờ của nó.
5. MỘT SỐ KỸ THUẬT MỚI
Trong phần này chúng ta phác thảo sơ qua một số kỹ thuật mới có thời gian chụp nhanh hiện đã và vẫn đang được nghiên cứu, thử nghiệm để khẳng định được hiệu quả lâm sàng.
Thay đổi chiến lược điền vào k-không gian
Phương pháp kinh điển điền dữ liệu vào k-không gian là điền mỗi lần một hàng dữ liệu có được sau khi lấy mẫu một điểm vang. Theo cách này, mỗi điểm vang phải ứng với một thang mã pha ở một cường độ nhất định. Bằng cách thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian, thời gian chụp có thể giảm đi đáng kể.
Giải pháp thứ nhất được gọi là kỹ thuật chụp k-không gian phân đoạn (segmented k-space imaging), được thực hiện bằng cách điền mỗi lần một phần dữ liệu hay một phân đoạn của k-không gian, nghĩa là mỗi lần điền nhiều hàng thay vì chỉ điền một hàng. Chẳng hạn với một k-không gian có 128 hàng, chúng ta có thể điền mỗi lần 8 hàng, vị chi mất 16 lần như thế để điền đủ 128 hàng thay vì phải mất 128 lần cho 128 hàng. Trong thực tế, kỹ thuật này được sử dụng trong lĩnh vực chụp tim mạch, cho phép “quay phim” hoạt động co bóp của tim và của các mạch máu lớn bằng một loạt phim chụp nhanh gọi là phim ci-nê.
Một giải pháp khác là thay vì điền theo từng hàng vào k-không gian, chúng ta có thể điền theo từng đường chéo đi từ tâm k-không gian hướng ra ngoại biên (kỹ thuật chụp xoay góc, radial imaging) hay điền xoắn trôn ốc từ tâm k-không gian (kỹ thuật chụp xoắn ốc, spiral imaging). Để thực hiện những kỹ thuật như vậy, người ta phải tổ hợp các thang mã pha và thang mã tần số theo một cách nào đó để khi lấy mẫu, thứ tự của mẫu vạch ra một đường đi đúng như cách điền mong muốn (Hình 9).
Hình 9: Kỹ thuật chụp xoay góc (radial imaging) ở bên trái và chụp xoắn ốc (spiral imaging) ở bên phải.
Thay đổi chiến lược thu nhận dữ liệu
Trong thực tế chúng ta nhận thấy rằng tín hiệu của các phần mô nằm sát cạnh nhau không có sự sai biệt hoàn toàn, nghĩa là trong một chừng mực nào đó chúng thay đổi dần dần. Ý tưởng này cho phép chúng ta chỉ cần thay đổi một phần dữ liệu biểu thị cho những phần mô nằm sát cạnh nhau. Thay vì phải ghi mới toàn bộ dữ liệu, chúng ta chỉ ghi một phần dữ liệu mới và dùng lại những phần đã được ghi trước đó. Chúng ta gọi kỹ thuật này là kỹ thuật phần chung (view sharing).
Một minh họa điển hình cho kỹ thuật phần chung được sử dụng trong các trường hợp chụp hình có dùng thuốc tương phản từ là kỹ thuật chụp lỗ khóa (keyhole imaging). Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này như sau: khi so sánh với nhau, các hình trước và sau khi tiêm thuốc tương phản từ được xem như không có sự thay đổi gì về cấu trúc mà chỉ có sự thay đổi về khả năng bắt thuốc, nghĩa là thay đổi về độ tương phản do tác dụng của thuốc. Mặt khác, chúng ta đã biết rằng thông tin về độ tương phản của hình chủ yếu được lấy từ vùng trung tâm của k-không gian. Vì thế nếu đã ghi được toàn bộ k-không gian của hình trước khi tiêm thuốc, chúng ta chỉ cần thay thế vùng trung tâm trong k-không gian của nó bằng các thông tin thích hợp để có được k-không gian của hình sau khi tiêm. Nghĩa là chúng ta chỉ chụp phần “lỗ khóa” của một ổ khóa bởi vì chỉ có phần “lỗ khóa” mới bị thay đổi. Chẳng hạn để có được k-không gian của hình sau tiêm thuốc khi đã có k-không gian của hình trước tiêm thuốc với ma trận ảnh 256 x 256, chúng ta chỉ cần lấy mẫu 32 hàng cho vùng trung tâm thay vì 256 hàng. Hơn nữa, thay vì phải lấy 256 mẫu cho cả 32 hàng này, chúng ta chỉ cần lấy 32 mẫu cho mỗi hàng.
6. NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ
Thời gian chụp hình lâu là một trong những trở ngại căn bản của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ. Tuy nhiên trở ngại này hiện đã được khắc phục bằng các kỹ thuật chụp nhanh.
Có nhiều chiến lược được sử dụng trong các kỹ thuật chụp nhanh, bao gồm các chiến lược rút ngắn thời gian TR, giảm bớt một số thành phần không cần thiết trong chuỗi xung, chụp cùng lúc nhiều lớp cắt, tạo và ghi nhận nhiều điểm vang và thay đổi chiến lược điền dữ liệu vào k– không gian.
Chụp cùng lúc nhiều lớp bằng phương pháp chụp hai chiều cắt tận dụng khoảng thời gian chết khi chụp một lớp cắt để chụp một vài lớp cắt kế cận. Chụp cùng lúc nhiều lớp bằng phương pháp chụp ba chiều có thể chụp toàn bộ khối thể tích cần chụp. Sau đó nếu cần có thể “xắt mỏng” khối này thành từng lát theo ý muốn bằng các kỹ thuật xử lý ảnh.
Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng EPI và điểm vang spin nhanh FSE đều tạo ra và ghi nhận nhiều điểm vang trong cùng một lần phát xung kích thích. Độ tương phản của chúng nói chung đều thuộc loại trọng T2, mặc dù nếu thời vang hiệu TEef nằm ở cuối xâu, độ tương phản có đặc thù của T2*.
Kỹ thuật điểm vang đồng phẳng được thực hiện bằng cách cho thang mã tần số Gf thay đổi thật nhanh, tạo ra một xâu điểm vang thang từ. Vì vậy kỹ thuật điểm vang đồng phẳng có thể được xem như phiên bản nhanh của chuỗi xung điểm vang thang từ. Thứ tự điền các điểm vang vào k-không gian được chọn lựa cho phù hợp để vẫn bảo đảm được độ tương phản và độ phân giải cần thiết.
Kỹ thuật điểm vang spin nhanh là phiên bản nhanh của chuỗi xung điểm vang spin. Tuy nhiên do phải áp dụng nhiều xung tái lập 180o cũng như nhiều thang từ, kỹ thuật này nói chung chậm hơn nhiều so với kỹ thuật điểm vang đồng phẳng.
Một số kỹ thuật chụp nhanh khác có thể kể ra là: kỹ thuật chụp k– không gian phân đoạn, kỹ thuật chụp xoay góc, kỹ thuật chụp xoắn ốc, kỹ thuật chụp lỗ khóa. Nhìn chung những kỹ thuật này đều tập trung vào k-không gian: thay đổi cách thu nhận dữ liệu hoặc thay đổi cách điền dữ liệu vào k-không gian.