Magnetická rezonancia zobrazujúca vertikálny prierez ľudskou hlavou.
Zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI) – nazývané aj magnetická rezonančná tomografia (MRT) – je metóda vytvárania obrazov vnútra nepriehľadných orgánov živých organizmov, ako aj zisťovania množstva viazanej vody v geologických štruktúrach. Používa sa predovšetkým na demonštráciu patologických alebo iných fyziologických zmien živých tkanív a je bežne používanou formou lekárskeho zobrazovania. MRI našla mnoho nových aplikácií aj mimo medicínskej a biologickej oblasti, ako napríklad priepustnosť hornín pre uhľovodíky a niektoré nedeštruktívne metódy testovania, ako napríklad charakterizácia kvality produktov a dreva. Prístroje používané v medicíne sú drahé, cena každého prístroja je približne 1 milión USD za Teslu, pričom náklady na údržbu predstavujú niekoľko stoviek tisíc dolárov ročne.
Zobrazovanie magnetickou rezonanciou bolo vyvinuté na základe poznatkov získaných pri štúdiu jadrovej magnetickej rezonancie. Pôvodný názov tejto medicínskej technológie je nukleárna magnetická rezonancia (NMRI), ale slovo nukleárna sa takmer všeobecne vypúšťa. Robí sa to preto, aby sa zabránilo negatívnym konotáciám slova nukleárny a aby si pacienti nespájali vyšetrenie s ožiarením, ktoré nepatrí medzi bezpečnostné obavy pri MRI. Vedci stále používajú NMR, keď hovoria o nemedicínskych zariadeniach fungujúcich na rovnakých princípoch.
Animácia série rezov ľudským mozgom z magnetickej rezonancie, začínajúca na vrchu hlavy a smerujúca k jej spodine.
Medicínska magnetická rezonancia sa najčastejšie spolieha na relaxačné vlastnosti excitovaných jadier vodíka vo vode. Keď sa zobrazovaný objekt umiestni do silného, rovnomerného magnetického poľa, spiny atómových jadier s nenulovým spinovým číslom v tkanive sa všetky vyrovnajú v jednom z dvoch protichodných smerov: rovnobežne s magnetickým poľom alebo protibežne. Bežné intenzity magnetického poľa sa pohybujú od 0,5 do 3 Tesla, hoci výskumné prístroje dosahujú až 20 Tesla a komerční dodávatelia investujú do platforiem s intenzitou 7 Tesla.
Len jedno z milióna jadier sa vyrovná s magnetickým poľom. Napriek tomu obrovské množstvo jadier v malom objeme v súčte spôsobí zistiteľnú zmenu poľa. Väčšina základných vysvetlení NMR a MRI hovorí, že jadrá sa vyrovnávajú rovnobežne alebo protibežne so statickým magnetickým poľom; avšak z kvantovo mechanických dôvodov, ktoré presahujú rámec tohto článku, sú jadrá v skutočnosti nastavené pod uhlom voči smeru statického magnetického poľa.
Magnetický dipólový moment jadier potom precesuje okolo axiálneho poľa. Hoci je ich podiel takmer rovnaký, o niečo viac je orientovaných pod uhlom nízkej energie. Frekvencia, s ktorou sa dipólové momenty precesujú, sa nazýva Larmorova frekvencia. Tkanivo je potom krátko vystavené impulzom elektromagnetickej energie (RF impulz) v rovine kolmej na magnetické pole, čo spôsobí, že niektoré z magneticky orientovaných jadier vodíka nadobudnú dočasný neorientovaný vysokoenergetický stav. Frekvencia impulzov sa riadi Larmorovou rovnicou.
Na selektívne zobrazenie rôznych pixelov (obrazových prvkov) alebo voxelov (trojrozmerných objemových prvkov) príslušného materiálu sa používajú ortogonálne magnetické gradienty. Hoci je pomerne bežné aplikovať gradienty v hlavných osiach pacienta (takže pacient je zobrazený v osiach x, y a z od hlavy po päty), MRI umožňuje úplne flexibilnú orientáciu obrazov. Celé priestorové kódovanie sa získava aplikáciou gradientov magnetického poľa, ktoré kódujú polohu v rámci fázy signálu. V 1 dimenzii možno lineárnu fázu vzhľadom na polohu získať zberom údajov v prítomnosti gradientu magnetického poľa. V 3 rozmeroch možno rovinu definovať „výberom rezu“, pri ktorom sa v prítomnosti gradientu magnetického poľa aplikuje RF impulz s definovanou šírkou pásma, aby sa priestorové kódovanie znížilo na 2 rozmery. Priestorové kódovanie sa potom môže použiť v 2D po výbere rezu alebo v 3D bez výberu rezu. V oboch prípadoch sa získa 2D alebo 3D matica priestorovo kódovaných fáz a tieto údaje predstavujú priestorové frekvencie zobrazovaného objektu. Obrázky možno vytvoriť zo získaných údajov pomocou diskrétnej Fourierovej transformácie (DFT).
Na pochopenie kontrastu magnetickej rezonancie je dôležité poznať časové konštanty relaxačných procesov, ktoré nastolia rovnováhu po RF excitácii. Ako vysokoenergetické jadrá relaxujú a vyrovnávajú sa, vyžarujú energiu rýchlosťou, ktorá sa zaznamenáva a poskytuje informácie o ich prostredí. Znovuusporiadanie jadrových spinov s magnetickým poľom sa nazýva pozdĺžna relaxácia a čas (zvyčajne približne 1 s) potrebný na to, aby sa určité percento jadier tkaniva znovu usporadúvalo, sa nazýva „čas 1“ alebo T1. T2-vážené zobrazovanie sa spolieha na lokálne odfázovanie spinov po aplikácii priečneho energetického impulzu; čas priečnej relaxácie (zvyčajne < 100 ms pre tkanivo) sa označuje ako "čas 2" alebo T2. Jemný, ale dôležitý variant techniky T2 sa nazýva zobrazovanie T2*. Zatiaľ čo pri zobrazovaní T2 sa používajú "spinové ozveny", čo sú rádiofrekvenčné impulzy, ktoré rozostrujú nehomogenity v magnetickom poli, pri zobrazovaní T2* sa obetuje určitá integrita obrazu, aby sa zabezpečila dodatočná citlivosť na relaxačné procesy, ktoré spôsobujú inkoherenciu priečnej magnetizácie. Medzi aplikácie zobrazovania T2* patrí funkčná magnetická rezonancia (fMRI) alebo hodnotenie základnej perfúzie (CBF a CBV) pomocou injekčne podávaných látok, ako je opísané vyššie; v týchto prípadoch existuje prirodzený kompromis medzi kvalitou obrazu a citlivosťou detekcie.
Kontrast obrazu sa vytvára pomocou výberu parametrov získavania obrazu, ktoré vážia signál podľa T1, T2 alebo T2*, alebo bez relaxačného času („obrazy s protónovou hustotou“). V mozgu váženie T1 spôsobuje, že vláknové dráhy (nervové spojenia) sa javia ako biele, zoskupenia neurónov ako šedé a mozgovomiechový mok ako tmavý. Kontrast „bielej hmoty“, „sivej hmoty“ a „mozgovomiechového moku“ je pri použití zobrazenia T2 alebo T2* obrátený, zatiaľ čo zobrazenie s protónovou váhou poskytuje u normálnych osôb malý kontrast. Okrem toho možno v rámci T1, T2 alebo T2* zakódovať funkčné informácie (CBF, CBV, okysličenie krvi); pozri funkčnú MRI (fMRI) a časť nižšie.
Pri väčšine lekárskych vyšetrení sa získavajú T1- aj T2-vážené snímky. Často sa podáva paramagnetická kontrastná látka, zlúčenina gadolínia, a získavajú sa predkontrastné T1-vážené snímky aj postkontrastné T1-vážené snímky. Injekcie bolusovej kontrastnej látky spolu s rýchlym zobrazením umožňujú vyhodnotiť perfúziu mozgu; to je obzvlášť dôležité u pacientov s príznakmi cievnej mozgovej príhody. Okrem toho informácie, ktoré poskytuje klinicky schválená kontrastná látka, poskytujú informácie o integrite hematoencefalickej bariéry, ktorá zabraňuje úniku kontrastu u zdravých osôb. Typické medicínske rozlíšenie je približne 1 mm3, zatiaľ čo výskumné modely môžu presiahnuť 1 µm3.
V klinickej praxi sa MRI používa na rozlíšenie patologického tkaniva (napríklad nádoru mozgu) od normálneho tkaniva. Jednou z výhod vyšetrenia magnetickou rezonanciou je, že podľa súčasných lekárskych poznatkov je pre pacienta neškodné. Využíva silné magnetické pole a neionizujúce žiarenie v rádiofrekvenčnom rozsahu. Porovnajte to s CT vyšetrením a tradičným röntgenovým žiarením, ktoré zahŕňajú dávky ionizujúceho žiarenia a môžu zvyšovať pravdepodobnosť vzniku malignity, najmä u detí, ktoré absolvujú viacero vyšetrení.
Zatiaľ čo CT poskytuje dobré priestorové rozlíšenie (schopnosť rozlíšiť dve štruktúry v ľubovoľne malej vzdialenosti od seba ako samostatné), MRI poskytuje porovnateľné rozlíšenie s oveľa lepším kontrastným rozlíšením (schopnosť rozlíšiť rozdiely medzi dvoma ľubovoľne podobnými, ale nie rovnakými tkanivami). Základom tejto schopnosti je komplexná knižnica pulzných sekvencií, ktorú obsahuje moderný lekársky skener MRI, z ktorých každá je optimalizovaná na zabezpečenie kontrastu obrazu na základe chemickej citlivosti MRI.
Napríklad pri určitých hodnotách času ozveny (TE) a času opakovania (TR), ktoré sú základnými parametrami získavania obrazu, sekvencia nadobudne vlastnosť váženia T2. Pri skenovaní s váhou T2 sú tkanivá obsahujúce vodu a tekutinu svetlé (väčšina moderných sekvencií T2 sú vlastne rýchle sekvencie T2, v ktorých je tuk tiež svetlý). Poškodené tkanivo má tendenciu k vzniku edému, vďaka čomu je sekvencia s vážením T2 citlivá na patológiu a vo všeobecnosti dokáže rozlíšiť patologické tkanivo od normálneho. Po pridaní ďalšieho rádiofrekvenčného impulzu a ďalšej manipulácii s magnetickými gradientmi možno T2 váženú sekvenciu premeniť na sekvenciu FLAIR (fluid light attenuation inversion recovery), v ktorej je teraz voľná voda tmavá, ale edematózne tkanivá zostávajú jasné. Najmä táto sekvencia je v súčasnosti najcitlivejším spôsobom hodnotenia mozgu na zmeny pri skleróze multiplex.
Typické vyšetrenie MRI zvyčajne pozostáva z 5-20 sekvencií, z ktorých každá je vybraná tak, aby poskytla určitý typ informácií o tkanivách vyšetrovaného. Tieto informácie potom interpretujúci lekár syntetizuje.
Prítomnosť feromagnetického cudzieho telesa (napríklad úlomkov škrupiny) v subjekte alebo kovového implantátu (napríklad chirurgických protéz alebo kardiostimulátorov) môže predstavovať (relatívnu alebo absolútnu) kontraindikáciu pre vyšetrenie magnetickou rezonanciou: interakcia magnetického a rádiofrekvenčného poľa s takýmto objektom môže viesť k: traume v dôsledku posunu objektu v magnetickom poli, tepelnému poraneniu v dôsledku rádiofrekvenčnej indukcie ohrevu objektu alebo zlyhaniu implantovaného zariadenia.
V dôsledku veľmi vysokej intenzity magnetického poľa potrebného na snímanie (často až 30 000-krát vyššej ako účinky vlastného magnetického poľa Zeme) sa v zariadeniach MRI rieši niekoľko náhodných bezpečnostných problémov. Nehody s raketovým efektom, pri ktorých sú feromagnetické predmety priťahované do stredu magnetu, mali za následok zranenia a smrť. Z tohto dôvodu je v blízkosti skenera MRI zakázané umiestňovať feromagnetické predmety a zariadenia, pričom mnohé z týchto predmetov sa zvyčajne uchovávajú v nemagnetických „MRI-bezpečných“ verziách. V rozpore s očakávaniami je magnet neustále pod napätím, aj keď sa nepoužíva. Z tohto dôvodu sa obeťou magnetu často stávajú stroje na čistenie podláh. Núdzové vypnutie magnetu, operácia známa ako „uhasenie“, je nákladné a zahŕňa vypustenie tekutého hélia zo zariadenia. Náhla expanzia unikajúceho studeného kvapalného hélia do plynnej podoby a vytláčanie kyslíka predstavuje vlastné nebezpečenstvo.
Mnohými otázkami bezpečnosti vrátane možnosti interferencie biostimulačných zariadení, pohybu feromagnetických telies a náhodného lokalizovaného zahrievania sa zaoberala Biela kniha o bezpečnosti MR, ktorú pôvodne uverejnila Americká rádiologická akadémia v roku 2002 a rozšírila v roku 2004.
Difúzna MRI meria difúziu molekúl vody v biologických tkanivách. V izotropnom prostredí (napríklad v pohári vody) sa molekuly vody prirodzene pohybujú podľa Brownovho pohybu. V biologických tkanivách je však difúzia veľmi často anizotropná. Napríklad molekula vo vnútri axónu neurónu má nízku pravdepodobnosť, že prejde cez myelínovú membránu. Preto sa molekula bude pohybovať hlavne pozdĺž osi nervového vlákna. Naopak, ak vieme, že molekuly lokálne difundujú hlavne v jednom smere, môžeme vysloviť predpoklad, že to zodpovedá súboru vlákien.
Nedávny vývoj zobrazovania pomocou tenzorov difúzie (DTI) umožňuje meranie difúzie vo viacerých smeroch (v súčasnosti až 99) a výpočet frakčnej anizotropie v každom smere pre každý voxel. To umožňuje výskumníkom vytvárať axonálne mapy na skúmanie štrukturálnej konektivity rôznych oblastí mozgu (traktografia) alebo skúmať oblasti nervovej degenerácie a demyelinizácie pri ochoreniach, ako je skleróza multiplex.
Ďalšou aplikáciou difúznej MRI je difúzne vážené zobrazovanie (DWI). Po ischemickej cievnej mozgovej príhode mozgové bunky odumierajú. Predpokladá sa, že v dôsledku toho sa dajú zistiť oblasti s obmedzenou difúziou. Tento nález sa objaví do 5 – 10 minút od vzniku príznakov cievnej mozgovej príhody (v porovnaní s počítačovou tomografiou, ktorá často odhalí zmeny akútneho infarktu až po 4 – 6 hodinách) a pretrváva až dva týždne. Sekvencie DWI sú preto mimoriadne citlivé na akútnu cievnu mozgovú príhodu.
Nakoniec sa navrhlo, že difúzna MRI môže byť schopná zistiť nepatrné zmeny v extracelulárnej difúzii vody, a preto by sa mohla použiť ako nástroj pre fMRI. Telo nervovej bunky sa zväčší, keď vedie akčný potenciál, a tým obmedzí prirodzenú difúziu molekúl extracelulárnej vody. Hoci tento proces teoreticky funguje, dôkazy sú len mierne presvedčivé.
Magnetická rezonančná angiografia
Magnetická rezonančná angiografia (MRA) sa používa na vytvorenie snímok tepien s cieľom vyhodnotiť ich stenózy (abnormálne zúženie) alebo aneuryzmy (rozšírenie cievnej steny s rizikom prasknutia). MRA sa používa najmä na hodnotenie tepien krku a mozgu, hrudnej a brušnej aorty a obličiek. Na vytvorenie snímok sa môžu použiť rôzne techniky, napríklad podanie paramagnetickej kontrastnej látky (napr. gadolínia) alebo použitie techniky známej ako „flow-related enhancement“ (napr. 2D a 3D sekvencie s časom letu), pri ktorej je jediný signál na snímke spôsobený krvou, ktorá sa nedávno presunula do danej roviny. MRV je podobný postup, ktorý sa používa na zobrazovanie žíl. Pri tejto metóde sa tkanivo teraz excituje dorzálne, zatiaľ čo signál sa zhromažďuje v rovine bezprostredne ventrálne od excitačnej roviny, a tak sa zobrazuje žilová krv, ktorá sa nedávno presunula z excitačnej roviny.
Magnetická rezonančná spektroskopia
Spektroskopia magnetickej rezonancie (MRS), známa aj ako MRSI (MRS Imaging) a objemovo selektívna NMR spektroskopia, je technika, ktorá spája priestorovo adresnú povahu magnetickej rezonancie so spektroskopicky bohatými informáciami získanými z jadrovej magnetickej rezonancie (NMR). To znamená, že MRI umožňuje študovať určitú oblasť v rámci organizmu alebo vzorky, ale poskytuje relatívne málo informácií o chemickej alebo fyzikálnej povahe tejto oblasti – jej hlavná hodnota spočíva v schopnosti rozlíšiť vlastnosti tejto oblasti v porovnaní s vlastnosťami okolitých oblastí. MR spektroskopia však poskytuje množstvo chemických informácií o tejto oblasti, rovnako ako NMR spektrum tejto oblasti.
Skenovanie fMRI zobrazujúce oblasti aktivácie oranžovou farbou vrátane primárnej zrakovej kôry (V1, BA17).
Funkčná magnetická rezonancia (fMRI) meria zmeny signálu v mozgu, ktoré sú spôsobené zmenou nervovej aktivity. Mozog sa skenuje s nízkym rozlíšením, ale rýchlym tempom (zvyčajne raz za 2 – 3 sekundy). Zvýšenie nervovej aktivity spôsobuje zmeny signálu MR prostredníctvom mechanizmu nazývaného BOLD (blood oxygen level-dependent) efekt. Zvýšená nervová aktivita spôsobuje zvýšený dopyt po kyslíku a cievny systém to v skutočnosti nadmerne kompenzuje zvýšením množstva okysličeného hemoglobínu (hemoglobínu) v porovnaní s odkysličeným hemoglobínom. Keďže deoxygenovaný hemoglobín zoslabuje signál MR, cievna reakcia vedie k zvýšeniu signálu, ktorý súvisí s nervovou aktivitou. Presná povaha vzťahu medzi nervovou aktivitou a signálom BOLD je predmetom súčasného výskumu. Efekt BOLD tiež umožňuje vytvárať 3D mapy žilového riečiska v nervovom tkanive s vysokým rozlíšením.
Hoci je signál BOLD najbežnejšou metódou používanou na neurovedecké štúdie u ľudí, flexibilná povaha MR zobrazovania poskytuje prostriedky na senzibilizáciu signálu na iné aspekty krvného zásobenia. Alternatívne techniky využívajú arteriálne spinové značenie (ASL) alebo váženie signálu MR podľa prietoku krvi mozgom (CBF) a objemu krvi v mozgu (CBV). Metóda CBV si vyžaduje injekciu triedy kontrastných látok MRI, ktoré sú v súčasnosti v klinických skúškach na ľuďoch. Keďže sa v predklinických štúdiách ukázalo, že táto metóda je oveľa citlivejšia ako technika BOLD, môže potenciálne rozšíriť úlohu fMRI v klinických aplikáciách. Metóda CBF poskytuje viac kvantitatívnych informácií ako signál BOLD, hoci pri výraznej strate citlivosti detekcie.
Vzhľadom na absenciu škodlivých účinkov na pacienta a operatéra je MR vhodná na „intervenčnú rádiológiu“, kde sa obrazy vytvorené skenerom MR používajú na vedenie minimálne invazívneho postupu intraoperačne a/alebo interaktívne. Avšak nemagnetické prostredie, ktoré skener vyžaduje, a silné magnetické rádiofrekvenčné a kvázi-statické polia generované hardvérom skenera si vyžadujú použitie špecializovaných nástrojov. Často sa vyžaduje použitie magnetu s „otvoreným otvorom“, ktorý umožňuje operačnému personálu lepší prístup k pacientom počas operácie. Takéto magnety s otvoreným otvorom sú často magnety s nižším poľom, zvyčajne v rozsahu 0,2 tesla, čo znižuje ich citlivosť, ale tiež znižuje rádiofrekvenčný výkon potenciálne absorbovaný pacientom počas zdĺhavej operácie. Magnetové systémy s vyšším poľom sa začínajú nasadzovať v intraoperačných zobrazovacích súpravách, ktoré môžu kombinovať magnetickú rezonanciu s vysokým poľom s chirurgickou súpravou a dokonca aj s počítačovou tomografiou v sérii prepojených miestností. Špecializované zariadenia na intervenčnú MR s vysokým poľom, ako napríklad systém IMRIS, môžu v skutočnosti priviesť magnet s vysokým poľom k pacientovi v rámci operačnej sály, čo umožňuje používať štandardné chirurgické nástroje, zatiaľ čo magnet je vo vedľajšom priestore.
Simulácia rádioterapie
Vďaka vynikajúcemu zobrazovaniu mäkkých tkanív sa MRI v súčasnosti využíva na špecifickú lokalizáciu nádorov v tele pri príprave na rádioterapiu. Pri simulácii terapie sa pacient umiestni do špecifickej, reprodukovateľnej polohy tela a naskenuje sa. Systém MRI potom vypočíta presnú polohu, tvar a orientáciu nádorovej masy, pričom koriguje akékoľvek priestorové skreslenie vlastné systému. Pacient je potom označený alebo označený bodmi, ktoré v kombinácii so špecifickou polohou tela umožnia presnú trianguláciu pri rádioterapii.
Zobrazovanie prúdovej hustoty je pododvetvie MRI, ktoré sa snaží využiť fázové informácie zo snímok MRI na rekonštrukciu prúdovej hustoty v rámci subjektu. Zobrazovanie prúdovej hustoty funguje, pretože elektrické prúdy vytvárajú magnetické polia, ktoré následne ovplyvňujú fázu magnetických dipólov počas zobrazovacej sekvencie. Doteraz sa neuskutočnilo žiadne úspešné CDI s použitím biologických prúdov, avšak bolo uverejnených niekoľko štúdií, ktoré zahŕňajú aplikované prúdy cez dvojicu elektród.
Paul Lauterbur a Sir Peter Mansfield získali v roku 2003 Nobelovu cenu za medicínu za svoje objavy v oblasti magnetickej rezonancie, čo je odrazom jej zásadného významu a použiteľnosti v medicíne. Lauterbur zistil, že gradienty magnetického poľa sa dajú využiť na vytváranie dvojrozmerných obrazov. Mansfield analyzoval gradienty matematicky. Nobelov výbor prijal kontroverzné rozhodnutie, keď neudelil cenu priekopníkovi magnetickej rezonancie Raymondovi V. Damadianovi, hoci Nobelove pravidlá umožňovali, aby sa o cenu podelila tretia osoba. Krátko po vyhlásení Damadian na protest proti tomuto rozhodnutiu uverejnil drahé celostránkové inzeráty vo veľkých novinách (text inzerátu v New York Times).
Raymonda Damadiana „Prístroj a metóda na detekciu rakoviny v tkanive“.
V roku 1974 si Damadian patentoval konštrukciu a použitie NMR (patent USA 3 789 832 ) na detekciu rakoviny. V tomto patente nebol opísaný spôsob vytvárania snímok, avšak v roku 1997 úspešne zažaloval spoločnosť General Electric za porušenie práv a získal odškodnenie vo výške 129 miliónov USD. Neskôr sa mimosúdne dohodol na ďalších miliónoch od iných výrobcov skenerov MRI. V roku 1980 vyrobil prvý komerčný skener magnetickej rezonancie, ktorý sa však nepredával a nikdy sa klinicky nepoužíval.
Mattson a Simon (1996) pripisujú Damadianovi zásluhu na opise koncepcie NMR skenovania celého tela, ako aj na objavení NMR relaxačných rozdielov v tkanivách, ktoré to umožnili. V roku 2001 udelil program Lemelson-MIT Dr. Damadianovi cenu za celoživotné dielo ako „mužovi, ktorý vynašiel skener MRI“.
Stále nie je jasné, či Damadiánova metóda detekcie rakoviny funguje, a nepoužíva sa v modernom zobrazovaní a diagnostike pomocou magnetickej rezonancie. Jeho opis celotelového skenera sa týkal len vyhľadávania rakoviny v tele a nehovorí o využití údajov na generovanie obrázkov zobrazujúcich rôzne tkanivá. Postup, ako ho opísal, by trval veľmi dlho. Medzi týmto skenerom a súčasnými prístrojmi MRI je veľký rozdiel.