Przez blisko 30 lat, rezonans magnetyczny używany był do laboratoryjnych analiz chemicznych i fizycznych cząstek. W roku 1971, Raymond Damadian dostrzegł różnice w zachowaniu (różny czas relaksacji1, tkanki zdrowej i nowotworowej. Stanowiło to potężny impuls do prac nad możliwością wykorzystania rezonansu do medycznego obrazowania diagnostycznego. Pierwszy system diagnostyczny, nazwany NMR2, powstał w roku 1977. Kolejne etapy rozwoju tej technologii, nazywanej MRI (magnetic resonanse imaging, , związane są z możliwościami matematycznych przekształceń danych uzyskiwanych w czasie badania co stało się możliwe przy wykorzystaniu do tego celu szybko rozwijającej się informatyki.
Diagnostyczne systemy MRI
Szukasz Rezonansu Magnetycznego? Złóż zapytanie ofertowe
Diagnostyczne systemy MRI stosowane są do wizualizacji zarówno struktur ciała (pacjenta, jak i procesów zachodzących w tym ciele (fMRI, . Obrazy uzyskiwane z systemów MRI charakteryzują się wysoką rozdzielczością i dużym (w porównaniu do CT, kontrastem tkanek miękkich. Obrazowanie MRI stosowane jest najczęściej w neurologii (szczególnie do badania mózgu, , ortopedii i badaniach onkologicznych. W świetle obecnej wiedzy, badanie diagnostyczne MRI nie jest związane ze skutkami ubocznymi.
Konstrukcja systemu MRI przypomina nieco konstrukcję systemu CT. Podczas badania, pacjent umieszczany jest w zespole diagnostycznym (gantry, , zawierającym magnes i cewki. Badanie diagnostyczne z użyciem systemu MRI składa się z trzech faz, które w znacznym uproszczeniu można opisać w następujący sposób:
*faza wstępna – umieszczenia pacjenta na stole, który wsuwany jest do wnętrza gantry, gdzie panuje jednorodne pole magnetyczne, w zależności od modelu aparatu od 0,2 do 3,0 T3. Generalnie, im wyższe natężenie pola magnetycznego systemu MRI, tym większa rozdzielczość obrazu4 i krótszy czas badania. Warto w tym miejscu dodać, że w zależności od położenia, natężenie naturalnego pola magnetycznego kuli ziemskiej wynosi „tylko” od 30 do 60 mikrotesli. Uzyskanie tak silnego pola magnetycznego w systemach MRI możliwe jest na trzy sposoby:
*magnes stały – Magnes wykonany z materiału ferromagnetycznego umożliwia uzyskanie ograniczonego natężenia pola magnetycznego (zwykle poniżej 0,4 T, , o relatywnie (w porównaniu do elektromagnesu nadprzewodzacego5, niskiej stabilności i jednorodności. Inną, negatywną cechą takiej konstrukcji jest ciężar magnesu, który w ekstremalnym przypadku może być równy 100 ton. Zaletą systemu MRI z magnesem stałym jest relatywnie (w porównaniu do elektromagnesu nadprzewodzącego, niski koszt eksploatacji.
*elektromagnes – Silne pole magnetyczne jest w tej konstrukcji uzyskane z wykorzystaniem cewki przewodzącej prąd elektryczny. Koszt eksploatacji systemu MRI z elektromagnesem jest znaczący, ze względu na dużą ilość energii elektrycznej jaką pobiera elektromagnes. Z tego powodu, jak również z uwagi na ograniczone natężenie pola magnetycznego i jego niezadowalającą stabilność, systemy MRI z elektromagnesem uznawane są za przestarzałe.
*elektromagnes nadprzewodzący – W tym rozwiązaniu, źródłem pola magnetycznego jest elektromagnes zanurzony w ciekłym helu o temperaturze 4K (tj. -269°C, . Cewka wykonana ze stopu niobu z tytanem traci w tej temperaturze rezystancję, pozwalając na bezstratny przepływ prądu o dużym natężeniu, co z kolei umożliwia uzyskanie dużego natężenia pola magnetycznego o dużej stabilności. Mimo wysokiego kosztu eksploatacji, systemy MRI z elektromagnesem nadprzewodzącym są powszechnie stosowane.
W dostępnych na rynku systemach MRI, magnesy mogą mieć różne kształty. Zwykle magnesy stałe wykorzystywane są do otwartych konstrukcji gantry, a magnesy nadprzewodzące do gantry cylindrycznej. Umieszczenie pacjenta w silnym polu magnetycznym daje efekt uporządkowania – normalnie bezładnych – spinów6 atomów wodoru7. Będą one wirować utrzymując kierunek pola, a częstotliwość ich wirowania nosi nazwę częstotliwości Larmora.
*faza aktywacji – W tej fazie, na statyczne pole magnetyczne nałożone zostaje zmienne pole elektromagnetyczne o częstotliwości rezonansowej (Larmora8, , która to częstotliwość jest funkcją natężenia pola magnetycznego. Cewka umieszczona w gantry generuje krótki impuls pola elektromagnetycznego, skierowanego prostopadle do kierunku pola pochodzącego z magnesu stałego. Jądra wodoru pochłaniają energię tego pola i odchylają się od kierunku narzuconego stałym polem magnetycznym.
*faza relaksacji – W tej fazie, cewki elektromagnesu zmieniają swoją rolę – już nie emitują pola elektromagnetycznego (nadajnik, , lecz stają się odbiornikami energii emitowanej przez pojedyncze jądra atomu, które po fazie aktywacji, wracają do położenia narzuconego stałym polem magnetycznym. Ów powrót oznacza emisję sygnału w dwóch kierunkach: w kierunku pola (czas relaksacji podłużnej T1, i w kierunku prostopadłym do pola (czas relaksacji poprzecznej T2, . Czasy T1 i T2 różnią się zarówno ze względu na fizykę opisanego zjawiska, jak też ze względu na gęstość protonów w tkance. Ta różnica, pozwala na rekonstrukcję przekroju ciała (pacjenta, , w tym także zachodzących w nim procesów chorobowych. Wybór „przekroju” z którego zbierana jest informacja, wymaga zastosowania dodatkowej cewki zewnętrznej, dającej efekt gradientu pola poprzecznego.
Obrazowanie diagnostyczne z wykorzystaniem systemów MRI jest kosztowną technologią medyczną. System o natężeniu stałego pola magnetycznego 1,5 T kosztuje od 3,0 do 4,5 mln złotych, a system z magnesem 2 T od 5,0 do 6,5 mln zł. Do tego należy dodać koszt instalacji systemu – adaptacja i ekranowanie pomieszczenia w którym zainstalowany jest system oraz koszt jego eksploatacji – rocznie około 20 – 25% wartości zakupu. Mimo to, obrazowanie z wykorzystaniem systemów MRI staje się standardem diagnostycznym w wielu chorobach lub wręcz jedyną dostępną technologią. Na przykład, fMRI pozwala na ocenę aktywności neuronów w mózgu. Wykorzystywany jest w tym celu mechanizm nazwany BOLD (blood-oxygen-level-dependend, , bazujący na zjawisku zwiększania ilości utlenionej hemoglobiny zgodnie z zapotrzebowaniem na tlen aktywnych neuronów.
Wszystko wskazuje na to, że systemy MRI znajdować będą coraz szersze zastosowania. Przykładem tego może być terapia MRgFUS9. W tej technologii, łączącej obrazowanie i terapię, efekt ablacji uzyskiwany jest poprzez skierowanie skupionej wiązki ultradźwięków na wykazującą zmiany chorobowe tkankę. Następuje punktowe podgrzanie komórek ciała – zidentyfikowanych jako chorobowe – do temperatury wyższej niż 65°C, czyli ich zniszczenie. System MRI dostarcza precyzyjny, trójwymiarowy obraz tkanki przeznaczonej do ablacji, a następnie pozwala na śledzenie „termicznych” efektów wykonywanej procedury. Unikalność tej technologii polega na możliwości ciągłego śledzenia procesu narastania temperatury tkanki na obrazie przy braku efektów ubocznych wizualizacji wykonywanej z wykorzystaniem MRI. Inną możliwością rozwoju systemów MRI jest wykorzystanie do obrazowania takich pierwiastków jak hel, węgiel, tlen, sód, fosfor i ksenon. Trwają badania nad systemami MRI które będą dostarczały obraz uzyskany z procesu rezonansu kilku różnych atomów (multinuclear imaging, .
Z punktu widzenia pacjenta, badanie z wykorzystaniem systemu MRI jest bezpieczne (brak efektów ubocznych, , jednak uciążliwe. Przebywanie w bezruchu przez czas badania (kilka do kilkunastu minut, w cylindrycznym otworze gantry oraz hałas związany z pracą cewek indukcyjnych (wprawdzie ograniczony przez wkładane do uszu stopery, jednak dobrze słyszalny, powodują, że w wielu przypadkach, systemy rezonansu z otwartym magnesem wydają się „lepsze” niż z magnesem cylindrycznym. Z punktu widzenia personelu medycznego, problem jest bardziej złożony. Po pierwsze, należy mieć pewność, że badany pacjent nie ma wszczepionych implantów – szczególnie dowolnego rodzaju rozrusznika serca, implantu ślimakowego lub implantu ortopedycznego. Wprowadzenie takiego pacjenta już w bezpośrednie sąsiedztwo silnego pola magnetycznego i elektromagnetycznego może spowodować bardzo poważne niebezpieczeństwo. Innym wyzwaniem jest wykonywanie badania MRI u pacjentów, u których wspomagane są procesy życiowe – na przykład prowadzona jest sztuczna wentylacja płuc. W takim przypadku, cała aparatura medyczna musi być wykonana z materiałów nie wykazujących właściwości magnetycznych.
Inne artykuły o „rezonans magnetyczny”:
Rezonans magnetyczny – kosztowna inwestycja
