Như vậy có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa dọc longitudinal magnetization là véc tơ tổng hợp của các proton theo hướng song song với từ trường ngoài của máy
SƠ LƯỢC VỀ MRI VÀ FMRI
Tổng quan về cộng hưởng từ (MRI)
Chụp cộng hưởng từ hay chụp MRI (Magnetic Resonance Imaging) là một trong những kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh tiên tiến nhất hiện nay Đây là phương pháp đưa cơ thể vào vùng từ trường mạnh để đồng hóa chiều chuyển động của các nguyên tử Hydro trong các phân tử nước của cơ thể và một ăng ten thu phát sóng radio tần số thấp (tần số radio này được thay đổi trong vùng từ trường ổn định của nam châm chính tùy theo mục đích khảo sát của sự phân biệt mỡ, nước ) được sử dụng để gửi tín hiệu đến cơ thể gặp các nguyên tử Hydro của cơ thể sau đó nhận lại tín hiệu về chiều chuyển động của các nguyên tử này, tín hiệu của ăng ten được truyền về trung tâm xử lý tín hiệu và tái tạo thành hình ảnh cấu trúc của các cơ quan, bộ phận trong cơ thể cần khảo sát Những hình ảnh thu nhận được sẽ cung cấp nhiều thông tin có giá trị trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh
Hình 1 1: Máy cộng hưởng từ
Nhờ sử dụng từ trường và sóng radio, không sử dụng tia X nên MRI rất an toàn cho bệnh nhân Đây là một kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ, là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả và phổ biến trên thế giới Ngày nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột sống Kể từ khi MRI mang lại những hình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thể nắm được thông tin về vị trí thương tổn Những thông tin như vậy rất có giá trị trước khi phẫu thuật chẳng hạn như tiểu phẫu não
Hình 1 2: Hình ảnh chụp cộng hưởng từ não
1.1.1 Lịch sử phát triển của MRI
Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được Felix Block và Edward Purcell phát hiện vào năm 1946, cộng hưởng từ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1950 Năm 1952, 2 nhà vật lý Felix Block và Edward Purcell được trao giải Nobel Vật lý nhờ sự phát hiện và ứng dụng cộng hưởng từ Năm 1980, chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động để tạo ảnh cơ thể người Năm 1987, MRI được ứng dụng trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch bằng kỹ thuật cardiac MRI Năm 1993, ứng dụng MRI để chẩn đoán các bệnh lý não thần kinh
Cho đến nay, ước tính có khoảng 36,000 máy MRI trên thế giới và 2,500 máy được sản xuất mỗi năm [Ogbole] Là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả, MRI thường được chỉ định trong các trường hợp sau:
- Nghi ngờ u não, u thần kinh sọ não, tai biến, bệnh viêm não - màng não, các dị tật bẩm sinh, các bệnh liên quan mạch máu
- Các bệnh về mắt, tai mũi họng như u, chấn thương viêm
- Các bệnh về cột sống như thoát vị đĩa đệm, u tủy sống, chấn thương, viêm
- Các bệnh liên quan khớp gối, khớp vai, khớp khuỷu tay, cổ tay, cổ chân
- Nghi ngờ có khối u phần mềm, sàng lọc ung thư Kiểm tra các cơ quan nội tạng
- Các bệnh về vú, tử cung phần phụ
Ngày nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) đã trở thành phổ biến trong y học chẩn đoán hình ảnh trên thế giới cũng như tại các bệnh viện lớn của Việt nam
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các hãng sản xuất đã tích hợp nhiều hệ thống chẩn đoán lại với nhau (hybrid) như PET/MRI, SPECT/MRI nhằm tận dụng lợi thế của cả chẩn đoán chức năng và cấu trúc giải phẫu
1.1.2 Nguyên lý cơ bản của máy chụp cộng hưởng từ - MRI
Trong cơ thể người chứa rất nhiều nước, đồng nghĩa với có nhiều nguyên tử hydro (proton) Ngoài ra, trong những môi trường khác nhau thì quá trình hồi phục của các hạt nhân diễn ra khác nhau Do đó, tín hiệu phát ra tại giữa vùng bình thường và khối u, hay giữa mô cứng và mô mềm sẽ không giống nhau Từ đó ta sẽ có các hình ảnh khác nhau
Cơ thể chúng ta cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%) Trong thành phần của phân tử nước luôn có nguyên tử hydro Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt vì hạt nhân của chúng chỉ chứa 1 proton Do đó, nó có một mômen từ lớn Từ điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nước khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt được các mô đó Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thương bệnh lý đều dẫn đến sự thay đổi phân bố
4 nước tại vị trí tổn thương, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình được các thương tổn Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nước của cơ thể, nhằm bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tượng vừa được đưa vào từ trường đó
Hình 1 3: Cấu tạo của máy cộng hưởng từ
1.1.3 Cơ sở vật lý của MRI
Chụp cộng hưởng từ hay còn gọi là chụp MRI (magnetic resonance imaging) Phim MRI cho chúng ta hình ảnh một lát cắt qua cấu trúc cơ thể Ưu điểm của MRI so với CTscanner là có thể hiện hình rõ các cấu trúc phần mềm có độ phân giải cao, cho phép chúng ta nhận định hình ảnh rõ ràng Chụp MRI không sử dụng tia X-quang nên không gây độc hại cho cơ thể bệnh nhân Nhưng vì bệnh nhân phải được đặt trong một từ trường mạnh nên những bệnh nhân có kim loại trong cơ thể như phương tiện kết xương, thay chỏm xương đùi hay khớp
5 gối nhân tạo, van tim nhân tạo bằng kim loại, đĩa đệm nhân tạo, mảnh đạn mảnh kim loại sẽ gây nhiễu từ không chụp được
Mọi vật thể đều được cấu tạo từ nguyên tử Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các proton (mỗi proton mang điện tích +1) và các neutron (không mang điện tích) Quay quanh hạt nhân là các electron (mang điện tích âm) Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton của hạt nhân bằng đúng số electron của nguyên tử đó Tất cả các “hạt” này đều chuyển động Neutron và proton quay quanh trục của chúng, electron quay quanh hạt nhân và quay quanh trục của chúng Sự quay của các “hạt” nói trên quanh trục của chúng tạo ra một mômen góc quay gọi là spin (Spin nghĩa là quay quanh trục) Ngoài ra, các hạt mang điện tích khi chuyển động sẽ sinh ra từ trường Vì proton có điện tích dương và quay nên nó tạo ra một từ trường, giống như một nam châm nhỏ, gọi là mômen từ (magnetic môment) Trong điều kiện bình thường các mômen từ định hướng phân tán làm chúng triệt tiêu nhau, nên người ta không ghi được tín hiệu gì của chúng
Nhờ các đặc tính vật lý như vậy, khi đặt một vật thể vào trong một từ trường mạnh, các mômen từ đang định hướng phân tán sẽ trở nên định hướng song song và đối song song
1.1.3.1 Proton và sự từ hóa
Nguyên tử bao gồm hạt nhân và lớp vỏ electron Trong hạt nhân có các hạt proton và neutron Giống như Trái Đất, các hạt này quay quanh trục riêng của mình, được gọi là spin Proton mang điện tích dương, khi quay sẽ tạo ra dòng điện và dòng điện tạo ra từ trường Vì vậy, có thể coi proton như một thanh nam châm cực nhỏ
Hình 1 4: Cấu tạo của nguyên tử
1.1.3.2 Proton dưới tác động của từ trường ngoài
Khi được đặt vào trong từ trường ngoài, proton sẽ sắp xếp lại hướng theo hướng của từ trường giống như cách chiếc kim la bàn hoạt động trong từ trường Trái Đất Tuy nhiên, proton khác kim la bàn ở chỗ, chúng có thể quay quanh trục cùng chiều hoặc ngược chiều với chiều tác động của từ trường ngoài như hình dưới đây
Hình 1 5: Proton nằm ngoài từ trường và bên trong từ trường
7 Ở trạng thái thông thường, proton quay quanh trục của chúng với hướng sắp xếp ngẫu nhiên hỗn độn Khi được đặt vào trong từ trường ngoài, chúng sẽ sắp xếp lại theo một trong hai hướng, song song (mang năng lượng thấp) hoặc đối song song (mang năng lượng cao)
Hệ thống MRI
Hình 1 28: Cấu trúc hệ thống MRI
Hệ thống MRI thường gồm các bộ phận sau:
- Một nam châm: tạo ra từ trường B0 đủ lớn
- Các cuộn chênh từ: tạo ra từ trường biến thiên theo không gian để chọn lớp cắt
- Cuộn RF: phát xung kích thích RF, thu nhận và khuếch đại tín hiệu echo phát ra từ các spin
- Hệ thống máy tính: quản lý hệ thống chênh từ và cắt lớp, quản lý chương trình tạo ảnh, lưu trữ hình ảnh và kết hợp tất cả bộ phận của máy, bao gồm cả các thiết bị ngoại vi
- Thiết bị ngoại vi: bàn bệnh nhân, máy theo dõi ECG, hệ thống làm mát cho nam châm, máy in, lưới chắn từ để chống ảnh hưởng của sóng điện từ bên ngoài…
Một số ứng dụng chụp cộng hưởng từ chuyên biệt
Chụp cộng hưởng từ vú (tên tiếng anh là breast MRI) sử dụng từ trường mạnh, xung tần số vô tuyến và máy tính để tạo ra hình ảnh chi tiết của mô vú và bất kỳ sự bất thường nào có thể xuất hiện trên vú Chụp MRI vú không sử dụng bức xạ ion hóa (được sử dụng trong tia X)
Mục đích chụp MRI vú gồm:
- Để giúp xác định mức độ ung thư vú: MRI vú đôi khi được sử dụng ở những phụ nữ đã được chẩn đoán mắc bệnh ung thư vú, để giúp đo kích thước của ung thư, tìm kiếm các khối u khác trong vú và kiểm tra các khối u ở phía nhũ hoa đối diện Nhưng không phải mọi phụ nữ được chẩn đoán mắc bệnh ung thư vú đều cần chụp MRI vú
- Để tầm soát ung thư vú: Đối với một số phụ nữ có nguy cơ mắc ung thư vú cao, nên chụp MRI vú để sàng lọc kết hợp với chụp X-quang vú hàng năm MRI không được khuyến cáo làm chẩn đoán sàng lọc bởi vì nó có thể bỏ sót một số bệnh ung thư mà chụp X-quang tuyến vú có thể phát hiện ra
Mặc dù MRI có thể phát hiện một số trường hợp ung thư nhưng không thấy trên hình ảnh chụp X-quang vú, nhưng nó cũng có nhiều khả năng tìm thấy các trường hợp không phải là ung thư (được gọi là dương tính giả) Điều này có thể dẫn đến người bệnh phải thực hiện nhiều xét nghiệm và/ hoặc sinh thiết không cần thiết Đây là lý do tại sao MRI không được khuyến cáo làm kỹ thuật sàng lọc cho những phụ nữ có nguy cơ mắc ung thư vú trung bình
1.3.2 Chụp cộng hưởng từ mạch máu não
Chụp cộng hưởng từ mạch máu não (tên tiếng Anh là Magnetic Resonance Angiography và viết tắt là MRA) sử dụng từ trường mạnh, sóng vô tuyến và máy tính để đánh giá các mạch máu và giúp xác định các bất thường Kỹ thuật này không sử dụng bức xạ và có thể người bệnh cần tiêm chất cản quang Chất cản quang được sử dụng cho MRA ít có khả năng gây ra phản ứng dị ứng hơn so với chất cản quang được sử dụng để chụp cắt lớp vi tính (CT)
Các bác sĩ sử dụng chụp cộng hưởng từ mạch máu não để chẩn đoán và điều trị các bệnh liên quan đến mạch máu Kỹ thuật này tạo ra hình ảnh của các mạch máu lớn trên khắp cơ thể
Hình 1 29: Chụp cộng hưởng từ mạch máu não giúp chẩn đoán các bệnh liên quan đến mạch máu
Các bác sĩ thực hiện chụp cộng hưởng từ mạch máu não bằng cách sử dụng:
- Nội soi huỳnh quang (fluoroscopy) để giúp đặt ống thông vào mạch máu và tiêm thuốc cản quang để giúp phác hoạ hình ảnh của mạch máu;
- Chụp cắt lớp vi tính (CT);
- Chụp cộng hưởng từ (MRI)
1.3.3 Chụp tĩnh mạch đồ cộng hưởng từ
Chụp tĩnh mạch đồ cộng hưởng từ (tên tiếng Anh là magnetic resonance venography và viết tắt là MRV) là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh có độ nhạy cao để đánh giá bệnh tĩnh mạch sâu và nông ở chân, xương chậu và các khu vực khác của cơ thể mà các phương pháp chẩn đoán khác không thể tiếp cận được MRV đặc biệt hữu ích giúp phát hiện các bệnh lý gây đau chân và phù chân mà không được phát hiện trước đây
Nhìn chung, các bệnh về tĩnh mạch ít phổ biến hơn các bệnh về động mạch Ngoài ra, bệnh ở tĩnh mạch diễn ra ít thường xuyên hơn, các bệnh lý liên quan đến tĩnh mạch có xu hướng ít nghiêm trọng so với các bệnh ở động mạch
Do đó, MRV thường được sử dụng để đánh giá lưu lượng máu trong tĩnh mạch và có thể phát hiện cục máu đông hoặc các bất thường khác Một số bệnh lý bất thường về cấu trúc tĩnh mạch hoặc các vấn đề về lưu lượng máu trong não, bất thường trong phát triển tĩnh mạch ở trẻ nhỏ
Chụp cộng hưởng từ tim (MRI) sử dụng từ trường mạnh, sóng vô tuyến và máy tính để tạo ra hình ảnh chi tiết về các cấu trúc bên trong và xung quanh tim MRI tim được sử dụng để phát hiện hoặc theo dõi bệnh tim và đánh giá giải phẫu và chức năng của tim ở những người bệnh mắc bệnh tim khi sinh và bệnh tim phát triển sau khi sinh Chụp MRI tim không sử dụng bức xạ ion hóa để tạo ra
29 hình ảnh và nó có thể cung cấp hình ảnh tốt nhất của tim trong một số bệnh lý nhất định
MRI tim được thực hiện để giúp bác sĩ phát hiện hoặc theo dõi bệnh tim bằng cách:
- Đánh giá giải phẫu và chức năng của buồng tim, van tim, kích thước và lưu lượng máu chảy qua các mạch chính và các cấu trúc xung quanh như màng ngoài tim;
- Chẩn đoán các rối loạn tim mạch (tim và/hoặc mạch máu) như khối u, nhiễm trùng và tình trạng viêm;
- Đánh giá ảnh hưởng của bệnh lý đến bệnh động mạch vành như mức giảm lưu lượng máu đến cơ tim và sẹo trong cơ tim sau khi người bệnh có cơn đau tim;
- Lập kế hoạch điều trị cho người bệnh rối loạn tim mạch;
- Theo dõi sự tiến triển của các rối loạn nhất định theo thời gian;
- Đánh giá hiệu quả của phẫu thuật, đặc biệt ở những người bệnh mắc bệnh tim bẩm sinh;
- Đánh giá giải phẫu tim và mạch máu ở trẻ em và người lớn mắc bệnh tim bẩm sinh
Chụp cộng hưởng từ là một trong những công nghệ chẩn đoán hình ảnh tiên tiến nhất hiện nay, giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác bệnh và đưa ra được phác đồ điều trị hiệu quả nhất
Hình 1 30: Chụp cộng hưởng từ tim giúp đánh giá hiệu quả của phẫu thuật tim bẩm sinh
1.3.5 Chụp cộng hưởng từ chức năng
Chụp cộng hưởng từ chức năng (tên tiếng Anh là Functional magnetic resonance imaging và viết tắt là fMRI) đo lường những thay đổi nhỏ trong lưu lượng máu diễn ra trong quá trình hoạt động của não Kỹ thuật này có thể được sử dụng để kiểm tra giải phẫu chức năng của não, đánh giá tác động của đột quỵ hoặc bệnh khác hoặc hướng dẫn điều trị các bệnh lý ở não fMRI có thể phát hiện những bất thường trong não mà các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh khác không thể phát hiện fMRI đang trở thành phương pháp chẩn đoán được lựa chọn để chẩn đoán bộ não bình thường, bị bệnh hoặc bị chấn thương, cũng như để đánh giá các nguy cơ tiềm tàng của phẫu thuật hoặc các phương pháp điều trị xâm lấn khác được thực hiện trên não
Các bác sĩ thực hiện fMRI để:
- Kiểm tra giải phẫu chức năng của não;
- Xác định phần nào của não đang xử lý các chức năng quan trọng như suy nghĩ, lời nói, chuyển động và cảm giác, được gọi là bản đồ não;
- Giúp đánh giá ảnh hưởng của đột quỵ, chấn thương hoặc bệnh thoái hóa (như Alzheimer) đối với chức năng não;
- Theo dõi sự phát triển và chức năng của khối u não;
- Hướng dẫn lập kế hoạch phẫu thuật, xạ trị hoặc các phương pháp điều trị xâm lấn khác ở não
ỨNG DỤNG FMRI TRONG NGHIÊN CỨU CÁC BỆNH VỀ NÃO
Bản chất chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI)
Trong những năm gần đây, công nghệ y tế đã phát triển đến mức có thể quét hình ảnh để phân chia cơ thể thành các hình ảnh mỏng như tấm mỏng và tạo ra các mô hình ba chiều của các cơ quan và mô để tìm ra bất thường và chẩn đoán bệnh Tuy nhiên, một kiểu quét tương đối mới được gọi là chụp cộng hưởng từ chức năng ( fMRI ) đã đưa công nghệ này tiến xa hơn một bước Nó không chỉ có thể giúp chẩn đoán các bệnh về não - nó còn có thể cho phép các bác sĩ thâm nhập vào các quá trình tâm thần của chúng ta để xác định những gì chúng ta đang nghĩ và cảm thấy fMRI thậm chí có thể phát hiện xem một người có đang nói sự thật hay không fMRI dựa trên công nghệ tương tự như chụp cộng hưởng từ ( MRI ) - một xét nghiệm không xâm lấn sử dụng từ trường mạnh và sóng vô tuyến để tạo ra hình ảnh chi tiết của cơ thể Nhưng thay vì tạo ra hình ảnh của các cơ quan và mô như MRI, fMRI xem xét lưu lượng máu trong não để phát hiện các khu vực hoạt động Những thay đổi này trong lưu lượng máu, được ghi lại trên máy tính, giúp các bác sĩ hiểu thêm về cách hoạt động của não.
Cơ sở cho fMRI
fMRI tất nhiên dựa trên MRI, do đó sử dụng Cộng hưởng từ hạt nhân kết hợp với các gradient trong từ trường để tạo ra hình ảnh có thể kết hợp nhiều loại tương phản khác nhau như trọng số T1, trọng số T2, độ nhạy, dòng chảy, v.v Theo thứ tự để hiểu cơ chế tương phản đặc biệt chủ yếu được sử dụng trong fMRI, trước tiên cần phải thảo luận về sự chuyển hóa của não
Tất cả các quá trình truyền tín hiệu thần kinh trong não, bao gồm hình thành và lan truyền điện thế hoạt động, liên kết các túi với đường nối trước synap, giải phóng chất dẫn truyền thần kinh qua khoảng trống synap, tiếp nhận và tái tạo điện thế hoạt động trong cấu trúc sau synap, nhặt rác chất dẫn truyền thần kinh dư thừa, v.v., đòi hỏi năng lượng ở dạng adenosine triphosphate (ATP) Nuclêôtit này chủ yếu được tạo ra bởi ty thể từ quá trình oxy hóa đường phân của
32 glucose, và quá trình sản xuất ra nó dẫn đến carbon dioxide như một sản phẩm phụ Khi một vùng của não được điều chỉnh (tức là được kích hoạt) bởi một nhiệm vụ nhận thức như gõ ngón tay, kích hoạt dây thần kinh bổ sung và các quá trình tín hiệu gia tăng khác dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng cục bộ, do đó dẫn đến tỷ lệ chuyển hóa oxy trong não được điều chỉnh tăng (CMRO2) trong vùng não bị ảnh hưởng Khi lượng oxy dự trữ cục bộ trong các mô liền kề với mao mạch bị tiêu thụ nhất thời bởi quá trình đường phân và các chất thải tích tụ, các tín hiệu hóa học khác nhau (CO2, NO, H +) gây ra phản ứng vận mạch trong cơ vòng động mạch ngược dòng của giường mao mạch, gây ra sự giãn nở của các mạch này Lưu lượng máu tăng lên có tác dụng khôi phục mức [O2] cục bộ cần thiết để khắc phục tình trạng thâm hụt thoáng qua; tuy nhiên, vì những lý do vẫn chưa được hiểu đầy đủ, lượng oxy được cung cấp nhiều hơn mức cần thiết để bù đắp sự gia tăng CMRO2 Kết quả là, sự điều hòa thần kinh ban đầu dẫn đến sự tích tụ của hemoglobin đã khử oxy [Hb] và giảm lượng hemoglobin được khử oxy [HbO2] trong không gian trong và ngoài mạch(xem Hình ) Chuỗi quá trình này được mô tả là phản ứng huyết động học đối với sự kiện thần kinh
Hình 2 1 Phác thảo mô não có chứa một mao mạch trong thời gian nghỉ (trên) và hoạt hóa (dưới)
Vòng tròn màu đỏ và xanh lam đại diện cho các tế bào hồng cầu được cung cấp oxy hoàn toàn (HbO2) và khử oxy hoàn toàn (Hb), tương ứng Tín hiệu MRI bị suy giảm ở bên tĩnh mạch của mao mạch do tính nhạy cảm thuận từ của HB
33 hoạt động như một chất tương phản nội sinh (hiển thị tối hơn) Trong điều kiện bị kích thích, lưu lượng máu tăng lên làm cho Hb bị cuốn ra ngoài và thay thế bằng HbO2, gây tăng tín hiệu BOLD
Do đó, có hai hậu quả chính của việc tăng hoạt động thần kinh và cả hai đều có thể được phát hiện bằng MRI: tăng lưu lượng máu não cục bộ (CBF) và thay đổi nồng độ oxy (Phụ thuộc mức oxy trong máu, hoặc tương phản ĐẬM) Sự thay đổi trong CBF có thể được quan sát bằng cách sử dụng chất tương phản được tiêm và MRI có trọng lượng tưới máu, lần đầu tiên được chứng minh bởi Belliveau , hoặc không xâm lấn bằng cách ghi nhãn quay động mạch (ASL Tuy nhiên, ASL bị giảm độ nhạy, tăng thời gian thu nhận và tăng độ nhạy với chuyển động so với phương pháp cản quang BOLD, và do đó việc sử dụng nó tập trung vào việc thu thập các phép đo định lượng lưu lượng máu não ban đầu (CBF) cho các nghiên cứu mô hình hóa các cơ chế hoạt hóa thần kinh hoặc hiệu chuẩn hoạt tính mạch thay vì trong việc lập bản đồ thông thường về chức năng não
Cơ chế thứ hai, được gọi là độ tương phản Phụ thuộc vào mức độ oxy trong máu (BOLD), lần đầu tiên được chứng minh ở chuột và sau đó ở người và là chất tương phản được sử dụng trong hầu hết các thí nghiệm fMRI thông thường Độ tương phản BOLD là kết quả của sự thay đổi từ trường xung quanh các tế bào hồng cầu tùy thuộc vào trạng thái oxy của hemoglobin Khi được cung cấp oxy đầy đủ, HbO2 nghịch từ và không thể phân biệt từ tính với mô não Tuy nhiên,
Hb được khử oxy hoàn toàn có 4 electron chưa ghép đôi và có tính thuận từ cao Tính thuận từ này tạo ra các gradient cục bộ trong từ trường mà cường độ của nó phụ thuộc vào nồng độ [Hb] Những gradient nội sinh này lần lượt điều chỉnh thời gian thư giãn T2 và T2 * của máu trong và ngoài mạch máu thông qua sự khuếch tán và khử mùi trong lòng mạch tương ứng Sử dụng chuỗi xung MRI 7 tiếng vọng tái tập trung gradient (GRE) , quá trình thu nhận được thực hiện nhạy với T2 * và T2 Ở 1,5T và 3T, độ tương phản T2 * chiếm ưu thế và lớn nhất ở tiểu tĩnh mạch trong khi ở cường độ trường cao hơn, độ tương phản có trọng số khuếch tán của giãn T2 trở nên quan trọng hơn và vì tín hiệu được tạo ra ưu tiên trong các mao mạch và mô có spin-echo mua lại, cung cấp tính cụ thể về không gian cao hơn Vì hầu hết fMRI hiện được thực hiện ở 3 Tesla hoặc thấp hơn, BOLD fMRI sử dụng chủ yếu các phương pháp GRE do tăng độ tương phản T2
Các nghiên cứu về fMRI kích hoạt nhiệm vụ tìm cách tạo ra các trạng thái thần kinh khác nhau trong não khi thị giác, thính giác hoặc các kích thích khác được điều khiển trong quá trình quét và bản đồ kích hoạt thu được bằng cách so sánh các tín hiệu được ghi lại trong các trạng thái khác nhau Do đó, điều quan trọng là phải thu thập từng hình ảnh ở chế độ chụp nhanh để tránh chuyển động của đầu và các quá trình sinh lý của hô hấp và các chức năng tim mạch từ việc tiêm các tín hiệu nhiễu không liên quan đến quá trình xử lý thần kinh đang được thẩm vấn Nói chung, hầu hết fMRI được thực hiện bằng phương pháp Echo Planar Imaging (EPI) , phương pháp này có thể thu thập dữ liệu cho hình ảnh hai chiều trong khoảng 60 ms ở độ phân giải điển hình (3,4 × 3,4 × 4 mm 3kích thước voxel) Thông thường, quét toàn bộ não với ~ 32 lát cắt 2D với thời gian lặp lại (TR) là 2 giây / tập Mỗi voxel trong quá trình quét kết quả tạo ra một chuỗi thời gian sau đó được phân tích theo thiết kế nhiệm vụ.
Đặc điểm của fMRI
Ta có thể thấy, điểm mạnh chính của fMRI là tính khả dụng và độ phân giải không gian tương đối cao Ngoài ra, nó có sẵn cho cả các nhà nghiên cứu lâm sàng và học thuật, không xâm lấn và có thể cung cấp các bản quét giải phẫu có độ phân giải cao trong cùng một phiên để sử dụng cho việc xác định vị trí, nhận dạng mạch hoặc phát triển bản đồ kết nối chất trắng thông qua việc sử dụng khuếch tán hình ảnh tensor (DTI)
Vì độ tương phản BOLD bắt nguồn từ phản ứng huyết động chậm chạp với những thay đổi về chuyển hóa, một điểm yếu đáng kể là độ phân giải thời gian thấp Một vấn đề khác là sự giảm tín hiệu và / hoặc biến dạng không gian ở các vùng quỹ đạo phía trước và vùng đỉnh bên, gây ra bởi sự khác biệt ~ 9 ppm về độ nhạy từ tại các giao diện giữa không khí và mô não Điều này có thể dẫn đến thiếu tín hiệu BOLD sai lầm ở các vùng bụng, thái dương và PFC quan trọng trong nhiều nghiên cứu nhận thức Nhiều phương pháp đã được phát triển để giảm bớt những tổn thất về tính nhạy cảm này, mặc dù hầu hết đều liên quan đến sự cân bằng SNR trong các vùng não đồng nhất về mặt từ tính Các điểm yếu khác bao gồm tiếng ồn lớn của máy quét liên quan đến từ trường chuyển mạch, có thể gây ra nhiễu trong các nghiên cứu về thử giọng và mạng trạng thái nghỉ; tuy nhiên, các phương pháp sử dụng các kỷ nguyên phân phối kích thích / quét xen kẽ có thể tránh được những vấn đề này, mặc dù có một số mất tính linh hoạt trong thiết kế thử nghiệm Cuối cùng, từ trường cao đòi hỏi hệ thống phân phối
35 kích thích và phản ứng đối tượng tùy chỉnh, một lần nữa hạn chế tính linh hoạt và làm phức tạp các thí nghiệm đa phương thức như ghi điện não đồ đồng thời.
FMRI ở trạng thái nghỉ (resting state), rs-fMRI
Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ chức năng trạng thái nghỉ (rs-fMRI) đã đạt được ưu điểm hơn các kỹ thuật chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) khác do dễ thu tín hiệu, bệnh nhân cần ít nỗ lực nhất và đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu não ở các đối tượng không có khả năng thực hiện được các tác vụ, ví dụ như các bệnh nhân nhũ nhi, các bệnh nhân bị các bệnh về thần kinh, nhận thức, và tạo ảnh ở động vật… Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dưới các kích thích từ bên ngoài (các tác vụ), những vùng nhất định trong não được kích hoạt tuỳ theo từng kiểu tác vụ, và các vùng não này được nghiên cứu bằng fMRI thông thường Tuy nhiên, não không hoàn toàn nghỉ khi bệnh nhân không thực hiện một tác vụ nào, mà vẫn có những vùng não “hoạt động” ở trạng thái nghỉ Các vùng não hoạt động khi con người/ con vật ở trạng thái nghỉ (trạng thái không suy nghĩ, không đáp ứng lại kích thích nào) khác với các vùng não hoạt động dưới các kích thích, và cũng thể hiện các bất thường trong trường hợp có bệnh Một mạng não đặc trưng nhất ở trạng thái nghỉ là mạng mặc định (default mode network, DMN), bao gồm thuỳ trước trung (medial prefrontal cortex), posterior cingulate cortex, inferior parietal lobe, vaf lateral temporal cortex Các vùng trong DMN có mức độ tương quan cao ở trạng thái nghỉ và các bất thường trong tương quan đã được chứng minh là có liên quan đến sự giảm nhận thức ở nhiều bệnh về thần kinh và tâm thần, ví dụ như ở các bệnh nhân bị hội chứng rượu thai nhi
Rs-fMRI có thể đo mức độ hiệu quả tổng thể của các mạng não, một tiêu chí phản ánh khả năng giao tiếp giữa các vùng nằm ở các vị trí không lân cận trong não Ở trẻ em với hội chứng rượu thai nhi, mức độ hiệu quả tổng thể bị giảm khi khoảng cách giữa các vùng tăng lên Không chỉ các kết nối dài, trẻ em với hội chứng rượu thai nhi cũng bị giamr các kết nối chức năng cục bộ
Rs-fMRI được đưa vào lĩnh vực lâm sàng sau các nghiên cứu của Biswal và các đồng nghiệp trong khi điều tra chức năng chuyển giao trong vỏ não vận động và các nguồn tiếng ồn trong não Người ta nhận thấy rằng tín hiệu trạng thái nghỉ là những dao động tần số thấp nhất quán trong khoảng 0,01–0,08 Hz Bộ não con người trên thực tế vẫn hoạt động ngay cả trong trạng thái nghỉ ngơi hoặc thư giãn Một khía cạnh rất thú vị của rs-fMRI là các tín hiệu bị loại bỏ trong các nghiên cứu fMRI nhiệm vụ được xem xét vì chúng là những dao động tự phát và
36 được giới hạn trong các hệ thống mạng vỏ não riêng biệt trong não Bộ não tiêu thụ một lượng năng lượng lớn đáng ngạc nhiên ngay cả khi ở trạng thái nghỉ ngơi Trọng lượng não người trưởng thành chỉ bằng 2% trọng lượng chung của cơ thể, nhưng năng lượng não tiêu thụ lại xấp xỉ 20% tổng năng lượng tiêu thụ Hơn nữa, các nghiên cứu xác nhận rằng não sử dụng 60–80% năng lượng để giao tiếp giữa các tế bào thần kinh và các tế bào hỗ trợ của chúng, đây là hoạt động vốn có, trong khi đối với hoạt động kích thích, não chỉ sử dụng 0,5–1,0% tổng năng lượng Phần chính tiêu thụ năng lượng được sử dụng cho các hoạt động nội tại của não, và có liên quan đến sự tồn tại của năng lượng tối trong não, tương tự như năng lượng tối trong vũ trụ
Các phương pháp phân tích chức năng ở trạng thái nghỉ ngơi
Hai kỹ thuật phân tích khác nhau thường được sử dụng để đánh giá các kiểu kết nối chức năng ở trạng thái nghỉ, bao gồm phân tích thành phần độc lập (ICA) và phân tích tương quan dựa trên hạt giống (SCA) Bất chấp những khác biệt cố hữu, cả hai phân tích dữ liệu rs-fMRI đều tạo ra các mạng ở trạng thái nghỉ mà hầu hết đều nhất quán lẫn nhau SCA là một mô hình dựa trên giả thuyết phương pháp đo lường phản ứng ĐÚNG trong một vùng quan tâm (ROI) được xác định trước, và sau đó tạo bản đồ tương quan toàn bộ não phản ánh kết nối chức năng với ROI được chỉ định Phương pháp phân tích này là tối ưu khi hoạt động trong một ROI của não cụ thể được cho là được điều chỉnh bởi một điều kiện thử nghiệm (ví dụ: tác dụng của thuốc so với đối chứng) Ngoài ra, ICA là một kỹ thuật không có mô hình, theo hướng dữ liệu, phân tích các dạng dao động tín hiệu BOLD của toàn bộ não và sau đó tạo ra các thành phần không gian độc lập tối đa (tức là các mạng) phản ánh các hệ thống thần kinh cụ thể ICA xác suất (pICA) kể từ đó đã phát triển từ mô hình ICA ban đầu, được điều chỉnh cụ thể để ứng dụng trong bộ dữ liệu fMRI Cách tiếp cận này lý tưởng cho phân tích khám phá và / hoặc khi không có giả thuyết phù hợp Ngoài ra, pICA ở cấp độ cá nhân có thể được sử dụng như một phần của đường ống tiền xử lý dữ liệu để xác định và loại bỏ các thành phần không phải tế bào thần kinh bắt nguồn từ tạo tác sinh lý hoặc liên quan đến chuyển động trong dữ liệu Sự sẵn có ngày càng nhiều của các máy quét MRI động vật trường cao chuyên dụng mang lại cơ hội mới để tích hợp các phân tích cấp hệ thống trong phòng thí nghiệm theo truyền thống tập trung vào các cơ chế não ở cấp độ phân tử và tế bào Các vùng não có các mô hình hoạt động tương quan được coi là kết nối về mặt chức năng Cùng với
37 nhau, rs-fMRI và pICA cung cấp cái nhìn sâu sắc vô giá về các mô hình riêng biệt của động lực mạng lưới quy mô lớn, bổ sung kết quả từ mức độ phức tạp sinh học thấp hơn Việc phát triển và phổ biến các kỹ thuật này cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu một loạt các vấn đề lâm sàng có khả năng đẩy nhanh quá trình chuyển dịch khoa học cơ bản sang chăm sóc lâm sàng một cách rõ rệt
Bộ não con người được cấu tạo bởi một mạng lưới rộng lớn các tế bào thần kinh, chúng tạo ra cả dao động tần số cao và tần số thấp Rs-fMRI dựa trên các dao động tần số thấp tự phát (