Mágneses magrezonancia. Mágneses magrezonancia. (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging : mágneses magrezonancia képalkotás

Átírás

1 Magnetic Resonance Imaging Diagnosztikai és terápiás módszerek fizikai alapjai március 9. Dudás Réka (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging : mágneses magrezonancia képalkotás Orvosi diagnosztikában a test szerkezetének leképezéshez. Agyi képalkotás területén is alkalmazzák. Előnye a komputertomográfiához képest, hogy jobb a kontrasztfelbontó képessége a lágy szövetek területein. Létezik a strukturális MRI vizsgálat (smri) mellett ún. funkcionális MRI (fmri) is, amellyel a vizsgált szervek működéséről nyerhető információ. NMR: azon módszerek, amik a mágneses magrezonancia jelenségét molekulák tanulmányozására használják. A magok mágneses volta a spinimpulzus-momentumra vezethető vissza. Az atommagok spinkvantumszáma: 0, 1/2, 1, 3/2, 2... ~4. meghatározza, hogy az adott mag mágneses-e ( NMR aktív ). A 12 C spinkvantumszáma 0 nincsen NMR spektruma. A 13 C spinkvantumszáma ½ mágneses momentuma ½ NMR jelet ad. A leggyakrabban mért magok: 1 H, 13 C, 15 N, 17 O, 19 F. Zeemann-nívó: A mágneses momentumok elfordulása energiaváltozással jár mágneses térben az atommag (és az elektronburok) energianívói felhasadnak: egy nívó helyére 2M+1 Zeemann-nívó kerül. Alacsonyabb Zeemann-nívóról magasabbra a mag (ill. burok) olyan frekvenciájú elektromágneses sugárzással gerjeszthető, amelyre teljesül a rezonanciafeltétel: 2 Zeemann-nívó közti energiakülönbség ΔE = hν Planck-áll. gerjesztő frekvencia Konstans mágneses térerősség mellett a gerjesztő frekvencia változtatjuk. Konstans frekvencia mellett a térerősséget változtatjuk. E E 2 E 1 hν 1

2 nyomaték Egy anyag rezonancia frekvenciája egyenesen arányos a mágneses mező térerejével a Larmorprecesszió képlete szerint. az elektronok, atommagok és atomok mágneses momentumának precesszióját (egy forgó tárgy forgástengelyének megváltozását) írja le külső mágneses térben. mágneses momentum külső mágneses mező giromágneses irány impulzusmomentum Ha teljesül a rezonanciafeltétel, a minta a sugárzásból nagyobb mértékben nyel el a detektor minimumot jelez. Adott térerősség alkalmazásakor egy vegyület különböző atommagjai más-más frekvenciával rezonálnak. A mag-mágnesek olyan érzékenyek, hogy eltérő kémiai környezetben (molekulán belüli elhelyezkedésbeli különbségnél) megváltozik a rezonanciafrekvenciájuk. kémiai eltolódás: az NMR spektrumból nyerhető elsődleges információ. A spektrum egyéb adatai is jelentős információval szolgálnak. NMR Nuclear Magnetic Resonance E E 2 E 1 E E2 E1 Relaxáció: a kibillent rendszer visszatérése alapállapotba. Exponenciális függvény szerint, időállandója a relaxációs idő. (Az az időtartam, amely alatt az állapotot jellemző paraméter elérése az egyensúlyi állapothoz tartozó értéktől e-ed részére csökken.) x spin-rács relaxáció: a gerjesztett spinek a fölösleges energiától a környezettel való kölcsönhatás révén szabadulnak meg. spin-spin relaxáció: a gerjesztett spinrendszeren belül történik az energiaátadás (ha térbeli közelség van). Atommagok mágneses tulajdonságaira épülő módszerek. Olyan anyagok esetében, melyek eredő magspinje eredő mágneses momentuma zérustól különbözik. páratlan proton- és/vagy neutronszámú magok. A vizsgálatokban alkalmazott mágneses indukciók mértéke 0,3-0,8 T; a gerjesztő frekvenciák a rádióhullámok (néhány MHz) tartományába esnek. 2

3 Az MRI működési alapelve Elektromágneses tér Mesterséges mágneses térbe helyezik a vizsgált testrészt. Megdönti a protonok tengelyének irányát a hidrogénatomokban. (nagy mennyiségben van jelen, páratlan protonszámú (1)). A test körülbelül 70 százalékát víz (H 2 O) alkotja! A szkennelés alatt, rétegenként, plusz energiával bombázzák, megváltoztatják a tengelyek dőlését. A proton, igyekszik visszaállítani eredeti dőlésszögét a kapott energiát visszasugározza. A visszasugárzott energiát mérjük. 3D képrekonstrukció. Szisztematikusan, tetszőlegesen beállított síkokban képeket készítenek, amelyekről információt nyernek az adott térfogaton található szövetek víztartalmáról, sűrűségéről, végső soron az anyagáról, mely a strukturális elemzésekhez szükséges. A mágneses térerősségnek a rezonanciafeltételt egy adott pillanatban a leképzendő testszelvény kicsiny térfogatelemében kell kielégítenie több mágneses tér egyidejű alkalmazásával. I. Fő mágneses tér: szupravezető tekercs Z tengely (páciens testtengelyével párhuzamos II. Z-gradiens tekercs: Z mentén egyenletesen változó Eredőjükként egy XY síkban teljesül a rezonanciafeltétel. III. X gradiens tekercs: Z irányú, de X irányban változó Egy vonalban érvényes a rezonanciafeltétel IV. Y gradiens tekercs: Z irányú, Y irányban változó Egy ponton (térfogatelemben) érvényes a rezonanciafeltétel! A gradiensek változtatásával sík pásztázása. Voxel A képalkotásban a legkisebb vizsgálati egység. Meghaladja a sejtek méretét (1-3 mm oldalhosszúságú) megeshet, hogy egy adott voxel például szürke és fehérállományhoz tartozó sejteket is tartalmaz. Statisztikai eljárások, beprogramozott elvek segítségével a szoftver döntést hoz az adott területtel kapcsolatban. A műszer gerjesztési adatok: B=0,05 2 T f=mhz-10mhz Adatok forrása: a protonokból visszasugárzott energia mennyisége. Info: szövetek sűrűsége szövetek kémiai környezete víztartalom eloszlása 3

4 Az MRI képek jellemzői súlyozási eljárások: T1: strukturális elemzésekhez - a szürkeállomány sötétebb szürke, a fehérállomány világosabb, esetleg fehér, és a liquor fekete. T2; T2*: a szürkeállomány vékony felülete világosabb tónusú a fehérállománynál, a liquor fehér. a/commons/d/db/structural.gif Nehézségek az elemzésben Voxelek: a legnagyobb felbontású gépekben is milliméter nagyságrendűek. Hosszadalmas, nagy körültekintést igényel és drága. A páciens mozog, a képek egymáshoz képest elmozdulnak. Egyenetlen mágneses mező torzulások. A szkenner felmelegszik. rossz jel-zaj arány rontja a statisztikák megbízhatóságát is. Az emberi agyak nem egyformák. barázdáltság méret alak összehasonlításhoz megfeleltetik őket egymásnak regisztráció: szükséges átalakítások felmérése, számítása transzformáció: fentiek végrehajtása. illesztés A számításokat a koordináta-transzformáció szabályai szerint végzik. lineáris transzformáció - merev testek esetén (ugyanazon személy elmozdult agyának illesztésére): mozgatás, forgatás, három dimenzió mentén; méretezés, torzítás MR-biztonság MR-biztonság Elektromos implantátumok: pacemaker, nervus vagus stimulátor, inzulin-pumpa, cochlea-implantátum, implantálható cardiverterdefibrillátor (ICD). megoldás lehet: implantátumok olyan nanoborítása, amely leárnyékolja a szerkezetet. Mágnesezhető idegen testek (pl. repeszdarabok) vagy fém implantátumok (pl. sebészeti protézisek, aneurizma sztentek) implantátum mágneses mezőben való elmozdulása, a tárgy indukciós felhevülése. megoldás: titán implantátumok (nem mágnesezhető és gyenge elektromos vezető. implantátumok és egyéb klinikai készülékek besorolása: MR-biztos jelzés: egyáltalán nem mágnesezhető, nem vezeti az elektromos áramot. MR- feltételes jelzés: tartalmazhat mágneses, elektromosan vezetőképes, RF-reagens összetevőket, ami lehetővé teszi az MR-készülék közelében végzett tevékenységeket, biztosítva és betartva a biztonságos tevékenységhez szükséges feltételeket. MR-veszélyes jelzés: fokozottan mágnesezhető, közvetlen veszélyforrást jelent a helyiségben tartózkodó személyekre és az ott lévő berendezésekre. Klausztrofóbia és diszkomfortérzés Vizsgálandó testrészet a hosszú cső közepébe Hosszú szkennelési idő (alkalmanként akár 40 perc is lehet). Mozgolódás torzító hatása nehezen kiküszöbölhető Modern MR készülékek: nagyobb átmérő (70 centimétert), rövidebb szkennelési idő. Előzetes felkészülés a szkenner megtekintése a szoba megismerése céljából, az asztalon való előzetes fekvés vizualizációs technikák gyógyszeres nyugtatás általános altatás Megküzdés a szkennerben pánikgomb szemek csukva tartása zenehallgatás vagy egy film nézése a szkenner szoba megvilágítása, hangok lejátszása, és képek a falon vagy a plafonon Alternatív szkenner kivitelezések: nyitott, vagy álló MRI alacsonyabb szkennelési minőség ( kisebb mágneses mező). A kereskedelemben az 1 teslás nyitott rendszerek kezdenek elterjedni, mivel sokkal jobb képminőséget biztosítanak. 4

5 Strukturális MRI vizsgálat Funkcionális MRI Az agyi képalkotás módszere. Van-e eltérés egy betegcsoport szürkeállományának méretében a normál populációhoz képest? Bizonyos tevékenységek hosszú éveken át történő űzése együtt jár-e strukturális elváltozásokkal? Adott beteg agysérülésének pontos felmérése. Strukturális elváltozások kapcsolata neurológiai, pszichiátriai tünetekkel. ublications/mri1.jpg ublications/mri_neuro1.jpg A funkcionális MRI (fmri) az MRI vizsgálat egy specializált típusa, amely az idegi aktivitással összefüggésben lévő hemodinamikus választ méri az emberek és állatok agyában vagy spinális kötegében. Az 1990-es évek elejétől kezdve az fmri domináns módszerré vált az agy feltérképezésének területén, mivel nem invazív eljárás, nem használ radioaktivitást, valamint viszonylag széleskörűen hasznosítható. BOLD MRI A vér-oxigén-szint függő (Blood-oxygen-level dependent) MRI lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy az agy mely területei aktívak adott időben. Hemodinamikus válasz-folyamaton keresztül a vér nagyobb mértékben szállít oxigént az aktív, mint az inaktív neuronokhoz. Mágneses érzékenységben különbségek vannak az oxihemoglobin és a deoxihemoglobin között, és így az oxigéndús és az oxigénszegény vér között a mágneses jel változása MRI szkennerrel detektálható. Statisztikai módszerekkel meghatározható, hogy az agy mely területei aktívak a gondolatok, mozgások és élmények alatt. Kontraszt MR, megjelölt spin technika Kontraszt MR Befecskendezett kontraszt anyag (vasoxid) zavart okoz a mágneses mezőben MRI szkenner mérni tudja. A jelek összefüggésben állnak a kontraszt anyag típusával és az agyi vérmennyiséggel. Növelhető az fmri vizsgálatok hasznossága. A mai napig nincs olyan alternatív eljárás, amely ilyen érzékenységgel tudná jelezni az agyi változásokat. Megjelölt spin technika (ASL) Mágneses jelölés esetében a proximális vérellátás megjelölt spin technikát (ASL) használ. Kontraszt anyag nélküli perfúziós vizsgálat. Az eljárás több kvantitatív pszichológiai információt nyújt, mint a BOLD, és hasonló érzékenységgel rendelkezik a feladat-indukált változásokra nézve. 5

6 Az fmri és az EEG fmri: magas térbeli, de kicsi időbeli felbontás (néhány s). EEG: magas időbeli (ms), de alacsony térbeli felbontás. Kiegészítik egymást, egyidejűleg is alkalmazhatók az agy aktivitásának feltárásában. Nehézségek: MRI zavarja az EEG-t. Egy képalkotó szekvencia rövid rádiofrekvencia- lüktetések sorozatát alkalmazza, melyek az EEG rendszerben is létrehozzák a jeleket. Mágneses gradiens előidéz egy jelet, melyet nehezebb eltüntetni, amíg egy hasonló frekvencia-tartományú EEG jelnél jelentkezik. Lüktető véráramlás. EEG zavarja az MRI-t. EEG-ben lévő fém és az elektródák. Csak kellő erősségű áram használata a vizsgálati személy égési sérüléseinek elkerülése érdekében. A két adatkészlet lejegyzése (különböző algoritmus). Valós idejű fmri A valós idejű fmri megkísérli feldolgozni az agyi aktivitásról szerzett adatokat, miközben a szkenner működésben van. Létrejöhet egy biofeedback, ha az alanynak szkennelés közben bemutatják a saját agyi aktivitásának mintázatát. Ezt a technikát alkalmazva meg lehet vizsgálni, vajon a páciensek tudják-e használni az agyi aktivitás-mintázatuk tudatosságát a szociális szorongási zavar és a krónikus fájdalom csökkentésére. Más vizsgálati csoportok azért használták ezt az eljárást, hogy megtanítsanak a résztvevőknek szabályozni egy játékot kizárólag az agyuk használatával. A mai napig csak a BOLD fmri-t használták valós idejű vizsgálatokhoz, mely hozzávetőlegesen 2-5 mp-el késlelteti a jelet a hemodinamikus válasz pszichológiai késése miatt. A jövőben az fmri egyéb módszerei talán csökkenteni tudják ezt a késést és helyt adhatnak több azonnali jelalkotásnak Felhasználási területek A csontok Paget-kórja Agyalapi mirigy jóindulatú daganata Akut limfoid leukémia (Fehérvérűség I.) Akut mieloid leukémia (Fehérvérűség II.) A Parkinson-kór differenciál diagnózisa Emlőelváltozások Exokrin pancreas elégtelenség Függelékcsavarodás gyermekkorban Hipofízis adenoma Ideggyógyászati betegségek Krónikus nyiroködéma Metachromasiás leukodystrophia non-hodkin limfóma diagnózisa Okkluzív perifériás verőérbetegség Sclerosis multiplex Teratoma Strukturális MRI és kognitív neuropszichológiai tesztek együttes alkalmazása a funkció és szerkezet kapcsolatának tanulmányozása. 6