Diagnoza osteoartritisa: slikanje z magnetno resonanco

Slikanje z magnetno resonanco (MRI) je v zadnjih letih postalo ena vodilnih metod za neinvazivno diagnostiko osteoartritisa. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja, ko so bila načela magnetne resonance (MR) prvič uporabljena za preučevanje človeškega telesa, se je ta metoda medicinskega slikanja dramatično spremenila in se še naprej hitro razvija.

Tehnična oprema in programska oprema se izboljšujejo, razvijajo se metode zajemanja slik in kontrastna sredstva za MR. To omogoča nenehno odkrivanje novih področij uporabe MRI. Če je bila sprva njegova uporaba omejena na študije osrednjega živčnega sistema, se zdaj MRI uspešno uporablja na skoraj vseh področjih medicine.

Leta 1946 sta skupini raziskovalcev z univerz Stanford in Harvard neodvisno druga od druge odkrili pojav, imenovan jedrska magnetna resonanca (NMR). Njegovo bistvo je bilo, da so jedra nekaterih atomov, ki so v magnetnem polju, pod vplivom zunanjega elektromagnetnega polja sposobna absorbirati energijo in jo nato oddajati v obliki radijskega signala. Za to odkritje sta F. Bloch in E. Parmel leta 1952 prejela Nobelovo nagrado. Novi pojav so kmalu uporabili za spektralno analizo bioloških struktur (NMR spektroskopija). Leta 1973 je Paul Rautenburg prvi dokazal možnost pridobitve slike z uporabo NMR signalov. Tako se je pojavila NMR tomografija. Prvi NMR tomogrami notranjih organov žive osebe so bili predstavljeni leta 1982 na Mednarodnem kongresu radiologov v Parizu.

Treba je podati dve pojasnili. Kljub temu, da metoda temelji na pojavu NMR, se imenuje magnetna resonanca (MR), pri čemer izpustimo besedo "jedrska". To se naredi zato, da bolniki ne bi imeli misli o radioaktivnosti, povezani z razpadom atomskih jeder. In druga okoliščina: MR tomografi niso po naključju "uglašeni" na protone, torej na vodikova jedra. Tega elementa je v tkivih veliko, njegova jedra pa imajo največji magnetni moment med vsemi atomskimi jedri, kar določa dokaj visoko raven MR signala.

Če je bilo leta 1983 na svetu le nekaj naprav, primernih za klinične raziskave, je bilo do začetka leta 1996 po vsem svetu v uporabi približno 10.000 tomografov. Vsako leto se v prakso uvede 1000 novih naprav. Več kot 90 % parka MR-tomografov predstavljajo modeli s superprevodnimi magneti (0,5–1,5 T). Zanimivo je, da če so se sredi 80. let podjetja – proizvajalci MR-tomografov ravnala po načelu »višje kot je polje, bolje je« in so se osredotočala na modele s poljem 1,5 T in več, je do konca 80. let postalo jasno, da v večini področij uporabe nimajo bistvenih prednosti pred modeli s povprečno jakostjo polja. Zato glavni proizvajalci MR tomografov (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker itd.) trenutno veliko pozornosti posvečajo proizvodnji modelov s srednjimi in celo nizkimi polji, ki se od sistemov z visokim poljem razlikujejo po svoji kompaktnosti in ekonomičnosti z zadovoljivo kakovostjo slike in bistveno nižjimi stroški. Sistemi z visokim poljem se uporabljajo predvsem v raziskovalnih centrih za MR spektroskopijo.

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

Načelo metode MRI

Glavne komponente MRI skenerja so: super močan magnet, radijski oddajnik, sprejemna radiofrekvenčna tuljava, računalnik in nadzorna plošča. Večina naprav ima magnetno polje z magnetnim momentom, vzporednim z dolgo osjo človeškega telesa. Jakost magnetnega polja se meri v teslah (T). Za klinično MRI se uporabljajo polja z jakostjo 0,2–1,5 T.

Ko pacienta postavimo v močno magnetno polje, se vsi protoni, ki so magnetni dipoli, obrnejo v smeri zunanjega polja (kot kompasna igla, usmerjena proti Zemljinemu magnetnemu polju). Poleg tega se magnetne osi vsakega protona začnejo vrteti okoli smeri zunanjega magnetnega polja. To specifično rotacijsko gibanje se imenuje procesija, njegova frekvenca pa resonančna frekvenca. Ko skozi pacientovo telo prehajajo kratki elektromagnetni radiofrekvenčni impulzi, magnetno polje radijskih valov povzroči, da se magnetni momenti vseh protonov vrtijo okoli magnetnega momenta zunanjega polja. Da se to zgodi, mora biti frekvenca radijskih valov enaka resonančni frekvenci protonov. Ta pojav se imenuje magnetna resonanca. Da bi spremenili orientacijo magnetnih protonov, morajo magnetna polja protonov in radijskih valov resonirati, torej imeti enako frekvenco.

V pacientovih tkivih se ustvari neto magnetni moment: tkiva so magnetizirana in njihov magnetizem je usmerjen strogo vzporedno z zunanjim magnetnim poljem. Magnetizem je sorazmeren s številom protonov na enoto prostornine tkiva. Ogromno število protonov (vodikovih jeder), ki jih vsebuje večina tkiv, pomeni, da je neto magnetni moment dovolj velik, da inducira električni tok v sprejemni tuljavi, ki se nahaja zunaj pacienta. Ti inducirani MR signali se uporabljajo za rekonstrukcijo MR slike.

Proces prehoda elektronov jedra iz vzbujenega v ravnovesno stanje se imenuje proces spinsko-mrežne relaksacije ali longitudinalna relaksacija. Zanj je značilen T1 - čas spinsko-mrežne relaksacije - čas, potreben za prenos 63 % jeder v ravnovesno stanje po njihovem vzbujanju z 90° impulzom. Ločimo tudi T2 - čas spinsko-spinske relaksacije.

Obstaja več metod za pridobivanje MR tomogramov. Razlikujejo se po vrstnem redu in naravi generiranja radiofrekvenčnih impulzov ter metodah analize MR signala. Dve najpogosteje uporabljeni metodi sta spin-lattice in spin-echo. Spin-lattice analizira predvsem relaksacijski čas T1. Različna tkiva (siva in bela snov možganov, cerebrospinalna tekočina, tumorsko tkivo, hrustanec, mišice itd.) vsebujejo protone z različnimi relaksacijskimi časi T1. Intenzivnost MR signala je povezana s trajanjem T1: krajši kot je T1, intenzivnejši je MR signal in svetlejše je dano območje slike na TV-monitorju. Maščobno tkivo je na MR tomogramih belo, sledijo mu možgani in hrbtenjača, gosti notranji organi, žilne stene in mišice v padajočem vrstnem redu intenzivnosti MR signala. Zrak, kosti in kalcifikacije praktično ne proizvajajo MR signala in so zato prikazani črno. Ta razmerja med relaksacijskimi časi T1 ustvarjajo predpogoje za vizualizacijo normalnih in spremenjenih tkiv na MRI posnetkih.

Pri drugi metodi MRI, imenovani spin-echo, se na pacienta usmeri vrsta radiofrekvenčnih impulzov, ki zavrtijo precesirajoče protone za 90°. Po prenehanju impulzov se zabeležijo odzivni MRI signali. Vendar pa je intenzivnost odzivnega signala drugače povezana s trajanjem T2: krajši kot je T2, šibkejši je signal in posledično nižja je svetlost sijaja na zaslonu televizijskega monitorja. Tako je končna MRI slika z metodo T2 nasprotna tisti, ki jo dobimo z metodo T1 (saj je negativna slika nasprotna pozitivni).

MRI tomogrami bolje prikazujejo mehka tkiva kot CT: mišice, maščobne plasti, hrustanec in krvne žile. Nekatere naprave lahko ustvarijo slike krvnih žil brez injiciranja kontrastnega sredstva (MRI angiografija). Zaradi nizke vsebnosti vode v kostnem tkivu slednje ne ustvarja zaščitnega učinka, kot pri rentgenskem CT skeniranju, tj. ne moti slike na primer hrbtenjače, medvretenčnih ploščic itd. Seveda vodikova jedra niso vsebovana le v vodi, ampak so v kostnem tkivu fiksirana v zelo velikih molekulah in gostih strukturah ter ne motijo MRI.

Prednosti in slabosti magnetne resonance

Glavne prednosti MRI vključujejo neinvazivnost, neškodljivost (brez izpostavljenosti sevanju), tridimenzionalno naravo zajemanja slik, naravni kontrast zaradi premikajoče se krvi, odsotnost artefaktov iz kostnega tkiva, visoko diferenciacijo mehkih tkiv in možnost izvajanja MP spektroskopije za študije presnove tkiv in vivo. MRI omogoča pridobivanje slik tankih plasti človeškega telesa v katerem koli prerezu - v frontalni, sagitalni, aksialni in poševni ravnini. Možno je rekonstruirati volumetrične slike organov, sinhronizirati zajemanje tomogramov z zobci elektrokardiograma.

Glavne pomanjkljivosti običajno vključujejo relativno dolg čas, potreben za pridobitev slik (običajno minute), kar vodi do pojava artefaktov dihalnih gibov (to še posebej zmanjšuje učinkovitost pregleda pljuč), aritmije (pri pregledu srca), nezmožnost zanesljivega odkrivanja kamnov, kalcifikacij, nekaterih vrst kostne patologije, visoke stroške opreme in njenega delovanja, posebne zahteve za prostore, v katerih se naprave nahajajo (zaščita pred motnjami), nezmožnost pregleda bolnikov s klavstrofobijo, umetne srčne spodbujevalnike, velike kovinske vsadke iz nemedicinskih kovin.

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

Kontrastna sredstva za MRI

Na začetku uporabe MRI je veljalo prepričanje, da naravni kontrast med različnimi tkivi odpravlja potrebo po kontrastnih sredstvih. Kmalu so odkrili, da je mogoče razliko v signalih med različnimi tkivi, torej kontrast MR slike, znatno izboljšati s kontrastnimi sredstvi. Ko je prvo MR kontrastno sredstvo (ki vsebuje paramagnetne gadolinijeve ione) postalo komercialno dostopno, se je diagnostična informacijska vsebina MRI znatno povečala. Bistvo uporabe MR kontrastnih sredstev je spreminjanje magnetnih parametrov tkivnih in organskih protonov, torej spreminjanje relaksacijskega časa (TR) protonov T1 in T2. Danes obstaja več klasifikacij MR kontrastnih sredstev (oziroma kontrastnih sredstev - KA).

Glede na prevladujoč vpliv na čas relaksacije se MR-KA deli na:

• T1-CA, ki skrajšajo T1 in s tem povečajo intenzivnost signala tkivnega MP. Imenujejo se tudi pozitivne CA.
• T2-CA, ki skrajšajo T2 in s tem zmanjšajo intenzivnost MR signala. To so negativne CA.

Glede na magnetne lastnosti se MR-CA delijo na paramagnetne in superparamagnetne:

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

Paramagnetna kontrastna sredstva

Paramagnetne lastnosti imajo atomi z enim ali več neparnimi elektroni. To so magnetni ioni gadolinija (Gd), kroma, niklja, železa in mangana. Gadolinijeve spojine so dobile najširšo klinično uporabo. Kontrastni učinek gadolinija je posledica skrajšanja relaksacijskega časa T1 in T2. Pri nizkih odmerkih prevladuje učinek na T1, kar poveča intenzivnost signala. Pri visokih odmerkih prevladuje učinek na T2, kar zmanjša intenzivnost signala. Paramagneti se danes najpogosteje uporabljajo v klinični diagnostični praksi.

Superparamagnetna kontrastna sredstva

Prevladujoč učinek superparamagnetnega železovega oksida je skrajšanje relaksacije T2. Z naraščajočim odmerkom se intenzivnost signala zmanjšuje. V to skupino CA lahko uvrstimo tudi feromagnetne železove okside, ki vključujejo feromagnetne železove okside, strukturno podobne magnetitnemu feritu ( ^Fe2 + _OFe23⁺ O3 ₎.

Naslednja klasifikacija temelji na farmakokinetiki CA (Sergeev PV et al., 1995):

• zunajcelično (tkivno nespecifično);
• prebavila;
• organotropni (tkivno specifični);
• makromolekularne, ki se uporabljajo za določanje žilnega prostora.

V Ukrajini so znane štiri MR-CA, ki so zunajcelične vodotopne paramagnetne CA, od katerih se pogosto uporabljata gadodiamid in gadopentetna kislina. Preostale skupine CA (2-4) so v kliničnih preskušanjih v tujini.

Zunajcelični vodotopni MR-CA

Mednarodno ime	Kemijska formula	Struktura
Gadopentetna kislina	Gadolinijev dimeglumin dietilentriamin penta-acetat ((NMG)2Gd-DTPA)	Linearno, ionsko
Gadoterna kislina	(NMG)Gd-DOTA	Ciklični, ionski
Gadodiamid	Gadolinijev dietilentriamin pentaacetat-bis-metilamid (Gd-DTPA-BMA)	Linearno, neionsko
Gadoteridol	Gd-HP-D03A	Ciklični, neionski

Zunajcelične CA se dajejo intravensko, 98 % jih izloči ledvica, ne prodrejo skozi krvno-možgansko pregrado, imajo nizko toksičnost in spadajo v skupino paramagnetnih snovi.

Kontraindikacije za MRI

Absolutne kontraindikacije vključujejo stanja, pri katerih pregled ogroža življenje pacientov. Na primer, prisotnost vsadkov, ki se aktivirajo elektronsko, magnetno ali mehansko – to so predvsem umetni srčni spodbujevalniki. Izpostavljenost radiofrekvenčnemu sevanju iz MRI-skenerja lahko moti delovanje srčnega spodbujevalnika, ki deluje v sistemu zahteve, saj lahko spremembe magnetnih polj posnemajo srčno aktivnost. Magnetna privlačnost lahko povzroči tudi premikanje srčnega spodbujevalnika v svojem ležišču in premikanje elektrod. Poleg tega magnetno polje ustvarja ovire za delovanje feromagnetnih ali elektronskih vsadkov srednjega ušesa. Prisotnost umetnih srčnih zaklopk je nevarna in je absolutna kontraindikacija le pri pregledu na MRI-skenerjih z visokimi polji in če obstaja klinični sum na poškodbo zaklopke. Absolutne kontraindikacije za pregled vključujejo tudi prisotnost majhnih kovinskih kirurških vsadkov (hemostatskih sponk) v osrednjem živčnem sistemu, saj njihov premik zaradi magnetne privlačnosti ogroža krvavitev. Njihova prisotnost v drugih delih telesa predstavlja manjšo nevarnost, saj po zdravljenju fibroza in enkapsulacija sponk pomagata ohranjati njihovo stabilnost. Vendar pa poleg potencialne nevarnosti prisotnost kovinskih vsadkov z magnetnimi lastnostmi v vsakem primeru povzroča artefakte, ki povzročajo težave pri interpretaciji rezultatov študije.

Kontraindikacije za MRI

Absolutno:	Sorodnik:
Srčni spodbujevalniki	Drugi stimulansi (insulinske črpalke, živčni stimulansi)
Feromagnetni ali elektronski vsadki srednjega ušesa	Neferomagnetni vsadki za notranje uho, proteze srčnih zaklopk (v visokih poljih, če obstaja sum na disfunkcijo)
Hemostatske sponke za možganske žile	Hemostatske sponke na drugih mestih, dekompenzirano srčno popuščanje, nosečnost, klavstrofobija, potreba po fiziološkem spremljanju

Relativne kontraindikacije, poleg zgoraj naštetih, vključujejo dekompenzirano srčno popuščanje, potrebo po fiziološkem spremljanju (mehansko prezračevanje, električne infuzijske črpalke). Klavstrofobija je ovira za študijo v 1-4 % primerov. Premagati jo je mogoče, po eni strani, z uporabo naprav z odprtimi magneti, po drugi strani pa s podrobno razlago naprave in poteka pregleda. Ni dokazov o škodljivem učinku MRI na zarodek ali plod, vendar je priporočljivo, da se MRI v prvem trimesečju nosečnosti izogibate. Uporaba MRI med nosečnostjo je indicirana v primerih, ko druge neionizirajoče diagnostične slikovne metode ne zagotavljajo zadovoljivih informacij. Preiskava z MRI zahteva večjo udeležbo pacienta kot računalniška tomografija, saj imajo gibi pacienta med pregledom veliko večji vpliv na kakovost slik, zato je pregled bolnikov z akutno patologijo, moteno zavestjo, spastičnimi stanji, demenco, pa tudi otrok, pogosto težaven.

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