http://renodiagnosticcenters.com/images/d_mri_cover_fc.jpg Magnetic Resonance Imaging Diagnosztikai és terápiás módszerek fizikai alapjai 2009. 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. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/modern_3t_mri.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a9/mr_knee.jpg 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
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 http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:pr%c3%a4zession2.png 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
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. http://www.spiralock.com/images/mri-machine%201.jpg 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 http://www.mrimagingblog.com/wp-content/uploads/2008/11/mri-diagram.png 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
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. http://upload.wikimedia.org/wikipedi 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. http://www.radiologyinfo.ca/utilisateur/images/16_mri_body_b.jpg http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:mr_safe_sign.gif http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/images/mri-scanner.jpg MR-biztonság http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:mr_conditional_sign.gif http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:mr_unsafe_sign.gif 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
Strukturális MRI vizsgálat Funkcionális MRI http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:user-fastfission-brain.gif 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. http://wsunews.wsu.edu/content/p ublications/mri1.jpg http://wsunews.wsu.edu/content/p 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. http://hu.wikipedia.org/wiki/f%c3%a1jl:fmri.jpg 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
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 http://ocdiagnostics.com/images/mri_body.jpg 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