Rezonans magnetyczny w medycynie weterynaryjnej. Cz. I

Rezonans magnetyczny, podobnie jak tomografia komputerowa, pozostaje nadal badaniem diagnostycznym bardzo rzadko zlecanym i wykonywanym w praktyce lekarsko-weterynaryjnej w Polsce. Mimo że w przypadku tego rodzaju obrazowania medycznego trudno jest mówić o jego powszechnej dostępności w naszym kraju (co odróżnia je np. od badania ultrasonograficznego), to w ostatnich latach wiele zmieniło się w tym względzie na lepsze. Zakup aparatury medycznej, niezbędnej do wykonywania badań u zwierząt, staje się często możliwy dzięki wykorzystaniu dofinansowania ze środków Unii Europejskiej

Historia obrazowania za pomocą rezonansu magnetycznego

Droga, jaką przebyła technika obrazowania za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) – od ciekawego i dającego nadzieję na praktyczne wykorzystanie w przyszłości odkrycia naukowego – do powszechnie stosowanej technologii medycznej, była długa. Przejście od teorii do praktyki zajęło bowiem ponad 50 lat [1]. Nadal jesteśmy światkami toczącego się na naszych oczach postępu tej technologii i wynajdywania dla niej coraz to nowych zastosowań, nie tylko w medycynie. Taką techniką, będącą częściowo jeszcze w powijakach, a z którą wiązane są wielkie nadzieje, jest tzw. spektroskopia rezonansu magnetycznego [14, 16]. Przy wykorzystywaniu tej techniki będziemy w stanie nie tylko zobrazować badaną strukturę, jak ma to miejsce przy klasycznym badaniu rezonansowym, ale również będziemy mogli zbadać dokładnie jej skład chemiczny. Analiza składu zobrazowanych struktur pozwoli jeszcze dokładniej określać charakter stwierdzanych w badaniu zmian, a być może nawet częściowo zastąpi badanie histopatologiczne, gdyż sama spektroskopia da odpowiedź na pytanie, z czego zbudowany jest konkretny twór i czym on w istocie jest. O mnogości zastosowań w przemyśle aż strach myśleć.

Wróćmy jednak do początków. Aby zacząć poważnie planować wykorzystanie zjawiska rezonansu w medycynie, po drodze musiano odkryć, poznać i przede wszystkim zrozumieć wiele innych równie istotnych zjawisk fizycznych, jak sam rezonans magnetyczny. Za ich odkrycie autorzy otrzymali łącznie pięć Nagród Nobla z różnych dziedzin [1]. Dopiero wykorzystanie tych doniosłych osiągnięć nauki oraz ich jednoczesne zastosowanie umożliwiło pracę nad budową aparatury medycznej wykorzystującej zjawisko rezonansu magnetycznego w praktyce. Zanim krótko scharakteryzujemy poszczególne etapy tworzenia się diagnostycznie użytecznego obrazu, warunkujące to zjawiska fizyczne, oraz podstawowe zasady interpretacji powstałego obrazu, warto wspomnieć o twórcach tej fascynującej technologii. Za pracę nad zjawiskiem rezonansu magnetycznego Nagrodę Nobla otrzymali: Felix Bloch i Edwin Purcell (Nobel w dziedzinie fizyki w 1952 r.), Richard Ernst (Nobel w dziedzinie chemii w 1991 r.), Paul Lauterbur i Peter Mansfield (Nobel w dziedzinie fizjologii i medycyny, 2003 r.).

Początki

Co tak ważnego odkryli laureaci, co umożliwiło pracę nad skanerami MR? Mniej więcej w połowie XX w. zaobserwowano (Bloch i Purcell), że materia znajdująca się w zewnętrznym polu magnetycznym o wysokim natężeniu może zostać pobudzona za pomocą fal elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej [1]. Pobudzeniu temu ulegają protony, które w trakcie powrotu do stanu wyjściowego emitują energię – ulegają relaksacji. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że protonami są jądra atomu wodoru. Składają się one bowiem wyłącznie z jednego protonu oraz towarzyszącego mu i krążącego po jego orbicie elektronu. Jądra wodoru stanowią około 63% wszystkich atomów organizmu [1], wchodząc w dużej liczbie w skład tak podstawowych substancji budujących ciało, jak woda i tłuszcz. To na ich obecności zależy nam najbardziej w praktyce, gdy myślimy o obrazowaniu rezonansowym, właśnie ze względu na ich powszechne występowanie w ciele człowieka i zwierzęcia [1, 7, 11, 14, 16].

Na początku lat 70. ub. wieku Raymond Damadian wykazał fakt odmiennego zachowania się różnego rodzaju tkanek w jednorodnym, zewnętrznym polu magnetycznym [1]. Odkrycie to zaostrzyło ciekawość ludzi nauki i w konsekwencji znacząco przyspieszyło prace nad wykorzystaniem rezonansu magnetycznego w diagnostyce obrazowej, a tym samym w diagnostyce wielu chorób. Poszczególne tkanki organizmu zachowują się w odmienny sposób ze względu na różną zawartość protonów, które je budują. Niestety, obserwacja różnic w odpowiedzi poszczególnych tkanek oraz ich ilościowe odwzorowanie musiało zostać w odpowiedni sposób zilustrowane, by móc je praktycznie wykorzystać. Aby umożliwić obserwację sygnałów dwuwymiarowych, pochodzących z różnych narządów, wprowadzono kodowanie przestrzenne przy użyciu częstotliwości i fazy [1]. Tak uzyskany sygnał mógł zostać użyty do tworzenia obrazu dzięki zastosowaniu w oprogramowaniu aparatów programów obliczeniowych wykorzystujących specyficzne matematyczne przekształcenia, nazwane tzw. transformacją Fouriera [7, 8, 11, 14, 16], oraz dzięki przełomowym pracom Richarda Ernsta nad jej wykorzystaniem [1].

ZEUGMATOGRAFIA

Dalsze doskonalenie techniki było możliwe dzięki pracom Lauterbura i Mansfielda. Proponując dodanie do zewnętrznego jednorodnego pola magnetycznego, generowanego przez magnes aparatu, również słabszego gradientu pola, wytwarzanego przez tzw. cewki gradientowe, umożliwili pozyskiwanie danych o charakterze trójwymiarowym. Oznaczało to możliwość przestrzennego zlokalizowania sygnałów płynących z protonów znajdujących się w ciele pacjenta i przez to jeszcze dokładniejszą lokalizację zmian [1, 7, 8, 11, 14, 16]. Po wprowadzeniu tego niezwykle użytecznego usprawnienia Paul Lauterbur wprowadził termin „zeugmatografia” w celu określenia charakteru odkrytego i wykorzystanego procesu [1]. Zeugma jest greckim słowem określającym połączenie dwóch elementów. W tym przypadku dwóch pól magnetycznych – zewnętrznego, silnego pola magnetycznego, oraz słabszego gradientu pola, tzw. gradientu pola wybierającego warstwę. Grafia zaś to nic innego jak tworzenie obrazów [1]. Niestety, prawdopodobnie ze względu na trudną wymowę, określenie to nie upowszechniło się.

Na początku praktycznego wykorzystywania zjawiska rezonansu próbowano określać je również jako magnetyczny rezonans jądrowy (ang. nuclear magnetic resonance – NMR). Nazwa ta ze względu na negatywne konotacje, jakie budziła w ogarniętym wizją wojny nuklearnej świecie lat 70., również nie zyskała aprobaty i przestała być używana w odniesieniu do aparatury medycznej [1]. Używana jest tylko w kontekście nauk ścisłych, takich jak fizyka czy chemia.

Zatrzymać ruch

Pierwsze publikacje dotyczące wykorzystania diagnostyki MR dotyczyły nieruchomych struktur organizmu – układów nerwowego i mięśniowo-szkieletowego [1]. Przez wiele lat już po wprowadzeniu tej techniki badań obrazowych do codziennej praktyki nie można było uzyskiwać diagnostycznych obrazów struktur pozostających w ruchu. Nie tylko w wyniku czynności skurczowej narządów, ale również na skutek ruchów oddechowych, czyli nieostrości ruchowej [1].

Uzyskanie pierwszych dających się zinterpretować obrazów struktur w ruchu (serca) było możliwe dopiero po sprzężeniu rejestracji sygnałów z fazą cyklu pracy serca dzięki analizie elektrokardiogramu. Proces ten jest określany jako tzw. bramkowanie EKG [1-4, 7, 8]. Pierwsze obrazy tego typu powstawały w laboratoriach Paula Lauterbura w 1983 r. [1].

Dalszy niezwykle szybki rozwój metody był możliwy dzięki postępowi technologicznemu, który przypadł na lata 90. ub. wieku. Należy mieć tu na myśli głównie wprowadzenie skanerów o wyższym natężeniu pola magnetycznego i szybkich gradientach pola oraz skróceniu czasów rejestracji sygnałów do pojedynczego wdechu i wydechu czy próby wykorzystania wspomnianej już spektroskopii rezonansu magnetycznego.

Obecnie do uzyskiwania obrazów w medycynie stosuje się magnesy o natężeniu pola od 30 000 do 60 000 silniejszym od pola magnetycznego Ziemi, czyli o indukcji pola magnetycznego od 1,5 do 3 T [1, 7, 8, 11, 14, 16].

Podstawy fizyczne warunkujące powstanie obrazu

Aby zrozumieć poszczególne, czasami dość zawiłe procesy fizyczne, w wyniku których możliwe jest tworzenie wartościowych dla lekarzy obrazów przekrojów ciała pacjenta, przyjrzyjmy się najpierw generalnym zasadom, wedle których przebiega każde badanie z zastosowaniem rezonansu magnetycznego.

Poszczególne etapy badania za pomocą rezonansu magnetycznego można stosunkowo prosto opisać w kilku punktach:

• pacjenta umieszcza się w silnym polu magnetycznym (wytworzonym przez aparat MR);

• zostaje wysłana fala radiowa;

• wysyłanie fali radiowej przerywa się;

• badany organizm staję się źródłem emisji fali radiowej;

• sygnał ten służy do rekonstrukcji obrazu.

Ruch protonów

Przyjrzyjmy się dokładniej poszczególnym etapom. Co dokładnie dzieje się z ciałem pacjenta umieszczonym w polu magnetycznym aparatu MR? Aby to zrozumieć, konieczne jest przypomnienie podstawowych wiadomości z fizyki.

Każdy atom zbudowany jest z jądra oraz powłoki krążących wokół niego elektronów, tworzących chmurę. Składnikami jąder atomowych są między innymi protony, niosące ze sobą dodatni ładunek elektryczny. Protony nieustannie obracają się wokół własnej osi, czyli, inaczej mówiąc, posiadają moment pędu, tzw. spin. Dodatni ładunek elektryczny obraca się wraz z protonem. Jeśli tak, to nie oznacza to nic innego, jak tylko przepływ prądu elektrycznego, bo właśnie prądem eklektycznym określamy poruszanie się ładunku (fot. 2). Przepływ prądu z kolei warunkuje wytworzenie pola elektromagnetycznego. A to uprawnia nas do stwierdzenia, by każdy proton mógł być przez nas uznany za małą sztabkę magnesu (fot. 3).

Co dzieje się z protonami organizmu pacjenta po wystawieniu ich na działanie pola magnetycznego o dużym natężeniu, generowanego przez aparat MR? Protony właśnie ze względu na fakt posiadania małych pól magnetycznych w zewnętrznym jednorodnym polu magnetycznym zaczynają się zachowywać jak igła kompasu w zewnętrznym polu magnetycznym Ziemi (fot. 1). W odróżnieniu od igły kompasu, dla której istnieje tylko jedno możliwe ułożenie, protony mają dwie możliwości. Te minimagnesy mogą ustawić się swoimi biegunami północnymi i południowymi równolegle lub antyrównolegle do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego aparatu [7, 14, 16]. Sposób ich ustawienia względem linii pola determinowany jest różnicą poziomów energetycznych [7, 8, 14, 16]. Stanem uprzywilejowanym, jak zawsze w przyrodzie, jest stan wymagający mniejszego nakładu energii, a więc większość protonów organizmu znajduje się na niższym poziomie energetycznym i uporządkowuje się w sposób równoległy do linii zewnętrznego pola magnetycznego. Pozostałe protony, których zawsze jest mniej, cechuje wyższy poziom energetyczny i uporządkowują się w przeciwnym kierunku, antyrównolegle. Różnica ilości dwóch typów protonów nie jest duża i zależy przede wszystkim od natężenia pola elektromagnetycznego otaczającego ciało pacjenta. Przyjmuje się, że na 10 000 000 protonów wchodzących w skład ciała zwierzęcia ustawionych antyrównolegle przypada 10 000 007 protonów ustawionych równolegle [7, 14, 16] (fot. 4).

Podsumowując ten etap, można bez trudu zauważyć, że z punktu widzenia obrazowania MRI istotne są tylko te protony, które pozostają w ruchu.

Precesja

Co jeszcze dzieje się z protonami umieszczonymi w polu elektromagnetycznym poza ich charakterystycznym uporządkowywaniem względem pola? Wektory momentu magnetycznego każdego z protonów krążą wokół linii tego pola i to w bardzo charakterystyczny sposób. Ruch ten nazwano precesją. Jakim rodzajem ruchu jest precesja? Aby to zrozumieć, możemy wyobrazić sobie wirujący dziecięcy bączek. Gdy naciśnie się rączkę, zaczyna on kręcić się, początkowo jest „wyprostowany”, a potem jego oś stopniowo odchyla się od pionu, ale jeszcze nie przewraca. Na tym właśnie polega ruch precesyjny. Koniec osi wirującego „bąka” porusza się po okręgu, a oś zakreśla kształt „stożka” (fot. 5, 6, 7 i 8). Trudno przedstawić graficznie proton wykonujący bardzo szybki ruch, jakim jest ruch precesyjny. Szybkość, z jaką protony wykonują precesję, nie jest stała i zależy od natężenia pola magnetycznego, w którym są umieszczone [7, 14, 16].

Ta właściwość protonów jest również niebywale istotna i w dalszej części wyjaśnimy dlaczego.

Szybkość tego zjawiska określa się, podając częstotliwość precesji, tj. liczbę precesji na sekundę. Inaczej mówiąc, im silniejsze pole magnetyczne, tym szybsza precesja, a więc i jej częstotliwość.

Częstotliwość precesji można dokładnie obliczyć, wykorzystując równanie Larmora [14, 16]: ωo = γBo, gdzie ωo – oznacza częstotliwość precesji (wyrażoną w Hz lub MHz), Bo – oznacza indukcję magnetyczną wyrażoną w teslach (T), a γ – jest współczynnikiem żyromagnetycznym. Z tego równania wypływa istotny dla nas wniosek, że częstotliwość precesji rośnie wraz ze wzrostem indukcji pola magnetycznego. Bezpośrednia zależność jest uwarunkowana przez współczynnik żyromagnetyczny. Współczynnik ten jest różny dla różnych substancji, w tym różnych tkanek, np. jego wartość dla protonów wynosi 42,5 MHz/T [7]. Można go porównać z kursem wymiany walut, różnym dla każdej z nich. Jak już wspomniano, ruch precesyjny jest bardzo szybki i np. dla pojedynczego protonu wynosi ok. 42 MHz w polu magnetycznym o indukcji 1 tesli [7], czyli protony wykonują precesję wokół „stożka” ponad 42 miliony razy na sekundę. Również w naszym ciele w tej chwili mają miejsce miliony, a nawet miliardy precesji protonów z częstotliwością proporcjonalną do natężenia pola magnetycznego, które nas otacza. Łatwo więc sobie wyobrazić, że w danej chwili jeden proton (A) może być zwrócony w jednym kierunku, a drugi (A’) skierowany dokładnie przeciwnie.

Wynik takich rozważań są również niezwykle istotne z praktycznego punktu widzenia, gdyż momenty magnetyczne posiadające przeciwne zwroty znoszą się wzajemnie [14, 16], jak działanie dwóch jednakowo silnych osób ciągnących za przeciwne końce sznura. Mówiąc bardziej naukowo, można stwierdzić, że prawie każdy proton ustawiony równoległe ma swój odpowiednik w postaci protonu skierowanego antyrównolegle, a ich siły wzajemnie się równoważą (fot. 9).

Magnetyzacja podłużna

Tu należy przypomnieć sobie informację dotyczącą różnic w stanach energetycznych protonów występujących w organizmie oraz naturalne uprzywilejowanie jednej z grup, czyli protonów, pozostających na niższym poziomie energetycznym, których jest zawsze nieco więcej niż tych posiadających wyższą energię. W wyniku zobojętniania spinów o przeciwnych zwrotach oraz przewagi liczbowej protonów na niższym poziomie energetycznym pozostajemy z pewną nadwyżką protonów ustawionych równolegle, których momenty nie uległy sparowaniu czy zrównoważeniu, gdyż zabrakło dla nich przeciwwagi.

Na tym etapie należy dodać również, że nie tylko momenty magnetyczne ustawione równolegle lub przeciwnie do linii pola magnetycznego ulegają wyzerowaniu. Dzieje się tak również w przypadku momentów magnetycznych ustawionych przeciwlegle w innych płaszczyznach. [7, 8, 14, 16]. Zatem np. wśród wykonujących precesję protonów zwróconych równolegle jeden może być skierowany w prawo, a drugi w lewo albo na jeden skierowany „do przodu” przypada jeden skierowany „ku tyłowi”. Opisane zjawiska dotyczą każdej płaszczyzny, poza płaszczyzną dokładnie równoległą do zewnętrznego pola magnetycznego, czyli zgodnej z kierunkiem przebiegu tego pola. W tej płaszczyźnie składowe momentu magnetycznego poszczególnych protonów sumują się jak siły ludzi ciągnących ten sam koniec sznura i powstaje sumaryczny wektor momentu magnetycznego, zwrócony zgodnie z przebiegiem linii zewnętrznego pola magnetycznego (fot. 10) [7, 8, 14, 16]. Nazywa się go wektorem sumarycznym bądź wypadkowym, ponieważ powstaje przez zsumowanie wektorów protonów skierowanych równolegle – niezobojętnionych przez protony o przeciwnym, antyrównoległym ustawieniu.

Jakie ma to znaczenie praktyczne? W ten oto sposób ciało pacjenta, umieszczone w tym silnym polu magnetycznym, samo staje się magnesem (fot. 11). Dlaczego? Ponieważ sumują się wektory protonów, których oddziaływania nie znoszą się wzajemnie. Kierunek tej nowo powstałej magnetyzacji, przyjmującej kierunek i zwrot zewnętrznego pola magnetycznego, nazywany jest więc również magnetyzacją podłużną.

Cały proces jest niesłychanie ważny, gdyż to ten nowy wektor magnetyczny może posłużyć do otrzymania sygnału, który zostanie użyty do tworzenia obrazów diagnostycznych [14, 16].

Fala radiowa

W tym momencie dobrze byłoby móc zmierzyć magnetyzację badanego obiektu. Tu pojawia się jednak pewien problem, nie można bowiem zmierzyć wartości wektora namagnesowania badanego organizmu dopóty, dopóki ma on ten sam kierunek i zwrot co zewnętrzne pole magnetyczne [1, 7, 8, 14, 16]. By móc zmierzyć wartość namagnesowania, musimy w jakiś sposób zmienić zwrot jego wektora na prostopadły w stosunku do linii pola zewnętrznego. Jak tego dokonać? W tym celu w kierunku pacjenta wysyła się falę radiową (RF). Terminu „fala radiowa” używamy dla opisania fali elektromagnetycznej o określonej długości, podobnej do tej odbieranej przez nasze radia. Wysyłanie fali w kierunku ciała pacjenta nie jest procesem ciągłym. Wysyła się ją w krótkich impulsach. Nie każda fala o częstotliwości radiowej jest odpowiednia. Celem wysyłania tej fali jest wywołanie wewnętrznych zakłóceń w precesji protonów – zgodnej z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego – a dokonać tego może jedynie fala elektromagnetyczna posiadająca tę samą częstotliwość co częstotliwość precesji protonów, dlatego tak ważnym zjawiskiem jest precesja protonów w badanej substancji czy tkance oraz możliwości techniczne obliczenia jej częstotliwości [7, 11, 14, 16]. Tylko poprzez synchronizację częstotliwości tych dwóch procesów może dojść do wymiany energii między falą radiową a protonami. Mówiąc bardziej naukowo, tylko posiadanie przez falę oraz protony tej samej prędkości kołowej [7, 14] umożliwia wywołanie zaburzeń w precesji, na których tak bardzo nam zależy.

Aby dobrać odpowiednią częstotliwość fali radiowej, konieczne staje się obliczenie częstotliwości precesji protonów, a to jest możliwe poprzez wykorzystanie równania Larmora, o którym już mówiliśmy. Tylko wtedy, gdy impuls RF i protony mają tę samą częstotliwość, może dojść do przekazania energii między falą radiową a protonami, czyli wystąpi zjawisko rezonansu – tego właśnie rezonansu, o którym mowa w terminie „jądrowy rezonans magnetyczny” [7] (fot. 12).

Bardziej obrazowo zjawisko rezonansu można przedstawić, używając przykładu widełek stroikowych. Wystarczy sobie wyobrazić pokój z ustawionymi w nim widełkami stroikowymi nastrojonymi odpowiednio na dźwięk o częstotliwości „a”, „e” oraz „d”. Gdy do naszego pokoju wejdzie teraz ktoś z drugą parą widełek, nastrojonych np. na dźwięk o częstotliwości „a”, i uderzy w nie, to wówczas spośród wszystkich widełek stroikowych w pokoju tylko widełki „a” zaczną drgać i wydawać dźwięk, ponieważ wyłączenie one pobierają energię. Właśnie taki rodzaj wymiany energii nazywamy rezonansem i to on leży u podstaw obrazowania.

Co więc dzieje się z protonami ciała pod wpływem wysłanego impulsu częstotliwości radiowej – RF – i po pobraniu przezeń energii pochodzącej z impulsu? Część protonów pobiera energię, przechodząc dzięki temu z niższego na wyższy poziom energetyczny, a więc z ustawienia równoległego względem płaszczyzny zewnętrznego pola magnetycznego przyjmują ustawienie antyrównoległe [7, 8, 14, 16]. Proces ten ma kolosalny wpływ na wypadkową magnetyzację podłużną badanego obiektu. Na skutek wysłania impulsu liczba protonów, które pozostają bez pary, zmniejsza się. Dzieje się tak, gdyż część ustawionych do tej pory równolegle (stan o mniejszym poziomie energetycznym) ustawia się antyrównolegle (stan o wyższym poziomie energetycznym), zobojętniając tym samym kolejną grupę protonów. Skutkuje to spadkiem magnetyzacji podłużnej, której wektor zmniejsza się, gdyż warunkiem jego powstania jest obecność jak największej liczby niesparowanych protonów [7, 8, 14, 16]. Dzieje się coś jeszcze, coś, co daje nam w końcu szansę ilościowego określenia wartości wektora magnetyzacji. Pod wpływem impulsu RF precesja protonów ulega również synchronizacji, co z kolei wywołuje następne ważne zjawisko (fot. 13).

Magnetyzacja poprzeczna

Jak opisano wcześniej, również jeśli protony ustawione są przeciwnie w płaszczyźnie poprzecznej, a więc np. część z nich w prawo, a część w lewo, to ich momenty magnetyczne znoszą się wzajemnie w tych kierunkach i nie powstanie żaden mierzalny sygnał. Tak jak pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego dochodzi do porządkowania układu protonów w płaszczyźnie podłużnej, tak pod wpływem impulsu radiowego ruch protonów jest porządkowany w płaszczyźnie poprzecznej [7, 8, 14, 16]. Zaczynają one wirować dookoła linii zewnętrznego pola synchronicznie. Mówi się wówczas, że obracają się w zgodnej fazie [7, 8]. W tym momencie mają jednakowy zwrot, a więc ich wektory momentu magnetycznego w tym kierunku sumują się [7, 8, 14, 16]. Powstaje sumaryczny wektor magnetyczny zwrócony w bok, zgodnie ze zwrotem ruchu precesji protonów, czyli poprzecznie. Wektor ten z tych powodów określa się jako składową poprzeczną momentu magnetycznego [7, 8]. Mówiąc w skrócie, impuls RF powoduje wytworzenie magnetyzacji poprzecznej, czyli zupełnie nowej siły. Siły, którą możemy wreszcie zmierzyć. Oczywiście, nowo powstały wektor magnetyczny nie pozostaje w spoczynku, ale porusza się zgodnie z wykonującymi precesję protonami, a zatem z częstotliwością precesji. Inaczej mówiąc, skutkiem wysłania impulsu RF jest spadek magnetyzacji podłużnej oraz pojawienie się magnetyzacji poprzecznej (fot. 14).

Co dzieje się z dopiero co wytworzonym wektorem magnetyzacji poprzecznej? Jak już wspomniano, porusza się on w zgodnej fazie z protonami, wykonującymi ruch precesji. Patrząc na to zjawisko z boku, można powiedzieć, że poprzeczny wektor magnetyzacji zbliża się i oddala od obserwatora [7, 8]. Omawialiśmy już to zjawisko w innym aspekcie. Wspominaliśmy również o tym, że poruszający się ładunek elektryczny protonu, czyli płynący prąd elektryczny, indukuje pole magnetyczne protonu. Prawidłowość ta sprawdza się również w odwrotnym kierunku. Zmieniające się pole magnetyczne indukuje przepływ prądu elektrycznego, np. w antenie, jak w przypadku fal radiowych i telewizyjnych.

Termin „pole elektromagnetyczne” nie pozwala zapomnieć o niezbędnym współistnieniu dwóch pól – magnetycznego i elektrycznego – w propagującej się fali. Poruszający się i zmieniający położenie w przestrzeni wektor magnetyczny badanych tkanek może więc stać się użytecznym źródłem energii, która wzbudzi w antenie aparatu MR prąd elektryczny, a ten stanie się wówczas sygnałem MR. Wektor magnetyzacji poprzecznej obraca się zgodnie z ruchem precesji protonów, dlatego sygnał MR ma również częstotliwość precesji. W ten oto sposób udało się nam znaleźć sposób na mierzenie sygnałów pochodzących z badanych narządów ciała pacjenta.

Niestety, pojawia się kolejny problem, a mianowicie, w jaki sposób umiejscowić przestrzennie, a potem odwzorować ten prąd elektryczny, który jest naszym sygnałem MR? Jak tego dokonać? Tym razem rozwiązanie jest znacznie prostsze do wytłumaczenia. Podczas badania nie umieszcza się pacjenta w jednorodnym we wszystkich przekrojach polu magnetycznym. Zamiast tego używa się pola magnetycznego o różnej wartości w każdym z przekrojów [1, 7, 8, 14, 16]. Co uzyskujemy w ten sposób? Już na samym początku dowiedzieliśmy się, że częstotliwość precesji zależy od wartości natężenia pola magnetycznego. Jeżeli więc wartość ta będzie inna w zależności od przekroju, to i precesja protonów w danej warstwie będzie inna. A to z kolei warunkuje inną częstotliwość sygnału pochodzącego z różnych miejsc badanego przekroju ciała. W ten oto sposób można dokładnie umiejscowić w przestrzeni sygnał poprzez zmierzenie jego częstotliwości.

Relaksacja poprzeczna i podłużna

Aby przejść do kolejnych zagadnień fizycznych, odpowiedzialnych za tworzenia obrazu, oraz zrozumieć, czym w istocie są obrazy T1, T2-zależne oraz PD-zależne, którymi posługują się lekarze w praktyce (fot. 21a, b, c, d, e), musimy nieco szerzej opowiedzieć o istocie samego sygnału MR.

Jeśli protony tworzące wektor magnetyzacji poprzecznej kręciłyby się zgodnie w jednej fazie, to otrzymalibyśmy jednorodny sygnał jak na fot. 15. W praktyce tak się nie dzieje. Jak już zostało powiedziane, impulsy częstotliwości radiowej wysyłane są w charakterystycznych sekwencjach. Są to bardzo krótkie impulsy. Z chwilą przerwania wysyłania impulsu radiowego cały układ spinów wraca do wartości wyjściowych, czyli ulega relaksacji (fot. 16a i 16b). Magnetyzacja porzeczna, której warunkiem zaistnienia jest właśnie impuls RF, zaczyna zanikać (proces relaksacji poprzecznej), a magnetyzacja podłużna zaczyna się odtwarzać (proces relaksacji podłużnej) [7, 8, 14, 16].

Dlaczego zachodzą te zjawiska? Odpowiedź na to pytanie jest prosta. Protonom przestaje być dostarczana dodatkowa porcja energii. Nie mają one dłużej „siły” przeciwstawiać się zewnętrznemu polu magnetycznemu – protony niejako sztucznie przeniesione na wyższy poziom energetyczny powracają do swojego niższego poziomu. Nie wszystkie protony robią to jednocześnie. Jest to proces zachodzący w czasie, a czas ten jest częściowo charakterystyczny dla każdej z tkanek [7, 14]. W czasie tym protony, jeden po drugim, powracają do pierwotnego stanu. Czas relaksacji podłużnej lub czas T1 nie oznacza rzeczywistego czasu, w którym ten proces przebiega – jest to stała czasowa określająca prędkość tego procesu [7, 8, 14, 16]. Mówiąc bardziej akademicko, T1 to stała czasowa porównywalna do tych opisujących np. rozpad promieniotwórczy.

Co dzieje się z energią, którą protony otrzymały od impulsu RF? Energia ta w postaci ciepła jest oddawana do otoczenia, czyli do tzw. siatki. Ze względu na ten fakt, proces relaksacji podłużnej określany jest również relaksacją typu spin-siatka [7, 8].

Jeśli przedstawilibyśmy opisane zależności w odniesieniu do funkcji czasu, otrzymalibyśmy wykres jak na fot. 17. Co w takim razie dzieje się z magnetyzacją poprzeczną po ustaniu fali częstotliwości radiowej? Mówiąc obrazowo, protony „gubią krok”, przestając poruszać się w zgodnej fazie. Nie jest już obecna żadna zewnętrzna siła, która by je do tego zmuszała. Jak wiemy, protony wykonują precesję z częstotliwością określoną przez natężenie pola magnetycznego, w którym się znajdują. W założeniu wszystkie protony są pod wpływem tego samego pola magnetycznego. W praktyce tak jednak nie jest. Żadne z pól nie jest do końca jednorodne, zawiera pewne „zanieczyszczenia”. Pole magnetyczne generowane przez magnes jest może bliskie ideałowi, ale jednak nieidealne. Nie da się uniknąć pewnych różnorodności w natężeniu pola na różnych jego poziomach [7, 8, 14, 16]. Te minimalne różnice powodują niewielkie zmiany w częstotliwości precesji. Dodatkowo każdy proton jest pod wpływem małych pól magnetycznych sąsiednich jąder [7, 8, 14, 16], które również nie są rozmieszczone równomiernie, czego wynikiem znów są różnice w częstotliwości precesji. Ta heterogenność wewnętrznego pola magnetycznego jest również w pewnym stopniu charakterystyczna dla danej tkanki.

Tak więc po wyłączeniu impulsu RF protony nie są już dłużej zmuszane do pozostania w fazie, a ponieważ mają różne częstotliwości precesji, natychmiast przestają poruszać się synchronicznie, czyli wychodzą z fazy (fot. 18a i 18b).

Czas a szybkość

Warto przedstawić zależności między czasem, w którym zachodzi opisany proces, a jego szybkością. Pomoże nam to zrozumieć kolejne etapy pozyskiwania i przetwarzania sygnału. Załóżmy, że jeden proton – P1 – obraca się, czyli wykonuje precesję z częstotliwością 10 MHz, tj. 10 milionów obrotów na sekundę. W związku z niejednorodnością pola proton sąsiedni – P2 – znajdować może się w polu o 1% silniejszym – częstotliwość ruchu tego protonu będzie wynosić zatem  10,1 MHz, czyli o 1% więcej. W ciągu 5 mikrosekund (0,000005 s lub 5 x 10^-6 s) proton P2 wykona  50,5 obrotów, podczas gdy P1 jedynie 50. W tym krótkim okresie fazy protonów będą różniły się już o 180° i ich momenty magnetyczne zniosą się w odpowiedniej płaszczyźnie poprzecznej [7, 8]. Prędkość zaniku magnetyzacji poprzecznej również jest określana przez stałą czasową – czas relaksacji poprzecznej – i podobnie jak w przypadku magnetyzacji podłużnej możemy i w tym wypadku wykreślić przebieg magnetyzacji porzecznej w czasie (fot. 19). Korelację między tymi dwoma procesami, które w czasie badania przebiegają jednocześnie, przedstawia fot. 20.

Zdjęcia 1-20 udostępnione dzięki uprzejmości firmy Schering-Plough Polska Sp. z o.o.

Zdjęcia 21a, b, c, d, e pochodzą z Pracowni Rezonansu Magnetycznego Szpitala Weterynaryjnego w Orzeszu.

Piśmiennictwo:

1. Pohost G.M.: The history of cardiac magnetic resonance. “J. Am. Coll. Cardiol. Img.” 2008, nr 5, s. 672-678.

2. Gerber T.C., Gibbons R.J.: Weighing the risks and benefits of cardiac imaging with ionizing radiation. “J. Am. Coll. Cardiol. Img.” 2010, nr 5, s. 528-535.

3. Chełstowska S., Małek Ł., Miłosz B., Miśko J., Petryka J., Śpiewak M., Żabicka M.: Rezonans magnetyczny serca i naczyń, [w:] Nieinwazyjne metody obrazowania w diagnostyce choroby niedokrwiennej serca, pod red. W. Rużyłło,
C. Kępki, M. Kruka, J. Miśko, J. Pręgowskiego, Warszawa 2009, Wydawnictwo Medical Tribune, s. 120-244.

4. Bruder O., Schneider S., Nothnagel D. i wsp.:  EuroCMR (European Cardiac Magnetic Resonance) registry: results of the German pilot phase. “J. Am. Coll. Cardiol.” 2009, nr 54, s.1457-1466.

5. Hegde V.A., Miklich J.R., Doyle M., Rathi V.K., Yamrozik J.A., Williams R.B., Biederman R.: Cardiac magnetic resonance imaging in today’s economic climate; a cost effectiveness analysis. “J. Cardiovasc. Magn. Reson.” 2011, nr 13 (Suppl. 1), s. M12.

6. Matter C.M., Stuber M., Nahrendorf M.: Imaging of the unstable plaque: how far have we got?  “Eur. Heart. J.” 2009, nr 30, s. 2566-2574.

7. Schild H.H.: Zrozumieć rezonans magnetyczny – to może być proste: 33-104 (biuletyn informacyjny firmy Schering).

8. Edelman R., Wielkopolski P., Schmit F.: Echo-planar MR Imaging.  “Radiology”. 1994; 192: 600-612.

9. Fitzgerald K.: Magnetic Apprehensions. “Scient. American” 1993; October: 106-107.

10. Hausser K.H., Kalbizter H.R.: NMR w biologii i medycynie. Poznań, Wyd. Nauk. UAM, 1993.

11. Prentki P.: Niektóre problemy wyboru pola magnetycznego do badań MR. „Pol. Przegl. Radiol.” 1993; 57: 38-39.

12. Smith M.B., Tassoe R.F., Mosher T.J.: Potential Health Risk due tu Cardiac Applications of Echo Planar Imaging [w]: Biological Effects and Safety Aspects od NMR Imaging and Spectroscopy. “Ann. N.Y. Acad. Sci.” 1992; t. 649: 359-362.

13. Ueno S., Hiwaki O., Mastuda T. i in.: Safety Problems of dB/dt Associated with Echo Planar Imaging. [w]: Biological Effects and Safety Aspects of NMR Imaging and Spectroscopy. “Ann. N.Y. Acad. Sci.” 1992; t. 649: 369-371.

14. Weber D.M.: Echo Planar Imaging. GE Medical System: 3-14 (biuletyn informacyjny firmy GE).

15. Saikus C.E., Lederman R.J.: Interventional cardiac magnetic resonance imaging. New opportunity for image-guided interventions. “J. Am. Coll. Cardiol. Img.” 2009, nr 11, s. 1321-1331.

16. Thrall D.: Textbook of veterinary diagnostic radiology. College of Veterinary Medicine, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, Saunders Elsevier, Fifth Edition, 2007, s. 63-85.

Autorzy:

lek. wet. Krzysztof Podhorec, Ursynowska Klinika Weterynaryjna, Warszawa
lek. wet. Natalia Grabda, lek. wet. Oliwier Teodorowski, lek. wet. Piotr Teodorowski, Klinika Weterynaryjna Teodorowscy, Mikołów

Zdjęcia i grafiki:

Z archiwum autorów

Streszczenie:
Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) wykorzystuje pola magnetyczne i fale częstotliwości radiowej do tworzenia obrazu , który to zależny jest od rozkładu przestrzennego jąder wodoru w organizmie. MRI umożliwia uzyskiwanie obrazów diagnostycznych o wysokim kontraście tkankowym, anatomicznym, a za pośrednictwem spektroskopii rezonansu magnetycznego umożliwia funkcjonalne mapowanie narządów, takich jak mózg. Inną niezwykle pozytywną cechą, wyróżniającą badania MRI, jest to, że wydłużone skanowanie może zostać przeprowadzone bez narażenia pacjenta na dodatkowe ryzyko, związane z działaniami niepożądanymi promieniowania jonizującego.