A magmágneses rezonancia
Az MRI: megújuló orvosi radiológiai képalkotó eljárás
A 2003. évi élettani és orvosi Nobel-díjat megosztva Paul C. Lauterbur amerikai és Peter Mansfield brit kutató nyerte el. Tudományos munkásságuk során a magmágneses rezonancia módszerét, röviden az NMR-t (Nuclear Magnetic Resonance) az orvosi képalkotás céljából továbbfejlesztették, és kidolgozták az MRI- (Magnetic Resonance Imaging) technikát. Természetesen rajtuk kívül ebben a még ma is folyamatosan zajló tudományos és technikai fejlesztésben sokan mások is nagyszerű munkát végeztek. Erre a különlegesen nagy elismerésre azért jelölte őket a hivatalos bizottság, mert a jelenség térbeli feldolgozásának első megoldását dolgozták ki.
A magmágneses
rezonancia alapelvét 1946-ban Felix Bloch és Edward Mills
Purcell fedezte fel. Ennek elismeréseként kapták meg 1952-ben
a fizikai Nobel-díjat.
 |
 |
| Peter Mansfield | Paul C. Lauterbur |
Erős sztatikus mágneses térben a nem zérus magspinnel rendelkező atommagok, mint elemi mágnesek, a külső tér irányába rendeződnek (a magspin az atommag belső impulzusnyomatéka, amelyhez energiája, mágneses nyomaték is társul). Minél nagyobb a külső mesterséges mágneses tér erőssége, annál nagyobb fokú lesz az atommagok mágneses tér irányába való rendezettsége. A mai diagnosztikában a 0,3 Tesla és a 3,0 Tesla közötti mágneses térerősség-tartományban működnek a berendezések. Véletlen egybeesés, de az erősebb orvosi mágnesekben is alkalmazott szupravezető alapjelenségek leírásáért nyerte el három fizikus az idei fizikai Nobel-díjat.
Az atommagok közül legegyszerűbben a hidrogén esetében jön létre az említett rendezettség, hiszen a legegyszerűbb atommagról van szó, amely valójában egyetlen proton. Az orvosi képalkotás elsődlegesen erre épül, segítségével lényegében szervezetünk hidrogéntérképének metszeteit lehet létrehozni. Ehhez persze önmagában a mágneses tér nem elegendő. A sztatikus mágneses tér által orientált atomok különféle orientációjú (iránykvantált) állapotainak energiája különböző. Ha az atommaggal megfelelő energiát közlünk, az orientáció megváltozik – a rendezettség tehát csökken. A vizsgálandó atomokkal rádiófrekvenciás energiát közölve, a spektrumból kiválasztódik az a frekvencia, amelyhez éppen az átmenethez szükséges energia tartozik, rezonancia jön létre, amely során a kívánt frekvenciájú sugárzás abszorbeálódik.
Megfelelő irányból, a sztatikus mágneses térre merőlegesen érkező gerjesztő rádiófrekvenciás sugárzás hatására az atommagok kimozdulnak eredeti rendezettségükből. Ebből a gerjesztett állapotból persze bizonyos anyagonként eltérő hosszúságú idő múlva ("relaxációs idő") visszarendeződnek eredeti állapotukba, miközben az energiakülönbséget kisugározzák; kellően érzékeny antennákkal, valamint megfelelően beállított vevőtekercsekkel a kisugárzott rádióhullámok detektálhatók. Ezt a jelenséget alkalmazták eleinte a különféle anyagok kémiai szerkezetének vizsgálatára.
A képalkotás számára azóta használható ez a jelenség, amióta meghatározható a rádiójelek kibocsátási helye, azaz pontosan leképezhető az emberi testnek az a pontja, ahonnan az adott jel érkezett. Paul Lauterbur az 1970-es évek elején kezdte meg ilyen irányú munkásságát. A kétdimenziós képek elkészítésének olyan rádiótechnikai lehetőségét dolgozta ki, mellyel meg tudta határozni azok származási helyét. Lépcsőzetes változásokat hozott létre a mágneses térben, és a jelgyűjtés ilyen rendszerével először vált lehetővé az emberi testet tetszőleges szeletek képében ábrázoló módszer kidolgozása. A CT (komputertomográfia) keresztmetszeti képeihez viszonyítva ugyanis további új lehetőségeket kínál azzal, hogy a testünket széltében vagy hosszában ábrázoló elsődleges képeket is nyerhetünk segítségével. A jelek összegyűjtése persze önmagában csak az első fázisa a képalkotásnak. Ezt követően ugyanis a nyers jelsorozatokból rekonstruálni kell azt a képet, amely a fekete-fehér skálán megjelenített számértékekkel az emberi test kiválasztott szeleteinek szerkezetét reprezentálja. Ehhez nagyon bonyolult és nagyszámú matematikai műveletre van szükség, ami Peter Mansfield munkájának köszönhető. Kettejük együttes eredményeként válhatott alkalmassá igazi képalkotásra a magmágneses rezonancia.
Ezek a képek eleinte igen gyenge minőségűek voltak, de a röntgenfelvételek, ultrahang vagy a CT-képek esetében sem volt ez másképp. Azóta is folyik az egyre nagyobb részletgazdagságú, egyre rövidebb időtartamokat is ábrázolni képes, ugyanakkor egyre kevesebb zavaró műterméket tartalmazó képek létrehozására irányuló technikai fejlesztés. Ennek része a gerjesztési energia közlési módozatainak egyre nagyobb bonyolultsága, melynek nyomán egyre több információt lehet az MRI-képeken megjeleníteni.
1. ábra. Az erős mágneses tér irányába rendezett magspineket
a merőleges irányból érkező rádiófrekvenciás energia kibillenti
Alaphelyzetben a gerjesztés az erős mágneses tér irányára merőlegesen érkezik, ami a magspineket kibillenti és az egyirányú rendezettséget megzavarja (1. ábra). A visszarendeződés az eredeti erős mágneses tér irányába történik, amit T1-relaxációnak nevezünk. A folyamat végére ismét felépül az erős mágneses tér irányába mutató rendezettség. Ennek folyamán a kezdetben erős, de egyre gyengülő jeladás végül megszűnik (2. ábra).
2. ábra. A gerjesztett állapotból alaphelyzetbe visszarendeződés
folyamán kisugárzott igen gyenge rádiófrekvenciás jeleket antenna
segítségével fogják fel
Közben azonban egy másik gerjesztőenergia is érkezik, és ez 180°-os irányba téríti ki, ellenkező állásúra billenti a magspineket. Hatására egy másik irányban új rendezettség jön létre: koherens, fázisban együtt mozgó táncba is kezdenek a magspinek. Ez irányú összhangjuk azonban "karmester" hiányában rohamosan romlik, majd szétesik. Miközben ebben az irányban a rendezettségből visszaáll a rendetlenség, jeleket foghatunk fel, ebből adódnak a T2*-hatások. Általában a karmester az újabb jelsorozattal ismét azonos fázisba inti a táncosokat, majd újra szétesik az együttmozgásuk, de egyre fáradnak, így egyre kevésbé fogadnak szót a karmesternek. Az egyetlen 90°-os kibillentést követő ilyen hosszan ismételt 180°-os jelsorozatok végére alakul ki a T2-relaxáció (3. ábra).
 |
| |
 |
| |
3. ábra. A jelsorozatok végére alakul ki a T2 relaxáció
A T1-, a T2*- és a T2-hatások egyszerre vannak jelen, az alapmágneses irányban újraépül a rendezettség, ugyanakkor a másik irányba visszaáll a rendetlenség. A felfogható jel valójában az elemi jelecskék eredője. Amikor képalkotást végzünk, az egyik vagy másik jellegű hatásokat erősebben kívánjuk megjeleníteni. A 90°-os jelek ismétlődése között eltelt időtartamot a TR (Time of Repetition– ismétlődési idő) jellemzi. A jelek mérésének, vagyis visszahallgatásának időpontját az echóidővel (TE, Time of Echo) állítjuk be, és milliszekundum-tartományban mérjük (rövidítése: ms). (Példa, csak az időintervallumok érzékeltetésére: amikor T1 hangsúlyozott méréseket végzünk, rövid TR- [pl. 500 ms] és rövid TE- [pl. 30 ms] időket használunk. Amikor T2 hangsúlyozott méréseket készítünk, aránylag hosszabb [pl. 3000 ms] TR és aránylag hosszabb TE [pl. 120 ms] akvizíciós, vagyis jelgyűjtési időket használunk.)
Ez az eljárás a spinechó. Előnye, hogy nagyon jó részletgazdagságú, erősen kontrasztos, szép képeket ad. Hátránya, hogy hosszú percek alatt készül csak el, így a légzés, a szívműködés, vagy a belek mozgása zavaró műtermékeket okoz. Az artériákban gyorsan áramló vér ilyenkor teljesen jelmentes. A gerjesztett vér ugyanis elfolyik, mire a benne lévő sejtekből érkező jeleket felfoghatnánk. Nagyobb térerősségű mágnesek használatakor valamivel gyorsabb a vizsgálat, fő előnyük inkább az, hogy minél nagyobb térerősségű mágnest használunk, annál részletgazdagabb képet nyerhetünk.
Az egész gerjesztési és relaxációs folyamat gyorsabb változata esetében a 90°-os kitérítés helyett kisebb szögben történik a kibillentés. Ennek létrehozásához kellett a lépcsőzetes, ún. gradiens mágneses teret létrehozó tekercsek igen bonyolult szabályozásának kidolgozása. Az ilyen módon létrehozott gyors méréseket, a szebb képet adó, de lassabb spinechóktól (spinvisszhangtól) a "gradiensszekvenciák" névvel különböztetjük meg.
A leírt elvi alapok után talán már benyomásunk lehet arról, hogyan jönnek létre a különböző MRI-képek. Joggal vetődhet fel az olvasóban a kérdés, mit tudunk (illetve mit nem tudunk) ábrázolni ezzel a bonyolult és igen drága eljárással.
A szervezetünket alkotó molekulák "hidrogéntérkép" formájában történő megjelenéséről tettünk már említést. Ehhez még az is hozzá tartozik, hogy a vízben szabadon úszkáló, csak oxigénhez kötött hidrogén egészen más szabadsági fokban kapja a gerjesztéseket, mint az erősebb kémiai kötéssel a fehérjékben, vagy igen erős kötésekkel a zsírmolekulákban kötött hidrogén. A kialakuló hidrogéntérkép ennek alapján a hidrogén kötöttségi szintjének térképét jelenti.
Legrövidebb relaxációs ideje, azaz a nagy mágneses tér irányába történő visszarendeződési ideje a zsíroknak van. Mivel a gerjesztési energiát gyorsan adják le, erős jelet kapunk. Rövid, T1 hangsúlyozott mérési technika mellett világos területek keletkeznek, vagyis a megjelenő képen fehér lesz a zsírban gazdag szövet, ilyen például a csontvelő vagy az agy fehérállománya, és természetesen a bőr alatti és a szervek közötti zsírszövet. Leghosszabb relaxációs ideje a víznek van, igen hosszú idő alatt adja le a gerjesztéskor elnyelt energiát, ezért ezek a jelek gyengék. A rövid T1 hangsúlyozott mérések során – a küszöbértéket ennél magasabbra beállítva – a víz helyén jelmentesnek látszó sötétség, a képen fekete terület állítható elő. Így az agykamrákban és az agyvelő, valamint gerincvelő körül elhelyezkedő folyadék, a vizelet, az epe és más folyadékok nem adnak jelet.
A hosszabb, T2 hangsúlyozott mérések során a rövid, erős választ adó zsírokból származó jelek már elcsendesednek. Ilyenkor a kis jelekkel ugyan, de még majdnem töretlenül sugárzó víz sokkal gazdagabb jeladást mutat, mint a zsírok és a fehérjék. Sajnos, ez az aránylag nagyobb jel is valójában kicsi, érzékenyebbre kell tehát állítani a jelfogó berendezést. Persze, most is az történik, mint amikor egy távoli rádióállomás adását hallgatjuk: "zajos" lesz az adás. A képen is azt fogjuk látni, hogy romlik a képminőség. Érdemes azonban ezt az adást is meghallgatni, mert nagyon informatív. Ebben a megjelenítési formában a folyadékok adnak erős jelet, és az a rész lesz világos, vagyis fehér a képen, amely nagy folyadéktartalmú.
A szervek és szövetek nagy része a két tartomány között ad több-kevesebb jelet, ennek nagysága és eloszlása a szöveti összetételtől, vagy annak kóros változásától függ. Kóros folyamatok, betegségek esetében (gyulladások, keringési zavarok, kopásos elfajulások, sérülések, folyadékkal telt tömlők, rossz irányban megváltozott anyagcsere-folyamatok, jó- és rosszindulatú daganatok) megváltozik a szövetek összetétele, és megváltozik jelszerkezetük is. A legtöbb kóros változás sejtek közötti vizenyőképződéssel jár, súlyosabb esetekben a sejtek belseje is vizenyős lesz. Lehet azonban kóros éppen a víztartalom csökkenése is, például a porckorong-degeneráció esetében.
A gradiensszekvenciával történő nagyon gyors mérések igen nagy változatossága lehetővé teszi a finom eltérések megjelenítését, például az ízületi porc belső szerkezetének ábrázolását, egészen kis bevérzések kimutatását, vagy akár az áramló vérből származó jelek regisztrálását is. Az agyban éppen kezdődő vizenyő korai kimutatására olyan speciális mérési eljárást is kifejlesztettek, amellyel azon a hatórás határon belül lehet bizonyítani az agyi érelzáródás vizenyőképződéssel járó következményeit, amikor még valóban hatékony gyógyszeres kezelésre van lehetőség, de a CT sem ábrázol még eltérést.
Elkezdték már olyan MRI-berendezések gyártását is, mely a mozgó szívnél gyorsabb leképezéssel a koszorúereket, és azok szűkületeit is ki tudja mutatni. Az agyi vérkeringés egyes tekervényekben mérhető pillanatnyi változásait is láthatóvá lehet már tenni. Ilyenkor a vérünkben az oxigént szállító hemoglobinból érkező jelek között, annak alapján tud különbséget tenni az MRI, hogy mennyi az aktuális oxigéntartalom, és ennek változásait olyan rövid időtartamokban tudja mérni, hogy a betegnek a vizsgálat közben mutatott képek és hangok hatására keletkező agyi változások is rögtön kimutathatók.
Hangsúlyozni kell, hogy az MRI-vizsgálat nem tud daganatra, gyulladásra vagy más kóros folyamatra jellemző jelváltozásokat regisztrálni. Csupán arra ad lehetőséget, hogy ábrázolja a megváltozott szöveti szerkezetet. Azt, hogy ennek mi a jelentősége (figyelembe véve a kiterjedését, határait, belső és külső egyenetlenségeit, környezetéhez való viszonyát), milyen eltérésre vagy eltérésekre utalhat, a vizsgálatot vezető radiológus orvos ismeretei, és tapasztalata alapján elemzi. Véleményalkotásában nagy szerepe van az egyéb radiológiai vizsgálatokkal talált eltéréseknek és a betegről a vizsgálatot kérő szakorvostársa által közölt adatoknak is. Minél pontosabban megfogalmazott konkrét kérdésre kell választ adni, annál speciálisabb, egyénre szabott vizsgálati tervet építhet fel a radiológus, és annál pontosabb lesz az MRI-vizsgálat eredménye. Fordítva is igaz: minél általánosabb a klinikai kérdésfeltevés, annál általánosabb lesz a vizsgálat megtervezése is, és annál inkább általános jellegű marad a válasz is.
Mit nem tud még az MRI? Nem nyerhető jel a levegőből, ezért a tüdő nem vizsgálható. Nem nyerhető jel a kalciumból sem, a csontok is csak azért vizsgálhatók, mert bennük zsírtartalmú csontvelő van. A mágnesezhető fémek sem adnak jelet. Felmelegednek azonban, ami annál veszélyesebb, minél magasabb a mágneses térerő. Az alacsony (0,3 Tesla térerősségű) mágnesekben ilyen veszély nincs, és kimozdulástól sem kell tartani még olyan betegek esetében sem, akikben hasi műtétek során elhelyezett érleszorító fémkapcsok vannak, és vizsgálhatók a korábbi, mágnesezhető fémanyagokkal operált traumatológiai-ortopédiai betegek is. (A műtéteknél újabban használt fémeszközök nagy része már nem mágnesezhető anyagból készül, és bármilyen nagy térerősségű MRI-vel vizsgálható, de ezt csak akkor vállalhatjuk, ha pontos leírást kapunk a behelyezett anyag összetételéről.)
Alacsony térerősségű készülékekkel sem szabad azonban (egyelőre) olyan betegeket vizsgálni, akiknek szívritmus-szabályozója van (pacemaker), mert az elektromágneses tér frekvenciaváltozásai a szívritmus-szabályozó zavarát okozhatják, valamint a fémes részekben melegedési effektust, és ezzel elektromos zavart okozhatnak, ami akár a szívizom direkt károsodásához vezethet. Nem vizsgálhatunk továbbá olyan betegeket sem, akikben agyi erekre helyezett fémkapcsokat helyeztek a korábbi műtétek során.
A bezártságérzet miatt szorongó betegek (klausztrofóbia) a szűk belső tér miatt rosszul érezhetik magukat. A "testhez simuló" kiképezés azonban elengedhetetlen, ez ugyanis a rádiójelek jobb vételét biztosítja. Az ilyen tekintetben érzékenyebb személyek többsége a részben nyitott MR-berendezéseket könnyebben elviseli, mint a nagy térerősségű változatukat, azonban ilyenkor is szükséges a pszichológiai felkészítés, néha gyógyszeres előkészítés is.
Szükség lehet alkalmanként kiegészítő módszerekre is. A leggyakoribb ilyen eljárás a kontrasztanyag beadása. Ez olyan (általában vénába injekció formájában beadott) anyagot jelent, melynek két típusa használatos. Az egyik, általánosan alkalmazott csoport paramágneses (gyengén mágnesezhető) tulajdonságú. Legismertebb ilyen anyag a kelátburokba zárt gadolinium. Ezeknek az anyagoknak még a zsíroknál is rövidebb a relaxációs ideje, tehát még erősebb T1-jelet adnak még rövidebb ideig. Ez a kontrasztanyag a vérkeringésbe kerülve kirajzolja a szív és az erek űrterét, és a vérkeringés gyorsaságával eljut az egyes szervekbe is. Az ott zajló gyulladások, daganatok és legtöbb más eltérés is az érhálózat változásával, olykor mikrosérüléseivel jár, így a kontrasztanyag felhalmozódását megjelenítve az adott elváltozás vérellátási eltéréseit is ábrázolni lehet. Kontrasztanyagot kell adni azoknak a friss agyi érelzáródással vizsgált betegeknek, akiknél az oxigénhiány okozta károsodásra utaló korai vizenyőt ábrázolt a gradiens-MRI. A kontrasztanyaggal ilyenkor a véglegesen és átmenetileg károsodott agyállomány arányát kell feltérképezni.
Megjelentek a mangántartalmú újabb kontrasztanyagok is, melyek már nemcsak az ereket ábrázolják, hanem bejutván például a normális májsejtekbe is, onnan fokozott jelet sugároznak, míg a kezdetben még kicsiny kóros eltérés azáltal válik láthatóvá, hogy alacsony marad a jeladása.
A másik, ellentétes mágneses tulajdonságú anyag (T2 kontrasztanyag) "ferromágneses" típusú, mely speciálisan készített vas-oxid-szemcsékből áll. Ez is bejut a májba, de annak egy másik típusú sejtrendszerében fog felhalmozódni. Végeredményben a normális májszövet ennek beadását követően jelmentessé válik, míg a májon belüli idegen szövetben nem halmozódik fel a kontrasztanyag. Így a kóros eltérés fog magáról jeladással árulkodni. Ígéretes kísérletek folynak ennek a T2 típusú kontrasztanyagnak egy különlegesen gondosan meghatározott méretű részecskék formájában történő alkalmazásával. Ez a nyirokcsomókban fog felhalmozódni, és alkalmassá válik a kóros és normális nyirokcsomók megkülönböztetése olyan korai stádiumban is, amikor nagyságuk alapján még nem lennének gyanúsak.
Az MRI- (vagy CT-) kontrasztanyag beadása járhat némi kockázattal is, éppen ezért csak akkor használjuk, ha valóban szükség van rá. Minden ilyen esetben igaz azonban, hogy a kontrasztanyag beadásának elmulasztása miatt fel nem ismert betegség sokkal nagyobb egészségkockázatot jelent az adott beteg számára, mint az a – statisztikailag kimutatható elvi – kockázat, ami a kémiai anyag igen ritka, esetleges mellékhatásaira vonatkozik.
További kiegészítő eljárás az MRI és az intervenciós beavatkozások összekapcsolása. Ehhez nyitott, aránylag alacsony vagy közepes mágneses térerősségű készülékeket alkalmaznak. Ilyenkor nem mágnesezhető anyagból készített tűkkel és katéterekkel olyan speciális beavatkozások végezhetők el, melyekre műtétileg megközelíthetetlen helyen van szükség, és a szokásos ultrahang, röntgen vagy CT-kontrollal nem ábrázolhatók. Ennek a módszernek és a daganatok sugárterápiás eljárásainak egészen új kombinált fejlesztési iránya az, amikor az MRI közvetlen kontrollja segítségével helyeznek el sugárforrásokat a beteg testében. A közeljövőben olyan külső sugárforrással kombinált lineáris gyorsítók is megjelennek, ahol a külső besugárzás egy MRI-berendezésben zajlik, így abszolút biztonságos és pontos a beteg terület beállítása, sőt a daganatnak a kezelések során változó nagyságához is igazodhatnak majd az eljárások.
Egészen új, ma még csak kísérleti kontrasztanyagos képalkotó eljárás a molekuláris MRI. Ennek során egyetlen igen nagy vivőmolekula felszínét borítják be sok tízezer kontrasztanyag-molekulával, így ennek az egyetlen molekulának olyan nagy lesz a jeladása, hogy rátalálva egyetlen adott kóros sejtrészletre (receptorra), azt MRI-vizsgálattal láthatóvá teszi.
Végül az eredeti NMR-jelenséghez visszatérve említést kell még tenni az MRI spektroszkópia módszeréről.
A hidrogénen kívül ugyanis más atomok is adnak jelet, csak sajnos sokkal kisebbet, és nehezebben értékelhetőt. Élettani jelentősége miatt a 31P mérése a legfontosabb (ATP), emellett a 13C és 19F is még említendő. A klinikai betegellátásban bizonyos betegségek esetében olyan MRI-spektroszkópiás mérésekre kerülhet sor, melyek az agyi anyagcserében biológiailag szerepet játszó fontos nagy molekulák megoszlását mutatják, egyelőre adott szeletben kijelölt, meghatározott pontban felvett görbék formájában. Küszöbön áll egyes molekulák térbeli eloszlásának valódi leképezése is, eleinte csak az agyban, később talán majd más szervekben is.
Természet Világa, 135. évfolyam, 1. szám, 2004. január
http://www.chemonet.hu/TermVil/
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/