Student:Leszek Bąk

I Wydział Lekarski gr. 9

NMR

Wstęp

Magnetyczny rezonans jądrowy(NMR ang. Nuclear Magnetic Resonance) polega na pochłanianiu energii z zewnętrznego pola elektromagnetycznego przez jądro atomu przy jego przejściu z jednego stanu energetycznego do stanu energetycznego o wyższej energii. Zjawisko to zostało odkryte przez fizyków: Felix Bloch i Edward Pursell w 1946r.. Pierwsza propozycja wykorzystania NMR do otrzymywania obrazów została przedstawiona przez Damadiana w 1972., a pierwszej realizacji dwuwymiarowego obrazu tą metodą dokonał Lauterbur w 1973r.. Obecnie tomografia oparta na zjawisku magnetycznego rezonansu jądrowego osiągnęła już wysoki poziom doskonałości technicznej i jest jedną z podstawowych metod diagnostyki medycznej.

Badanie polega na umieszczeniu pacjenta w komorze aparatu, w stałym polu magnetycznym o wysokiej energii. co powoduje, że linie pola magnetycznego jąder atomów - w organizmie człowieka - ustawiają się równolegle do kierunku wytworzonego pola magnetycznego. Dodatkowo sam aparat emituje fale radiowe, które docierając do pacjenta i jego poszczególnych tkanek wzbudzają w nich powstanie podobnych fal radiowych, które z kolei zwrotnie są odbierane przez aparat. W praktyce jako "rezonator" wykorzystuje się jądro atomu wodoru. Liczba jąder wodoru w poszczególnych tkankach jest różna, co między innymi umożliwia powstawanie obrazu. Komputer dokonując skomplikowanych obliczeń, na ekranie przedstawia uzyskane dane w formie obrazów struktur anatomicznych. Obrazy badanych struktur u poszczególnych pacjentów zapamiętywane są w pamięci stałej komputera, tj. na dyskach optycznych. Obrazy te są także przez specjalną kamerę naświetlane na zwykłej folii rentgenowskiej.
Jest to badanie całkowicie nieinwazyjne, gdyż w przeciwieństwie do innych badań radiologicznych nie wykorzystuje promieniowania rentgenowskiego, lecz nieszkodliwe dla organizmu pole magnetyczne i fale radiowe.
Badanie to umożliwia w sposób całkowicie nieinwazyjny ocenę struktur anatomicznych całego człowieka w dowolnej płaszczyźnie i także trójwymiarowo, a szczególnie dobrze ocenę ośrodkowego układu nerwowego (mózg i kanał kręgowy) i tkanek miękkich kończyn (tkanki podskórne, mięśnie i stawy). Obecnie jest to metoda pozwalająca w najlepszy sposób ocenić struktury anatomiczne oraz ewentualną patologię z dokładnością do kilku milimetrów. Badanie służy także nieinwazyjnej ocenie naczyń całego organizmu (tzw. angiografia rezonansu magnetycznego). W angiografii rezonansu magnetycznego przy pomocy aparatu do rezonansu magnetycznego i bez użycia środka kontrastowego (w sposób nieinwazyjny) można otrzymać obraz naczyń krwionośnych i ocenić ewentualne patologie (np. tętniaki, naczynia patologiczne, itp.). Uruchamiając odpowiedni program w komputerze można uzyskać obraz układu tętnic lub żył organizmu.

Teoretyczne i techniczne podstawy badania

Obracający się dookoła własnej osi jądro, proton lub elektron ma moment mechaniczny, spin, i może mieć moment magnetyczny μ powiązane zależnością

μ=γp (1)

gdzie: p- moment pędu γ- współczynnik proporcjonalności zwany współczynnik żyromagnetyczny, który niezależnie od położenia ładunku względem osi obracającej się cząstki wynosi

γ=e/2m (2)

gdzie: e - ładunek cząstki m - masa cząstki.

Zarówno moment p jak i μ są wielkościami kwantowymi.

Gdy jądro znajdzie się w stałym zewnętrznym polu magnetycznym, to będzie na niego działała dodatkowa siła próbująca obrócić je w kierunku zgodnym z zewnętrznym polem magnetycznym. W wyniku działania tej siły oraz momentu pędu wektor momentu magnetycznego jądra będzie wykonywał obrót dookoła osi, skierowanej wzdłuż zewnętrznego pola magnetycznego, z częstotliwością precesji Larmora

ν = 2ΠγB (3)

gdzie: ν- częstotliwością precesji, γ- współczynnik żyroskopowy, B- indukcja magnetyczna.

Moment magnetyczny protonu może przyjmować dwa możliwe ustawienia w polu magnetycznym: równoległą (spin=½) i antyrównoległą (spin= -1/2). Ustawienie równoległe jest stanem o niższej energii.

Energia ΔE potrzebna do pobudzenia protonu jest równa

ΔE = ђγB₀ (4)

gdzie: ђ=h/2Π (h - stała Planck'a), więc z równania (3)

ΔE = ђγB₀ = hν (5)

Tak więc częstotliwość rezonansowa wynosi ν=γB/2Π. Fala elektromagnetyczna prostopadła do kierunku pola B₀ o tej częstotliwości może być absorbowany przez proton i przechodzić na wyższy dozwolony poziom energetyczny.

W obecności stałego, jednorodnego pola magnetycznego dochodzi do ustalenia się stanu równowagi pomiędzy liczbą jąder, których momenty magnetyczne ułożone są zgodnie i przeciwnie do kierunku pola. Zgodnie z rozkładem Boltzmana liczba cząstek znajdujących się na obu poziomach energetycznych w stosunku do ilości tych cząstek jest określona zależnością

N _{mniejsze E} /N _{większe E} =exp(ΔE/kT)= exp(γhB₀/kT) (6)

Dla protonów w temperaturze pokojowej znajdujących się w polu B₀=1,4 T różnica populacyjna określona równaniem (6) jest 2,6x10^-6, czyli zaledwie kilka na milion pomimo silnego pola magnetycznego. Dlatego w praktyce mamy do czynienia nie z pojedynczymi jądrami, lecz bardzo dużą ich liczbą. Wektorowi momentu magnetycznego odpowiada wtedy wektor namagnesowania, zwany magnetyzacją, będący sumą momentów magnetycznych na jednostkę objętości.

Wektor magnetyzacji w stałym polu magnetycznym przyjmie położenie równoległe do linii tego pola. Pod wpływem fali elektromagnetycznej o częstotliwości rezonansowej zacznie wykonywać ruch precesyjny jednocześnie odchylając się od kierunku pola, aż do położenia antyrównoległego. W zależności od długości trwania impulsu możemy odchylić wektor magnetyzacji o dowolny kąt. Jeżeli odchyli magnetyzacje o 90⁰ od kierunku pola nazywany jest impulsem 90⁰, jeżeli o 180⁰ (położenie antyrównoległe) - impulsem 180⁰.

Obrócony wektor magnetyzacji będzie następnie wracał do początkowego położenia zwiększając składową o kierunku zgodnym z kierunkiem pola stałego. Czas w jakim osiągnie 63% wartości pierwotnej nazywany jest czasem relaksacji podłużnej t₁.

Składowa prostopadła wektora magnetyzacji powstaje w wyniku sumowania składowych prostopadłych momentów magnetycznych poszczególnych jąder. Przy braku impulsu pola zmiennego nie są zgodne w fazie więc wypadkowa magnetyzacja wynosi 0. Po zadziałania impulsu synchronizują się w fazie dzięki czemu rośnie wartość składowj prostopadłej. Po zaniknięciu impulsu składowa prostopadła zanika w wyniku desynchronizacji fazy. Czas w jakim zmniejsza się do 37% wartości początkowej nazywany jest czasem relaksacji poprzecznej T₂. Czas T₂ jest krótszy od czasu T₁.

Obraz NMR składa się z małych elementów objętościowych - vokseli. Aby określić położenie każdego voksela w przestrzeni najpierw wybieramy warstwę. Uzyskujemy to stosując gradient stałego pola magnetycznego co powoduje, że jądra atomów w każdej warstwie mają inną częstotliwość precesji, więc impuls o danej częstotliwości pobudzi jądra tylko jednej warstwy. Po pobudzeniu jąder danej warstwy stosujemy gradient pola w jednej z jej osi, co zmienia częstotliwość precesji magnetyzacji, a w osi prostopadłej stosujemy gradient fazy, który uzyskujemy za pomocą impulsu z gradientem w tej osi.

Wirujące momenty magnetyczne indukują napięcie w cewce umieszczonej dookoła ciała lub nad wybranym obszarem. Indukowane napięcie jest zależne od amplitudy wektorów magnetyzacji i czasów relaksacji - jest to odbierany sygnał nazywany FID(ang. Free Induction Decay). Sygnał FID zawiera wszystkie informacje o wirujących momentach magnetycznych protonów w obrazowanych tkankach. Uzyskany sygnał FID jest następnie rozkładany za pomocą przekształceń Fouriera na składowe określające parametry vokseli. Przetwarzane są one następnie na obraz z pikselami o różnej szarości. Zależnie od czasu relaksacji, podłużnej czy poprzecznej, wykorzystywanej do obrazowania tkanki, rozróżnia się obrazy T₁ lub T₂ zależne. Można również tworzyć obrazy gęstości protonowej na których intensywność sygnału zależy głównie od zawartości protonów w danym vokselu.
Napięcie indukowane w cewkach jest proporcjonalne do kwadratu wartości momentu magnetycznego cząstki i kwadratu indukcji stałego pola magnetycznego. Dlatego obecnie stosuje się pola o dużej indukcji magnetycznej 1,5 - 7T.

Wskazania do wykonania badania

Ze strony ośrodkowego układu nerwowego

Choroby demielinizacyjne (np. stwardnienie rozsiane).

Choroby otępienne (np. choroba Alzheimera).

Nowotwory mózgu trudne do oceny w innych badaniach.

Ocena struktur okolicy przysadki mózgowej, oczodołu, tylnego dołu mózgu.

Guzy kanału kręgowego.

Ocena anatomiczna struktur kanału kręgowego.

Zmiany popromienne w ośrodkowym układzie nerwowym.

Zaburzenia neurologiczne o niewyjaśnionej etiologii.

Inne.

Ze strony tkanek miękkich

Guzy tkanek miękkich.

Urazy tkanek miękkich (stawów, mięśni, więzadeł).

Inne.

Ze strony klatki piersiowej, śródpiersia i miednicy

Guzy serca.

Choroby dużych naczyń.

Guzy płuc naciekające ścianę klatki piersiowej.

Nowotwory narządów rodnych u kobiet i gruczołu krokowego (prostaty) u mężczyzn.

Inne.

SPOSÓB PRZYGOTOWANIA DO BADANIA

Do badania należy zgłosić się na czczo (co najmniej 6 godzin wcześniej nie należy przyjmować pokarmów stałych). W przypadku badania jamy brzusznej wskazane jest wcześniejsze zastosowanie środków hamujących ruchy (perystaltykę) jelit (np. Buscopan). Małym dzieciom przed badaniem podaje się środki uspokajające. Wykonanie badania w znieczuleniu ogólnym jest możliwe jedynie wtedy gdy, gabinet wyposażony jest w specjalną aparaturę przystosowaną do pracy w polu magnetycznym.
Do pomieszczenia w którym znajduje się aparat, nie wolno wchodzić z żadnymi metalowymi przedmiotami (np. klucze, breloczki itp.), gdyż te mogą zostać przyciągnięte przez magnes i mogą spowodować uszkodzenie aparatu lub uraz pacjenta. Nie wolno także wchodzić do pomieszczenie z magnesem,, zegarkiem oraz z kartami magnetycznymi (karty bankomatowe, kredytowe itp.) gdyż te mogą ulec rozmagnesowaniu.
Wszelkie metalowe przedmioty znajdujące się w pobliżu badanej okolicy powodują powstanie dużych zaburzeń obrazu (np. w przypadku badania oczodołów należy zmyć makijaż, w którym znajdują się drobiny metali kolorowych).
Unika się wykonywania badania u osób z klaustrofobią, a także u osób z metalowymi zastawkami serca, wszczepionymi płytkami ortopedycznymi lub innymi metalowymi przedmiotami umieszczonymi wewnątrz ciała. Badania nie wykonuje się u osób mających wszczepiony rozrusznik serca oraz pooperacyjne metalowe klipsy na tętniakach w mózgowiu.
Wskazane jest podanie środka uspokajającego

BADANIA POPRZEDZAJĄCE

W niektórych przypadkach pacjent powinien być poddany wstępnej ocenie w innych prostszych i tańszych badaniach radiologicznych . Wyniki wszystkich poprzedzających badań dodatkowych powinny być dostarczone przed wykonaniem badania rezonansu magnetycznego.

OPIS BADANIA

Pacjent nie musi się rozbierać do badania i układany jest na ruchomym stole, na którym przesuwany jest do środka aparatu - tzw. gantry (ryc. 17-2). Podczas trwania całego badania (średnio około 40 minut) pacjent nie może się ruszać, gdyż jakiekolwiek ruchy powodują niemożność prawidłowego odczytania obrazu. Trudność sprawiają badania małych dzieci, którym trudno jest leżeć nieruchomo przez cały czas badania. W niektórych sytuacjach do pełniejszej oceny wymagane jest podanie dożylnego środka cieniującego.
Wynik badania przekazywany jest w formie opisu, niekiedy z dołączonymi zdjęciami rentgenowskimi.

CZAS

Badanie trwa zwykle około godziny, choć może się przedłużyć nawet do 3 godzin

INFORMACJE, KTÓRE NALEŻY ZGŁOSIĆ WYKONUJĄCEMU BADANIE

Przed badaniem

Posiadanie rozrusznika serca, metalowych klipsów na tętniaku w mózgu, lub innych metalowych części w organizmie. Rozpoznanie wcześniej alergii lub wystąpienie w przeszłości jakichkolwiek reakcji uczuleniowych na leki lub środki kontrastowe. Wyniki wszystkich poprzedzających badań. Klaustrofobia. Skłonność do krwawień (skaza krwiotoczna) w przypadku stosowania dożylnych środków kontrastowych.

W czasie badania
Podczas badania pacjent, pomimo zamknięcia w hermetycznym pomieszczeniu, ma ciągłą możliwość kontaktu z badającymi. W czasie badania pacjent powinien natychmiast zgłaszać:

Wszelkie nagłe dolegliwości (np. uczucie klaustrofobii). Jakiekolwiek objawy po podaniu dożylnego środka cieniującego (duszność, zawroty głowy, nudności).

JAK NALEŻY ZACHOWYWAĆ SIĘ PO BADANIU?

Nie ma specjalnych zaleceń.

MOŻLIWE POWIKŁANIA PO BADANIU

Brak powikłań. Badanie może być powtarzane wielokrotnie. Wykonywane jest u chorych w każdym wieku, a także u kobiet ciężarnych.

---