Chụp cộng hưởng từ (MRI) là kỹ thuật chẩn đoán y khoa nhanh chóng, không gây ảnh hưởng phụ, hiện đang được ứng dụng phổ biến trên thế giới. Kỹ thuật chụp MRI cung cấp hình ảnh 3 chiều, giúp bác sĩ nắm được thông tin về cơ quan chịu tổn thương trên cơ thể, từ đó hỗ trợ chẩn đoán bệnh chính xác và điều trị kịp thời, hiệu quả. Để đọc được Hình ảnh Cộng hưởng từ phải nắm rõ nguyên lý kỹ thuật, cuốn sách này cung cấp cho các bạn những kiến thức cơ bàn nhất trên con đường chinh phục MRI. Chúc các bạn học tốt
Chương Hiện tượng Cộng hưởng từ Hạt nhân Hiểu rõ khái niệm vật lý tượng cộng hưởng từ hạt nhân bước quan trọng giúp nắm bắt chế trình tạo ảnh cộng hưởng từ Bản thân tượng cộng hưởng từ đến lượt lại dựa sở tượng có liên quan đến trường sóng điện từ Vì bốn chương sách này, cố gắng thiết lập nguyên lý làm tảng cho kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ: Chương tượng vật lý có liên quan đến cộng hưởng từ tín hiệu cộng hưởng từ Trong Chương trình bày hiệu ứng cộng hưởng từ mô thể Sau tìm hiểu nguyên lý tương phản Chương 3, Chương nghiên cứu trình đo tín hiệu tạo ảnh cộng hưởng từ Với hiểu biết đó, tiếp tục tìm hiểu sâu kỹ thuật cộng hưởng từ chương sách Bây giờ, khởi đầu tượng vật lý bản: • Từ tính từ trường • Khả từ hóa chất • Trường sóng điện từ • Từ tính hạt nhân nguyên tử • Hiện tượng cộng hưởng từ • Tín hiệu cộng hưởng từ CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 1.1 TỪ TÍNH VÀ TỪ TRƯỜNG Trong đời sống hàng ngày, gặp số vật có khả hút vật khác đặt gần Những vật có khả thường gọi nam châm (magnet) Từ tính nam châm Ngoài tượng hút số vật, nam châm có khả đẩy số vật khác Khả hút đẩy vật khác xem tính chất vốn có nam châm gọi tính chất từ hay từ tính (magnetism) Khi đặt hai nam châm gần nhau, người ta nhận thấy có hai đầu rõ rệt: Lấy đầu A đặt gần đầu B, bị đầu hút đầu đẩy Kết ngược lại dùng đầu lại A: đầu đẩy đầu hút Người ta nhận thấy trái đất nam châm (khổng lồ) Từ tính trái đất biết đến từ lâu nhận xét đầu kim la bàn, vốn nam châm, hướng bắc (north) đầu hướng nam (south) Dựa theo tên gọi “nam châm trái đất”, đầu hướng nam nam châm gọi cực bắc N (North); đầu hướng bắc nam châm gọi cực nam S (South) Khi đặt hai nam châm gần nhau, hai cực tên đẩy hai cực khác tên hút (Hình 1.1) bắc cực S S N N S N S N nam cực Hình 1.1: Cực nam châm đặt tên dựa theo cực trái đất Các cực tên đẩy cực khác tên hút 1.2 KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT Từ trường Khi có diện nam châm, môi trường xung quanh bị tác động từ tính nam châm, hình thành môi trường “có từ tính” gọi từ trường (magnetic field) Sức tác động nam châm môi trường gọi cường độ từ trường (magnetic field strength) thường đo đơn vị Tesla (T).1 Trái đất, dù xem nam châm khổng lồ, lại có cường độ từ trường nhỏ Thực tế, cường độ từ trường Tesla gấp khoảng 20.000 lần cường độ từ trường trái đất Do với loại máy chụp cộng hưởng từ có cường độ từ trường khoảng 0,2 đến Tesla, ảnh hưởng từ trường trái đất xem không đáng kể Vectơ biểu diễn từ trường Để mô tả cường độ từ trường cách trực quan, người ta hay vẽ mũi tên (đoạn thẳng có hướng) Hướng vectơ hướng tác động cường độ từ trường Chiều dài vectơ biểu thị độ lớn cường độ Trong phạm vi sách mô tả khái niệm cách định tính nhiều định lượng, không câu nệ vào đơn vị đo chiều dài cụ thể để quy cường độ từ trường mà cảm nhận thật đơn giản: vectơ dài, cường độ lớn (Hình 1.2) B0 M0 Mxy Hình 1.2: Biểu diễn từ trường vectơ Trong hình tên chiều tác động số từ trường thường gặp; chiều tác động vẽ theo quy ước chung Độ dài vectơ biểu thị cách tương đối cường độ từ trường: vectơ dài, cường độ từ trường lớn 1.2 KHẢ NĂNG TỪ HÓA CỦA CÁC CHẤT Khi đưa thỏi sắt vào từ trường nam châm, người ta nhận thấy thỏi sắt bị hút mạnh phía nam châm Điều cho thấy thỏi sắt bị “nhiễm từ” hay bị từ hóa biến thành nam châm Nghóa là, thỏi sắt có khả hút nam châm Hiện tượng gọi tượng từ hóa (magnetization) Cường độ từ trường thường đo đơn vị Gauss (G) với 1T = 10.000G CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Lập lại thí nghiệm với thỏi nhôm, người ta thấy thỏi nhôm bị từ hóa yếu, nhận quan sát thật kỹ Tuy nhiên thay thỏi nhôm miếng bismut, người ta chẳng thấy miếng bismut bị nam châm hút mà thấy bismut bị đẩy khỏi nam châm (dù yếu) Qua ba thí nghiệm nêu nhiều thí nghiệm tương tự, người ta nhận định phân chia chất thành ba nhóm với khả từ hóa khác nhau: chất sắt từ (ferromagnetic material), chất thuận từ (paramagnetic material) chất nghịch từ (diamagnetic material) Chất sắt từ Sắt từ nhóm chất có khả từ hóa mạnh giống sắt thí nghiệm nêu Những chất bị từ hóa tạo từ trường mạnh làm thay đổi tín hiệu cộng hưởng từ mô thể Vì nên vật dụng có chứa chất thuộc nhóm sắt từ (điện thoại, thẻ từ, chìa khóa, vân vân) không đưa vào phòng cộng hưởng từ Một số bệnh nhân có thiết bị cấy ghép không chụp cộng hưởng từ Chất thuận từ Chất thuận từ nhóm chất có khả từ hóa yếu (giống nhôm thí nghiệm nêu) nên “nhiễm từ” mức độ định Một số trình bệnh lý, chẳng hạn xuất huyết não, sản sinh chất thuận từ làm tăng tín hiệu cộng hưởng từ vùng não bị tổn thương.2 Chất nghịch từ Chất nghịch từ nhóm chất “dị ứng” với từ trường giống bismut thí nghiệm nêu Chúng hoàn toàn “trơ” nam châm phản ứng “nghịch từ” yếu nên không ảnh hưởng đến tình trạng từ tính nam châm Đa số chất thể sống thuộc nhóm 1.3 TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ Vật lý học đại chứng minh mối liên hệ điện trường từ trường qua hai luận điểm Maxwell: (1) từ trường biến thiên theo thời gian sinh điện trường; (2) ngược lại điện trường biến thiên theo thời gian sinh từ trường Hiện tượng biến đổi điện trường thành từ trường ngược lại đặt tên tượng cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) Điện trường từ trường tạo thành môi trường thống gọi chung trường điện từ (electromagnetic field) Một số tài liệu phân định thêm nhóm chất gọi superparamagnetic material (chất nhạy từ) có khả từ hóa trung gian chất sắt từ chất thuận từ 1.3 TRƯỜNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ Khi làm cho trường điện từ thay đổi theo thời gian, trường điện từ biến thiên lan truyền không gian tạo thành sóng điện từ (electromagnetic wave) Chúng ta hình dung sóng điện từ lan truyền không gian tương tự gợn sóng lan truyền mặt nước ném cục đá nhỏ xuống hồ nước phẳng lặng Thực tế sóng radio (sóng vô tuyến), tia hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại, tia X, tia gamma sóng điện từ Trong kỹ thuật cộng hưởng từ, xung tín hiệu cộng hưởng từ sóng radio (radiofrequency, viết tắt sóng RF xung RF) mà có dạng hình sine tương tự Hình 1.3 Những tham số mô tả sóng gồm có chu kỳ (cycle), tần số (frequency), bước sóng (wave length), biên độ (amplitude) pha (phase) Để dễ nắm bắt khái niệm vừa liệt kê, thử hình dung có vận động viên chạy “đều bước” Quan sát bàn chân anh ta, chẳng hạn bàn chân phải, thấy cách thức hoạt động trông tương tự sóng hình sine Hình 1.3 Nếu xem vị trí khởi đầu vị trí bàn chân sát mặt đất, đưa cao dần lên vị trí cao bắt đầu hạ thấp dần xuống chạm lại mặt đất Sau trình lập lại nhiều lần hoàn toàn giống Theo đó, khoảng thời gian hai lần bàn chân phải chạm đất (một bước chạy) gọi chu kỳ Khoảng thời gian hai lần duỗi thẳng trước khoảng thời gian hai lần chạm đất xem chu kỳ biên độ chu kỳ thời gian Hình 1.3: Hình ảnh sóng hình sine điển hình Trục dọc biểu diễn cho độ lớn (biên độ) sóng; trục ngang biểu diễn thời gian Khoảng thời gian để sóng truyền hai điểm đánh dấu hình (đoạn vẽ đậm) gọi chu kỳ CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN Nếu đếm số bước chạy (số chu kỳ) giây, gọi tần số Chẳng hạn vận động viên chạy 15 bước giây, nói tần số 15 chu kỳ/giây hay 15 hertz (Hz) Trong nhiều trường hợp, tần số tính megahertz (MHz) với MHz = 106 Hz (một triệu Hz) Chiều dài bước chạy tính khoảng cách hai lần bàn chân phải chạm đất Khi xem tương ứng với bước sóng sóng điện từ Bây đến lượt khái niệm biên độ, khoảng cách vị trí cao thấp mà bàn chân đạt tới Đối với sóng, biên độ cho biết độ lớn sóng Trong Hình 1.3, trục dọc biểu diễn biên độ tức độ lớn sóng Vì thân tín hiệu cộng hưởng từ sóng radio nên biên độ tín hiệu cao, thân tín hiệu mạnh Để minh họa cho khái niệm pha sóng, giả sử quan sát hai bàn chân Hoạt động chúng hoàn toàn nhịp bước với nhau, nghóa tần số, ngoại trừ điểm bàn chân phải chạm đất bàn chân trái lơ lửng vị trí cao ngược lại Chúng ta nói hai bàn chân hoạt động nghịch pha với Nếu thay chạy, vận động viên lại “nhảy bao bố” nói hai bàn chân hoạt động pha với nhau, nghóa nhịp bước song song với Đối với khái niệm pha sóng, cần nói xác Giả sử có hai sóng hình sine tần số, nghóa giây, số lần sóng trở lại vị trí giống trước Nếu so ghép hai sóng vào hình theo trục thời gian, hai sóng trùng khớp lên (Hình 1.4(a)) lệch (Hình 1.4(b)) thời gian (a) (b) (c) Hình 1.4: Pha hai sóng hình sine (a) Hai sóng pha, độ chênh lệch pha chúng 0o 360o (b) Hai sóng lệch pha, độ chênh lệch pha chúng giá trị từ đến 360o (c) Hai sóng nghịch pha, độ chênh lệch pha chúng 180o 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Trong Hình 1.4(a), có hai sóng pha nói chúng có pha chênh góc 0o Nếu giữ yên sóng xê dịch tới trước sóng cho chúng lại trùng khớp với nhau, nói hai sóng có pha chênh góc 360o Tuy nhiên đơn giản, xem hai sóng pha hai sóng có pha chênh 0o Trong Hình 1.4(b), hai sóng chênh chút chưa đủ để chúng lại trùng khớp với Hình 1.4(a) Khi nói hai sóng có pha chênh góc với giá trị nằm khoảng từ 0o đến 360o Trường hợp đặc biệt xảy Hình 1.4(c) với hai sóng gọi nghịch pha (chênh 180o) thời điểm, sóng vị trí cao sóng vị trí thấp Một điểm quan trọng cần ghi nhận đây: hai sóng pha, sức mạnh tổng hợp chúng tăng lên (nhảy bao bố); hai sóng lệch pha (chân thấp chân cao), sức mạnh giảm Đặc biệt, sức mạnh chúng triệt tiêu lẫn trường hợp chúng nghịch pha Phổ sóng điện từ Để độc giả hình dung tranh tổng thể vai trò sóng điện từ an toàn sóng radio dùng cộng hưởng từ, trình bày phổ sóng điện từ phân chia dựa vào tần số chúng Hình 1.5 Trong hình thấy dải tần số ánh sáng nhìn thấy hẹp, quanh quẩn dải tần 1015 Hz; dải tần số sóng radio rộng, trải dài từ khoảng tần số 103 Hz đến 1010 Hz Nên biết tia X dùng để chụp X quang CT loại sóng điện từ có tần số cao Từ dải tần số trở lên, sóng điện từ bắt đầu có khả ion hóa gây hại cho tế bào Bây sau ôn lại khái niệm vật lý bản, tìm hiểu từ tính hạt nhân nguyên tử mà chủ yếu hạt nhân nguyên tử hydro (chỉ có hạt proton) Sau tìm hiểu tượng cộng hưởng từ hạt nhân, tượng sở kỹ thuật cộng hưởng từ 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Như biết qua hai luận điểm Maxwell Phần 1.3, điện trường biến thiên sinh từ trường Các hạt nguyên tử có mang điện tích proton (mang điện dương) electron (điện tử mang điện âm), với thuộc tính vốn có tự quay quanh trục (tính chất spin) chúng, sinh từ trường nhỏ xem nam châm Khi nghiên cứu tính chất spin hạt bản, người ta thường gọi nam châm tí hon spin Trong sách này, hai thuật ngữ spin proton dùng lẫn lộn xem đồng nghóa CHƯƠNG HIỆN TƯNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 1020 tia gamma tia X 1018 tia tử ngoại 16 10 ánh sáng nhìn thấy 1014 tia hồng ngoại 1012 sóng viba 1010 108 106 sóng radio 104 Tần số (Hz) Hình 1.5: Phổ tần số sóng điện từ Các sóng có tần số lớn 1016 Hz (vạch đậm ngang) có khả ion hóa gây hại cho tế bào sống Hạt nhân hydro Nguyên tử hydro chứa proton electron Vì có proton hạt nhân (không có hạt neutron), hạt nhân hydro thường gọi đơn giản proton Mặt khác, hydro chiếm lượng lớn thành phần nước mỡ, chất vốn có mặt hầu hết mô thể, đóng vai trò quan trọng việc tạo hình ảnh cộng hưởng từ Trong phần sau đây, bàn luận chủ yếu tính chất spin proton (hạt nhân nguyên tử hydro) Độ từ hóa thực Khi tác dụng từ trường bên ngoài, proton hay spin quay quanh trục chúng với hướng trục quay hoàn toàn ngẫu nhiên Khi từ trường chúng tương tác bù trừ qua lại làm triệt tiêu từ trường chung (Hình 1.6) 1.4 TỪ TÍNH CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Hình 1.6: Trục quay ngẫu nhiên proton làm cho từ trường chung zero tác dụng từ trường Khi có tác động từ trường bên ngoài, ký hiệu B0, proton chịu tác động từ trường định hướng lại trục quay theo từ trường B0: số có trục quay chiều với chiều tác động từ trường B0; số khác lại có trục quay ngược chiều với chiều tác động (Hình 1.7) Thực tế đo đạc lâm sàng cho thấy ứng với triệu proton thể, số lượng proton chiều với B0 nhiều hai so với số proton ngược chiều Sự khác biệt “nhỏ bé” độ từ hóa thực M0 (net magnetization), mà thấy phần sau, vốn từ trường làm sở để tạo tín hiệu cộng hưởng từ Độ từ hóa thực tăng lên cường độ từ trường B0 tăng tín hiệu cộng hưởng từ tỷ lệ với cường độ từ trường B0 Trạng thái lượng proton Khi proton có trục quay chiều với chiều tác động từ trường, trạng thái lượng thấp bền vững Khi proton có trục quay ngược chiều với chiều tác động từ trường, trạng thái lượng cao, bền vững có xu hướng giải phóng lượng để trở trạng thái lượng thấp (cùng chiều với từ trường) Theo lý thuyết lượng tử, proton có khả giải phóng hay hấp thụ lượng vừa đủ để chuyển bật từ trạng thái lượng cao sang trạng thái lượng thấp ngược lại (Hình 1.8) Năng lượng quang tử (photon) 154 CHƯƠNG NHÌN LẠI TỪ CÁC NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN (a) (b) (c) Hình 9.15: Nhồi máu cấp đến sớm trước (a) Hình trọng T2 thấy tăng nhẹ tín hiệu vùng thùy đảo bên trái (b) Hình trọng khuyếch tán DW cho thấy tăng tín hiệu điển hình vùng cấp máu từ động mạch não trái (b) Hình đồ ADC có giảm tín hiệu rõ vùng 9.6 NGUYÊN LÝ TRỌNG TƯỚI MÁU Mọi quan thể cần dưỡng khí chất dinh dưỡng máu cung cấp Hoạt động chức nhiều, lượng máu đến nuôi lớn Do đánh giá lượng hóa tình trạng tưới máu (perfusion) vùng thể thông qua số huyết động giúp đánh giá mức độ hoạt động chức thực xảy vùng thể Các số huyết động thường dùng là: thể tích máu mô (tissue blood volume), lượng máu chảy qua mô (tissue blood flow) hay thời gian cảnh (transit time) Để thực điều này, người ta cần dùng chất đánh dấu có mặt máu nhận kỹ thuật cộng hưởng từ Nhìn chung có hai phương pháp: phương pháp dùng chất ngoại sinh phương pháp dùng chất nội sinh Phương pháp ngoại sinh Trong phương pháp dùng chất ngoại sinh (exogenous material), người ta sử dụng chất tương phản từ (ngoại sinh) tiêm vào thể theo đường tónh mạch Chúng ta biết thuốc tương phản từ ngoại bào (xem lại Chương 7) có tác dụng làm giảm thời gian T1 lẫn T2 Khi có mặt hệ thống mạch máu với nồng độ cao, tác dụng làm giảm T2 chúng rõ rệt, biểu suy giảm tín hiệu vùng có tình trạng tưới máu tốt Những vùng chậm suy giảm tín hiệu xem có tình trạng tưới máu (đánh giá định tính) 9.7 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ 155 Cách làm thông dụng bơm dồn (bolus), nghóa bơm lượng thuốc thật nhiều thật nhanh vào tónh mạch dùng kỹ thuật chụp nhanh chuỗi xung đồng phẳng EPI để ghi nhận thay đổi tín hiệu vốn xảy nhanh mô cần đánh giá thuốc tương phản lần đầu chảy qua vùng mô Ở não, thời gian chụp toàn não thường giây Từ liệu thay đổi tín hiệu theo thời gian, người ta biến đổi thành liệu nồng độ tương đối thuốc có mô theo thời gian Những liệu cuối tính toán để quy thành số huyết động (đánh giá định lượng) Quá trình tính toán máy tính thực nên không bàn sâu Kết hiển thị dạng đồ tưới máu mã hóa màu sắc khác nhau, biểu thị giá trị huyết động khác cho vùng Phương pháp nội sinh Trong phương pháp này, người ta sử dụng kỹ thuật cộng hưởng từ để đánh dấu trực tiếp lên proton máu trước chúng chảy vào vùng khảo sát Cụ thể, người ta dùng xung bão hòa xung đảo nghịch 180o để “đánh dấu” proton Do bị đánh dấu (bão hòa đảo nghịch), dòng máu có chứa proton chảy vào vùng khảo sát làm giảm tín hiệu vùng Sự khác biệt tín hiệu so với hình gốc, nghóa hình chụp chưa đánh dấu, phản ánh tình trạng tưới máu vùng khảo sát 9.7 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ Những nguyên lý phân tích chương phần lớn bàn luận chi tiết chương trước, ngoại trừ nguyên lý trọng khuyếch tán trọng tưới máu Do nhắc lại điểm quan trọng cần nhớ hai nguyên lý • Hiện tượng khuyếch tán xảy chuyển động Brown phân tử khí lỏng, nghóa chuyển động tự ngẫu nhiên theo hướng Mức độ khuyếch tán chất nhiệt độ định biểu hệ số khuyếch tán • Do đặc điểm cấu trúc vi thể, phân tử nước thể khuyếch tán không đồng theo hướng Chẳng hạn với cấu trúc hệ thần kinh, tượng khuyếch tán xảy mạnh dọc theo đường bó chất trắng Để biểu thị độ lớn lẫn chiều hướng khuyếch tán, thay sử dụng hệ số khuyếch tán thông thường, người ta sử dụng hệ số đặc biệt gọi hệ số khuyếch tán biểu kiến ADC 156 CHƯƠNG NHÌN LẠI TỪ CÁC NGUYÊN LÝ TƯƠNG PHẢN • Để đánh giá mức độ khuyếch tán, phải dùng thang từ đặc biệt hơn, cho phép bộc lộ tình trạng lệch pha ảnh hưởng khuyếch tán Các thang từ khuyếch tán điều chỉnh tham số gọi hệ số nhạy cảm khuyếch tán b Giá trị b = cho biết ảnh chụp không nhạy với khuyếch tán, nghóa ảnh bình thường Giá trị b nằm khoảng 500 đến 1500 thường sử dụng để đánh giá khả khuyếch tán lâm sàng • Bộ hình khuyếch tán điển hình gồm có hình trọng T2, hình trọng khuyếch tán DW hình đồ ADC Bản đồ ADC hình vẽ lại từ giá trị ADC mô, vùng khuyếch tán có màu đen vùng khuyếch tán tốt Ngược lại, hình trọng khuyếch tán DW ghi nhận tín hiệu proton trình khuyếch tán chúng bị chứa phần đặc thù trọng T2 Do vùng có tín hiệu cao hình trọng khuyếch tán DW vùng giảm mức độ khuyếch tán, ngược lại với hình đồ ADC • Tình trạng tưới máu mô biểu thị cho hoạt động chức mô: lượng máu đến mô nhiều, hoạt động chức mạnh Lượng máu đến mô đánh giá cách dùng chất đánh dấu mà “đo được” kỹ thuật cộng hưởng từ • Chất đánh dấu “ngoại sinh” thường dùng loại thuốc tương phản từ Chúng bơm thật nhiều nhanh vào tónh mạch, nhanh chóng làm thay đổi tình trạng từ hóa mô Khi dùng kỹ thuật chụp thật nhanh, “đo được” thay đổi • Chất đánh dấu “nội sinh” proton có mặt dòng máu chảy Chúng đánh dấu từ tính trước chảy vào vùng mô cần khảo sát phương pháp đó, chẳng hạn bão hòa đảo nghịch Nhờ chảy vào vùng mô khảo sát, chúng nhận kỹ thuật chụp cộng hưởng từ Chương 10 Ảnh giả hình Cộng hưởng từ Hình ảnh nói chung hình ảnh y khoa nói riêng “cái bóng” thật Nói có nghóa hình ảnh thu chụp cộng hưởng từ kỹ thuật chụp ảnh khác X quang quy ước, CT, siêu âm, vân vân, bóng cấu trúc có thật Tệ nữa, đặc thù kỹ thuật kỹ thuật chụp ảnh lại “sáng tạo” nhiều biểu giả tạo, nghóa cấu trúc tương ứng với biểu Những biểu thật gọi chung ảnh giả hay nhiễu ảnh (artifact).1 Nhìn chung, ảnh giả thường hình ảnh không biểu thị cho cấu trúc thật Trong số trường hợp, ảnh giả ảnh cấu trúc có thật sai vị trí không thời điểm; nghóa thời điểm chụp “ghi hình” cấu trúc Từ góc độ chẩn đoán hình ảnh, trình bày ảnh giả dựa theo biểu chúng hình thay dựa theo nguyên nhân, tập trung vào loại ảnh giả thường gặp gây nhầm lẫn chẩn đoán; nguyên nhân chế phát sinh trình bày để có sở lý giải chúng thực tế Về mặt thuật ngữ, cần phân biệt khái niệm ảnh giả khái niệm cạm bẫy (pitfall) Ảnh giả nói chung muốn nói đến biểu không thật hình ảnh y khoa, cạm bẫy muốn nói đến biểu gây ngộ nhận làm sai lệch chẩn đoán Như cạm bẫy biểu sai ảnh giả, có có dịch xảo ảnh 157 158 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ thể biểu hạn chế thân kỹ thuật khiến nhiều cấu trúc có biểu gần Từ góc độ khác, xem ảnh giả biểu khách quan, cạm bẫy diễn giải chủ quan dựa thực tế khách quan Vì vậy, nghiên cứu ảnh giả cạm bẫy đề tài quan trọng thường song hành, đặc biệt tài liệu chẩn đoán hình ảnh Tuy nhiên chương đề cập đến ảnh giả với nội dung sau: • Bóng ma • Mạo danh • Thay đổi đường bờ • Ảnh giả cảm nhiễm từ 10.1 ẢNH BÓNG MA Hình ảnh cộng hưởng từ dễ thay đổi tình trạng chuyển động Chuyển động hoàn toàn ngẫu nhiên, chẳng hạn nhu động ruột hay bệnh nhân cựa quậy chụp Chuyển động xảy có quy luật tim co bóp hay hít thở Thông thường chuyển động thường làm nhòe hình dễ nhận Trong trường hợp chuyển động có quy luật, cấu trúc chuyển động gây bóng ma (ghost) Đó hình ảnh nằm thẳng hàng cách cấu trúc chuyển động (Hình 10.1) Đường thẳng song song với trục thang mã pha, nằm ngang thẳng đứng tùy theo trục thang mã pha Hình 10.1: Hình ảnh bóng ma (các mũi tên nằm ngang) dòng chảy động mạch chủ bụng nằm dọc theo trục đứng (song song với trục thang mã pha) Các mũi tên bên trái tổn thương gan 10.2 ẢNH MẠO DANH 159 Chúng ta biết kỹ thuật chụp hình hai chiều, thang mã pha áp dụng nhiều lần với cường độ thang từ thay đổi từ thật âm, trở dần zero tăng dần đến thật dương Quá trình làm cho pha proton voxel thay đổi cách có hệ thống, nhờ dùng pha làm thông tin xác định vị trí voxel phát tín hiệu Tuy nhiên voxel chuyển động, việc xác định vị trí pha không cường độ thang từ lần áp dụng thang từ phù hợp voxel đứng yên Kết voxel chuyển động cho nhiều “bóng hình” nằm dọc theo đường thẳng song song với trục thang mã pha Khắc phục tình trạng bóng ma phụ thuộc vào cấu trúc chuyển động Với cấu trúc chuyển động thụ động theo nhịp thở tạng ổ bụng, nín thở biện pháp hữu hiệu đơn giản lúc thực Với dòng chảy, xóa tín hiệu kỹ thuật dùng chụp mạch đồ máu đen cách làm hiệu Với chuyển động tim mạch máu lớn quanh đó, phương pháp dùng tâm đồ cộng hưởng hay sử dụng 10.2 ẢNH MẠO DANH Hiện tượng mạo danh (aliasing) xảy hình ảnh cấu trúc không biểu vị trí thực mà biểu phía đối diện so với trục dọc trục ngang (Hình 10.2) Cách biểu đối bên khiến ngỡ có cấu trúc vị trí thật hình ảnh mạo danh cấu trúc có thật phía bên Hình 10.2: Sơ đồ minh họa tượng mạo danh hay bao quấn Khi bao khu vực cần khảo sát quang trường không phủ hết vật cần chụp, hình ảnh phần bị cắt bỏ xuất ỏ phía đối bên so với vị trí thật Hiện tượng mạo danh thường xảy chọn quang trường FOV (field of view) nhỏ kích thước thật vật cần chụp (Hình 10.2 160 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ 10.3) Nghóa khu trú khu vực muốn khảo sát với quang trường đủ bao quanh khu vực Hành động làm cấu trúc bị cắt bỏ tái xuất phía đối bên, tượng mạo danh thường gọi tượng bao quấn (wraparound) Hình 10.3: Hiện tượng mạo danh Hình ảnh vùng gáy xuất phía trước, thể có vật mạo danh chúng nằm phía trước Hiện tượng xảy chọn quang trường nhỏ để khảo sát rõ phần tủy cổ phần hầu họng không đủ lớn để bao quát hết toàn vùng cổ Một trường hợp đặc biệt tượng mạo danh tượng vằn ngựa (zebra stripe), biểu dạng đường vằn trông tựa da loài ngựa vằn Hiện tượng xảy tình trạng nhiễu loạn từ trường cục nằm quang trường (Hình 10.4) Để hiểu chế xuất tình trạng mạo danh, cần quay lại khái niệm lấy mẫu số hóa tín hiệu trình bày Chương (Phần 4.4) Tín hiệu cộng hưởng từ sóng radio ghi nhận cách đo chúng thời điểm định suốt khoảng thời gian xuất điểm vang Mỗi giá trị đo gọi mẫu (sample) chuyển thành số (Hình 10.5) Quá trình lấy mẫu thực chất biến đổi giá trị liên tục tín hiệu thành tập giá trị rời rạc lưu chúng lại dạng số nhớ máy tính Tập hợp giá trị rời rạc dùng để tạo lại tín hiệu gốc phương pháp nội suy (interpolation): dựa đặc thù tín hiệu, giá trị nằm hai mẫu đoán (nội suy) điền vào để thành tín hiệu hoàn chỉnh 10.2 ẢNH MẠO DANH 161 Hình 10.4: Ảnh giả vằn ngựa xảy tình trạng nhiễu tín hiệu gây từ trường cục nằm bên quang trường FOV Hình 10.5: Hình ảnh lấy mẫu số hóa tín hiệu vẽ lại từ Hình 4.7 Mỗi chấm đen mẫu (một giá trị) chứa thông tin tín hiệu thời điểm lấy Mỗi mẫu chuyển thành số tương ứng với giá trị đo mẫu Quá trình gọi trình số hóa tín hiệu Để bảo đảm nội suy tín hiệu gốc, tốc độ lấy mẫu phải đủ nhanh so với tần số tín hiệu Chẳng hạn Hình 10.6 có hai tín hiệu với hai tần số khác nhau: tín hiệu A (đường cong đen) có tần số thấp tín hiệu B (đường cong xám) Nếu tín hiệu B lấy mẫu với tốc độ hình (các chấm xám) nội suy, tái lập hai tín hiệu với hai tần số khác Khi sử dụng quang trường FOV nhỏ so với vật cần chụp, phần cấu trúc bị cắt bỏ có tần số cao nằm vị trí xa theo trục mã tần số Khi tốc độ lấy mẫu không phù hợp, tín hiệu có tần số cao nội suy thành tín hiệu có tần số thấp quy cho voxel nằm vị trí gần (Hình 10.2) Hiện tượng mạo danh xảy theo trục mã pha Thông thường, pha mã hóa nằm khoảng −180o đến +180o Khi pha 162 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ voxel mã hóa với giá trị nằm khoảng này, quy thành giá trị pha nằm khoảng Chẳng hạn giá trị pha 405o quy thành giá trị pha 45o hai pha chênh lệch 360o chúng hoàn toàn trùng Khi đó, voxel có giá trị pha 405o quy vị trí voxel có pha 45o, gây tượng mạo danh theo trục pha B A Hình 10.6: Lấy mẫu với tốc độ không phù hợp cho tín hiệu B tái lập tín hiệu A nội suy từ mẫu tín hiệu B Khi này, tập mẫu lấy từ B quy cho tín hiệu A 10.3 THAY ĐỔI ĐƯỜNG BỜ Các biểu ảnh giả đường bờ (edge artifact) cấu trúc mô ranh giới hai cấu trúc phong phú nhiều nguyên nhân khác Đơn giản tình trạng đường bờ bị nhòe chuyển động cấu trúc cách tính toán lấy trung bình cộng tín hiệu voxel nằm ranh giới hai cấu trúc có cường độ tín hiệu chênh lệch nhiều Trong phần xem xét thêm hai nguyên nhân phổ biến làm thay đổi đường bờ: độ xê dịch hóa học cắt xén tín hiệu Ảnh giả độ xê dịch hóa học Kỹ thuật cộng hưởng từ sử dụng lâm sàng sử dụng sóng radio có tần số phù hợp với tần số quay nước mỡ Nghóa thực tế lâm sàng, tín hiệu sử dụng để thiết lập ảnh cộng hưởng từ xuất phát từ nước mỡ Do đặc điểm cấu trúc hóa học, tần số quay proton nước mỡ có khác biệt chút Sự khác biệt tần số quay cấu trúc hóa học phân tử gọi độ xê dịch hóa học (chemical shift) biết từ Chương Proton nước có tần số quay nhanh chút so với proton mỡ Thay nói giá trị tần số quay proton loại phân tử, người ta dùng khái niệm độ xê dịch hóa học để so 10.3 THAY ĐỔI ĐƯỜNG BỜ 163 sánh độ chênh lệch hai tần số quay Cụ thể, độ xê dịch hóa học nước mỡ 3,5 phần triệu hay 3,5 ppm (parts per million) Dưới tác dụng thang mã tần số, khác biệt tần số quay nước mỡ dễ dàng bộc lộ, đặc biệt vùng nước mỡ nằm sát (Hình 10.7) Hình 10.7: Thay đổi đường bờ khối mỡ bao quanh thận khối thắt lưng chậu độ xê dịch hóa học mỡ nước (có nhiều thận cơ) Các dải viền đen nằm phía (bên phải, đầu mũi tên) dải viền trắng nằm phía đối diện (bên trái, mũi tên) Trong Hình 10.7, khối mỡ bao quanh cấu trúc có chứa nhiều nước (thận, thắt lưng chậu) Khi đó, đường bờ phía xuất dạng dải đen (tín hiệu thấp) đường bờ phía đối diện xuất dạng dải trắng (tín hiệu cao) Nguyên tượng tình trạng diễn giải sai lệch vị trí nước mỡ từ tần số tín hiệu mà thu Theo trục mã tần số, tín hiệu có tần số cao quy cho voxel vị trí xa Do độ xê dịch hóa học, nước có tần số quay nhanh mỡ nên tín hiệu nước quy cho voxel nằm xa phía (ở Hình 10.7 hướng bên trái) Lúc đường viền phía bên trái, tín hiệu mỡ cấu trúc bao quanh cộng thêm với tín hiệu nước bị quy lệch qua trái, tạo thành tín hiệu tổng có cường độ mạnh Ngược lại đường viền phía bên phải, tín hiệu bị (dải đen) tín hiệu nước bị quy lệch cho voxel nằm lệch qua trái (Hình 10.8) 164 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ mỡ tần số thấp nước tần số cao Hình 10.8: Minh họa chế tượng ảnh giả độ xê dịch hóa học nước mỡ Tình trạng thay đổi đường viền độ xê dịch hóa học xảy chụp hình đồng pha nghịch pha kỹ thuật Dixon (Chương 5, Phần 5.6) Cụ thể, nước mỡ quay đồng pha hình đồng pha, đường viền lúc không cho thấy rõ ranh giới hai cấu trúc Ngược lại nước mỡ nghịch pha với hình nghịch pha, tín hiệu chúng hủy bỏ lẫn nhau, làm giảm tín hiệu đường viền, cho phép phân biệt rõ ranh giới hai cấu trúc (Hình 10.9) (a) Hình đồng pha (b) Hình nghịch pha Hình 10.9: (a) Hình đồng pha cho thấy đường viền không rõ thận khối mỡ xung quanh (b) Hình nghịch pha có đường viền bị tín hiệu nên ranh giới hai cấu trúc rõ (mũi tên) 10.3 THAY ĐỔI ĐƯỜNG BỜ 165 Ảnh giả cắt xén tín hiệu Lấy mẫu số hóa tín hiệu cộng hưởng từ nói cho cách tạo hình ảnh gần so với thực tế thu giữ số giá trị định từ tín hiệu thật Trong đa số trường hợp, dựng lại hình ảnh đáp ứng yêu cầu thực tế lâm sàng Trong nhiều trường hợp khác, khác biệt liệu thật (tín hiệu) với liệu ghi nhận (dữ liệu số hóa) đủ lớn để biểu hình ảnh, tạo thành ảnh giả cắt xén (truncation artifact) hay tượng Gibbs (Gibbs phenomenon) Loại ảnh giả cắt xén tín hiệu thường xuất vùng ranh giới cấu trúc có tín hiệu cao cấu trúc có tín hiệu thấp Chúng biểu dải trắng đen xen kẽ dọc theo đường biên (xem Hình 10.10) Khi đường biên có dạng đường cong đường biên não xương sọ, dải trắng đen trông dải cầu vồng (trắng đen) (a) (b) Hình 10.10: (a) Ảnh giả cắt xén biểu dải trắng đen đan xen với nhau, thường xuất đường biên cấu trúc có tín hiệu cao thấp rõ rệt (mũi tên trắng) (b) Ảnh giả cắt xén xuất thành dải cong trông tựa cầu vồng vùng ranh giới xương sọ nhu mô não (mũi tên đen) 166 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ 10.4 ẢNH GIẢ CẢM NHIỄM TỪ Như biết từ Chương 1, chất thuận từ (paramagnetic) sắt từ (ferromagnetic) có khả nhiễm từ trở thành nam châm, hình thành từ trường cục không đồng gây ảnh giả cảm nhiễm từ (susceptibility artifact) Hình thái ảnh giả cảm nhiễm từ đa dạng Chẳng hạn nằm thể, từ trường cục không đồng gây ảnh giả vằn ngựa nêu Phần 10.2 (Hình 10.4) Khi nằm thể, từ trường không đồng làm tăng tần số quay proton nằm xung quanh Khi theo trục thang mã tần số, proton quay nhanh quy gán cho vị trí xa hơn, tạo tình trạng vùng có tín hiệu cao phía tần số cao vùng trống tín hiệu phía tần số thấp Vùng tín hiệu vị trí thật proton bị ảnh hưởng từ trường cục (Hình 10.11) Hình 10.11: Hình ảnh trọng T2* chụp chuỗi xung điểm vang thang từ GRE (710/27,6) bệnh nhân có thay van tim cho thấy vùng giảm tín hiệu (ảnh giả cảm nhiễm từ) tình trạng từ trường cục không đồng Ảnh giả quy cho nguyên nhân lắng đọng hạt kim loại có nguồn gốc từ van giả tim Ảnh giả cảm nhiễm từ xảy chụp mạch máu có tiêm thuốc tương phản từ Trường hợp hay xảy động mạch đòn, chụp mạch đồ có thuốc đường tónh mạch, thuốc tương phản tồn đọng lượng lớn tónh mạch đòn bên với bên tiêm thuốc Khi đó, tónh mạch đòn vốn nằm sát động mạch đòn nên làm đoạn động mạch tín hiệu bị chẩn đoán nhầm thành hẹp động mạch (Hình 10.12) 10.5 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ 167 Hình 10.12: Ảnh giả nhiễm cảm từ quy cho nguyên nhân thuốc tương phản tồn đọng tónh mạch đòn trái (cùng bên với vị trí tiêm thuốc) làm tín hiệu đoạn động mạch đòn trái nằm sát với tónh mạch đòn (mũi tên) 10.5 NHỮNG ĐIỂM CẦN GHI NHỚ • Ảnh giả biểu có hình không phản ánh tồn cấu trúc giải phẫu có thật Hiểu rõ nguyên nhân chế hình thành ảnh giả giúp nhận diện phân biệt chúng với tổn thương nhiều tình lâm sàng • Bóng ma dãy “bóng” cấu trúc có di chuyển chụp hình, chẳng hạn dòng chảy động mạch lớn Các bóng nằm thẳng hàng với đường thẳng song song với trúc mã pha Loại ảnh giả tránh kỹ thuật chụp nhanh kỹ thuật xóa tín hiệu dòng chảy • Mạo danh tượng xuất cấu trúc phía đối bên với vị trí thật Loại ảnh giả thường xuất dùng quang trường nhỏ, không đủ để bao quát cấu trúc bị mạo danh Hiện tượng mạo danh xảy theo trục tần số theo trục pha Khi xảy theo trục tần số, tượng xảy diễn giải sai lệch thông tin tần số, khiến voxel có tần số cao nằm vị trí xa bị quy thành voxel có tần số thấp nằm vị trí gần • Đường bờ cấu trúc có nhiều nước cấu trúc có nhiều mỡ có biểu đặc biệt: đường bờ phía đen phía đối diện lại trắng Hiện tượng xảy độ xê dịch hóa học nước mỡ không giống Tín hiệu nước bị diễn giải lệch 168 CHƯƠNG 10 ẢNH GIẢ TRÊN HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ phía, khiến cho đường bờ phía tín hiệu quy cho vị trí (viền đen) đường bờ phía đối diện lại quy tín hiệu nước lẫn mỡ (viền trắng) • Trong nhiều trường hợp, liệu ghi nhận nhiều so với liệu thật cần lấy, tạo loại ảnh giả cắt xén Loại ảnh giả hay xảy vùng giáp ranh mô có tín hiệu cao với mô có tín hiệu thấp • Khi có chất thuận từ sắt từ nằm gần vùng cần chụp, gây nhiễu loạn từ cho vùng đó, biểu vùng hẳn tín hiệu, kèm theo vùng có tín hiệu cao bất thường