Magnetická rezonance Obrázek ukazující svislý průřez lidskou hlavou.
Magnetická rezonance (MRI) – také nazývaná magnetická rezonanční tomografie (MRT) – je metoda vytváření obrazů vnitřku neprůhledných orgánů v živých organismech, stejně jako detekce množství vázané vody v geologických strukturách. Používá se především k prokázání patologických nebo jiných fyziologických změn živých tkání a je běžně používanou formou lékařského zobrazování. MRI také našlo mnoho nových aplikací mimo lékařské a biologické oblasti, jako je propustnost hornin pro uhlovodíky a některé nedestruktivní testovací metody, jako je charakterizace kvality produkce a dřeva. Přístroje používané v medicíně jsou drahé, stojí přibližně 1 milion USD na Teslu za každou jednotku, s několika sty tisíci dolary ročně na údržbu.
Magnetická rezonance byla vyvinuta na základě poznatků získaných při studiu nukleární magnetické rezonance. Původní název pro lékařskou technologii je nukleární magnetická rezonance (NMRI), ale slovo nukleární je téměř všeobecně vynecháno. To se dělá proto, aby se předešlo negativním konotacím slova nukleární a aby se zabránilo pacientům spojovat vyšetření s ozářením, což není jedním z bezpečnostních problémů pro MRI. Vědci stále používají NMR při diskusích o jiných než lékařských přístrojích fungujících na stejných principech.
Animace sériových řezů lidským mozkem z magnetické rezonance, která začíná v horní části hlavy a směřuje k základně.
Lékařská magnetická rezonance nejčastěji spoléhá na relaxační vlastnosti excitovaných vodíkových jader ve vodě. Když je objekt, který má být zobrazen, umístěn v silném, stejnoměrném magnetickém poli, rotace atomových jader s nenulovými spinovými čísly uvnitř tkáně se všechny srovnají do jednoho ze dvou opačných směrů: paralelně k magnetickému poli nebo antiparalelně. Síla běžného magnetického pole se pohybuje od 0,5 do 3 Tesla, i když výzkumné přístroje dosahují až 20 Tesla a komerční dodavatelé investují do 7 platforem Tesla.
Pouze jedno z milionu jader se vyrovnává s magnetickým polem. Přesto obrovské množství jader v malém objemu součtu produkuje zjistitelnou změnu pole. Většina základních vysvětlení NMR a MRI řekne, že jádra se vyrovnávají paralelně nebo antiparalelně se statickým magnetickým polem; nicméně, kvůli kvantově mechanickým důvodům, které přesahují rámec tohoto článku, jsou jádra ve skutečnosti vyrovnána pod úhlem od směru statického magnetického pole.
Magnetický dipólový moment jader pak precesuje kolem axiálního pole. Zatímco poměr je téměř stejný, o něco více jich je orientováno v nízkoenergetickém úhlu. Frekvence, s níž dipólové momenty precesují, se nazývá Larmorova frekvence. Tkáň je pak krátce vystavena pulsům elektromagnetické energie (RF puls) v rovině kolmé k magnetickému poli, což způsobuje, že některá magneticky seřazená vodíková jádra nabývají dočasně neregulovaného vysokoenergetického stavu. Frekvence pulsů se řídí Larmorovou rovnicí.
Za účelem selektivního zobrazení různých pixelů (obrazových prvků) nebo voxelů (3D objemových prvků) daného materiálu se používají ortogonální magnetické gradienty. Ačkoli je relativně běžné aplikovat gradienty v hlavních osách pacienta (tak, že pacient je zobrazen v x, y a z od hlavy až k patě), MRI umožňuje zcela flexibilní orientaci obrazů. Veškeré prostorové kódování se získává aplikováním gradientů magnetického pole, které kódují polohu ve fázi signálu. V 1 dimenzi lze lineární fázi s ohledem na polohu získat sběrem dat v přítomnosti gradientu magnetického pole. Ve 3 dimenzích lze rovinu definovat „výběrem řezu“, ve které je aplikován RF puls definované šířky pásma v přítomnosti gradientu magnetického pole za účelem redukce prostorového kódování na 2 dimenze. Prostorové kódování pak lze aplikovat ve 2D po výběru řezu, nebo ve 3D bez výběru řezu. V obou případech je získána 2D nebo 3D matice prostorově kódovaných fází a tato data představují prostorové frekvence obrazového objektu. Obrázky mohou být vytvořeny ze získaných dat pomocí diskrétní Fourierovy transformace (DFT).
Pro pochopení kontrastu MRI je důležité mít nějaké pochopení časových konstant podílejících se na relaxačních procesech, které vytvářejí rovnováhu po RF excitaci. Jak se jádra s vysokou energií uvolňují a přeskupují, vyzařují energii rychlostí, která se zaznamenává, aby poskytly informace o svém okolí. Přeskupení jaderných spinů s magnetickým polem se nazývá podélné uvolnění a čas (typicky asi 1 sekunda) potřebný pro určité procento tkáňových jader k přeskupení se označuje jako „čas 1“ nebo T1. T2-vážené zobrazování spoléhá na lokální dephasing spinů po aplikaci příčného energetického pulsu; příčný relaxační čas (typicky < 100 ms pro tkáň) se označuje jako „čas 2“ nebo T2. Jemná, ale důležitá varianta T2 techniky se nazývá T2* zobrazování. Zatímco T2 zobrazování využívá „spinové echo“, což jsou radiofrekvenční pulzy, které přeorientují nehomogenity v magnetickém poli, T2* zobrazování obětuje určitou obrazovou integritu, aby poskytlo dodatečnou citlivost k relaxačním procesům, které způsobují nesoudržnost příčné magnetizace. Aplikace T2* zobrazování zahrnují funkci MRI (fMRI) nebo vyhodnocení základní perfuze (CBF a CBV) pomocí vstřikovaných činidel, jak je popsáno výše; v těchto případech existuje neodmyslitelný kompromis mezi kvalitou obrazu a citlivostí detekce.
Kontrast obrazu je vytvořen pomocí výběru parametrů pro získání obrazu, které váží signál pomocí T1, T2 nebo T2*, nebo žádný čas relaxace („protonové snímky hustoty“). V mozku T1-vážení způsobuje, že vláknové trakty (nervová spojení) vypadají bíle, shluky neuronů vypadají šedě a mozková míšní tekutina vypadá tmavě. Kontrast „bílé hmoty“, „šedé hmoty“ a „mozkové míšní tekutiny“ je obrácen pomocí T2 nebo T2* zobrazování, zatímco protonové snímkování poskytuje u normálních subjektů malý kontrast. Kromě toho mohou být funkční informace (CBF, CBV, okysličení krve) zakódovány do T1, T2 nebo T2*; viz funkční MRI (fMRI) a část níže.
Snímky s váhou T1 i T2 se získávají pro většinu lékařských vyšetření. Často se podává paramagnetická kontrastní látka, sloučenina gadolinia, a získávají se jak snímky s váhou T1 před kontrastem, tak snímky s váhou T1 po kontrastu. Injekce bolusové kontrastní látky spolu s rychlým zobrazováním umožňují odstranění mozkové perfuze; to je důležité zejména u pacientů, kteří vykazují příznaky cévní mozkové příhody. Informace poskytnuté klinicky schválenou kontrastní látkou navíc poskytují informace o integritě hematoencefalické bariéry, která zabraňuje úniku kontrastu u zdravých subjektů. Typické lékařské rozlišení je asi 1 mm3, zatímco výzkumné modely mohou přesáhnout 1 µm3.
V klinické praxi se magnetická rezonance používá k odlišení patologické tkáně (například mozkového nádoru) od tkáně normální. Jednou z výhod magnetické rezonance je, že podle současných lékařských poznatků je pro pacienta neškodná. Využívá silné magnetické pole a neionizující záření v radiofrekvenčním rozsahu. Srovnejte to s CT a tradičními rentgenovými snímky, které zahrnují dávky ionizujícího záření a mohou zvýšit pravděpodobnost malignity, zejména u dětí podstupujících vícečetná vyšetření.
Zatímco CT poskytuje dobré prostorové rozlišení (schopnost rozlišit dvě struktury libovolně malou vzdálenost od sebe jako samostatné), MRI poskytuje srovnatelné rozlišení s daleko lepším kontrastním rozlišením (schopnost rozlišit rozdíly mezi dvěma libovolně podobnými, ale ne identickými tkáněmi). Základem této schopnosti je komplexní knihovna pulzních sekvencí, kterou moderní lékařský MRI skener obsahuje a z níž každá je optimalizována tak, aby poskytovala kontrast obrazu na základě chemické citlivosti MRI.
Například u konkrétních hodnot echo času (TE) a repetition času (TR), které jsou základními parametry pořízení obrazu, nabude sekvence vlastnosti T2 vážení. Na T2 váženém snímku jsou tkáně obsahující vodu a tekutiny jasné (většina moderních T2 sekvencí jsou ve skutečnosti rychlé T2 sekvence, v tomto případě je tuk také jasný). Poškozená tkáň má tendenci ke vzniku edému, což činí T2 váženou sekvenci citlivou na patologii a obecně schopnou rozlišit patologickou tkáň od normální tkáně. S přidáním dalšího radiofrekvenčního pulzu a větší manipulací s magnetickými gradienty může být T2 vážená sekvence převedena na FLAIR (fluid light attenuation inversion recovery) sekvenci, ve které je nyní volná voda tmavá, ale edematózní tkáně zůstávají jasné. Tato sekvence je zejména v současné době nejcitlivějším způsobem hodnocení mozku na změny roztroušené sklerózy.
Typické MRI vyšetření se obvykle skládá z 5-20 sekvencí, z nichž každá je zvolena tak, aby poskytla určitý typ informací o sledovaných tkáních. Tyto informace pak interpretující lékař syntetizuje.
Přítomnost feromagnetického cizího tělesa (například fragmentů skořepiny) u subjektu nebo kovový implantát (jako chirurgické protézy nebo kardiostimulátory) může představovat (relativní nebo absolutní) kontraindikaci vůči MRI skenování: interakce magnetického a radiofrekvenčního pole s takovým objektem může vést k: traumatu v důsledku posunu objektu v magnetickém poli, tepelnému zranění z radiofrekvenční indukce ohřevu objektu nebo selhání implantovaného zařízení.
V důsledku velmi vysoké pevnosti magnetického pole potřebného k vytváření snímků (často až 3000krát vyšší než vlastní účinky magnetického pole Země) se v zařízeních MRI řeší několik vedlejších bezpečnostních problémů. Nehody způsobené raketovým efektem, kdy jsou feromagnetické předměty přitahovány do středu magnetu, mají za následek zranění a smrt. Z tohoto důvodu jsou v blízkosti skeneru MRI zakázány železné předměty a zařízení, přičemž nemagnetické verze mnoha těchto předmětů „bezpečné pro MRI“ si skenovací zařízení obvykle ponechává. Oproti očekáváním je magnet napájen po celou dobu, i když není používán. Kvůli tomu jsou často obětí magnetu stroje na čištění podlah. Nouzové vypnutí magnetu, operace známá jako „hasící“ operace, je nákladné a zahrnuje vypouštění kapalného hélia ze zařízení. Náhlé rozpínání unikající studené héliové kapaliny do její plynné formy a vytlačování kyslíku je samo o sobě rizikem.
Mnoho bezpečnostních otázek, včetně potenciálu pro interferenci biostimulačních zařízení, pohybu feromagnetických těles a náhodného lokálního ohřevu, bylo řešeno v „Bílé knize o bezpečnosti MR“ Americké radiologické akademie, která byla původně publikována v roce 2002 a rozšířena v roce 2004.
Difúzní MRI měří difúzi molekul vody v biologických tkáních. V izotropním médiu (například uvnitř sklenice vody) se molekuly vody přirozeně pohybují podle Brownova pohybu. V biologických tkáních je však difúze velmi často anizotropní. Například molekula uvnitř axonu neuronu má nízkou pravděpodobnost, že projde myelinovou membránou. Proto se molekula bude pohybovat zásadně podél osy nervového vlákna. Naopak pokud víme, že molekuly lokálně difúzují zásadně jedním směrem, můžeme předpokládat, že to odpovídá soustavě vláken.
Nedávný vývoj technologie Diffusion Tensor Imaging (DTI) umožňuje měřit difúzi ve více směrech (v současnosti až 99) a vypočítat zlomkovou anizotropii v každém směru pro každý voxel. To umožňuje výzkumníkům vytvářet axonální mapy pro zkoumání strukturální konektivity různých oblastí v mozku (traktografie) nebo zkoumat oblasti nervové degenerace a demyelinatonu u nemocí, jako je roztroušená skleróza.
Další aplikací difuzní magnetické rezonance je snímkování s difuzní váhou (DWI). Po ischemické cévní mozkové příhodě mozkové buňky odumírají. Spekuluje se, že výsledné oblasti s omezenou difuzí jsou detekovatelné. Tento nález se objevuje do 5-10 minut od nástupu příznaků cévní mozkové příhody (ve srovnání s počítačovou tomografií, která často nezjistí změny akutního infarktu po dobu až 4-6 hodin) a přetrvává až dva týdny. DWI sekvence jsou jako takové mimořádně citlivé na akutní cévní mozkovou příhodu.
Nakonec bylo navrženo, že difuzní magnetická rezonance může být schopna detekovat nepatrné změny v extracelulární difuzi vody, a proto by mohla být použita jako nástroj pro fMRI. Tělo nervové buňky se zvětšuje, když vede akční potenciál, a tím omezuje extracelulární molekuly vody od přirozeného difuzního procesu. Ačkoli tento proces teoreticky funguje, důkazy jsou jen mírně přesvědčivé.
Magnetická rezonanční angiografie
Magnetická rezonanční angiografie (MRA) se používá ke generování snímků tepen, za účelem jejich vyhodnocení na stenózu (abnormální zúžení) nebo výdutě (dilatace cévní stěny, riziko prasknutí). Hlavní použití MRA je k vyhodnocení tepen krku a mozku, hrudní a břišní aorty a ledvin. K generování snímků lze použít celou řadu technik, jako je podání paramagnetické kontrastní látky (jako je gadolinium) nebo použití techniky známé jako „posílení související s průtokem“ (např. 2D a 3D sekvence doby letu), kdy jediný signál na snímku je díky krvi, která se nedávno přesunula do této roviny. MRV je podobná procedura, která se používá k zobrazení žil. Při této metodě je nyní tkáň podrážděna dorsálně, zatímco signál je shromážděn v rovině bezprostředně ventrální k rovině podráždění, a tak je zobrazena žilní krev, která se nedávno přesunula z podrážděné roviny.
Magnetická rezonanční spektroskopie
Magnetická rezonanční spektroskopie (MRS), známá také jako MRSI (MRS Imaging) a Volume Selective NMR Spectroscopy, je technika, která kombinuje prostorově adresovatelnou povahu MRI se spektroskopicky bohatou informací získatelnou z nukleární magnetické rezonance (NMR). To znamená, že MRI umožňuje studovat určitou oblast v rámci organismu nebo vzorku, ale poskytuje poměrně málo informací o chemické nebo fyzikální povaze této oblasti – její hlavní hodnota spočívá v tom, že dokáže rozlišit vlastnosti této oblasti ve vztahu k vlastnostem okolních oblastí. MR spektroskopie však poskytuje množství chemických informací o této oblasti, stejně jako by poskytovalo spektrum NMR této oblasti.
Skenování fMRI ukazuje oblasti aktivace v oranžové barvě, včetně primární zrakové kůry (V1, BA17).
Funkční MRI (fMRI) měří změny signálu v mozku, které jsou způsobeny měnící se nervovou aktivitou. Mozek je snímán v nízkém rozlišení, ale rychlou rychlostí (obvykle jednou za 2-3 sekundy). Zvýšení nervové aktivity způsobuje změny v MR signálu prostřednictvím mechanismu zvaného BOLD (blood oxygen level-dependent effect). Zvýšená nervová aktivita způsobuje zvýšenou poptávku po kyslíku a cévní systém to ve skutečnosti nadměrně kompenzuje, čímž zvyšuje množství okysličeného hemoglobinu (hemoglobin) v porovnání s deoxygenovaným hemoglobinem. Protože deoxygenovaný hemoglobin MR signál zeslabuje, cévní odpověď vede ke zvýšení signálu, který souvisí s nervovou aktivitou. Přesná povaha vztahu mezi nervovou aktivitou a BOLD signálem je předmětem současného výzkumu. BOLD efekt také umožňuje generovat 3D mapy žilních cév v nervové tkáni s vysokým rozlišením.
Zatímco BOLD signál je nejběžnější metodou používanou pro neurovědecké studie u lidských subjektů, flexibilní povaha MR zobrazování poskytuje prostředky k senzibilizaci signálu na další aspekty krevního zásobení. Alternativní techniky využívají značení arteriální spin (ASL) nebo vážení MRI signálu cerebrálním krevním tokem (CBF) a mozkovým krevním objemem (CBV). Metoda CBV vyžaduje injekci třídy MRI kontrastních látek, které jsou nyní v klinických studiích u lidí. Protože se ukázalo, že tato metoda je mnohem citlivější než BOLD technika v předklinických studiích, může potenciálně rozšířit roli fMRI v klinických aplikacích. Metoda CBF poskytuje více kvantitativních informací než BOLD signál, i když s výraznou ztrátou detekční citlivosti.
Vzhledem k absenci škodlivých účinků na pacienta a operátora je MR vhodný pro „intervenční radiologii“, kdy se snímky vytvořené magnetickou rezonancí používají k intraoperačnímu a/nebo interaktivnímu vedení minimálně invazivního zákroku. Nemagnetické prostředí, které skener vyžaduje, a silná magnetická radiofrekvence a kvazi-statická pole generovaná hardwarem skeneru však vyžadují použití specializovaných přístrojů. Často se vyžaduje použití magnetu „s otevřeným otvorem“, který umožňuje operačnímu personálu lepší přístup k pacientům během operace. Takovéto magnety s otevřeným otvorem jsou často magnety s nižším polem, typicky v rozsahu 0,2 tesla, což snižuje jejich citlivost, ale také snižuje radiofrekvenční výkon potenciálně absorbovaný pacientem během vleklé operace. Magnetické systémy s vyšším polem se začínají používat v intraoperačních zobrazovacích soupravách, které mohou kombinovat MRI s vysokým polem s chirurgickým soupravou a dokonce CT v řadě vzájemně propojených místností. Speciální intervenční MR přístroje s vysokým polem, jako je systém IMRIS, mohou skutečně přinést magnet s vysokým polem k pacientovi v rámci operačního sálu, což umožňuje použití standardních chirurgických nástrojů, když je magnet v sousedním prostoru.
Simulace radiační terapie
Vzhledem k tomu, že MRI je lepší zobrazování měkkých tkání, je nyní využíváno pro specifickou lokalizaci nádorů v těle při přípravě na léčbu radiační terapií. Pro simulaci terapie je pacient umístěn do specifické, reprodukovatelné, polohy těla a skenován. MRI systém pak vypočítá přesné umístění, tvar a orientaci nádorové hmoty, korekce pro případné prostorové zkreslení vlastní systému. Pacient je pak označen nebo tetován body, které v kombinaci s konkrétní polohou těla, umožní přesnou triangulaci pro radiační terapii.
Zobrazování proudové hustoty je podvětev MRI, která se snaží využít informace o fázi z MRI snímků k rekonstrukci proudové hustoty v rámci subjektu. Zobrazování proudové hustoty funguje, protože elektrické proudy vytvářejí magnetická pole, která následně ovlivňují fázi magnetických dipólů během zobrazovací sekvence. Dosud nebylo provedeno žádné úspěšné CDI pomocí biologických proudů, nicméně bylo publikováno několik studií, které zahrnují aplikované proudy prostřednictvím páru elektrod.
S ohledem na zásadní význam a použitelnost magnetické rezonance v lékařské oblasti byli Paul Lauterbur a Sir Peter Mansfield v roce 2003 oceněni Nobelovou cenou za medicínu za své objevy týkající se magnetické rezonance. Lauterbur objevil, že gradienty v magnetickém poli mohou být použity k vytváření dvojrozměrných snímků. Mansfield analyzoval gradienty matematicky. V kontroverzním rozhodnutí Nobelův výbor pohrdl průkopníkem magnetické rezonance Raymondem V. Damadianem, ačkoli Nobelova pravidla umožňovala, aby ocenění bylo sdíleno s třetí osobou. Brzy po oznámení Damadian vytáhl drahé celostránkové inzeráty ve velkých novinách na protest proti tomuto rozhodnutí (text inzerátu New York Times).
Raymond Damadian „Přístroj a metoda pro detekci rakoviny v tkáni.“
V roce 1974 si Damadian nechal patentovat návrh a použití NMR (US Patent 3 789 832 ) pro detekci rakoviny. Tento patent nepopisoval metodu pro generování snímků; nicméně v roce 1997 úspěšně zažaloval General Electric za protiprávní jednání a obdržel odměnu ve výši 129 milionů dolarů. Později se mimosoudně vyrovnal s dalšími miliony od jiných výrobců snímačů MRI. V roce 1980 vyrobil první komerční snímač MRI, ačkoliv se přístroj nepodařilo prodat a nikdy nebyl klinicky používán.
Při záznamu historie MRI, Mattson a Simon (1996) připisují Damadianovi na vrub popis konceptu celotělového NMR skenování, stejně jako objevení NMR relaxačních rozdílů tkáně, které to umožnily. V roce 2001, program Lemelson-MIT udělil svou cenu za celoživotní dílo Dr. Damadianovi jako „muži, který vynalezl MRI skener“.
Stále není jasné, zda Damadianova metoda detekce rakoviny funguje, a v moderním zobrazování a diagnostice pomocí magnetické rezonance se nepoužívá. Jeho popis skeneru celého těla se zabýval pouze hledáním rakoviny v těle a nediskutuje o využití dat pro generování snímků zachycujících různé tkáně. Provedení popsaného postupu by trvalo velmi dlouho. Mezi tímto skenerem a současnými přístroji pro magnetickou rezonanci je velký rozdíl.