Diagnostika osteoartrózy: magnetická rezonance

Magnetická rezonance (MRI) se v posledních letech stala jednou z předních metod neinvazivní diagnostiky osteoartrózy. Od 70. let 20. století, kdy byly principy magnetické rezonance (MR) poprvé použity ke studiu lidského těla, se tato metoda lékařského zobrazování dramaticky změnila a nadále se rychle vyvíjí.

Technické vybavení a software se vylepšují, vyvíjejí se metody snímání obrazu a vyvíjejí se kontrastní látky pro magnetickou rezonanci. To umožňuje neustále nacházet nové oblasti použití magnetické rezonance. Pokud se zpočátku její aplikace omezovala na studium centrálního nervového systému, nyní se magnetická rezonance úspěšně používá téměř ve všech oblastech medicíny.

V roce 1946 skupiny výzkumníků ze Stanfordské a Harvardovy univerzity nezávisle na sobě objevily jev zvaný jaderná magnetická rezonance (NMR). Jeho podstatou bylo, že jádra některých atomů, nacházející se v magnetickém poli, jsou pod vlivem vnějšího elektromagnetického pole schopna absorbovat energii a poté ji vyzařovat ve formě rádiového signálu. Za tento objev získali F. Bloch a E. Parmel v roce 1952 Nobelovu cenu. Nový jev byl brzy použit pro spektrální analýzu biologických struktur (NMR spektroskopie). V roce 1973 Paul Rautenburg poprvé demonstroval možnost získání obrazu pomocí NMR signálů. Tak se objevila NMR tomografie. První NMR tomogramy vnitřních orgánů živého člověka byly demonstrovány v roce 1982 na Mezinárodním kongresu radiologů v Paříži.

Je třeba uvést dvě upřesnění. Přestože je metoda založena na jevu NMR, nazývá se magnetická rezonance (MR), bez slova „jaderná“. Děje se tak proto, aby pacienti neměli myšlenky na radioaktivitu spojenou s rozpadem atomových jader. A druhá okolnost: MR tomografy nejsou náhodou „naladěny“ na protony, tj. jádra vodíku. Tohoto prvku je v tkáních hodně a jeho jádra mají největší magnetický moment ze všech atomových jader, což určuje poměrně vysokou úroveň MR signálu.

Pokud v roce 1983 existovalo na světě jen několik zařízení vhodných pro klinický výzkum, pak na začátku roku 1996 bylo po celém světě v provozu asi 10 000 tomografů. Každý rok je do praxe zavedeno 1000 nových přístrojů. Více než 90 % parku MR-tomografů tvoří modely se supravodivými magnety (0,5-1,5 T). Je zajímavé poznamenat, že pokud se v polovině 80. let firmy - výrobci MR-tomografů řídily zásadou "čím vyšší pole, tím lépe" a zaměřovaly se na modely s polem 1,5 T a vyšším, pak na konci 80. let se ukázalo, že ve většině oblastí použití nemají oproti modelům s průměrnou intenzitou pole významné výhody. Hlavní výrobci MR tomografů (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker atd.) proto v současné době věnují velkou pozornost výrobě modelů se středním a dokonce nízkým polem, které se od systémů s vysokým polem liší svou kompaktností a hospodárností s uspokojivou kvalitou obrazu a výrazně nižšími náklady. Systémy s vysokým polem se používají především ve výzkumných centrech pro MR spektroskopii.

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

Princip metody magnetické rezonance

Hlavními součástmi MRI skeneru jsou: supersilný magnet, rádiový vysílač, přijímací rádiofrekvenční cívka, počítač a ovládací panel. Většina zařízení má magnetické pole s magnetickým momentem rovnoběžným s podélnou osou lidského těla. Síla magnetického pole se měří v teslasech (T). Pro klinickou MRI se používají pole o síle 0,2–1,5 T.

Když je pacient umístěn do silného magnetického pole, všechny protony, které jsou magnetickými dipóly, se otáčejí ve směru vnějšího pole (jako jehla kompasu orientovaná směrem k magnetickému poli Země). Kromě toho se magnetické osy každého protonu začnou otáčet kolem směru vnějšího magnetického pole. Tento specifický rotační pohyb se nazývá procesion a jeho frekvence se nazývá rezonanční frekvence. Když tělem pacienta procházejí krátké elektromagnetické radiofrekvenční impulsy, magnetické pole rádiových vln způsobí, že se magnetické momenty všech protonů otáčejí kolem magnetického momentu vnějšího pole. Aby k tomu došlo, musí být frekvence rádiových vln rovna rezonanční frekvenci protonů. Tento jev se nazývá magnetická rezonance. Aby se změnila orientace magnetických protonů, musí magnetická pole protonů a rádiových vln rezonovat, tj. mít stejnou frekvenci.

V tkáních pacienta se vytváří čistý magnetický moment: tkáně jsou zmagnetizovány a jejich magnetismus je orientován striktně rovnoběžně s vnějším magnetickým polem. Magnetismus je úměrný počtu protonů na jednotku objemu tkáně. Obrovský počet protonů (jader vodíku) obsažených ve většině tkání znamená, že čistý magnetický moment je dostatečně velký k indukci elektrického proudu v přijímací cívce umístěné vně pacienta. Tyto indukované MR signály se používají k rekonstrukci MR obrazu.

Proces přechodu elektronů jádra z excitovaného stavu do rovnovážného stavu se nazývá proces spin-mřížkové relaxace nebo longitudinální relaxace. Je charakterizován T1 - spin-mřížkovou relaxační dobou - dobou potřebnou k přechodu 63 % jader do rovnovážného stavu po jejich excitaci 90° pulzem. Rozlišuje se také T2 - spin-spinová relaxační doba.

Existuje několik metod pro získání MR tomogramů. Liší se pořadím a povahou generování radiofrekvenčních pulzů a metodami analýzy MR signálu. Dvě nejpoužívanější metody jsou spin-lattice a spin-echo. Spin-lattice analyzuje hlavně relaxační čas T1. Různé tkáně (šedá a bílá hmota mozku, mozkomíšní mok, nádorová tkáň, chrupavka, svaly atd.) obsahují protony s různými relaxačními časy T1. Intenzita MR signálu souvisí s dobou trvání T1: čím kratší je T1, tím intenzivnější je MR signál a tím jasnější se daná oblast obrazu jeví na televizním monitoru. Tuková tkáň je na MR tomogramech bílá, následovaná mozkem a míchou, hustými vnitřními orgány, cévními stěnami a svaly v sestupném pořadí podle intenzity MR signálu. Vzduch, kosti a kalcifikace prakticky neprodukují MR signál, a proto jsou zobrazeny černě. Tyto vztahy relaxačních časů T1 vytvářejí předpoklady pro vizualizaci normálních a změněných tkání na MRI snímcích.

V jiné metodě magnetické rezonance, nazývané spin-echo, je na pacienta vysílána série radiofrekvenčních pulzů, které otáčejí precesující protony o 90°. Po ukončení pulzů se zaznamenávají signály odpovědi na magnetickou rezonanci. Intenzita signálu odpovědi však souvisí s dobou trvání T2 odlišně: čím kratší je T2, tím slabší je signál a v důsledku toho nižší je jas záře na obrazovce televizního monitoru. Výsledný obraz magnetické rezonance s použitím metody T2 je tedy opačný než snímek s použitím metody T1 (protože negativní obraz je opakem pozitivního).

MRI tomogramy zobrazují měkké tkáně lépe než CT vyšetření: svaly, tukové vrstvy, chrupavky a cévy. Některá zařízení dokáží vytvořit snímky cév bez injekčního podání kontrastní látky (MRI angiografie). Vzhledem k nízkému obsahu vody v kostní tkáni nevytváří tato látka stínící efekt, jako je tomu u rentgenového CT vyšetření, tj. neruší obraz například míchy, meziobratlových plotének atd. Jádra vodíku samozřejmě nejsou obsažena pouze ve vodě, ale v kostní tkáni jsou fixována ve velmi velkých molekulách a hustých strukturách a neruší MRI vyšetření.

Výhody a nevýhody magnetické rezonance (MRI)

Mezi hlavní výhody MRI patří neinvazivita, neškodnost (žádná radiační expozice), trojrozměrný charakter snímání obrazu, přirozený kontrast od pohybující se krve, absence artefaktů z kostní tkáně, vysoká diferenciace měkkých tkání, možnost provádět MP spektroskopii pro studie metabolismu tkání in vivo. MRI umožňuje získávat obrazy tenkých vrstev lidského těla v libovolném řezu - ve frontální, sagitální, axiální a šikmé rovině. Je možné rekonstruovat volumetrické obrazy orgánů, synchronizovat snímání tomogramů se zuby elektrokardiogramu.

Mezi hlavní nevýhody obvykle patří relativně dlouhá doba potřebná k získání snímků (obvykle minuty), která vede k výskytu artefaktů z dýchacích pohybů (to snižuje zejména účinnost vyšetření plic), arytmie (při vyšetření srdce), nemožnost spolehlivě detekovat kameny, kalcifikace, některé typy kostních patologií, vysoká cena zařízení a jeho provoz, zvláštní požadavky na prostory, ve kterých se přístroje nacházejí (stínění před rušením), nemožnost vyšetřovat pacienty s klaustrofobií, umělé kardiostimulátory, velké kovové implantáty vyrobené z nelékařských kovů.

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

Kontrastní látky pro MRI

Na počátku používání magnetické rezonance (MRI) se věřilo, že přirozený kontrast mezi různými tkáněmi eliminuje potřebu kontrastních látek. Brzy se zjistilo, že rozdíl v signálech mezi různými tkáněmi, tj. kontrast MR obrazu, lze pomocí kontrastních látek výrazně zlepšit. Když se první MR kontrastní látka (obsahující paramagnetické ionty gadolinia) stala komerčně dostupnou, diagnostický informační obsah MRI se výrazně zvýšil. Podstatou použití MR kontrastních látek je změna magnetických parametrů tkání a orgánů, tj. změna relaxační doby (TR) protonů T1 a T2. Dnes existuje několik klasifikací MR kontrastních látek (nebo spíše kontrastních látek - KA).

Podle převládajícího vlivu na relaxační dobu se MR-KA dělí na:

• T1-CA, které zkracují T1 a tím zvyšují intenzitu signálu tkáňového MP. Nazývají se také pozitivní CA.
• T2-CA, které zkracují T2 a snižují intenzitu MR signálu. Jedná se o negativní CA.

V závislosti na jejich magnetických vlastnostech se MR-CA dělí na paramagnetické a superparamagnetické:

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

Paramagnetické kontrastní látky

Paramagnetické vlastnosti mají atomy s jedním nebo více nepárovými elektrony. Jedná se o magnetické ionty gadolinia (Gd), chromu, niklu, železa a manganu. Sloučeniny gadolinia nalezly nejširší klinické uplatnění. Kontrastní účinek gadolinia je dán zkrácením relaxační doby T1 a T2. V nízkých dávkách převládá vliv na T1, což zvyšuje intenzitu signálu. Ve vysokých dávkách převládá vliv na T2, což snižuje intenzitu signálu. Paramagnety se nyní v klinické diagnostické praxi nejčastěji používají.

Superparamagnetické kontrastní látky

Dominantním účinkem superparamagnetického oxidu železa je zkrácení relaxace T2. Se zvyšující se dávkou dochází ke snížení intenzity signálu. Do této skupiny KA lze zařadit i feromagnetické KA, mezi které patří feromagnetické oxidy železa strukturně podobné magnetitovému feritu _{( Fe2}⁺ OFe23 ⁺ O3 ) _.

Následující klasifikace je založena na farmakokinetice CA (Sergeev PV et al., 1995):

• extracelulární (tkáňově nespecifické);
• gastrointestinální;
• organotropní (tkáňově specifické);
• makromolekulární, které se používají k určení cévního prostoru.

Na Ukrajině jsou známé čtyři MR-CA, což jsou extracelulární ve vodě rozpustné paramagnetické CA, z nichž se široce používá gadodiamid a kyselina gadopentetová. Zbývající skupiny CA (2-4) procházejí klinickými studiemi v zahraničí.

Extracelulární ve vodě rozpustný MR-CA

Mezinárodní název	Chemický vzorec	Struktura
Kyselina gadopentetová	Gadolinium-dimeglumin-diethylentriamin-penta-acetát ((NMG)2Gd-DTPA)	Lineární, iontové
Kyselina gadoterová	(NMG)Gd-DOTA	Cyklické, iontové
Gadodiamid	Gadolinium-diethylentriamin-pentaacetát-bis-methylamid (Gd-DTPA-BMA)	Lineární, neiontový
Gadoteridol	Gd-HP-D03A	Cyklický, neiontový

Extracelulární CA se podávají intravenózně, 98 % z nich se vylučuje ledvinami, nepronikají hematoencefalickou bariérou, mají nízkou toxicitu a patří do skupiny paramagnetických látek.

Kontraindikace k magnetické rezonanci

Absolutní kontraindikace zahrnují stavy, kdy vyšetření ohrožuje život pacientů. Například přítomnost implantátů, které jsou aktivovány elektronicky, magneticky nebo mechanicky – jedná se především o umělé kardiostimulátory. Vystavení radiofrekvenčnímu záření z magnetické rezonance může narušit funkci kardiostimulátoru pracujícího v systému požadavku, protože změny magnetických polí mohou napodobovat srdeční činnost. Magnetická přitažlivost může také způsobit posun kardiostimulátoru ve svém lůžku a pohyb elektrod. Magnetické pole navíc vytváří překážky pro funkci feromagnetických nebo elektronických implantátů středního ucha. Přítomnost umělých srdečních chlopní je nebezpečná a je absolutní kontraindikací pouze při vyšetření na magnetických rezonancích s vysokými poli a pokud je klinicky podezření na poškození chlopně. Mezi absolutní kontraindikace vyšetření patří také přítomnost malých kovových chirurgických implantátů (hemostatických svorek) v centrálním nervovém systému, protože jejich posunutí v důsledku magnetické přitažlivosti ohrožuje krvácení. Jejich přítomnost v jiných částech těla představuje menší hrozbu, protože po léčbě fibróza a zapouzdření svorek pomáhají udržet je stabilní. Kromě potenciálního nebezpečí však přítomnost kovových implantátů s magnetickými vlastnostmi v každém případě způsobuje artefakty, které ztěžují interpretaci výsledků studie.

Kontraindikace k magnetické rezonanci

Absolutní:	Relativní:
Kardiostimulátory	Jiné stimulanty (inzulínové pumpy, nervové stimulátory)
Feromagnetické nebo elektronické implantáty středního ucha	Neferomagnetické implantáty vnitřního ucha, protézy srdečních chlopní (ve vysokých polích, pokud je podezření na dysfunkci)
Hemostatické klipy mozkových cév	Hemostatické klipy v jiných lokalizacích, dekompenzované srdeční selhání, těhotenství, klaustrofobie, potřeba fyziologického monitorování

Mezi relativní kontraindikace, kromě výše uvedených, patří dekompenzované srdeční selhání, potřeba fyziologického monitorování (mechanická plicní ventilace, elektrické infuzní pumpy). Klaustrofobie je překážkou pro vyšetření v 1–4 % případů. Lze ji překonat jednak použitím zařízení s otevřenými magnety, jednak podrobným vysvětlením zařízení a průběhu vyšetření. Neexistují žádné důkazy o škodlivém účinku magnetické rezonance na embryo nebo plod, ale doporučuje se vyhnout se magnetické rezonanci v prvním trimestru těhotenství. Použití magnetické rezonance během těhotenství je indikováno v případech, kdy jiné neionizující diagnostické zobrazovací metody neposkytují uspokojivé informace. Vyšetření magnetickou rezonancí vyžaduje větší účast pacienta než počítačová tomografie, protože pohyby pacienta během vyšetření mají mnohem větší vliv na kvalitu snímků, takže vyšetření pacientů s akutní patologií, poruchami vědomí, spastickými stavy, demencí, stejně jako dětí, je často obtížné.

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