Diagnostika osteoartrózy: magnetická rezonancia

Magnetická rezonancia (MRI) sa v posledných rokoch stala jednou z popredných metód neinvazívnej diagnostiky osteoartrózy. Od 70. rokov 20. storočia, keď boli princípy magnetickej rezonancie (MR) prvýkrát použité na štúdium ľudského tela, sa táto metóda medicínskeho zobrazovania dramaticky zmenila a naďalej sa rýchlo vyvíja.

Technické vybavenie a softvér sa zdokonaľujú, vyvíjajú sa metódy snímania obrazu a vyvíjajú sa kontrastné látky pre magnetickú rezonanciu. To umožňuje neustále nachádzať nové oblasti použitia magnetickej rezonancie. Ak sa jej použitie spočiatku obmedzovalo na štúdium centrálneho nervového systému, v súčasnosti sa magnetická rezonancia úspešne používa takmer vo všetkých oblastiach medicíny.

V roku 1946 skupiny výskumníkov zo Stanfordskej a Harvardskej univerzity nezávisle od seba objavili jav nazývaný nukleárna magnetická rezonancia (NMR). Jeho podstatou bolo, že jadrá niektorých atómov, ktoré sa nachádzajú v magnetickom poli, sú pod vplyvom vonkajšieho elektromagnetického poľa schopné absorbovať energiu a potom ju vyžarovať vo forme rádiového signálu. Za tento objav získali F. Bloch a E. Parmel v roku 1952 Nobelovu cenu. Nový jav bol čoskoro použitý na spektrálnu analýzu biologických štruktúr (NMR spektroskopia). V roku 1973 Paul Rautenburg prvýkrát demonštroval možnosť získania obrazu pomocou NMR signálov. Takto vznikla NMR tomografia. Prvé NMR tomogramy vnútorných orgánov živej osoby boli demonštrované v roku 1982 na Medzinárodnom kongrese rádiológov v Paríži.

Treba uviesť dve objasnenia. Napriek tomu, že metóda je založená na fenoméne NMR, nazýva sa magnetická rezonancia (MR), pričom sa vynecháva slovo „jadrová“. Robí sa to preto, aby pacienti nemali myšlienky na rádioaktivitu spojenú s rozpadom atómových jadier. A druhá okolnosť: MR tomografy nie sú náhodou „naladené“ na protóny, teda na jadrá vodíka. V tkanivách je tohto prvku veľa a jeho jadrá majú najväčší magnetický moment spomedzi všetkých atómových jadier, čo určuje pomerne vysokú úroveň MR signálu.

Ak v roku 1983 bolo na svete len niekoľko zariadení vhodných na klinický výskum, tak začiatkom roku 1996 bolo na celom svete v prevádzke približne 10 000 tomografov. Každý rok sa do praxe zavedie 1000 nových zariadení. Viac ako 90 % parku MR-tomografov tvoria modely so supravodivými magnetmi (0,5 – 1,5 T). Je zaujímavé poznamenať, že ak sa v polovici 80. rokov firmy – výrobcovia MR-tomografov riadili zásadou „čím vyššie pole, tým lepšie“ a zameriavali sa na modely s poľom 1,5 T a vyšším, tak koncom 80. rokov sa ukázalo, že vo väčšine oblastí použitia nemajú významné výhody oproti modelom s priemernou intenzitou poľa. Preto hlavní výrobcovia MR tomografov (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker atď.) v súčasnosti venujú veľkú pozornosť výrobe modelov so strednými a dokonca nízkymi poľami, ktoré sa od systémov s vysokým poľom líšia svojou kompaktnosťou a hospodárnosťou s uspokojivou kvalitou obrazu a výrazne nižšími nákladmi. Systémy s vysokým poľom sa používajú predovšetkým vo výskumných centrách pre MR spektroskopiu.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Princíp metódy MRI

Hlavné komponenty MRI skenera sú: supersilný magnet, rádiový vysielač, prijímacia rádiofrekvenčná cievka, počítač a ovládací panel. Väčšina zariadení má magnetické pole s magnetickým momentom rovnobežným s dlhou osou ľudského tela. Intenzita magnetického poľa sa meria v teslasoch (T). Pre klinickú MRI sa používajú polia so silou 0,2 – 1,5 T.

Keď je pacient umiestnený v silnom magnetickom poli, všetky protóny, ktoré sú magnetickými dipólmi, sa otáčajú v smere vonkajšieho poľa (ako ihlica kompasu orientovaná smerom k magnetickému poľu Zeme). Okrem toho sa magnetické osi každého protónu začnú otáčať okolo smeru vonkajšieho magnetického poľa. Tento špecifický rotačný pohyb sa nazýva procesia a jeho frekvencia sa nazýva rezonančná frekvencia. Keď telom pacienta prechádzajú krátke elektromagnetické rádiofrekvenčné impulzy, magnetické pole rádiových vĺn spôsobí, že magnetické momenty všetkých protónov sa otáčajú okolo magnetického momentu vonkajšieho poľa. Aby sa to stalo, frekvencia rádiových vĺn sa musí rovnať rezonančnej frekvencii protónov. Tento jav sa nazýva magnetická rezonancia. Na zmenu orientácie magnetických protónov musia magnetické polia protónov a rádiových vĺn rezonovať, teda mať rovnakú frekvenciu.

V tkanivách pacienta sa vytvorí čistý magnetický moment: tkanivá sú zmagnetizované a ich magnetizmus je orientovaný striktne rovnobežne s vonkajším magnetickým poľom. Magnetizmus je úmerný počtu protónov na jednotku objemu tkaniva. Obrovský počet protónov (jadier vodíka) obsiahnutých vo väčšine tkanív znamená, že čistý magnetický moment je dostatočne veľký na to, aby indukoval elektrický prúd v prijímacej cievke umiestnenej mimo pacienta. Tieto indukované MR signály sa používajú na rekonštrukciu MR obrazu.

Proces prechodu elektrónov jadra z excitovaného stavu do rovnovážneho stavu sa nazýva proces spin-mriežkovej relaxácie alebo longitudinálna relaxácia. Je charakterizovaný T1 - spin-mriežkovým relaxačným časom - časom potrebným na prevod 63 % jadier do rovnovážneho stavu po ich excitácii 90° impulzom. Rozlišuje sa aj T2 - spin-spinový relaxačný čas.

Existuje niekoľko metód na získanie MR tomogramov. Líšia sa poradím a povahou generovania rádiofrekvenčných impulzov a metódami analýzy MR signálu. Dve najpoužívanejšie metódy sú spin-lattice a spin-echo. Spin-lattice analyzuje hlavne relaxačný čas T1. Rôzne tkanivá (sivá a biela hmota mozgu, mozgovomiechový mok, nádorové tkanivo, chrupavka, svaly atď.) obsahujú protóny s rôznymi relaxačnými časmi T1. Intenzita MR signálu súvisí s trvaním T1: čím kratšie je T1, tým intenzívnejší je MR signál a tým jasnejšia sa daná oblasť obrazu zobrazuje na televíznom monitore. Tukové tkanivo je na MR tomogramoch biele, nasledované mozgom a miechou, hustými vnútornými orgánmi, cievnymi stenami a svalmi v zostupnom poradí podľa intenzity MR signálu. Vzduch, kosti a kalcifikácie prakticky neprodukujú MR signál, a preto sa zobrazujú čiernou farbou. Tieto vzťahy relaxačných časov T1 vytvárajú predpoklady pre vizualizáciu normálnych a zmenených tkanív na MRI snímkach.

Pri inej metóde MRI, nazývanej spin-echo, je na pacienta nasmerovaná séria rádiofrekvenčných impulzov, ktoré otáčajú precesujúce protóny o 90°. Po ukončení impulzov sa zaznamenajú signály odozvy na MRI. Intenzita signálu odozvy však súvisí s trvaním T2 odlišne: čím kratšie je T2, tým slabší je signál a následne nižší je jas žiarenia na obrazovke televízneho monitora. Výsledný obraz MRI s použitím metódy T2 je teda opačný ako pri použití metódy T1 (pretože negatívny obraz je opakom pozitívneho obrazu).

MRI tomogramy zobrazujú mäkké tkanivá lepšie ako CT vyšetrenia: svaly, tukové vrstvy, chrupavku a cievy. Niektoré zariadenia dokážu vytvárať snímky ciev bez vstreknutia kontrastnej látky (MRI angiografia). Vzhľadom na nízky obsah vody v kostnom tkanive nevytvára toto tieniaci účinok ako pri röntgenovom CT vyšetrení, t. j. neinterferuje so zobrazením napríklad miechy, medzistavcových platničiek atď. Samozrejme, vodíkové jadrá nie sú obsiahnuté len vo vode, ale v kostnom tkanive sú fixované vo veľmi veľkých molekulách a hustých štruktúrach a neinterferujú s MRI vyšetrením.

Výhody a nevýhody magnetickej rezonancie (MRI)

Medzi hlavné výhody MRI patrí neinvazívnosť, neškodnosť (žiadna radiačná expozícia), trojrozmerný charakter snímania obrazu, prirodzený kontrast z pohybujúcej sa krvi, absencia artefaktov z kostného tkaniva, vysoká diferenciácia mäkkých tkanív, možnosť vykonávať MP spektroskopiu pre štúdie metabolizmu tkanív in vivo. MRI umožňuje získať obrazy tenkých vrstiev ľudského tela v ľubovoľnom reze - vo frontálnej, sagitálnej, axiálnej a šikmej rovine. Je možné rekonštruovať volumetrické obrazy orgánov, synchronizovať snímanie tomogramov so zubami elektrokardiogramu.

Medzi hlavné nevýhody zvyčajne patrí relatívne dlhý čas potrebný na získanie snímok (zvyčajne minúty), čo vedie k vzniku artefaktov z dýchacích pohybov (to znižuje najmä účinnosť vyšetrenia pľúc), arytmie (pri vyšetrení srdca), neschopnosť spoľahlivo detegovať kamene, kalcifikácie, niektoré typy kostných patológií, vysoké náklady na zariadenie a jeho prevádzku, špeciálne požiadavky na priestory, v ktorých sa zariadenia nachádzajú (tienenie pred rušením), nemožnosť vyšetrovať pacientov s klaustrofóbiou, umelé kardiostimulátory, veľké kovové implantáty vyrobené z nemedicínskych kovov.

[ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]

Kontrastné látky pre MRI

Na začiatku používania MRI sa verilo, že prirodzený kontrast medzi rôznymi tkanivami eliminuje potrebu kontrastných látok. Čoskoro sa zistilo, že rozdiel v signáloch medzi rôznymi tkanivami, teda kontrast MR obrazu, sa dá výrazne zlepšiť pomocou kontrastných látok. Keď sa prvá MR kontrastná látka (obsahujúca paramagnetické ióny gadolínia) stala komerčne dostupnou, diagnostický informačný obsah MRI sa výrazne zvýšil. Podstatou použitia MR kontrastných látok je zmena magnetických parametrov tkanivových a orgánových protónov, teda zmena relaxačného času (TR) protónov T1 a T2. Dnes existuje niekoľko klasifikácií MR kontrastných látok (alebo skôr kontrastných látok - KA).

Podľa prevládajúceho vplyvu na relaxačný čas sa MR-KA delí na:

• T1-CA, ktoré skracujú T1 a tým zvyšujú intenzitu signálu tkanivového MP. Nazývajú sa aj pozitívne CA.
• T2-CA, ktoré skracujú T2, čím znižujú intenzitu MR signálu. Ide o negatívne CA.

V závislosti od ich magnetických vlastností sa MR-CA delia na paramagnetické a superparamagnetické:

[ 16 ], [ 17 ], [ 18 ], [ 19 ], [ 20 ]

Paramagnetické kontrastné látky

Paramagnetické vlastnosti majú atómy s jedným alebo viacerými nepárovými elektrónmi. Sú to magnetické ióny gadolínia (Gd), chrómu, niklu, železa a mangánu. Zlúčeniny gadolínia majú najširšie klinické uplatnenie. Kontrastný účinok gadolínia je spôsobený skrátením relaxačného času T1 a T2. Pri nízkych dávkach prevláda účinok na T1, čím sa zvyšuje intenzita signálu. Pri vysokých dávkach prevláda účinok na T2, čím sa znižuje intenzita signálu. Paramagnety sa v súčasnosti najširšie používajú v klinickej diagnostickej praxi.

Superparamagnetické kontrastné látky

Dominantným účinkom superparamagnetického oxidu železa je skrátenie relaxácie T2. So zvyšujúcou sa dávkou dochádza k poklesu intenzity signálu. Do tejto skupiny KA možno zaradiť aj feromagnetické KA, medzi ktoré patria feromagnetické oxidy železa štrukturálne podobné magnetitovému feritu _{( Fe2}⁺ OFe23 ₊ O3 ) ^.

Nasledujúca klasifikácia je založená na farmakokinetike CA (Sergeev PV a kol., 1995):

• extracelulárne (tkanivovo nešpecifické);
• gastrointestinálne;
• organotropné (tkanivovo špecifické);
• makromolekulárne, ktoré sa používajú na určenie cievneho priestoru.

Na Ukrajine sú známe štyri MR-CA, čo sú extracelulárne vo vode rozpustné paramagnetické CA, z ktorých sa široko používa gadodiamid a kyselina gadopentetová. Zvyšné skupiny CA (2-4) sa v súčasnosti klinicky skúšajú v zahraničí.

Extracelulárna vo vode rozpustná MR-CA

Medzinárodný názov	Chemický vzorec	Štruktúra
Kyselina gadopentetová	Gadolínium-dimeglumín-dietyléntriamín-pentaacetát ((NMG)2Gd-DTPA)	Lineárne, iónové
Kyselina gadoterová	(NMG)Gd-DOTA	Cyklické, iónové
Gadodiamid	Gadolíniumdietyléntriamínpentaacetát-bis-metylamid (Gd-DTPA-BMA)	Lineárny, neiónový
Gadoteridol	Gd-HP-D03A	Cyklické, neiónové

Extracelulárne CA sa podávajú intravenózne, 98 % z nich sa vylučuje obličkami, neprenikajú hematoencefalickou bariérou, majú nízku toxicitu a patria do skupiny paramagnetických látok.

Kontraindikácie pre MRI

Absolútne kontraindikácie zahŕňajú stavy, pri ktorých vyšetrenie predstavuje hrozbu pre život pacientov. Napríklad prítomnosť implantátov, ktoré sú aktivované elektronicky, magneticky alebo mechanicky – ide predovšetkým o umelé kardiostimulátory. Vystavenie rádiofrekvenčnému žiareniu z MRI skenera môže narušiť funkciu kardiostimulátora pracujúceho v systéme vyžiadania, pretože zmeny magnetických polí môžu napodobňovať srdcovú činnosť. Magnetická príťažlivosť môže tiež spôsobiť posun kardiostimulátora vo svojom lôžku a pohyb elektród. Okrem toho magnetické pole vytvára prekážky pre činnosť feromagnetických alebo elektronických implantátov stredného ucha. Prítomnosť umelých srdcových chlopní je nebezpečná a je absolútnou kontraindikáciou iba pri vyšetrení na MRI skeneroch s vysokými poľami a ak je klinické podozrenie na poškodenie chlopne. Medzi absolútne kontraindikácie vyšetrenia patrí aj prítomnosť malých kovových chirurgických implantátov (hemostatických klipov) v centrálnom nervovom systéme, pretože ich posunutie v dôsledku magnetickej príťažlivosti ohrozuje krvácanie. Ich prítomnosť v iných častiach tela predstavuje menšiu hrozbu, pretože po liečbe fibróza a zapuzdrenie svoriek pomáhajú udržať ich stabilitu. Okrem potenciálneho nebezpečenstva však prítomnosť kovových implantátov s magnetickými vlastnosťami v každom prípade spôsobuje artefakty, ktoré spôsobujú ťažkosti pri interpretácii výsledkov štúdie.

Kontraindikácie pre MRI

Absolútne:	Relatívna osoba:
Kardiostimulátory	Iné stimulanty (inzulínové pumpy, nervové stimulátory)
Feromagnetické alebo elektronické implantáty stredného ucha	Neferomagnetické implantáty vnútorného ucha, protézy srdcových chlopní (vo vysokých poliach, ak existuje podozrenie na dysfunkciu)
Hemostatické klipy mozgových ciev	Hemostatické klipy na iných miestach, dekompenzované srdcové zlyhanie, tehotenstvo, klaustrofóbia, potreba fyziologického monitorovania

Medzi relatívne kontraindikácie, okrem vyššie uvedených, patrí dekompenzované srdcové zlyhanie, potreba fyziologického monitorovania (mechanická ventilácia, elektrické infúzne pumpy). Klaustrofóbia je prekážkou štúdie v 1 – 4 % prípadov. Dá sa prekonať na jednej strane použitím zariadení s otvorenými magnetmi, na druhej strane podrobným vysvetlením zariadenia a priebehu vyšetrenia. Neexistujú dôkazy o škodlivom účinku MRI na embryo alebo plod, ale odporúča sa vyhnúť sa MRI v prvom trimestri tehotenstva. Použitie MRI počas tehotenstva je indikované v prípadoch, keď iné neionizujúce diagnostické zobrazovacie metódy neposkytujú uspokojivé informácie. Vyšetrenie MRI vyžaduje väčšiu účasť pacienta ako počítačová tomografia, pretože pohyby pacienta počas vyšetrenia majú oveľa väčší vplyv na kvalitu snímok, takže vyšetrenie pacientov s akútnou patológiou, poruchami vedomia, spastickými stavmi, demenciou, ako aj detí je často náročné.

[ 21 ], [ 22 ], [ 23 ], [ 24 ], [ 25 ], [ 26 ]