Magnetska rezonancija (MR)

     Magnetska rezonancija je digitalna tehnika slikovnog prikaza koja funkcionira na principu nuklearne magnetske rezonancije, a za stvaranje slike zahtjeva jako, homogeno i stabilno magnetsko polje glavnog magneta za magnetizaciju snimanog uzorka, gradijentne zavojnice za magnetizaciju uzduž x, y i z-osi, radiofrekvencijske zavojnice za odašiljanje i prihvat signala, računala za procesiranje i pohranu dobivenih podataka. 


     Glavni magnet uređaja za MR stvara snažno, homogeno i stabilno magnetsko polje, magnetizira u organizmu male biološke "magnete“  – protone u jezgri atoma vodika.

 

       Magnetizirano tijelo izloži se djelovanju radiovalova čija je frekvencija sukladna jakosti magnetnog polja što uzrokuje rezonanciju atoma u ljudskom tijelu. Po isključivanju radiofrekvencijskih impulsa, atomi nastavljaju s titranjem, a tijelo ispitanika emitira višak energije koje je primilo djelovanjem radiovalova u obliku signala. Signal se zatim procesuira kroz računalo uređaja za MR i konvertira u slikovni prikaz tijela ispitanika. 

Glavni magnet smješten je u kućištu uređaja, oblikovan poput tunela, stvara osnovno magnetsko polje longitudinalnog smjera sjeverni pol – južni pol 

     Osnovno magnetsko polje dovodi do paralelnog svrstavanja osjetljivih jezgara (to su jezgre s neparnim brojem protona, neutrona ili njihovim zbrojem) i male prevage protona nižeg energijskog stanja, odnosno, osnovno magnetsko polje inducira mjerljivu tkivnu magnetizaciju čitavog tijela usmjerujući je po uzdužnoj osi. Rezultirajući magnetski vektor tijela smještenog unutar jezgre uređaja predstavlja zbroj magnetskih momenata osjetljivih jezgara. Pod djelovanjem radiofrekvencijskih impulsa taj se vektor pomiče prema transverzalnoj ravnini. 

     Magnetski se momenti tkivnih protona ne postavljaju točno u z-osi, nego se kreću oko te osi poput zvrka određenom kutnom brzinom, precesijskom frekvencijom. Brzina precesije ovisi o jakosti osnovnog magnetskog polja i konstanti koja ovisi o vrsti atoma što znači da je precesijska frekvencija vodikovih atoma na magnetu zadane magnetske indukcije konstantna. Prema magnetnoj indukciji polja koje razvijaju, uređaji za MR razvrstavaju se na uređaje niske snage (magnetske indukcije 0,1 T do 0,3 T), uređaje srednje snage (0,5 T do 1,00 T) i uređaje visoke snage (1,5 T do 4 T). U dijagnostičke svrhe koriste se uređaji s magnetskom indukcijom od 0,2 T do 3 T, dok se uređaji s magnetskom indukcijom većom od 4 T koriste samo u istraživačkim institucijama i bolnicama u sklopu takvih institucija. Prema građi magneti se razvrstavaju na stalne, otporne, hibridne i supravodljive magnete. Stalni (permanentni) magnet ima najjednostavniji način stvaranja magnetskog polja. Izrađen je od keramike ili rijetkih zemljinih elemenata, lantanida (engl. rare earth minerals) i ima ograničenu magnetsku indukciju polja (0,02 T do 0,3 T). Da bi se postigla odgovarajuća magnetska indukcija i odgovarajuća širina otvora kućišta, potrebno je znatno povećanje mase magneta, čak do 11 tona. Ipak, relativno mali magneti, s manjim popratnim uređajima i bez potrebe sustava za hlađenje s helijem prikladni su za smještanje u manje prostore i povoljnijih su cijena. Otporni (rezistivni) magnet (elektromagnet sa zavojnicom na temperaturi okruženja, stoga ima neki električni otpor) sa zračnom jezgrom sastoji se od navoja bakrene žice kroz koje protječe električna struja i stvara magnetsko polje potrebne homogenosti. Idealna konfiguracija za stvaranje homogenog magnetskog polja jest kugla sa žicom omotanom na njenoj površini te su ti magneti najčešće konstruirani od dvije veće i dvije manje zavojnice koje obavijaju zamišljeni oblik kugle. Magnetska indukcija otpornog magneta ograničena je na 0,15 T do 0,25 T. Iako jednostavne i u osnovi jeftinije izvedbe, ti magneti zahtijevaju veliku količinu električne energije (od 80 kWh), a zbog zagrijavanja i dodatnog hlađenja povećavaju se troškovi korištenja i održavanja tih uređaja. Hibridni magnet kombinacija je stalnog i otpornog magneta. Supravodljivi magnet (elektromagnet sa supravodljivom zavojnicom na vrlo niskoj temperaturi) građen je od navoja žice od metala ili njihovih slitina koji uronjeni u tekući helij i na temperaturi bliskoj apsolutnoj nuli (– 273 °C) postaju supravodljivi. Ovim magnetom postiže se jako, homogeno i stabilno magnetno polje magnetske indukcije do 3 T. 

   

 Tekući helij hladi zavojnice, koje također mogu biti otporne ili supravodljive, na temperaturu blizu apsolutne nule. Gradijentni magnet čine gradijentne zavojnice građene od otpornog materijala koje stvaraju linearni gradijent, uravnoteženi, linearni poremećaj osnovnog magnetskog polja uzduž vlastite osi (x-laterolateralno, y-anteroposteriorno, z-kraniokaudalno usmjeren uzduž osi magneta). Sjecište svih triju osi predstavlja izocentar magneta koji zadržava uvijek istu, osnovnu magnetsku indukciju polja. Kad je gradijentna zavojnica uključena, vodikove jezgre (protoni) osjete minimalnu, ali dovoljnu razliku indukcije osnovnog magnetskog polja, ovisno o njihovoj udaljenosti od izocentra pa je njihova precesijska frekvencija minimalno različita u odnosu na susjedni sloj. Gradijentne zavojnice se uključuju i isključuju vrlo brzo tijekom dobivanja slike, određujući sloj snimanja, fazno i frekvencijsko kodiranje i odgovorne su za kvalitetu slike. Sloj možemo odabrati u bilo kojoj ravnini prikladnim namještanjem gradijenata. Optimalni učinak imaju gradijentne zavojnice koje uzrokuju 10 mT/m i više 

     Radiofrekvencijske antene (radiofrekvencijske zavojnice), mogu se koristiti kao dvije – odašiljačka i prijemna antena i kao jedna radiofrekvencijska antena koja je dio vremena odašiljač, a dio vremena prijamnik.

Veličina radiofrekvencijske antene određuje širinu polja snimanog dijela. Odašiljačka antena odašilje elektromagnetske valove frekvencije koja pobuđuje isključivo vodikove jezgre (rezonancija), ali neselektivno s obzirom na dio tijela koji želimo prikazati u sloju. Budući da se radiofrekvencijski impuls aplicira na čitavo tijelo, samo vodikove jezgre jednog sloja smiju imati istu precesijsku frekvenciju da bi taj sloj mogao biti selektivno pobuđen. Prijamna antena mjeri signal koji dolazi iz tkiva. Te antene veličinom variraju od velikih za cijelo tijelo do malih površinskih zavojnica. Zavojnice koje priliježu uz pretraživanu anatomsku regiju imaju mali domet, no povoljniji omjer signala i šuma. Odabir zavojnice prvenstveno ovisi o dijelu tijela i udaljenosti objekta kojeg želimo prikazati u odnosu na površinu. Računala za procesiranje, kontrolu sekvencija snimanja, obradu i pohranu podataka su najmanje dva u sustavu uređaja za MR. Računala koja služe procesiranju podataka, nadziranju sekvencija snimanja određivanjem duljine gradijentnih i radiofrekvencijskih impulsa, vremena i broja slojeva, vremena ponavljanja signala i vremena odjeka kao i drugih parametara, velikog su kapaciteta zbog golemog broja podataka i nalaze se neposredno uz MR uređaj u radnoj stanici radiološkog tehnologa i radiologa. Oslikavanje MR-om (engl. Magnetic Resonance Imaging, MRI) temelji se na pobudi jezgara atoma vodika u tkivima elektromagnetnim valovima, uz primjenu jakog osnovnog magnetnog polja. Zbog široke rasprostranjenosti u ljudskom tijelu i prisutnog jednog protona u jezgri sa snažnim magnetnim momentom, atomi vodika su izvor signala u dijagnostičkoj primjeni. 

     

     Proton u jezgri atoma vodika rotira oko vlastite osi (spin) i ima vlastito magnetno polje čija se osovina opisuje magnetnim momentom. Magnetni momenti protona prikazuju se vektorima koji su orijentirani paralelno ili antiparalelno sa smjerom polja, tako da je malen suvišak protona usmjeren paralelno. Taj suvišak protona proizvodi neto magnetni moment, odnosno longitudinalni magnetizacijski vektor (LMV). On se rotira, odnosno precesira oko smjera osnovnog magnetnog polja frekvencijom što je prikazano sljedećom jednadžbom (Larmorova jednadžba): ω =B0γ (B0 - snaga osnovnog magnetnog polja; γ - giromagnetni indeks tvari) Elektromagnetnim valom, odnosno radiofrekventnim (RF) impulsom frekvencije jednake frekvenciji precesije protona dolazi do ekscitacije tkiva, odnosno rezonancije protona, čime oni prelaze u stanje više energije i LMV mijenja smjer. RF puls dovoljnog trajanja i amplitude uzrokuje pomak LMV tako da postaje okomit na osnovno magnetno polje, a takav se impuls naziva 90º RF impuls. Time nastaje mjerljiva transverzalna magnetizacija koja je izvor signala u MRI. 


     Nastankom transverzalnog magnetnog vektora (TMV) protoni vodika su fazno koherentni, odnosno magnetni momenti protona u tom trenutku su na istom mjestu precesijske staze. Kontrast na snimci posljedica je različite brzine oporavka longitudinalne magnetizacije i nestanka transverzalne magnetizacije pojedinih tkiva što se naziva T1 i T2 relaksacijskim vremenom. T1 relaksacija je konstanta koja predstavlja oporavak longitudinalne magnetizacije nakon prestanka djelovanja RF impulsa, predajom energije protona okolini. Nakon T1 vremena longitudinalna magnetizacija doseže 63 % svoje početne vrijednosti. T2 relaksacija je konstanta, predstavlja nestajanje transverzalne magnetizacije (63 %) zbog gubitka fazne koherencije protona. Manipulacijom parametara snimanja, kao što su vrijeme ponavljanja (TR, engl. Repetition Time) i vrijeme odjeka (TE, engl. Echo Time), do izražaja dolaze T1 ili T2 vremena relaksacije tkiva, čime nastaju razlike signala pojedinih tkiva. TR je vrijeme između ponavljanja RF impulsa, a njegovim produžavanjem omogućujemo potpuniju T1 relaksaciju i smanjujemo utjecaj T1 vremena na intenzitet signala. TE je vrijeme između središnjeg djelovanja RF impulsa i maksimalnog odjeka, odnosno mjerenja signala. Njegovim skraćenjem smanjuje se učinak T2 relaksacije na kontrast različitih tkiva. K-prostor (matrica) je apstraktni, matematički prostor iz kojeg se računalnim algoritmom konstruira snimka iz signala prikupljenih određenim sekvencijama. Taj prostor olakšava usporedbu različitih tehnika snimanja. Svaki impuls snima drugi dio prostora (red, liniju) i to se ponavlja dok se ne ispuni čitav k-prostor. Impulsne sekvencije, spin-eho, gradijent-eho, koje se koriste pri MR snimanju predstavljaju računalno proizvedene mape prostornih razlika u T1 i T2 relaksacijskim karakteristikama protona vodika različitih tkiva. Klasična i najstarija sekvencija nastala korištenjem samog spina je spin-eho sekvencija (SE, engl. Spin-Echo) koja se sastoji od 900 RF impulsa i 1800 RF impulsa, koji je refazirajući impuls i kojim se poništavaju učinci neizbježne inhomogenosti magnetnog polja u tkivima. Karakteristične slike se nazivaju T1 i T2 snimke.T1 snimke daju visok signal masti, dok T2 snimke daju visok signal vode. Prema ovim snimkama se uspoređuju ostale snimke te se govori da je snimka T1-mjerena ili T2-mjerena.

     Fast spin-eho ili turbo spin-eho (FSE, engl. Fast Spin-Echo; TSE, Turbo Spin-Echo), je obično T2 mjerena snimka koja nastaje kad se zbog ubrzavanja snimanja dio k-prostora svakog sloja snima "prije" vremena. Na taj se način dobiva manje ili više artefakt T1 snimke u T2 snimci, odnosno dio signala masti je također snimljen iako bi na snimci svijetli dijelovi bili samo od signala vode. Inversion recovery (IR) sekvencije, kao podvrsta SE sekvencije, posebne su zbog aplikacije početnog inverznog impulsa. Njime se tkivo "pripremi" prije samog snimanja sloja. Na taj se način može dobiti veći kontrast i razlikovanje tkiva prema raznim svojstvima, uglavnom količini vode. Ta sekvencija započinje sa 180° inverznim impulsom koji pomiče magnetski vektor vodikovih protona u potpunu saturaciju, nakon čega slijedi povratak ka početnoj magnetskoj orijentaciji (longitudinalnoj). Ekscitacijski 90° impuls se aplicira u TI vremenu (TI, engl. Time from Inversion) koji određuje kontrast slike. Budući da je brzina relaksacije masti i vode različita, može se izračunati TI sukladno vremenu  prolaska kroz transverzalnu magnetizaciju pojedinih tkiva kad je longitudinalna komponenta jednaka nuli. Na taj način možemo eliminirati signal pojedinih tkiva. Sekvencija STIR (engl. Short Thau Inversion Recovery) eliminira signal masti iz tkiva. Sekvencija FLAIR (engl. fluid attenuated inversion recovery) poništava signal vode iz tkiva 


     Prednosti IR su izvrstan odnos signala i šuma (SNR, engl. Signal to Noice Ratio) zbog dugog TR, te izvrstan T1 kontrast. Nedostaci IR su dugo vrijeme skeniranja, osim ako se koristi brza opcija IR-a. Sekvencije nastale korištenjem gradijenata su gradijent-eho, T2*, EPI i ME sekvencije. Gradijent-eho sekvencije (GE, engl. Gradient-Echo) načelno mogu koristiti koherentnu magnetizaciju s podjednakim doprinosom longitudinalne i transverzalne magnetizacije (npr. true FISP, engl. Fast Imaging With Steady Precession) i nekoherentnu longitudinalnu magnetizaciju (npr. FLASH, engl. Fast Low Angle Shot). To je općenit naziv za sekvencije kod kojih se pomoću gradijenata primijenjenih na osnovno magnetno polje mijenja dinamika relaksacije protona i time postiže drugačija snimka i/ili se smanjuje vrijeme snimanja. T2* sekvencija (T2 zvjezdica, engl. T2 star) vrsta je T2 snimanja kod koje se snimanje vrši kad je više od 66% protona relaksirano. Koristi se uglavnom kod snimanja kosti, zglobova i sl. 3DCISS GE sekvencije (engl. Three-dimensional (3D) Constructive Interference in Steady State) su vrlo brze tehnike snimanja pomoću kojih je moguće snimati i vrlo brze kretnje, kao npr. kod srca.

     EPI sekvencije (engl. Echo Planar Imaging) koriste se u funkcionalnim pretragama organa ili tkiva kod kojih je vremenska rezolucija važnija od prostorne. Za takve sekvencije je potrebna veća osnovna snaga magnetnog polja. 

     ME sekvencije (engl. Multi Echo) su sekvencije kod kojih se prikupljanje signala temelji na jednoj ekscitaciji i višestrukom očitavanju, a primjenjuje se u SE i GE sekvencijama. Kada se nakon samo jedne ekscitacije istodobno popune sve linija k-prostora radi se o single-shot tehnikama (SS, engl. Single Shot). Tipičan predstavnik single-shot SE sekvencije je HASTE (engl. Half-Fourier Acquisition Single-shot Turbo Spin Echo), a tipičan predstavnik GRE sekvencije je EPI. Posebne sekvencije su DW, DTI, MRS, MRCP, fMRI, MRA. Difuzijski mjereno oslikavanje (DWI, engl. Diffusion Weighted Imaging) je tehnika snimanja kod koje se poništava sav signal iz tkiva, tako da se prikazuje jedino signal iz onih molekula koje se kreću zbog difuzije. Ova se tehnika svakodnevno koristi za utvrđivanje dijela moždanog tkiva koje je doživjelo infarkt, odnosno ishemiju.

     Tehnika snimanja duž vlakana neurona (DTI, engl. Diffusion Tenzor Imaging) predstavlja tehniku snimanja uzduž neuronskih vlakana, čime se dobivaju korisni podaci o tijeku snopova neurona u mozgu što je korisno kod nekih operativnih zahvata ili analize bolesti i stanja. Magnetna spektroskopija (MRS, engl. Magnetic Resonance Spectroscopy) se temelji na dobivanju spektara iz odabranih dijelova moždanog parenhima pomoću kojih se može odrediti koncentracija pojedinih metabolita. Zahtijeva dopunsku opremu (spektralni analizator).

   

 Magnetna kolecistopankreatografija (MRCP, engl. Magnetic Resonance Cholecysto-pancreatography) predstavlja prikaz žučnih i pankreatičnih vodova T2 mjerenom tehnikom. Posljednjih godina uvodi se pretraga funkcionalnog MR-a mozga (fMRI). To je metoda koja pomoću MR tehnologije dijagnosticira vrlo diskretne metaboličke promjene u aktivnim dijelovima mozga

     Metoda se bazira na procjeni povećane metaboličke aktivnosti tkiva koja uključuje ekspanziju krvnih žila, kemijske promjene, promjene u oksigenaciji koje se pohranjuju i analiziraju te omogućuje komparativnu analizu funkcije zdravog mozga i mozga oštećenog traumom, upalnim, degenerativnim ili tumorskim promjenama. Također, omogućuje i precizno određivanje (engl. mapping) dijelova mozga koji su bitni za proces razmišljanja i zaključivanja, pokrete i osjet. Princip metode MR angiografije temelji se na pojačanju signala iz mobilnih protona u krvnoj struji i/ili supresiji signala iz stacionarnih spinova u tkivima. Svježi spinovi ulaze u sloj (engl. entry slice fenomenon ili in-flow efect), a stacionarno je tkivo saturirano, primjerice vrlo kratkim TR-om. 


     Postoje tri osnovne akvizicijske tehnike u MR angiografiji koje ovise o protoku krvi. Prva je Time of Flight (TOF), druga je Phase-Contrast (PC) tehnika, a treća Velocity Encoding (VENC). TOF koristi TR daleko ispod T1 vremena stacionarnih tkiva čime dovodi do njihove saturacije. Svježi, potpuno magnetizirani putujući spinovi stvaraju snažan signal krvne struje. Izrazitim skraćenjem TR-a ili smanjenjem brzine krvne struje ispod kritične točke, spinovi u krvnoj struji će također postati saturirani te će izgubiti signal. PC tehnika koristi razlike u brzini spinova (u sistoli i dijastoli), a može se generirati i između stacionarnih i putujućih spinova pomoću bipolarnog gradijenta. Preporučuje se za dijagnostiku AV malformacija, aneurizmi, venske okluzije. Artefakti pri MR snimanju mogu nastati na fizikalnim osnovama magnetskih polja i uređaja i mogu biti vezani uz bolesnika. Artefakti sa stvaranjem šiljka šuma (engl. spike artefact) nastaju od gradijentne zavojnice koja se koristi kod dugotrajnih snimanja (kao što je EPI), pri čemu diolazi do izbijanja šiljaka šumova u k-prostoru, a što rezultira stvaranjem vertikalnih tamnih pruga na snimkama. 


     Artefakt zatvarača (engl. zipper artefact) je artefakt opreme za MR koji se javlja zbog "istjecanja" elektromagnetske energije u prostoriji za MR (sl. 58). Pojavljuje se kao područje povećanog šuma sa širinom od 1-2 piksela. Sve su prostorije za MR priređene kako bi se eliminirale interference lokalnih radio frekvencija radio-stanica ili elektronske opreme koja emitira signale s mogućom interferencom. Obično nastaju nepažnjom, tj. unosom elektronske opreme u prostoriju za MR.

     Artefakti povezani s gibanjem (engl. motion artefacts) nastaju zbog gibanja bolesnika tijekom snimanja, npr. disanje bolesnika tijekom snimanja abdomena, stvara zamućenje slike i dvostruke konture organa. Ovi artefakti izbjegavaju se zadržavanjem daha. Respiratorni pokreti, pulsacije krvnih žila i srca također uzrokuju nastanak artefakata u smjeru faznog kodiranja. Posljedica su također dvostruke konture ili zrcalne slike organa ili dijelova organa. Ako ih nije moguće izbjeći zbog stanja bolesnika, treba ih svakako uzeti u obzir i prepoznati te uključiti u interpretaciju slike.

     Artefakte protoka (engl. flow artefacts) uzrokuje krv koja cirkulira u krvnim žilama. Protok krvi se manifestira kao područje bez signala u smjerovima faznog kodiranja. U SE sekvencijama krv se prikazuje kao "crno područje" unutar lumena krvne žile. Ti se artefakti mogu smanjiti uporabom kompenzacije ili anuliranjem gradijentnog momenta. Kao posljedica je produljeno vrijeme skeniranja. Artefakti podložnosti (engl. susceptibility artefacts) nastaju kao efekt tkivne magnetizacije koja blago alterira lokalno magnetsko polje. Razlika u podložnosti magnetizaciji za pojedina tkiva uzrokuje inhomogenost polja na granici pojedinih tkiva i organa. Gubitak signala je osobito težak na granici zraka i tkiva i kosti i meke česti. Kao posljedice nastaju geometrijske distorzije osobito kod sekvencija s dugim vremenom skeniranja. Dobro poznavanje anatomije i patologije i vrsta tkiva koja su uključena u snimanja mogu reducirati pogreške u interpretaciji. 


     Artefakti koji nastaju zbog prisutnosti metalnih implantata iste su prirode, samo što su mnogo ozbiljniji i teži. Ta se područja manifestiraju kao potpun gubitak signala zato jer je lokalno magnetsko polje tako snažno da se spinovi gotovo istog trena defaziraju.


     Artefakti kemijskog pomaka (engl. chemical shift artefacts) nastaju jer protoni u vodi i protoni u masti imaju značajno različit kemijski okoliš što uzrokuje razliku u frekvenciji njihovog rezoniranja. Kemijski pomak između vode i masti može uzrokovati artefakte u smjeru frekvencijskog kodiranja. Ti su artefakti bili vrlo česti u T2 mjerenim snimkama prije uvođenja brzih SE sekvenci. 



     Kao posljedica ovog artefakta može nastati dominacija signala iz masti i supresija kontrasta između patološki promijenjenog i normalnog tkiva, osobito na MR snimkama abdomena. Artefakti prebacivanja (engl. aliasing artefacts) uobičajeni su artefakti na MR oslikavanju. Događaju se kad je polje oslikavanja (engl. Field of View, FOV) manje od anatomske regije koja se snima. Tada se na rubovima obično stvaraju bizarne polukružne formacije (franc. moiré uzorak) koje također treba prepoznati i pravilno interpretirati.

Primjena kontrastnih sredstava pri MR snimanju 

   

mijenja vrijeme relaksacije protona, a time i intenzitet kontrasta (signala), što značajno pridonosi dijagnostičkoj efikasnosti. Kontrastna sredstva koja se koriste pri MR snimanju na osnovi su gadolinijuma, u uporabi od 1988. godine. Gadolinijum (Gd) je paramagnetna tvar koja je u slobodnom obliku toksična pa se veže za helate čime joj je reducirana toksičnost. Efekti kontrastnog sredstva ovisni su o dozi i pulsnim sekvencijama. Pozitivna ili paramagnetska kontrastna sredstva poput gadolinijuma u malim dozama pojačavaju signal u T1 sekvenci. Negativna ili superparamagnetna kontrastna sredstva poput čestica željeznog oksida skraćuju T2 i dovode do slabljenja signala u T2 mjerenoj slici. U gastrointenstinalnom sustavu kontrastna sredstva služe za markaciju lumena crijevnih vijuga, za prikaz zadebljanja stijenke crijeva i ekstramuralnih komplikacija kod upalnih bolesti crijeva.

Kontraindikacije za provođenje Magnetske rezonance su slijedeće:

- instaliran srčani elektrostimulator /pace-maker/

- postojanje paramagnetskih metalnih tijela (stentova,proteza, gelera, i sl) u organizmu, osim stentova i proteza testiranih na pretragu.