Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe - ebook

Składam serdeczne podziękowanie za trud recenzji Panom: prof. dr. hab. A. Dobkowi z Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu, prof. dr. hab. R. Bilskiemu z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Dziękuję Pani Iwonie Żuk za komputerowe opracowanie rycin.

Dziękuję również firmom: Toshiba, Siemens, General Electric za wyrażenie zgody na publikacje obrazów MR oraz autorom,

których prace zacytowałem w książce.

Toshiba: ryc. 16.2, 16.3, 16.4, 16.7, 16.8, 16.9, 16.11, 16.12, 16.13,

16.14, 16.15, 16.16. Siemens: ryc. 9.4. General Electric: ryc. 11.2, 13.4.

AutorWstęp

W roku 1895 W. K. Roentgen uzyskał pierwszy obraz radiologiczny kończyn człowieka. Od tego czasu metoda obrazowania z udziałem promieniowania Roent­gena (X) była ciągle doskonalona; wymownym tego świadectwem jest obecnie powszechnie stosowana tomografia komputerowa (CT). Powstały i roz­wijają się również inne metody obrazowania narządów wewnętrznych ciała bez naruszania jego ciągłości, jak np. pozytonowa tomografia emisyjna (PET), cyfrowa angiografia różnicowa (DSA), ultrasonografia (USG), tomografia NMR. Główną rolę w tych metodach spełnia obecnie tomografia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) – zwana też zeugmatografią lub, najczęściej, metodą MRI (Magnetic Resonance Imaging) – czyli obrazowanie na podstawie zjawis­ka magnetycznego rezonansu jądrowego. Szerokie, a także zupełnie nowe moż­liwości diagnostyczne i poznawcze tomografii NMR oraz jej nieinwazyjność spowodowały, że wzbudza ona zainteresowanie wielu laboratoriów na świecie i rozpowszechnia się niezwykle szybko. Zjawisko NMR zostało wykryte w roku 1946, przez niezależnie pracujące zespoły Blocha i Purcella , którym przyznano za to nagrodę Nobla w 1952 roku. Zostało ono wkrótce zastosowane w fizyce do badania właściwości jąder atomowych oraz w chemii organicznej i biochemii do badania struktury i dynamiki cząsteczek organicznych jako spektroskopia NMR.

Ogromny postęp (zwiększenie czułości i rozdzielczości) w rozwoju spektroskopii NMR nastąpił wraz z wprowadzeniem metody impulsowej badania rezonansu oraz zastosowaniem przekształcenia Fouriera do analizy sygnałów (R. Ernst, 1996 r.).

Tomografia NMR umożliwia uzyskiwanie map rozkładu (topografii) gęsto­ści, przede wszystkim jąder atomów wodoru (protonów) oraz tzw. czasów relaksacji tych protonów, na dowolnie wybranym przekroju ciała. Wodór wchodzi w skład wody, zawartej w dużych ilościach w organizmach żywych (60–70%), a także jest składnikiem wszystkich związków organicznych; szcze­gólnie dużo wodoru wykazują tłuszcze. Uzyskana informacja o jego rozkładzie wewnątrz organizmu jest parametrem obrazów różnicującym tkanki pod wzglę­dem stopnia ich uwodnienia lub zawartości tłuszczu. Gęstość protonów i (lub) czasy relaksacji są odwzorowane poprzez jasność świecenia (stopień szarości) punktów takiej mapy, podobnie jak w metodzie CT stopień szarości odwzoro­wuje pochłanianie promieniowania Roentgena. Rozpoznanie wielu zmian cho­robowych, jak np. różnego rodzaju guzów, obrzęku, zawału, zatoru, krwiaka, tętniaka, stłuczenia i wielu innych jest możliwe dzięki „sekcji bez sekcji”. Na uwagę zasługuje fakt, że metoda tomografii NMR zapewnia kontrastowe obra­zy tkanek miękkich; substancja biała i szara w mózgu daje się dobrze rozróżnić. Metoda ta nie tylko lepiej ukazuje szczegóły anatomiczne niż tomografia kom­puterowa (CT), ale ujawnia dokładniej różnice pomiędzy zdrową i chorobowo zmienioną tkanką. Co więcej, rezonans wykazują nie tylko protony, ale również niektóre inne jądra, np. fosforu ³¹P; umożliwia to określenie zawartości ATP, fosfokreatyny, a pośrednio nawet pH w wybranych obszarach organizmu; od­powiednia dziedzina badań nazywana jest spektroskopią NMR in vivo. Po­wstały zatem możliwości badania zaburzeń metabolizmu in vivo, co znalazło już zastosowanie w badaniach niedotlenienia mózgu, metabolizmu mięśnia serco­wego i wątroby, dystrofii mięśniowych i innych miopatii.

Pierwsze badania organizmów żywych wykonane techniką NMR zostały przeprowadzone w 1971 roku, kiedy to Damadian wykazał różnice czasów relaksacji protonów cząsteczek wody w fizjologicznych i zmienionych nowotworowo tkankach szczura. W 1973 roku Lauterbur opracował metodę przestrzennej lokalizacji sygnałów NMR, stwarzając podstawy rekonstrukcji obrazów badanego obiektu. Dzięki temu pierwsze obrazy NMR przekrojów ludzkiego nadgarstka uzyskano w 1977 roku . Od tego czasu datuje się rozwój produkcji urządzeń do badań metodą NMR. Początkowo najlepsze rezultaty uzyskano w obrazowaniu mózgu , obecnie wszystkie narządy i tkanki stały się dostępne do badań metodą MRI .

Zjawisko NMR jest złożone, tomograf NMR jest zaś urządzeniem skompliko­wanym; w tej dziedzinie wysoce użyteczne dla medycyny są fizyka i informatyka. Tomografy NMR produkuje obecnie kilkanaście firm: Bruker, General Electric, Philips, Picker, Siemens, Toshiba i inne, ale na ich budowę mogą pozwolić sobie jedynie firmy o dużym doświadczeniu elektronicznym. Tomografy NMR stano­wią już, pomimo wysokiej ceny, standardowe wyposażenie klinik, a nawet prywa­tnych gabinetów lekarzy. W Polsce zainstalowanych jest obecnie około 100 takich urządzeń. Należy szczególnie podkreś­lić, że w metodzie NMR nie używa się wysoce szkodliwych czynników – promie­niowania jonizującego X ani pierwiastków radioaktywnych, stosuje się w niej pola magnetyczne i fale elektromagnetyczne z zakresu radiowego – czynniki bezpiecz­ne dla pacjentów i personelu. Metoda NMR jest całkowicie bezpieczna (nieinwa­zyjna) i znajduje obecnie szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej.

Celem tej publikacji jest zapoznanie Czytelników ze zjawiskiem jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, z koncepcją spektroskopii NMR, przejściem od spektroskopii NMR do tomo­grafii NMR, jak też ukazanie właściwości i szerokich możliwości diagnostycznych tej nowej metody obrazowania. Wystarczy wspomnieć o możliwości wizualizacji ośrodków pobudzenia kory mózgowej przez stymulację zewnętrzną (światło, dźwięk), jak również wewnętrzną, wywołaną procesem mowy, a nawet wyobraźni.

Szczególnie dużo uwagi poświęcono, ważnym z biologicznego punktu wi­dzenia, czasom relaksacji. Cytowane piśmiennictwo ułatwi zainteresowanym dostęp do informacji źródłowych z zakresu działania, budowy i możliwości diagnostycznych metody MRI. Książka jest przeznaczona głównie dla studen­tów medycyny, może być również lekturą wstępną w zakresie obrazowania magnetyczno-rezonansowego dla lekarzy różnych specjalności. Poznanie szcze­gółów metody NMR umożliwi lekarzowi stosowanie jej według własnej inwen­cji, gdyż zawiera ona potencjalnie olbrzymie możliwości diagnostyczne i po­znawcze. „Piękno” metody tomografii NMR wynagrodzi Czytelnikowi intelek­tualny wysiłek wniesiony w jej poznanie.1 Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR), jak sama nazwa wskazuje, dotyczy jąder atomowych i jest podstawą spektroskopii i tomografii NMR. Na pierwszy rzut oka wydaje się „dziwne”, że właściwości jąder mogą być źródłem informacji o tym, co dzieje się w powłokach elektronowych atomów i cząsteczek. A jednak jądro może oddziaływać z innymi jądrami i powłokami elektronowymi – z oto­czeniem, co jest źródłem informacji uzyskiwanych w spektroskopii i tomografii NMR. Warto nadmienić, że rok wcześniej od wykrycia fenomenu NMR wykryto podobne zjawisko, dotyczące jednak elektronów – elektronowy rezonans para­magnetyczny (EPR) lub inaczej – elektronowy rezonans spinowy (ESR). Zjawis­ko to jest podstawą spektroskopii ESR, która znalazła szerokie zastosowanie również w biologii i medycynie jako czuła metoda bezpośredniego wykrywania wolnych rodników. Metoda EPR nie doczekała się jeszcze tomografii w sensie tomografii NMR. Główną przeszkodą w realizacji tego pomysłu jest używana w metodzie EPR krótka długość fali – zakres mikrofal, które są silnie pochłania­ne przez wodę i nie mogą wnikać do wnętrza organizmu. Prace związane z tym problemem prowadzi się jednak w wielu ośrodkach na świecie, a obecnie jest już możliwe obrazowanie sygnałów EPR z niewielkich obszarów tkanek i obiektów, np. małych zwierząt .

Tomografia NMR różni się od spektroskopii NMR tym, że ta ostatnia ogranicza się do badań in vitro w próbkach o objętościach około 1 cm³ lub in vivo na małych obszarach organizmu, natomiast tomografia daje możliwości badania całego organizmu in vivo, w tym ludzkiego. Przejście od spektroskopii NMR do tomografii NMR stało się możliwe głównie dzięki dwóm czynnikom – powstaniu impulsowej spektroskopii NMR oraz zastosowaniu komputerów do rozwiązania tego problemu.

Podamy teraz szereg potrzebnych informacji, zanim poznamy bliżej zjawis­ko NMR.

1.1. Moment pędu i moment magnetyczny jądra atomu

Przypomnijmy definicję momentu pędu i momentu magnetycznego , gdyż będą one często występować w dalszych rozważaniach prowadzących do wyjaś­nienia istoty zjawiska NMR.

Rozpatrzmy w tym celu obiekt (kulkę) o masie m, który porusza się z pręd­kością po okręgu o promieniu (ryc. l.l a).

Rycina 1.1. Ilustracja do objaśnienia definicji momentu pędu i momentu magnetycz­nego .

Moment pędu w takim ruchu określamy jako iloczyn pędu m i promie­nia , czyli = × m. jest to wielkość wektorowa, której kierunek i zwrot wyznacza reguła śruby prawoskrętnej, jak to pokazano na rycinie l.l a, a wartość K = mvR.

Jeżeli poruszająca się masa posiada ładunek elektryczny, to ruch taki stanowi zamknięty obwód prądu powodujący powstawanie pola magnetycznego; można zatem traktować taki układ jako mały magnes o dwu biegunach NS – dipol magnetyczny; wiadomo bowiem, że jedynym (pierwotnym) powodem powstawania pola magnetycznego jest ruch ładunku elektrycznego. Właściwości takiego magne­su opisuje się poprzez moment magnetyczny dipolu , zdefiniowanego jako iloczyn natężenia prądu i pola powierzchni zamkniętego obwodu prądowego. Kierunek i zwrot momentu magnetycznego przyjmuje się jak pokazano na rycinie 1.1 b. Jeżeli weźmiemy pod uwagę w tym względzie atom wodoru (w ujęciu klasycznym, model planetarny), to ma on momenty ₀ i ₀ wynikające z ruchu elektronu dookoła jądra (orbitalne) i momenty _(s) i _(s) wynikające z wirowego ruchu elektronu dookoła własnej osi (spinowe) oraz momenty i jądra, którymi będziemy się bliżej interesować. Moment pędu jądra nazywa się spinem jądrowym (uwaga! w żargo­nie naukowym spinem jądrowym nazywa się też moment magnetyczny jądra ). Jego wartość (skwantowana) dla różnych jąder wynosi , gdzie I – tzw. jądrowa liczba spinowa, h – stała Plancka, ħ = h/2π.

Dla jąder atomu wodoru czyli protonów I = ¹/₂. Dla innych jąder liczba spinowa I może przyjmować wartości: 0, ^(l)/₂, 1,³/₂, ... 6. Zjawisko NMR można obserwować tylko dla jąder, których liczba I jest różna od zera. Oprócz inte­resującego nas jądra wodoru mogą to być np. izotopy: ²³Na, ³¹P, ¹³C, ^(l9)F. Warto nadmienić, że występujący często w związkach organicznych tlen ¹⁶0 i węgiel ^(I2)C posiadają spiny jądrowe równe zeru i nie są one dostępne do badania metodą NMR.