Prof dr Leposava Sekulovi MAGNETNA REZONANTNA TOMOGRAFIJA IMIDING

Prof. dr Leposava Sekulović

MAGNETNA REZONANTNA TOMOGRAFIJA (IMIDŽING) MRT / MRI n n n Magnetna rezonantna tomografija (engl: Magnetic Resonance Imaging - MRI), je radiološka metoda koja se zasniva na primeni jakog magnetnog polja i savremene računarske tehnike za obradu slike u cilju sagledavanja unutrašnjih struktura i fiziologije tela. Razvoj magnetne rezonantne tomografije počinje početkom 20. veka istraživanjima kvantno mehaničke prirode atomskih jezgra. Za pionira u oblasti primene MRT smatra se Pol Loterbur (Nature 16. 03. 1973: Image formation by Induced Local Interaction; Examples Employing Magnetic Resonance). On je otkrio da se gradijenti u magnetnom polju mogu koristititi za stvaranje dvodimenzionalne slike i predložio da se umesto homogenog magnetnog polja koristi magnetno polje sa malim lokalnim varijacijama (gradijentima) koji će omogućiti snimanje MR signala, koji se menja od jedne do druge tačke unutar pacijentovog tela. Problem: Kako ovi promenjivi signali da se snime i da se pomoću njih dobije slika koja će prikazivati nijanse koje odgovaraju varijacijama u građi organskih struktura? Rešenje problema: 1977. engleski fizičar Piter Mensfild: Matematička analiza gradijenta slike.

PRINCIP RADA MRT n n n Ljudsko telo je, većim delom građeno od molekula masti i vode, koje se sastoje od (63%) atoma vodonika (jezgro = 1 proton). Atomska jezgra elemenata sa neparnim brojem protona (npr. vodonik) i/ili neutrona poseduju mehanički momenat ili spin i njemu pridruženi magnetni momenat, koji se može predstaviti i kao slabo magnetno polje. Kako spin poseduje mehanički momenat, on se ponaša kao čigra, koju spoljašnje magnetno polje ne može potpuno da orjentiše, već je navodi na procesiono kretanje i u spoljašnjem magnetnom polju spin procesuje oko pravca polja nagnut pod određenim uglom (pri čemu je procesiona frekvencija jednaka rezonantnoj frekvenciji).

SPIN n Spin elementarne čestice se može približno shvatiti kao kombinacija magnetnog i mehaničkog (ugaonog) momenta.

n n Kad se bolesnik u tunelu uređaja izloži snažnom magnetnom polju, svi njegovi protoni slažu se u smeru magnetnog polja (slično kao što se igla kompasa slaže u Zemljinom magnetnom polju). Pritom protoni ne miruju nego rotiraju oko smera magnetnog polja u kojem se nalaze. Učestalost tog rotiranja (“Larmor frekvencija”) je proporcionalna jačini spoljnjeg magnetnog polja. Telo bolesnika postaje namagnetisano, a jačina namagnetisanosti zavisi od broja protona unutar volumena tkiva, odnosno od gustine protona. Kako u telu postoji velik broj protona, nastaje jaka magnetna indukcija, koja stvara električnu struju u namotajima smeštenim oko dela tela koji se izlaže magnetnom polju. Nakon što se bolesnik položi u jako magnetno polje, dodatno se prema njemu usmere radiofrekventni elektromagnetni talasi. Ti naknadno proizvedeni talasi uzrokuju da se protoni, već ranije složeni u pravcu ravni jakog magnetnog polja, odmaknu od glavne ravni i počnu rotaciju oko nje u smaru kazaljke na satu. Da bi se to dogodilo, frekvencija primenjenih elektromagnetskih radiotalasa mora biti jednaka frekvenci procesuirajućih protona (tzv. “fenomen magnetne rezonancije” po čemu je metoda i dobila ime) MRI se zasniva na kretanju protona u jezgru vodonika (malog magnetnog dipola sa severnim i južnim polom), koji ima spin.

n n U trenutku rotacije protona oko ravni jakog magnetnog polja indukuje se električna struja (MR signal) koju registruju zavojnice locirane oko delova tela koji se snima. Slikovito rečeno, ako je zavojnica spojena sa električnom sijalicom, sijalica će zasvetleti. Jačina tog svetla zavisi od jačine magnetnog polja i zbog toga je važna jačina glavnog magnetnog polja (što je ono jače, slika je je svetlija i bolja za kasniju analizu). Tkiva koja imaju jači magnetizam (sadrže više protona) daju jači signal i slika će biti svetlija i obratno, tkiva sa manjom magnetizacijom daju tamniju sliku. Tako nastaje kontrastna rezolucija dobijene slike, odnosno mogućnost da se pojedina tkiva razlikuju zavisno od jačine namagnetisanosti koju poseduju i stvorenog električnog signala na namotajima smeštenim oko delova tela koji se snimaju.

n n Gustina protona jedan je od činilaca koji utiče na osvetljenost i kontrastnost slike. Ali postoji još nekoliko parametara koji utiču na odnos signala koje pojedini delovi tkiva emituju. Najvažniji od njih su vremena kad se registruje električni impuls u namotaju koji prima magnetizaciju. U vrmenu između dve indukcije radiofrekventnim talasima, protoni tkiva prolaze kroz dva različita vrmena - vremena relaksacije (T 1 i T 2). T 2 je vreme u kojem se, nakon prestanka indukcije radio signala, većina protona (63%) vratila nazad u glavno magnetno polje. T 1 je vreme u kojem glavno magnetno polje vraća većinu svog maksimuma. Različita tkiva imaju različito trajanje Т 1 i Т 2 vremena, na osnovu čega se takođe stvara kontrastna rezolucija. Kombinacijom dobijanja slike u T 1 i T 2 vremenu lekar dobija potpuniju informaciju i tako stvara sliku kombinacije intenziteta raznih tkiva.

n n Zatim se ocenjuje da li ispitivani organi imaju signal, kao kod zdravih tkiva, ili neka tkiva šalju promenjene signale, što upućuje na mogućnost da su takva tkiva zahvaćena nekim patološkim procesom. Svi dobijeni podaci računarski se obrađuju I serijski snimaju slojeve tkiva u sve tri glavne ravni, a kombinacijom tih ravni dobija se i savršena prostorna rezolucija.

MAGNETNA REZONANTNA TOMOGRAFIJA - MRT n n n Trebalo je konstruisati komoru veličine normalnog čoveka u kojoj bi moglo da se ostvari magnetno polje koje je više od 20000 x jače od Zemljinog magnetnog polja (magnetno polje se karakteriše veličinom magnetne indukcije čija je osnovna jedinica 1 T). 1974. godine Rejmond Demadien patentira dizajn i upotrebu MR za otkrivanje raka. 1980. on je napravio prvi komercijalni MRI aparat, ali nije uspeo da ga proda pa nikada nije klinički korišćen. 1980. je za jedan snimak bilo potrebno oko 5 min. , da bi se do 1886. vreme snimanja skratilo na 5 sekundi, bez značajnih gubitaka u kvalitetu slike. Korišćenje MRI uređaja pokazalo se vrlo korisnim za brzo i precizno postavljanje dijagnoze kod mnogih patoloških stanja, pa je MRT danas jedna od najčešće primenjivanih dijagnostičkih metoda u medicini. Kako kod ovih uređaja ne postoji opasnost od jonizujućeg zračenja, postoji prednost u primeni ove metode u odnosu na CT dijagnostiku.

OSNOVNE KOMPONENTE MRI APARATA n n n Tunel sa magnetima - Magnet, radiotransmiter velike snage Radiofrekventni kalemovi Računar (kompjuter) za obradu slike

TUNEL SA MAGNETIMA n n Telo aparata za MRI sastoji se od velikog cilindra u obliku tunela koji na krajevima može biti zatvoren ili otvoren. Cilindar je okružen kružnim magnetima koji proizvode magnetno polje u čijem se središnjem delu nalazi ležaj za smeštaj pacijenta. Unutrašnji prečnik tela aparata varira neznatno, zavisno od proizvođača i modela: oko 60 cm. Unutrašnjost aparata ima sav komfor za pacijenta (osvetljenje, ventilacija) kao i uređaje za komunikaciju sa pacijentom.

MAGNET n n n Magnet je “srce” i najskuplji deo uređaja za MRI. Unutrašnjost magneta je u obliku tunela, dovoljno velikog da se u njega smesti telo bolesnika. Izrađen je od superprovodljive žice, dužine više km. , koja se hladi tečnim helijumom na temperaturi blizu apsolutne nule (-273 ° C ili 0 K), što omogućava skoro nulti otpor. Kalemi žice se hlade na temperaturi od 4, 2 K, uranjanjem u posude sa tečnim helijumom. Ova posuda je obično okružena bocom sa tečnim azotom (77, 4 K) koja služi kao termoizolator između sobne temperature (239 K) i tečnog helijuma. Uloga magneta je da proizvede konstantno i trajno magnetno polje, koje je paralelno sa uzdužnom osom bolesnika koji leži u magnetnom tunelu. Glavno magnetno polje određuje rezonantnu frekvenciju ali i visinu signala koji skoro linearno raste sa porastom jačine polja (u okviru vrednosti koje se danas redovno koriste: 0, 2 do 3 Т). Sa porastom jačine magnetnog polja (3 T i više) rastu i dielektrični efekti samog tkiva, što otežava snimanje i uvodi nove artefakte. Ipak povišen nivo signala omogućava snimanje u većoj rezoluciji (sa više detalja) i tanjih slojeva. Jačina magnetnog polja u MR meri se jedinicom T (Tesla). Jačina ovih uređaja kreće se od 0, 1 – 8, 5 T. U kliničke svrhe koriste se magneti jačine između 0, 1 i 4, 0 T a u eksperimentalne svrhe i do 8, 5 T.

Glavne kvalitativne osobine magneta Visok intrenzitet magnetnog polja (kako bi se poboljšao odnos signal/šum) n Dobra vremenska stabilnost magneta (magnetno polje mora imati stalan intenzitet) n Dobra homogenost magnetnog polja u prostoru određenog prečnika. Prosek prečnika antene koji emituje ili prima kranijalni prozor je 36 cm, što je minimalno polje homogenosti koje mora da ispune proizvođači MRI aparata. Ovi kvaliteti se traže kod tri vrste magneta koji postoje na tržištu: n Permanentni magneti n Elektromagnetni hibridni magneti n Superprovodljivi magneti (danas najčešća varijanta). n Povećanje magnetnog polja omogućava značajno poboljšanje kvaliteta slike dobijene na MRI, ali se postavlja pitanje o uticaju intenziteta magnetnog polja na ljudski organizam? Dosadašnja istraživanja nisu pokazala nikakav štetni efekat na telo. n

RADIOFREKVENTNI KALEMOVI n n Jedna od osnovnih komponenti MRI aparata su kalemovi. Njihova svrha je da prenesu radiofrekventne impulse do tkiva ili registruju dodatne signale. U trenutku rotacije protona oko ravni jakog magnetnog polja indukuje se električna struja (MR signal) koju registruju namotaji koji se postavljaju oko delova tela koji se snimaju. Tako nastaje konstantna rezolucija dobijene slike, odnosno mogućnost da se pojedina tkiva razlikuju zavisno o jačini magnetizacije odnosno od jačine električnog signala na namotajima smeštenim oko delova tela koji se snimaju. Slikovito rečeno, ako se namotajui spoje sa električnom sijalicom, ona će zasvetleti, što zavisi od jačine magneta i karakteristika tkiva.

RADIOFREKVENTNI KALEMOVI – tipovi kalemova n - - - Postoji nekoliko tipova kalemova: Kalemovi zvuka: su deo svakog MR aparata. Potpuno okružuju ljudsko telo ili njegov deo (npr: kalemovi za glavu slični kavezu, koji se koriste za za snimanje glave ili veliki kalem ugrađen u samom telu aparata) čija je svrha da emituje impulse radiofrekventnih talasa. Površinski kalemovi: priključeni su direktno na površinu tela i oni variraju u obliku i nameni. Oni primaju signale sa površinskih struktura organa (služi za prijem signala). “Shims” ili namotaj za poravnavanje - koristi se za aktivno poravnanje homogenosti glavnog spoljašnjeg magnetnog polja

RAČUNAR (KOMPJUTER) ZA OBRADU SLIKE n Svi dobijeni podaci računarski se obrađuju i proizvode se serijski snimci slojeva tkiva u sve tri glavne ravni ili kombinacijom tih ravni, što omogućava dobijanje kontrastne rezolucije kao i savršene prostorne rezolucije (vrlo korisno hirurzima pre planiranja operativnog ili nekog drugog invazivnog zahvata).

PODELA MRI UREĐAJA PREMA NAČINU PROIZVODNJE MAGNETNOG POLJA: 1. 2. 3. APARATI SA STALNIM MAGNETIMA: Magnetno polje stvara materijal u stalnom magnetnom polju što zahteva dodatnu snagu. Nedostaci su niska vrednost magnetnog polja (0, 3 T), osetljivost na promene temperature i velika težina (do 100 tona). Ovi uređaji se zbog niza problema u konstrukciji i koriščenju više ne proizvode. APARATI SA ELEKTRO-MAGNETNIM POLJEM koje stvara električna struja, tokom prolaska kroz kalemove. Oni imaju magnetna svojstva samo kad električna struja prolazi kroz njih. Ovi aparati imaju veliku potrošnju energije i zahtevaju dobro hlađenje. Mogu da postignu veću snagu magnetnog polja u odnosu na aparate sa stalnim magnetom. Kod ovih aparata teško je postići dovoljno homogena polja jača od 0, 4 T. Prednosti: dugotrajni, jeftini, pouzdani i konforni za pacijente (nazivaju se i “otvoreni”). Pogodni su za intervencije (hirurgija, patologija). APARATI SA SUPERPROVODLJIVIM MAGNETIMA – danas se najčešće primenjuju. Magnetno polje se podešava u drajverima, koja se hlade na temperaturi od -269 ° С, koje time stiče superprovodljiva svojstva. Rezultat je gubitak električnog otpora, što omogućava stvaranje stalnog magnetnog polja, bez potrebe za dodatnim napajanjem strujom. Da bi se očuvala superprovodljivost nije potrebno da se dopunjavaju tečnim helijumom ili azotom. Glavna prednost ovog tipa aparata je mogućnost da postignu visoku snagu i homogeno magnetno polje. Nedostatak je visoka cena i prilično visoki operativni troškovi, kao i dosta jaka buka prilikom snimanja.

PODELA MR PREMA JAČINI MAGNETNOG POLJA n n - n MR niskog polja jačine 0, 15 Т do 0. 5 Т MR srednjeg polja jačine 0. 5 Т do 1 Т MR visokog polja jačine 1 Т do 3 Т МR za eksperimentalne svrhe – više od 3 Т(4 Т, 5 Т, 7 Т, 8 Т, . . . ) Poređenje: Zemljino magnetno polje je jačine 50 μТ (0. 00005 Т), ili 1, 5 Т је magnetno polje 30. 000 jače od Zemljinog. Aparati sa slabim i jakim magnetnim poljem imaju svoje prednosti i mane (Ne znači da su jača polja uvek i bolja: Aparati sa snažnim magnetnim poljem omogućavaju bolju prostornu rezoluciju i brzu dinamičku MR spektroskopiju ispitanika. Kontrast snimka tkiva kod aparata sa slabijim magnetnim poljem je bolji. MRI aparat mora da bude odvojen od svog okruženja, jer jaka magnetna polja mogu negativno da utiču na osetljivu elektronsku opremu ali i na ispitanike sa pejsmejkerom i drugim protetskim pomagalima. Takođe, uređaj mora da bude odvojen od uticaja spoljnje sredine, naročito od širokog opsega radiotalasa, kako bi se izbegle smetnje u korišćenju radiofrekvencija talasa. Zato je ceo sistem smešten u FARADEJEVOM KAVEZU

TEHNIKA SNIMANJA n n n n MRT se obično radi u ambulantnim uslovima Ispitanik se postavlja u ležećem položaju na pokretni sto i kajševima se fiksira za njega, kako bi održao pravilan položaj tela tokom snimanja. Mali uređaji koji sadrže namotaje žice za slanje i prijem radio-talas mogu biti postavljeni u blizini ili pored dela tela koji se ispituje. Ako se u toku snimanja koristi kontrast, sestra ili lekar ispitaniku postavljaju intravensku liniju, najčešće na ruci, kroz koju se postepeno ubrizgava kontrast. Nakon početne serije skeniranja bez kontrasta, sledeći niz snimaka će biti snimljen u toku ili nakon ubrizgavanja kontrasta. Za vreme snimanja medicinsko osoblje se nalazi u komandnoj sobi odakle upravljaju i koordinišu tok snimanja. Nakon završenog snimanja intravenska linija se uklanja MRT uglavnom uključuje više radnih procesa (sekvenci), od kojih neki mogu trajati nekoliko minuta, a ceo postupak snimanja obično traje 30 do 60 minuta.

PREDNOSTI MRT je jedna od trenutno najsavremenijih radiodijagnostičkih metoda u dijagnostikovanju bolesti organa i organskih sistema celog tela, sa predominacijom na CNS, koji je do pojave CT i MR bio nedostupan radiološkoj dijagnostici. n Glavne prednosti MRT u odnosu na druge radiološke metode su: - Visoka osetljivost na promene sadržaja vode unutar tkiva u patološkim stanjima kao i visoka kontrastnost različitih tkiva. - Visoka osetljivost u otkrivanju tumora, njihovog smeštaja i odnosa prema okolini, što pruža bolje informacije o obimu peritumorskog edema, krvarenju, nekrozi, kao i ependimalnom ili meningealnom širenju tumora CNS. n

PREDNOSTI MRT Savršena vizualizacija organa koja se približava slikama iz anatomskog atlasa (senzitivnija i rezolutivnija metoda od CT) - MRT snimci prikazuju organe u sve tri glavne ravni ili njihovoj kombinaciji. - U toku snimanja se ne koristi rendgensko zračenje a koliko je do sada istraženo, MRT nema štetnih dejstava na organizam. - MRT je potpuno bezbolna, neinvazivna, komforna i bezopasna metoda, kako za pacijente tako i za zdravstveno osoblje. - Prisustvo vazduha u telu i koštane strukture nisu prepreke koje onemogućuju vizuelizaciju. -

NEDOSTACI MRT n n n n Za razliku od CT angiografije, MRT nije u stanju da sačini slike depozita kalcijuma Ponekad se snimci nekih arterija načinjeni pomoću MRT ne podudaraju sa onima dobijenim konvencionalnom kateter angiografijom МRТ malih krvnih sudova može ponekad praviti poteškoće, a ponekad može biti teško i da se odvoje prikazi arterija od vena. Kod ispitanika koji ne mogu duže da leže na leđima ili kod onih koji se ne mogu položiti na leđa, snimci načinjeni pomoću MRT mogu biti lošeg kvaliteta. Neke tehnike snimanja na MRT zahtevaju od ispitanika da zadrže dah 15 -20 sekundi, kako bi se dobio dobar kvalitetan snimak, što može stvarati poteškoće kod snimanja određenih bolesnika. МRТ је teško obaviti kod uznemirenih, zbunjenih ili osoba sa jakim bolovima, zbog poteškoće da duže leže u toku snimanja. Izuzetno gojazne osobe ne mogu da stanu u otvor konvencionalnih aparata sa MRT Prisustvo implantata ili drugih metalnih predmeta, ponekad otežava dobijanje jasne slike kao i pomeranja

INDIKACIJE ZA MRT: Neurološke bolesti endokranijuma n n n Kongenitalne malformacije CNS sa kongenitalnim anomalijama kranijuma i kičmenog stuba Kongenitalna oboljenja CNS Psihomotorna retardacija Pedijatrijska anoksično – ishemična oštećenja Intoksikacije CNS Subakutna i hronična ishemična oštećenja i cerebrovaskularne bolesti Tumori lobanje I moyga (primarni isekundarni) i kraniofacijalnog masiva Oboljenje bele moždane mase Degenerativna oboljenja Dijagnostika zapaljenskih neuroloških bolesti (MS) Promene u zadnjoj moždanoj jami su posebno dobro vidljive na MR (što nije slučak kod KT)

INDIKACIJE ZA MRT: Bolesti kičmene moždine n n n Degenerativna oboljenja osteodiskalnog sistema (diskus hernije) i ostale promene na međupršljenskim diskusima Povrede kičme i kičmene moždine Zapaljenski spondilitis Traumatske povrede kičmenog stuba Tumori kičmenog stuba i kičmenog kanala

INDIKACIJE ZA MRT: kardiovaskularne bolesti n n n n n Aneurizma grudne i abdominalne aorte ili na drugim velikim krvnim sudovima Ateroskleroza karotidne arterije. Dijagnostika malih aneurizmi i drugih malformacija na arterijama mozga Ateroskleroza i suženje krvnih sudova na nogama i priprema bolesnika za endovaskularne intervencije i operacije. Bolest arterija bubrega ili procena protoka krvi u okviru transplantacije bubrega Kao interventna radiološka metoda u hirurgiji bolesti krvnih sudova (ugrađivanje stentova, procena stanja nakon ugrađivanja stenta) Otkrivanje povrede jedne ili više arterija u vratu, grudnom košu, trbuhu, karlici i ekstremitetima, kod traumatizovanih bolesnika. Procena vaskularizacije tumora pre operacije ili drugih postupaka, kao što je embolizacija ili selektivna unutrašnja zračna terapija. Dijagnostika disekcija na grudnoj ili trbušnoj aorti ili njenim glavnim granama Dijagnostika obima ateroskleroze u koronarnim arterijama i izbor hirurške metode (koronarni bajpas)

INDIKACIJE ZA MRT: Ostalo n n Endokrine bolesti Plućna embolija i druge bolesti pluća Bolesti trbuha i karlice: - Bolesti organa za varenje i drugih organa trbuha i karlice - Bolesti hepatobilijarnog stabla, pankreasa i žučnih puteva Bolesti kostiju, zglobova i mišića - Dijagnostika bolesti kostiju i okolnih struktura (kuka, kolena, meniskusa, ligamenata) - Dijagnostika tumorskih procesa na zglobovima, mišićima i kostima

KONTRAINDIKACIJE ZA MRT n n n n Klaustrofobija Postojanje stranog tela (krhotine ili drugi metalni predmeti u telu). Stare vaskularne kleme Insulinske pumpe Stari hirurški stapler Implantirani dozer lekova Stari veštački srčani zalisci Razni implantati Neurostimulator Alergija na kontrastno sredstvo Trudnoća i dojenje: Nema dokaza da MRI šteti plodu. Trudnicama se ne preporučuje MRT osim ako je medicinski to neophodno. Tetovaža ili stalna šminka- naročito ako sadrže metalne čestice, može izazvati probleme prilikom snimanja (mogu nastati opekotine), posebno kada se koristi uređaj sa visokom vrednošću magnetnog polja. Brzo pokretni organi (npr. Srce) mogu biti prikazani sa smanjenim kvalitetom slike. Osobe koje ulaze u prostoriju za MRT ne mogu imati akustične aparate i metalne predmete.