Ảnh hưởng của hiện tượng khuyếch tán lên tín hiệu SE đã được quan tâm từ những ngày đầu của cộng hưởng từ hạt nhân. Do xác xuất xảy ra sự thế chỗ spin này bằng spin khác có dạng phân bố Gauss, nên hệ số suy giảm A của tín hiệu SE có dạng:
với D là hệ số khuếch tán và b là hệ số chỉ phụ thuộc vào trường gradient. Ví dụ, với một trường gradient G tác dụng trong một khoảng thời gian TE của chuỗi xung SE, hệ số b được tính như sau:
Khi đó tín hiệu SE có cường độ là:
Trong đó N đặc trưng cho mật độ spin. Từ công thức trên, mặc dù ta thấy b tỉ lệ với bình phương của G và tỉ lệ với bậc 3 của TE, nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ có thể nhận thấy rõ khi ta có một gradient mạnh hoặc thời gian TE tương đối dài bởi vì hệ số khuếch tán trong các mô sinh học rất bé. Ví dụ trong môi trường nước tinh khiết, G phải lớn hơn 4 Gauss/cm ta mới có thể nhận thấy sự suy giảm tín hiệu SE cỡ 20% với
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM TE = 100ms. Vì sự khuếch tán nước trong mô nhỏ hơn nhiều trong nước tinh khiết, do đó sự suy giảm càng khó nhận thấy.
Hình 6.3 mô tả cách tìm ra hệ số khuếch tán bằng thực nghiệm trên não của mèo với hệ thống MRI 4.7 T. Bằng cách áp dụng một loại chuỗi xung SE và đo độ suy giảm tín hiệu A, ta xác định được D = - lnA/b.
Hình 6.3
6.3.2. Chuỗi xung MEi và Gradient cố định
Trong những năm đầu tiên phát triển cộng hưởng từ hạt nhân, từ trường của nam châm không có tính đồng nhất cao như những nam châm hiện tại. Tính không đồng nhất đó đủ để tạo ra sự suy giảm tín hiệu rõ rệt gây ra bởi khuếch tán. Để giải quyết vấn đề này, Carr và Purcell đề nghị sử dụng chuỗi xung ME thay vì chỉ là các xung echo đơn lẻ. Trong trường hợp này, bời vì quá trình hồi pha ở mỗi xung echo mà thời gian đo khuếch tán bị chia ra tùy thuộc vào số echo sử dụng. Khi đó hệ số b được tính như sau:
Trong đó n là số echo trong một chu kì TE.
Bởi vì hệ số n2, hiện tượng khuếch tán ít ảnh hưởng đến tín hiệu thu nhận. Vì vậy, khuếch tán càng ảnh hưởng mạnh thì xung Echo đơn và Multiecho không thích
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM hợp cho việc tạo ảnh. Nếu muốn giảm ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán, tốt hơn hết nên sử dụng xung ME, đặc biệt khi thu ảnh T2.
Hình 6.4
6.3.3. Chuỗi xung Stejskal-Tanner
Một tiến bộ đáng chú ý trong việc đo mức độ khuếch tán với xung SE đã được Stejskal và Tanner tìm ra (tên hai ông đã được đặt cho tên của chuỗi xung như ở trên). Bằng cách sử dụng hai xung gradient phân cực nhanh và mạnh nằm đối xứng ở hai bên của xung 1800-RF trong chuỗi xung SE (Gradient có cường độ hàng trăm Gauss/cm và tác dụng trong một vài ms). Hai xung này đối xứng do đó không ảnh hưởng đến các spin tĩnh nhưng lại có tác dụng đo khuếch tán rất chính xác, thậm chí với hệ số khuếch tán nhỏ. Trong chuỗi xung này, hệ số b được tính bởi:
Trong đó δ là thời gian tác dụng của mỗi xung gradient và Δ là khoảng thời gian tách biệt hai khởi đầu xung. Trong chuỗi xung này, ta nhận thấy thời gian δ hoàn toàn độc lập với TE và thời gian đo khuếch tán là (Δ – ) có thể điều chỉnh được. Điều này rất thuận lợi cho việc đo khuếch tán bão hòa.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Hình 6.5
Các xung Gradient đối xứng này có thể được tạo ra trên trục mã hóa tần số, hoặc có thể trên các trục khác bất kì, hoặc phối hợp giữa các trục khác nhau. Khi thay đổi biên độ các xung này sẽ cho ra các hình ảnh khuếch tán với các mức độ khác nhau.
6.4. Ảnh hƣởng của xung khuếch tán lên ảnh MRI
Ảnh hưởng của các gradient khuếch tán trên các ảnh SE cho thấy các mô có dòng nước (như dịch não tuỷ - CSF) - khuếch tán mạnh - hiện ra tối trên ảnh thu nhận, phản ánh sự lệch pha của các spin. Cường độ tín hiệu trên hình ảnh khuếch tán vẫn chịu các ảnh hưởng mật độ proton, thời gian phục hồi T1 và thời gian suy giảm T2; do đó vùng thương tổn có cường độ tín hiệu cao trong ảnh khuếch tán có thể phản ánh ảnh hưởng T2 (hiệu ứng “sáng” T2) thay vì khuếch tán suy giảm.
Quá trình khuyếch tán phân tử có thể được đánh giá thông qua việc sử dụng các kĩ thuật MRI với các chuỗi xung cực nhanh có tính chất nhạy với chuyển động. Đặc biệt tạo ảnh cộng hưởng từ khuếch tán thường được kết hợp với các chuổi xung SE hay EPI.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
6.5. Ảnh cộng hƣởng từ khuếch tán tự do DWIi
Ảnh khuếch tán DWI đánh giá sự khuếch tán trung bình của phân tử theo mọi hướng với các hệ số khuếch tán khác nhau. Sự khuếch tán này phải loại bỏ các hiệu ứng khuếch tán không đẳng hướng. Quá trình đánh giá được thực hiện bằng phép tính:
với Dxx, Dyy, Dzz là các hệ số khuếch tán dọc theo 3 trục. Hệ số khuếch tán trung bình:
Như vậy có thể nói DWI là trung bình các hình ảnh khuếch tán riêng biệt của các xung Gradient thêm vào theo các trục x, y và z. Tuy nhiên các hệ số khuếch tán thu nhận theo cách này thông thường không trùng khớp với Dxx, Dyy và Dzz trừ khi sự khuếch tán là đẳng hướng và sự phân bố của mỗi xung Gradient tới hai trục còn lại là không đáng kể. Sự đánh giá là chính xác khi mà các hướng khuếch tán được xác định hoàn toàn.
Sự khuếch tán theo cách tính như trên, sẽ tương ứng với sự dịch chuyển của toàn bộ phân tử nước có trong chất trắng và chất xám, trên hình DWI các thành phần mô có sự khuếch tán cao sẽ cho các tín hiệu cường độ thấp (Ví dụ như dịch não tủy), trong khi các thành phần mô bị hạn chế khuếch tán sẽ cho ra tín hiệu cao. Thông thường độ tương phản chất trắng - chất xám trong các ảnh DWI không cao. Dựa vào sự thay đổi bất thường tín hiệu DWI trên các mô não người ta có thể đưa ra các chẩn đoán về bệnh lý não. Ưu điểm của DWI được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu chứng thiếu máu não. Nó đóng một vai trò cơ bản trong quá trình chẩn đoán bệnh thiếu máu cấp tính.
Một nghiên cứu cho thấy sự khuếch tán của nước trong não mèo sẽ giảm trước khi xảy ra hiện tượng thiếu máu não và giảm đến 50% so với giá trị thông thường. Điều này được lý giải bởi việc tăng thể tích các ngăn nội bào khuếch tán chậm so với thể tích ngăn ngoại bào khuyếch tán nhanh làm suy giảm hệ số khuếch tán trung bình. Đồng thời với sự co lại của không gian ngoại bào tạo ra sự chảy vòng là làm giảm sự dịch chuyển của phân tử nước. Kết quả nghiên cứu trên động vật cũng như trên đột quị ở người cho thấy hình ảnh khuếch tán DWI có thể phát hiện thiếu máu trong vài giờ,
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM hay thậm chí vài phút đầu tiên. Với việc phát hiện sớm, vùng mô não bị thiếu máu có thể được cứu với những điều trị thích hợp. Phương pháp tạo ảnh DWI đặt biệt hữu dụng khi kết hợp với tạo ảnh cộng hưởng từ tưới máu ( Perfusion MRI) từ đó có thể tối ưu hóa các phương pháp chữa bệnh, theo dõi quá trình tiến triển của bệnh nhân và dự đoán trước kết quả trong các trường hợp thiếu máu não cấp.
Mặc dù có độ nhạy cao, đặt biệt với chứng thiếu máu não, nhưng các hiện tượng khuyếch tán không đẳng hướng thỉnh thoảng làm xuất hiện những vùng giống hệt các vùng thiếu máu não, đặc biệt các khoang gần tĩnh mạch. Các hiện tượng khuếch tán không đẳng hướng thường ở các vùng chất trắng do giới hạn sự khuếch tán bởi màng tế bào và bao myelin. Vì vậy nếu độ nhạy khuếch tán được áp đặt chỉ theo một hướng thì vùng chất trắng đặt nằm vuông góc với hướng nhạy Gradient sẽ hiện lên sáng hơn. Do đó nếu sử dụng hệ số khuếch tán thích hợp có thể loại bỏ loại xảo ảnh này. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một số hình ảnh DWI thực tế:
Ảnh DWI của một bệnh nhân nam 53 tuổi bị u nguyên bào thần kinh.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Các hình ảnh từ 6.6a – 6.6c được tạo ra bởi chuỗi xung EPI với TR = 800ms, TE = 123ms, SL = 6mm, với 3 xung khuếch tán Gradient biên độ khác nhau trên chiều trục X. Phần dịch não tủy có độ sáng tín hiệu cao trên hình (a) hoàn toàn bị biến mất trong hình 3 bởi xung khuếch tán. Trong hình (c), phần phù nề dạng mạch máu quanh khối u thấy rõ nhờ hiệu quả tăng biên độ xung khuếch tán Gradient và tín hiệu T2 sáng bởi phù nề. Hình (d) là hình T2-Axial với chuỗi xung TSE, TR = 5000ms, TE = 128ms, ST = 6mm, ET = 23, FOV = 230x512. Hình (e) là hình ảnh T1 với chuỗi xung SE, TR = 520ms, TE = 14ms, độ dày lớp cắt 6mm, FOV = 179x256. Hình (f) là hình ảnh T1 với chuỗi xung SE có các thông số như hình (e) nhưng có sự tham gia của chất tương phản Gadolinium.
6.6. Bản đồ khuếch tán ADCi
Như đã đề cập trong phần trước, cường độ tín hiệu trên các ảnh khuếch tán cũng phụ thuộc vào mật độ proton, T1, T2, TR và TE. Để loại bỏ các ảnh hưởng này và đạt được hoàn toàn chỉ các thông tin khuếch tán, chúng ta có thể đưa ra các bản đồ hệ số khuếch tán. Một bản đồ khuếch tán có thể được đưa ra bằng cách kết hợp ít nhất hai ảnh khuếch tán có sự khuếch tán khác nhau nhưng vẫn đồng nhất với các thông số khác (T1, T2, TR và TE). Ví dụ, bằng cách sử dụng ảnh S0 với yếu tố b = 0 và một ảnh khuếch tán (b > 0), chúng ta có thể tính toán giá trị D cho mỗi pixel với phương trình:
Một ảnh tham số bao gồm các dữ liệu này gọi là bản đồ khuếch tán ADC. Giá trị D thu được với quá trình này sẽ phụ thuộc vào các điều kiện thực tế (ví dụ như hướng của gradient nhạy và thời gian khuếch tán Δ).
Sự khuếch tán phân tử trong một volxel cho trước thông thường được giả thiết là có một hệ số khuếch tán riêng biệt. Trong thực tế, hầu hết các mô bao gồm ngăn con. Ở các ngăn nội bào và ngoại bào có sự phân phối tương ứng khoảng 82,5% và 17,5% mô não, chúng có các giá trị ADC nội tại khác nhau trong đó sự khuếch tán ngoại bào nhanh hơn. Giá trị ADC đo được phụ thuộc vào giá trị b sử dụng (lên đến 1200 s/mm2). Dữ liệu thu với giá trị b thấp sẽ rất nhạy với thành phần khuếch tán nhanh, tức là với các thành phần ngoại bào linh hoạt. Trong các nghiên cứu Y khoa và
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM các kinh nghiệm trên động vật, sự linh hoạt của các không gian ngoại bào có thể được giải thích dựa trên các dữ liệu thu nhận được từ các mẫu khuyếch tán, thậm chí khi cả ngăn ngoại bào này rất nhỏ. Sự thay đổi của giá trị ADC có thể xem như là sự thay đổi của hệ số khuếch tán trong không gian ngoại bào (trạng thái quanh co, vòng vèo) và trong thể tích nội bào. Điều này giải thích vì sao các nghiên cứu khuếch tán được công nhận trong chẩn đoán thiếu máu não cục bộ (brain ischeamia) và động kinh.
Việc tạo ảnh khuếch tán là phương pháp định lượng. Hệ số khuếch tán là một thông số tự nhiên phản ảnh trực tiếp các đặc tính tự nhiên của mô theo hướng chuyển dịch của các phân tử một cách ngẫu nhiên. Vì vậy các hệ số khuếch tán thu được ở các thời gian khác nhau trong một bệnh nhân, hoặc trên các bệnh nhân khác nhau hay thậm chí các bệnh viện khác nhau, có thể đem so sánh mà không cần chuẩn hóa.
Bảng 6.1: Hệ số khuếch tán trong não
Loại mô Hệ số khuếch tán (x10-3
mm2/giây)
Dịch não tủy 2.94 ± 0.05
Chất xám 0.76 ± 0.03
Chất trắng
Dọc sợi trục 1.07 ± 0.06
Vuông góc với sợi trục 0.64 ± 0.05
Tuy nhiên cần chú ý rằng D phụ thuộc vào thời gian khuếch tán. Sự phụ thuộc này có thể dẫn đến đánh giá thấp về sự linh động của các phân tử nước không bị hạn chế nếu thời gian đo khuếch tán không được tính toán kĩ.
Một số hình ảnh ADC thực tế:
Ảnh ADC của bệnh nhân nam 53 tuổi, bị u nguyên bào thần kinh
(a) (b) (c) (d)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Hình 6.7a – 6.7c là hình ảnh MRI với chuỗi xung EPI, TR = 800ms, TE = 123ms, ST = 6mm theo 3 cường độ xung khuếch tán Gradient khác nhau: b = 0, 300 và 1200 s/mm2 hường theo trục X. Hình (d) là hình ADC tương ứng.
Sự phù nề mạch máu quanh khối u, dịch não tủy và thành phần hoại tử của khối u sẽ làm tăng tín hiệu trên hình ADC.
6.7. Ảnh cộng hƣởng từ khuếch tán bất đẳng hƣớng DTIi
Sự khuếch tán tự do có hệ số khuếch tán như nhau với tất cả các hướng, hay còn gọi là sự khuếch tán đẳng hướng. Nếu các phân tử nước khuếch tán trong môi trường có nhiều vách ngăn, sự khuếch tán sẽ không đồng đều hay còn gọi là khuếch tán không đẳng hướng, các vách ngăn có thể là màng tế bào, sợi trục thần kinh, bao myelin … Nhưng đối với thành phần chất trắng thì vách ngăn chủ yếu được tạo ra từ chất myelin bao bọc quanh dây thần kinh. Các bó dây thần kinh sẽ tạo ra những vách ngăn vuông góc với chiều khuếch tán và đường dẫn khuếch tán song song tạo ra chùm sợi dọc theo hướng khuếch tán. Sự tạo hình khuếch tán không đẳng hướng trong cộng hưởng từ (còn gọi là DTI hay kỹ thuật Tractography) sẽ cho thấy hình ảnh biểu thị các bó dây thần kinh.
Khác với ảnh khuếch tán DWI, ảnh khuếch tán DTI đánh giá sự khuếch tán của phân tử theo từng hướng khác nhau với các hệ số khuếch tán khác nhau tương ứng. Để tạo ra hình ảnh DTI người ta sử dụng sáu gradient hay nhiều hơn. Lúc đó gradient định hướng không chỉ dọc theo 3 trục chính, mà còn theo các trục zx, zy, xy … (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc tạo ảnh DTI có thể được hiển thị như một khối elip có ba trục chính tạo thành hệ tọa độ trực giao. Trục chính dài nhất của hình elip khuếch tán là trục giá trị và hướng của khuếch tán lớn nhất (sự khuếch tán càng dài thì sự không đẳng hướng càng cao), trong khi trục ngắn nhất là giá trị và hướng của khuếch tán nhỏ nhất. Nếu ba trục bằng nhau, thì sự khuếch tán là đẳng hướng và elip khuếch tán sẽ trở thành dạng hình cầu.
i DTI: Diffusion Tensor Imaging
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Như đã nói ở trên, DTI được sử dụng để mô tả
các mô có cấu trúc tạo ra khuếch tán không đẳng hướng của phân tử nước, đặc biệt trong bó sợi chất trắng, nơi được đặc biệt quan tâm trong đột quỵ và ung thư. Thông tin này được xử lý mã hóa tạo ra các bản đồ màu của bó sợi thần kinh. Thông thường màu đỏ hiển thị theo trục X, từ phải qua trái hay ngược lại, màu xanh lá cây hiển thi theo trục Y từ sau ra trước hoặc ngược lại, màu xanh biển hiển thi cho trục Z, từ chân đến đầu hoặc từ đầu đến chân.
Dữ liệu của ảnh DTI còn có thể được sử dụng để dựng ảnh các bó sợi chất trắngi
. Kĩ thuật này sử dụng trục chính của DTI để tính toán độ dài của các