Rezonans magnetyczny

• zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego związane jest z posiadaniem przez jądra pierwiastków o nieparzystej liczbie protonów lub neutronów

• wewnętrznego momentu pędu, zwanego spinem,

• oraz momentu magnetycznego

• najbardziej rozpowszechnionym w żywych organizmach pierwiastkiem o tych właściwościach jest wodór.

• jądra jego atomów (protony) odgrywają podstawową rolę w otrzymywaniu obrazów MR

• jeżeli badany narząd umieścimy w zewnętrznym stałym polu magnetycznym to:

• protony, o przypadkowo dotychczas ustawionych momentach magnetycznych, zostaną uporządkowane wzdłuż linii sił tego pola, w pozycjach:

• równoległej lub

• przeciwrównoległej

• niezależnie od tych dwóch możliwych położeń, wektor momentu pędu każdego protonu wykonując ruch obrotowy zakreśla w przestrzeni stożek, którego wierzchołek stanowi jądro atomu.

• Ruch taki nosi nazwę precesji i jest wywołany działaniem zewnętrznej siły magnetycznej.

• W warunkach równowagi termodynamicznej liczba protonów ustawionych zgodnie z kierunkiem pola (co odpowiada niższemu stanowi energetycznemu) jest większa od liczby protonów ustawionych przeciwnie. W badanej próbce wystąpi niewielkie wypadkowe namagnesowanie (wypadkowy wektor magnetyzacji)

• częstotliwość ruchu precesyjnego zależy od indukcji pola magnetycznego* i określona jest wzorem Larmora

• γ - stała żyromagnetyczna;
  Bo - indukcja pola magnetycznego
  
  

• Indukcja pola magnetycznego jest wielkością charakteryzującą jego natężenie.

• Jednostką indukcji jest Tesla (T) i

10 000 razy mniejszy Gauss (G).

• ziemskie pola magnetycznego wynosi około 0,5 G, czyli 0,00005 T,

• indukcja pól stosowanych w MR osiąga wartość 1500-30 000 G, czyli 0,15-3,0T

• Ponieważ możliwe są dwa sposoby uporządkowania momentów magnetycznych, związane z różnymi wartościami energii posiadanej przez protony, układ jako całość może pochłaniać energię dostarczoną z zewnątrz w postaci promieniowania.

• Energia ta może być pochłonięta w przypadku, gdy częstotliwość wzbudzającego pola magnetycznego równa jest częstotliwości Larmora.

• Ponieważ częstotliwość ta leży w obszarze częstotliwości radiowych (od kilku do kilkudziesięciu Mhz), impulsy wzbudzające określa się skrótem RF (radio frequency)

• Pochłonięcie energii oznacza przejście pewnej liczby protonów z położenia równoległego w przeciwrównoległe w stosunku do kierunku pola magnetycznego.

• Wektor wypadkowej magnetyzacji, zmienia swoje położenie w odniesieniu do pola magnetycznego zależnie od ilości pochłoniętej energii, odchylając się od pierwotnego kierunku o pewien kąt alfa

• odchylony od pierwotnego położenia wektor można rozłożyć na składową równoległą, oraz składową prostopadłą do linii pola magnetycznego.

• impuls RF powodujący odchylenie wektora, o ten kąt przyjęto nazywać impulsem (znak-alfa np. 90^o, 180^o).

• Równocześnie zachodzi zjawisko zrównania fazy ruchów precesyjnych jąder. Osie wszystkich wirujących protonów zajmują w chwili działania impulsu identyczne położenie względem płaszczyzny prostopadłej do linii sił pola.
  

• Po wzbudzeniu impulsem RF układ powraca stopniowo do stanu wyjściowego.

• Nagromadzoną energię emituje w postaci sygnału tzw. swobodnej relaksacji (free induction decay - FID).

• Istotą metody rezonansu magnetycznego jest naprzemienne nadawanie impulsów o odpowiedniej częstotliwości, wzbudzających próbkę, oraz odbieranie emitowanego przez nią sygnału

• relaksacja
  proces powrotu układu protonów do stanu wyjściowego po zaprzestaniu wzbudzania nazywamy relaksacją.

• Występują tu dwa niezależne od siebie zjawiska określane jako

• relaksacja podłużna i

• relaksacja poprzeczna.

• Relaksacja podłużna oznacza powrót składowej podłużnej wektora magnetyzacji do pierwotnej wartości. Wiąże się ona z powrotem wzbudzonych protonów z położenia przeciw-równoległego do równoległego.

• Szybkość tego procesu zależy od siły oddziaływania protonów z otoczeniem, stąd określa się relaksację podłużną jako relaksację spin-siatka.

• Szybkość relaksacji podłużnej jest tym większa, im większa jest liczba makrocząsteczek biologicznych w badanej tkance.

• Zjawisko to powoduje, że najdłuższy czas relaksacji podłużnej wykazują tkanki, w których zawartość wody jest największa, a makrocząsteczek najmniejsza (np. płyn mózgowo-rdzeniowy, tkanki zmienione zapalnie).
  

Parametr T1 nazywany czasem relaksacji podłużnej.

• Relaksacja poprzeczna, nazywana też relaksacją spin-spin, oznacza zanik składowej poprzecznej wektora magnetyzacji.

• Jest on związany z utratą zgodności fazowej ruchu precesyjnego protonów zachodzącą wskutek wzajemnych oddziaływań pomiędzy spinami.

• Siła międzyspinowych oddziaływań jest większa w tkankach, w których przypadkowe ruchy cząsteczek są słabe (np. tkanka tłuszczowa), wówczas czas relaksacji poprzecznej skraca się. W tkankach o dużej zawartości wody znaczna ruchliwość cząsteczek osłabia ich wzajemne oddziaływania, dlatego relaksacja poprzeczna trwa wyraźnie dłużej.

• Parametr T2 nazywany czasem relaksacji poprzecznej.

• Dodatkowym czynnikiem wpływającym na skrócenie czasu T2 jest niejednorodność pola magnetycznego, w którym umieszczono próbkę.

Często niejednorodność jest czynnikiem zewnętrznym, nie związanym z właściwościami badanych tkanek. Takie skrócenie T2 stanowi artefakt.

Jednakże w niektórych sytuacjach (np. obecność hemosyderyny świadcząca o przebytym krwawieniu, czy wychwyt superparamagnetycznych i ferromagnetycznych środków kontrastowych) miejscowa niejednorodność pola doprowadzająca do skrócenia T2 może być cenną wskazówką diagnostyczną.

• Obrazowanie MR polega na wizualizacji różnic właściwości magnetycznych poszczególnych tkanek, wyrażonych różnicami wartości ich czasów relaksacji, to znaczy czasów T1 i T2.

• Różnice te zależne od:

• budowy histochemicznej tkanki,

• związane z prędkością oddawania energii i

• zmian obu składowych wektora magnetyzacji,

wpływają na emitowany sygnał radiowy.

• Zastosowanie transformacji Fouriera pozwala na uzyskanie fal składowych o różnej częstotliwości i amplitudzie, pochodzących z poszczególnych tkanek.

• Przetwarzane są one następnie przy użyciu komputera na obraz analogowy z obszarami o różnej jasności (różnym natężeniu sygnału).

• W zależności od czasu relaksacji, podłużnej czy poprzecznej, względem której różnicujemy tkanki, mówimy o obrazach T1- lub T2-zależnych.

• Tkanki o krótkim czasie T1 posiadają silny sygnał i widoczne są w obrazach T1-zależnych jako obszary jasne (hiperintensywne).

• Tkanki o długim czasie T1 emitują słabszy sygnał i widoczne są jako obszary ciemne (hipointensywne).

• W przypadku czasów T2 mamy do czynienia z sytuacją odwrotną: tkanki o krótkim czasie T2 posiadają słabszy sygnał (są hipointensywne) niż te o długim czasie T2, które są widoczne jako obszary od nich jaśniejsze (hiperintensywne).

• Obrazy T1-zależne charakteryzują się silnym sygnałem z tkanek (obszary jasne) i słabym z przestrzeni płynowych (obszary ciemne). Są to obrazy najbardziej zbliżone do obrazów TK, oddając budowę morfologiczną narządów.

• Obrazy T2-zależne charakteryzują się słabym sygnałem z tkanek (obszary ciemne) i silnym z przestrzeni płynowych (obszary jasne). W obrazach tych dobrze widoczne są zmiany związane z przemieszczaniem płynów (ogniska naczyniopochodne w o.u.n., obrzęk).

• Na szczególną uwagę zasługują obrazy gęstości protonowej (proton density - PD), na których intensywność sygnału zależy głównie od zawartości (gęstości) protonów w danej tkance - im większa gęstość protonowa tym sygnał silniejszy.

• W tym typie obrazów, dobrze widoczne są zmiany związane z przebudową tkanek, na przykład ogniska demielinizacyjne w przebiegu stwardnienia rozsianego.

• Uzyskiwanie obrazu
  

• Uzyskiwanie obrazów warstwowych możliwe jest przez selektywne pobudzanie protonów.

• Cel ten osiągnięto stosując trzy dodatkowe pary cewek. W każdej parze cewek płynie prąd stały w przeciwnych kierunkach, wokół przewodników powstaje stałe w czasie, lecz liniowo zmieniające się w przestrzeni pole magnetyczne, które nakłada się na pole magnesu głównego. W ten sposób wytwarzane są liniowe gradienty indukcji pola wzdłuż każdej osi współrzędnych (cewki gradientowe).
  

• sekwencja impulsów RF, kontrast w obrazach MR
  
  Impulsy pobudzające wysyłane przez cewkę nadawczą są tak dobrane pod względem natężenia i czasu trwania, aby wywołać pożądane odchylenie wektora magnetyzacji próbki.

Odbiór emitowanego sygnału odbywa się przez cewkę odbiorczą pełniącą rolę anteny (może to być ta sama cewka przełączana na odbiór po zakończeniu nadawania impulsu).

• Otrzymanie obrazu struktur wewnętrznych badanego organizmu wymaga zastosowania sekwencji kilku kolejnych impulsów RF pozwalających na zarejestrowanie różnicy czasów T1 lub T2 dla różnych tkanek.

• Następnie konieczne jest przekształcenie tej informacji na obraz. Skala szarości na ekranie monitora lub na błonie odpowiada różnym wartościom aktualnie mierzonego parametru.

Obrazy, na których różnica w skali szarości odpowiada różnym wartościom T1 nazywamy T1-zależnymi. Dokonując pomiaru czasu T2 otrzymujemy obrazy T2-zależne.

• Odbiór sygnału wysłanego przez badaną próbkę jest możliwy tylko wówczas, gdy emisja następuje w płaszczyźnie prostopadłej do linii sił pola magnetycznego, dochodzi wtedy do indukowania napięcia w cewce odbiorczej.

• Zmiany magnetyzacji w płaszczyznach równoległych do osi podłużnej nie mogą być rejestrowane. Dlatego każda sekwencja musi zawierać impuls wytwarzający składową poprzeczną wektora magnetyzacji, zwykle impuls 90° lub mniejszy (w przypadku sekwencji gradient echo).

• Spośród wielu rodzajów sekwencji impulsów opracowanych dotychczas zastosowanie znajdują głównie:

• sekwencje echa spinowego i

• echa gradientowego.
  

Sekwencja echa spinowego

Sekwencja echa spinowego (spin echo - SE) składa się z pary impulsów: 90° i 180°.

Impuls 90° o częstotliwości rezonansowej powoduje obrót wektora magnetyzacji podłużnej do płaszczyzny poziomej, składowa podłużna zanika.

Obserwowany następnie sygnał swobodnej relaksacji FID jest proporcjonalny do gęstości protonów.

Odstęp czasu pomiędzy dwoma impulsami 90° nazywamy czasem powtórzeń (time of repetition - TR). Sygnał emitowany po ustaniu pierwszego impulsu zanika wskutek utraty zgodności faz pomiędzy spinami wirujących w płaszczyźnie poziomej jąder.

Impuls 180° powoduje obrót leżących w niej wektorów momentów magnetycznych i zmianę kierunku precesji.

Dzięki temu zgodność faz zostaje przywrócona. Emitowany jest wówczas sygnał zwany echem spinów.

Jeżeli impulsy 90° powtarzane są dostatecznie rzadko (długi czas powtórzeń -TR), natężenie sygnału nie zależy od czasu T1, ponieważ składowe wektorów podłużnych powracają do położenia wyjściowego.

Jednak wraz ze skracaniem TR do wartości porównywalnych z T1, wektor podłużny ma większy wpływ na tworzony obraz. Obrazy powstające w ten sposób nazywamy T1-zależnymi.

Tkanki o TR zbliżonym do T1 emitują w tych warunkach słabsze sygnały, tkanki o T1 krótszym od TR - silniejsze.

• Możliwy jest jednak również inny powód emisji słabego sygnału - mała gęstość protonowa badanego ośrodka (powietrze, kość). Tkanki o niewielkiej zawartości wodoru są ciemne na obrazach MR, niezależnie od zastosowanej sekwencji impulsów.

• Czas pomiędzy impulsem 90° a maksimum sygnału echa określany jest jako (time to echo - TE). Wybór czasu TE przez operatora polega na wyborze momentu, w którym odbiera się echo - jedno z wielu ech powstających w badanej próbce.

• Jeżeli czas TE będzie wyraźnie dłuższy od T2 danej tkanki, wtedy poprzeczna składowa wektora mangnetyzacji zaniknie do zera, zanim nadany zostanie impuls 180°, tkanki o krótkim T2 wyemitują słaby sygnał echa, a tkanki o długim T2 (np. płyny, obrzęk) wyemitują sygnał silny.

• wydłużenie czasu TE zwiększa tę zależność obrazu od czasu T2, jeśli oczywiście czas TR jest dostatecznie długi dla uniknięcia wpływu T1 na kontrast obrazu.

• W sekwencji spin echo można otrzymać obrazy, na których kontrast zależny jest od różnic w czasach T1 lub T2 pomiędzy tkankami oraz tzw. obraz PD, na którym różne stopnie szarości odpowiadają różnej gęstości protonów w badanych tkankach.

• Wpływ czasu powtórzeń i czasu echa na kontrast obrazu w sekwencji SE.
  

TR TE obraz

krótki (600 ms) krótki (35 ms) T1

długi(1,5-5s) długi (70-150 ms) T2

długi (1,5-5 s) krótki (35 ms) PD

• sekwencja zaniku inwersji (inversion recovery - IR).

Jest to najlepszy sposób otrzymywania obrazów T1-zależnych o kontrastowości lepszej niż spotykana w innych metodach.

W porównaniu z sekwencją spin echo występuje w niej jako pierwszy dodatkowy impuls 180° odwracający wektor magnetyzacji podłużnej w położenie przeciwrównoległe.

Po upływie czasu określanego jako time to inversion (TI) pada impuls 90°. Do tego momentu wektor podłużny zmienia zwrot z ujemnego na dodatni.

• sekwencje multiecho.

Sekwencje z wielokrotnym echem składają się z pierwszego impulsu 90° i kilku kolejnych impulsów 180°. Proces refazowania jest w ten sposób powtarzany, przy czym kolejne echa rejestrowane z czasami TE1, TE2, itd. mają stopniowo malejące natężenia.

Jest to najdokładniejsza, chociaż czasochłonna metoda oceny rzeczywistego czasu relaksacji poprzecznej.

Punkt wyjścia składowej podłużnej w metodzie IR jest dwukrotnie dalszy od jej wartości pierwotnej niż w przypadku sekwencji spin echo. Dzięki temu kontrast obrazów T1-zależnych w technice IR jest dwukrotnie większy. W sekwencji IR zwykle stosowany jest także drugi impuls 180° nadawany przed zanikiem sygnału wywołanego impulsem 90°. Jego rola jest identyczna jak w sekwencji spin echo - powoduje przywrócenie zgodności faz i emisję echa spinów. Czas TI musi być dostatecznie długi, z tego powodu technika IR charakteryzuje się stosunkowo długim czasem akwizycji danych.

Sekwencja echa gradientowego

Sekwencja echa gradientowego (gradient echo - GE). Posługuje się impulsami mniejszymi od 90° i krótkimi czasami TR i TE. Zamiast drugiego impulsu 180° do otrzymania echa spinów używa się gradientu pola magnetycznego, który zostaje odwrócony o kąt 180°. Zastąpienie jednego impulsu zmianą kierunku gradientu oraz zmniejszenie kąta odchylenia magnetyzacji pozwala na znaczne skrócenie całej sekwencji, a przez to również badania.

Rezonans magnetyczny

• nowoczesne techniki MR
  
  Ultraszybkie techniki akwizycji danych w MR

• największe osiągnięcie ostatnich lat w dziedzinie MR

• postęp w technice i technologii, zgodnie z hasłem "speed and quality",

• skracanie czasu obrazowania i poprawa jego jakości są najważniejszymi tendencjami

• mniejsze obciążenie ciężko chorych pacjentów,

• lepsze wykorzystanie aparatury,

• rozszerzenie możliwości diagnostycznych (rejestracja procesów zależnych od czasu).

• wprowadzeniem ultraszybkich technik akwizycji obrazów --> nowe zastosowania kliniczne MR:

• obrazowanie ruchów serca w czasie rzeczywistym i

• badania perfuzyjne serca przy pojedynczym wstrzymaniu oddechu,

• badania czynnościowe mózgu (włączając w to badania procesów aktywności kory) i szereg innych

• możliwość badania pacjentów nie współpracujących i pacjentów pediatrycznych bez potrzeby stosowania środków uspokajających.

• Jest to możliwe dzięki bardzo krótkim, na poziomie 20-100 ms, czasom akwizycji obrazu, co pozwala uzyskiwać 10-50 obrazów w ciągu sekundy. Takie parametry czasowe akwizycji zapewnia najszybsza i klinicznie użyteczna technika obrazowania - obrazowanie echoplaname (echo planar imaging - EPI).

• do technik szybkich zalicza się m.in.:

• fast spin echo - FSE (Jolesz, 1992) - technika 16-krotnie szybsza od konwencjonalnej SE, przy takim samym kontraście;

• fast gradient recalled echo - FGRE (Haase, z odmianami typu fast low angle shot-FLASH i turbo-FLASH czy snapshot-FLASH;

• fast imaging with steady state precession - FIS (Oppelt, 1986);

• rapid acquisition with relaxation enhancement - RARE (Henning,1984).

Rezonans magnetyczny

• MRA (Magnetic Resonance Angiography) jest terminem określającym specjalne techniki MR, służące tworzeniu obrazów angiograficznych, czyli obrazów przepływu krwi w tętnicach i żyłach - bez stosowania metod inwazyjnych oraz bez użycia środków kontrastowych i  promieniowania jonizującego.

• Uzyskane obrazy za pomocą angiografii MR są analogiczne do uzyskiwanych w klasycznej dotętniczej arteriografii mózgowej lub DSA i  dorównują im jakościowo.

• Wyróżniamy 2 podstawowe techniki akwizycji danych w MRA:

- angiografia czasu przepływu (time of flight -TOF)

- angiografia kontrastu fazy (phase contrast - PCA), bazująca na zjawisku przesunięcia fazy spinów płynących, poddanych działaniu dwubiegunowych gradientów magnetycznych.

• angiografia czasu przepływu (time of flight -TOF) - ta technika akwizycji danych jest zdecydowanie częściej stosowaną i w jej oprogramowanie wyposażone są standardowo wszystkie tomografy MR.

• Podstawowym założeniem MRA TOF jest wykorzystanie kontrastu pomiędzy płynącą krwią a pozostałą, stacjonarną tkanką mózgowia.

• Jest to możliwe dzięki temu, że w czasie sekwencji naczyniowej MR do obrazowanej objętości mózgowia napływają spiny krwi charakteryzujące się istotnie większą magnetyzacją podłużną w stosunku do spinów tkanki stacjonarnej.

Rezonans magnetyczny

• Spektroskopia rezonansu magnetycznego MRS staje się jedną z ważniejszych technik w badaniu ośrodkowego układu nerwowego.

• MRS pozwala na ocenę procesów biologicznych zarówno in vitro, jak i in vivo.

• staje się ona jedną z ważnych metod diagnostycznych w neurologii.

W badaniach ośrodkowego układu nerwowego znalazła zastosowanie zarówno:

• spektroskopia związków fosforu (31P), jak i

• spektroskopia protonowa.

Każda z tych technik pozwala na określenie zawartości w tkance mózgowej innych składników biochemicznych, każda z nich ma także swoje zalety i ograniczenia.

• Widmo spektroskopii protonowej (1H) składa się ze szczytów reprezentujących stężenie następujących związków chemicznych:

• N-acetylo-asparaginianu (NAA),

• kreatyny i fosfokreatyny (Cr + PCr),

• związków chemicznych zawierających grupę cholinową (Cho),

• inozytolu (INS),

• glicyny,

• kwasu mlekowego,

• glutaminy i glutaminianów.

• stężenie każdego z tych związków chemicznych może być traktowane jako odzwierciedlenie określonych przemian biochemicznych. W praktyce pozwala to na przybliżoną, ilościową interpretację wyniku badania spektroskopowego.

• wzrost szczytu cholinowego - wykładnik nasilenia procesów metabolicznych w obrębie błon komórkowych (np. w trakcie rozwoju procesu nowotworowego, proliferacji komórek glejowych),

• spadek stężenia N-acetylo-asparaginianów - w fazie ostrej i podostrej udaru

• w guzach mózgu wyraźny spadek poziomu N-acetylo-asparaginianów, spadek poziomu (Cr + PCr) w stosunku do stężenia związków cholinowych, czasem wzrost stężenia mleczanów.

Uzupełniające techniki MRI

• Jedną z takich technik badania MR jest FLAIR (fluid attenuated inversion recovery). Technika FLAIR pozwala na wytłumienie sygnału z płynu mózgowo-rdzeniowego, przy jednoczesnej silnej zależności od czasu T2.

• Dzięki temu w sekwencji FLAIR lepiej niż w innych technikach widoczne są zmiany zlokalizowane w sąsiedztwie komór mózgowych, rowków mózgowych i innych przestrzeni płynowych.

• Stąd FLAIR jest już rutynową częścią algorytmów diagnostycznych, stosowanych przy podejrzeniu procesów niedokrwiennych i demielinizacyjnych.

Cechy wydłużenia obrazów relaksacji tkanek mózgowia

w obrazie MR

Obraz T1-zależny Obraz T2-zależny

Określenie - ciemna - jasna

charakteru - hipointensywna - hiperintensywna

zmiany - o zmniejszonym - o wzmożonym

sygnale sygnale

Cechy skrócenia obrazów relaksacji tkanek mózgowia

w obrazie MR

Obraz T1-zależny Obraz T2-zależny

Określenie - jasna - ciemna

charakteru - hiperintensywna - hipointensywna

zmiany - o wzmożonym - o zmniejszonym

sygnale sygnale

Zmiany chorobowe mózgowia cechujące się

skróceniem czasu relaksacji

Czas T1 Czas T2

tłuszczak tłuszczak

przerzuty nowotworowe przerzuty nowotworowe

czerniaka czerniaka

gruczolaka śluzowatego gruczolaka śluzowatego

torbiel koloidowa torbiel koloidowa

część jamista czaszkogardlaka część jamista czaszkogardlaka

krwiak w fazie krwiak w fazie

podostrej i przewlekłej ostrej i podostrej

zakrzep tętniczy i żylny zwapnienia

złogi hemosyderyny

Zmiany chorobowe mózgowia cechujące się

wydłużeniem czasu relaksacji

Czas T1 Czas T2

większość procesów: szczególnie:

- zapalnych - krwiak przewlekły

- niedokrwiennych - torbiele o dużej

- rozrostowych zawartości białka

zwapnienia poza tym:

- większość zmian patologicznych, np. obrzęk

Zmiany chorobowe mózgowia izointensywne w obrazach MR

Obrazy T1-zależne Obrazy T2-zależne

wczesna ostra mikroprzerzuty

faza krwiaka nowotworowe

oponiak oponiak

---