Ra đời sau CT gần 10 năm, những kỹ thuật chẩn đoỏn bằng cộng hưởng từ cũng đạt được mức phổ biến đỏng ngạc nhiờn và kết quả do phương phỏp này mang lại thật đỏng khõm phục, như lập bảng đồ chức năng nóo người, tạo hỡnh cỏc sợi thần kinh dựa trờn kỹ thuật khuếch tỏn và dựng phổ phospho để nghiờn cứu cỏc quỏ trỡnh năng lượng.
Nếu tia X và súng siờu õm là những nguồn tớn hiệu ngoại lai được đưa từ bờn ngoài vào cơ thể, thỡ tớn hiệu để tạo hỡnh trong cộng hưởng từ lại vốn đó cú trong cấu trỳc bản thõn cấu trỳc của cơ thể: đú là nguồn tớn hiệu nội sinh. Nếu tia X là bức xạ ion húa cú thể gõy tổn thương cho cơ thể, thỡ cũng giống như súng siờu õm, chẩn đoỏn cộng hưởng từ trong mức độ chẩn đoỏn hiện nay cú thể xem là vụ hại. Như vậy, ngay khi xột về bản thõn nguồn tớn hiệu, ta đó thấy những ưu việt của phương phỏp MRI.
Nguồn tớn hiệu đú là gỡ? Chỳng ta biết trong cơ thể cú lượng nước rất lớn. Trong mỗi phõn tử nước cú hai nguyờn tử Hydro. Trong mỗi nguyờn tử Hydro đều cú một proton. Đõy là một phần tử tớch điện luụn chuyển động và hiểu một cỏch gần đỳng đú là chuyển động tự quay trũn quanh bản thõn proton. Ta núi proton luụn cú một momen từ spin, khiến nú hành xử như một nam chõm. Khi khụng cú từ trường ngoài, chỳng định hướng ngẫu nhiờn, cũn khi cú từ trường ngoài B0 nào đú, chỳng sẽ định hướng theo B0. Tuy nhiờn, sự định hướng này khụng hoàn toàn, do chuyển động nhiệt và cỏc nam chõm cũng khụng đứng yờn: chỳng quay trũn theo kiểu con vụ xung quanh một trục xung quanh với B0. Tần số quay trũn của con vụ như thế phụ thuộc vào từ trường B0 và được gọi là tần số Larmor. Với B0= 1 Tesla, ta cú f = 43 MHz, nằm trong vựng tần số súng radio (Radio Frequency – RF).
Nguyờn tử Hydro
Chuyển động (quay) nội tại của hạt nhõn gõy ra momen từ
Chuyển động tiến động quanh B0
(a) B0 = 0, chuyển động quay quanh trục của hạt nhõn nguyờn tử ngẫu nhiờn. (b) B00, spin hơi định hướng song song với với B0, vỡ vậy tạo ra vộctơ từ húa dọc Mz. (c) Xung RF tỏc động, làm cho vecto từ húa M lật đi 900, tạo thành vecto từ húa ngang Mxy (d)
Quỏ trỡnh hồi chuyển T1. Độ từ húa ngang (Mxy) giảm dần,
Quỏ trỡnh hồi chuyển T2. Spin khụng đồng bộ về pha,
kết quả của sự giảm độ từ húa ngang, khụng đũi hỏi tiờu hao năng lượng.
Sự định hướng của cỏc nam chõm như vậy cú thể được mụ tả bằng vộctơ từ húa
M định hướng dọc theo B0. Mật độ hạt nhõn càng lớn (số proton/cm3 càng nhiều) và mức độ định hướng càng cao (từ trường B0 lớn) thỡ M càng lớn. Khi đưa bệnh nhõn vào từ trường B0 thỡ trong bệnh nhõn cú vộctơ M.
Bõy giờ, truyền vào trong khối chất (bệnh nhõn) một xung súng RF cú tần số đỳng bằng tần số Larmor, vộctơ M sẽ chuyển sang vị trớ nằm ngang, nghĩa là vuụng gúc với từ trường B0. Hiện tượng này chớnh là cộng hưởng (tần số do súng RF đưa vào bằng tần số Larmor nam chõm vốn cú trong từ trường B0) và ta cú trạng thỏi kớch thớch. Sau một thời gian, M hồi phục và chuyển về trạng thỏi ban đầu. Quỏ trỡnh hồi phục được xột theo hai thành phần: thành phần Mz dọc theo trục B tăng dần và thành phần Mxy trong mặt phẳng vuụng gúc với B0 giảm dần. Tốc độ hai quỏ trỡnh này khỏc nhau và được đặc trưng bởi hai tham số: thời gian hồi phục T1 và T2. Trong quỏ trỡnh hồi phục, nam chõm (momen từ spin) phỏt ra tớn hiệu radio. Người ta ghi tớn hiệu này và lấy đú làm cơ sở tớnh ra hỡnh ảnh trong MRI. Cường độ cỏc tớn hiệu này phụ thuộc vào Mz và Mxy, nghĩa là phụ thuộc vào mật độ proton, vào thời gian hồi phục T1 cũng như T2. Thời gian hồi phục T1-2 và mật độ proton dp là 3 thụng số quyết định trong tạo hỡnh MRI.
Quỏ trỡnh hồi phục Mz tuõn theo hàm mũ tăng. Người ta định nghĩa thời gian hồi phục là thời gian để Mz đạt được 63% giỏ trị ban đầu. Ngoài độ lớn từ trường B0, T1 cũn phụ thuộc vào loại mụ: cỏc phõn tử nặng (chất bộo) cú T1 ngắn hơn cỏc phõn tử nhẹ (nước) và núi chung T1 nằm trong khoảng 500 ms – 1500 ms. Như thế, hai mụ khỏc nhau sẽ cú T1 khỏc nhau và nếu tại thời điểm TR nào đú ta đo Mz thỡ ta sẽ nhận được hai tớn hiệu khỏc nhau. M càng lớn thỡ tớn hiệu càng mạnh, ảnh càng sỏng. Nghĩa là ta phõn biệt được hai mụ đú.
Ngược lại, quỏ trỡnh hồi phục T2 tuõn theo hàm mũ giảm. T2 là khoảng thời gian để Mxy cũn bằng 37% giỏ trị Mxy ban đầu. Giỏ trị cụ thể của T2 thường nằm trong khoảng 15ms – 150ms. Cũng do giỏ trị này phụ thuộc vào từng loại mụ và tớnh chất của mụ, ta cú thể dựng tớn hiệu này làm cơ sở tạo ảnh mụ.
Trong thực tế, để tạo ảnh mụ, người ta phối hợp cả 3 tham số: dp, T1 và T2.
Vấn đề cũn lại bõy giờ là hỡnh thành lỏt cắt. Bờn cạnh từ trường cơ bản B0 đó khảo sỏt, ta đưa thờm một từ trường thay đổi theo vị trớ để tạo nờn gradient từ. Từ trường gradient khiến cho từ trường tổng cộng liờn tục thay đổi theo vị trớ một cỏch tuyến tớnh, và mỗi mặt phẳng cắt sẽ cú một giỏ trị từ trường tổng cộng khỏc nhau. Từ trường tổng cộng ấy xỏc định tần số Larmor cho cỏc chuyển động quay của momen từ
hạt nhõn trong cơ thể. Nghĩa là mỗi lỏt cắt trong cơ thể cú một tần số Larmor khỏc nhau. Muốn tạo hỡnh ảnh của lỏt cắt nào ta phải chọn tần số súng RF phỏt vào trựng hợp với tần số Larmor đú.
Việc lựa chọn lỏt cắt nhờ vào gradient từ trường theo phương z. Một RF được chọn lựa sao cho cú tần số trựng lới tần số Larmor của lớp lỏt cắt ấy để gõy ra hiện tượng cộng hưởng
Cú những kỹ thuật phự hợp để xỏc định tọa độ phỏt ra tớn hiệu tạo hỡnh nhưng ta sẽ khụng xột chi tiết ở đõy.
Do đặc trưng tớn hiệu như vậy, MRI rất phự hợp trong việc chẩn đoỏn cỏc tổ chức cú nhiều nước, như cỏc loại dịch – trong đú cú mỏu, cỏc mụ mềm – trong đú cú nóo và cỏc tổ chức cú độ hấp thụ tia X khụng cao. MRI phối hợp với CT tạo ra một cặp phương phỏp bổ sung rất tốt cho nhau.