Диагностика на остеоартрит: магнитен резонанс

Магнитно-резонансната томография (ЯМР) се превърна в един от водещите методи за неинвазивна диагностика на остеоартрит през последните години. От 70-те години на миналия век, когато принципите на магнитния резонанс (ЯМР) са използвани за първи път за изследване на човешкото тяло, този метод за медицинска образна диагностика се е променил драстично и продължава да се развива бързо.

Техническото оборудване и софтуерът се усъвършенстват, разработват се методи за получаване на изображения и се разработват контрастни вещества за ЯМР. Това позволява постоянно да се откриват нови области на приложение на ЯМР. Ако в началото приложението му се е ограничавало до изследвания на централната нервна система, сега ЯМР се използва успешно в почти всички области на медицината.

През 1946 г. групи изследователи от университетите Станфорд и Харвард независимо един от друг откриват феномен, наречен ядрено-магнитен резонанс (ЯМР). Същността му е, че ядрата на някои атоми, намирайки се в магнитно поле, под въздействието на външно електромагнитно поле са способни да абсорбират енергия и след това да я излъчват под формата на радиосигнал. За това откритие Ф. Блох и Е. Пармел са удостоени с Нобелова награда през 1952 г. Новото явление скоро е използвано за спектрален анализ на биологични структури (ЯМР спектроскопия). През 1973 г. Пол Раутенбург за първи път демонстрира възможността за получаване на изображение с помощта на ЯМР сигнали. Така се появява ЯМР томографията. Първите ЯМР томограми на вътрешните органи на жив човек са демонстрирани през 1982 г. на Международния конгрес на рентгенолозите в Париж.

Трябва да се направят две уточнения. Въпреки факта, че методът се основава на феномена ЯМР, той се нарича магнитен резонанс (ЯМР), като се пропуска думата „ядрен“. Това се прави, за да нямат пациентите мисли за радиоактивност, свързана с разпадането на атомните ядра. И второто обстоятелство: ЯМР томографите не са случайно „настроени“ към протони, т.е. водородни ядра. В тъканите има много от този елемент, а неговите ядра имат най-голям магнитен момент сред всички атомни ядра, което определя доста високо ниво на ЯМР сигнал.

Ако през 1983 г. в света е имало само няколко устройства, подходящи за клинични изследвания, то до началото на 1996 г. в света са работили около 10 000 томографа. Всяка година в практиката се въвеждат 1000 нови устройства. Повече от 90% от парка MR-томографи са модели със свръхпроводящи магнити (0,5-1,5 T). Интересно е да се отбележи, че ако в средата на 80-те години компаниите - производители на MR-томографи са се ръководили от принципа „колкото по-високо е полето, толкова по-добре“, фокусирайки се върху модели с поле от 1,5 T и по-високо, то до края на 80-те години става ясно, че в повечето области на приложение те нямат съществени предимства пред моделите със средна сила на полето. Поради това основните производители на MR томографи (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker и др.) в момента обръщат голямо внимание на производството на модели със средни и дори ниски полета, които се различават от системите с високо поле по своята компактност и икономичност със задоволително качество на изображението и значително по-ниска цена. Системите с високо поле се използват предимно в изследователски центрове за MR спектроскопия.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]

Принцип на метода на ЯМР

Основните компоненти на ЯМР скенера са: свръхсилен магнит, радиопредавател, приемаща радиочестотна бобина, компютър и контролен панел. Повечето устройства имат магнитно поле с магнитен момент, успореден на дългата ос на човешкото тяло. Силата на магнитното поле се измерва в тесли (T). За клиничен ЯМР се използват полета със сила от 0,2 до 1,5 T.

Когато пациентът е поставен в силно магнитно поле, всички протони, които са магнитни диполи, се завъртат по посока на външното поле (като стрелка на компас, ориентирана към магнитното поле на Земята). Освен това, магнитните оси на всеки протон започват да се въртят около посоката на външното магнитно поле. Това специфично въртеливо движение се нарича процесия, а честотата му - резонансна честота. Когато през тялото на пациента преминават кратки електромагнитни радиочестотни импулси, магнитното поле на радиовълните кара магнитните моменти на всички протони да се въртят около магнитния момент на външното поле. За да се случи това, честотата на радиовълните трябва да е равна на резонансната честота на протоните. Това явление се нарича магнитен резонанс. За да се промени ориентацията на магнитните протони, магнитните полета на протоните и радиовълните трябва да резонират, т.е. да имат еднаква честота.

В тъканите на пациента се създава нетен магнитен момент: тъканите се намагнетизират и техният магнетизъм е ориентиран строго успоредно на външното магнитно поле. Магнетизмът е пропорционален на броя протони на единица обем тъкан. Огромният брой протони (водородни ядра), съдържащи се в повечето тъкани, означава, че нетният магнитен момент е достатъчно голям, за да индуцира електрически ток в приемаща бобина, разположена извън пациента. Тези индуцирани ЯМР сигнали се използват за реконструкция на ЯМР изображението.

Процесът на преход на електроните на ядрото от възбудено състояние в равновесно състояние се нарича процес на спин-решетъчна релаксация или надлъжна релаксация. Той се характеризира с T1 - времето на спин-решетъчна релаксация - времето, необходимо за прехвърляне на 63% от ядрата в равновесно състояние след възбуждането им от 90° импулс. Разграничава се и T2 - времето на спин-спинова релаксация.

Съществуват няколко метода за получаване на ЯМР томограми. Те се различават по реда и естеството на генериране на радиочестотни импулси и методите за анализ на ЯМР сигнала. Двата най-широко използвани метода са спин-решетка и спин-ехо. Спин-решетката анализира главно времето за Т1 релаксация. Различните тъкани (сиво и бяло вещество на мозъка, цереброспинална течност, туморна тъкан, хрущял, мускули и др.) съдържат протони с различни времена за Т1 релаксация. Интензитетът на ЯМР сигнала е свързан с продължителността на Т1: колкото по-кратко е Т1, толкова по-интензивен е ЯМР сигналът и толкова по-ярка се появява дадената област от изображението на телевизионния монитор. Мастната тъкан е бяла на ЯМР томограмите, следвана от мозъка и гръбначния мозък, плътните вътрешни органи, съдовите стени и мускулите в низходящ ред на интензитета на ЯМР сигнала. Въздухът, костите и калцификатите практически не произвеждат ЯМР сигнал и следователно се показват в черно. Тези зависимости между времето за Т1 релаксация създават предпоставките за визуализиране на нормални и променени тъкани при ЯМР сканирания.

При друг метод на ЯМР, наречен спин-ехо, към пациента се насочват серия от радиочестотни импулси, които завъртат прецесиращите протони на 90°. След като импулсите спрат, се записват отговорните ЯМР сигнали. Интензитетът на отговорния сигнал обаче е свързан по различен начин с продължителността на Т2: колкото по-кратко е Т2, толкова по-слаб е сигналът и следователно по-ниска е яркостта на сиянието на екрана на телевизионния монитор. По този начин, крайната ЯМР картина, получена при използване на Т2 метода, е обратна на тази, получена при използване на Т1 метода (тъй като отрицателната картина е противоположна на положителната).

ЯМР томографиите показват меките тъкани по-добре от компютърната томография: мускули, мастни слоеве, хрущяли и кръвоносни съдове. Някои устройства могат да произвеждат изображения на кръвоносни съдове без инжектиране на контрастно вещество (ЯМР ангиография). Поради ниското съдържание на вода в костната тъкан, последното не създава екраниращ ефект, както при рентгеновото КТ сканиране, т.е. не пречи на изображението например на гръбначния мозък, междупрешленните дискове и др. Разбира се, водородните ядра не се съдържат само във водата, но в костната тъкан те са фиксирани в много големи молекули и плътни структури и не пречат на ЯМР.

Предимства и недостатъци на ЯМР

Основните предимства на ЯМР включват неинвазивност, безвредност (без радиационно облъчване), триизмерен характер на получаване на изображение, естествен контраст от движещата се кръв, липса на артефакти от костната тъкан, висока диференциация на меките тъкани, възможност за извършване на МП спектроскопия за in vivo изследвания на тъканния метаболизъм. ЯМР позволява получаване на изображения на тънки слоеве на човешкото тяло във всеки разрез - във фронтална, сагитална, аксиална и коса равнина. Възможно е да се реконструират обемни изображения на органи, да се синхронизира получаването на томограми със зъбците на електрокардиограмата.

Основните недостатъци обикновено включват относително дългото време, необходимо за получаване на изображения (обикновено минути), което води до появата на артефакти от дихателните движения (това особено намалява ефективността на белодробното изследване), аритмии (при сърдечно изследване), невъзможността за надеждно откриване на камъни, калцификати, някои видове костна патология, високата цена на апаратурата и нейната експлоатация, специалните изисквания към помещенията, в които се намират устройствата (екраниране от смущения), невъзможността за изследване на пациенти с клаустрофобия, изкуствени пейсмейкъри, големи метални импланти, изработени от немедицински метали.

[ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ]

Контрастни вещества за ЯМР

В началото на използването на ЯМР се смяташе, че естественият контраст между различните тъкани елиминира нуждата от контрастни вещества. Скоро беше открито, че разликата в сигналите между различните тъкани, т.е. контрастът на ЯМР изображението, може да бъде значително подобрена чрез контрастни вещества. Когато първото ЯМР контрастно вещество (съдържащо парамагнитни гадолиниеви йони) стана комерсиално достъпно, диагностичното информационно съдържание на ЯМР се увеличи значително. Същността на използването на ЯМР контрастни вещества е да се променят магнитните параметри на тъканните и органните протони, т.е. да се промени времето за релаксация (TR) на Т1 и Т2 протоните. Днес съществуват няколко класификации на ЯМР контрастните вещества (или по-скоро контрастните вещества - CA).

Според преобладаващия ефект върху времето за релаксация, MR-KA се разделя на:

• T1-CA, които скъсяват T1 и по този начин увеличават интензивността на тъканния MP сигнал. Те се наричат още положителни CA.
• Т2-КА, които скъсяват Т2, намалявайки интензитета на МР сигнала. Това са отрицателни КА.

В зависимост от магнитните си свойства, MR-CA се разделят на парамагнитни и суперпарамагнитни:

[ 16 ], [ 17 ], [ 18 ], [ 19 ], [ 20 ]

Парамагнитни контрастни вещества

Парамагнитните свойства се притежават от атоми с един или повече несдвоени електрони. Това са магнитните йони на гадолиний (Gd), хром, никел, желязо и манган. Гадолиниевите съединения са получили най-широко клинично приложение. Контрастният ефект на гадолиния се дължи на скъсяването на времето за релаксация T1 и T2. При ниски дози преобладава ефектът върху T1, увеличавайки интензитета на сигнала. При високи дози преобладава ефектът върху T2, намалявайки интензитета на сигнала. Парамагнитите сега се използват най-широко в клиничната диагностична практика.

Суперпарамагнитни контрастни вещества

Доминиращият ефект на суперпарамагнитния железен оксид е скъсяването на Т2 релаксацията. С увеличаване на дозата се наблюдава намаляване на интензитета на сигнала. Феромагнитните КА, които включват феромагнитни железни оксиди, структурно подобни на магнетитовия ферит (Fe2 _+OFe23⁺ O3 ⁾, също могат да бъдат включени в тази група КА.

Следната класификация се основава на фармакокинетиката на CA (Sergeev PV et al., 1995):

• извънклетъчен (тъканно неспецифичен);
• стомашно-чревни;
• органотропни (тъканно-специфични);
• макромолекулни, които се използват за определяне на съдовото пространство.

В Украйна са известни четири MR-CA, които са извънклетъчни водоразтворими парамагнитни CA, от които гадодиамид и гадопентетова киселина са широко използвани. Останалите групи CA (2-4) преминават клинични изпитвания в чужбина.

Екстраклетъчен водоразтворим MR-CA

Международно име	Химична формула	Структура
Гадопентетова киселина	Гадолиниев димеглумин диетилентриамин пента-ацетат ((NMG)2Gd-DTPA)	Линейни, йонни
Гадотеринова киселина	(NMG)Gd-DOTA	Циклични, йонни
Гадодиамид	Гадолиний диетилентриамин пентаацетат-бис-метиламид (Gd-DTPA-BMA)	Линеен, нейонен
Гадотеридол	Gd-HP-D03A	Циклични, нейонни

Екстрацелуларните КА се прилагат интравенозно, 98% от тях се екскретират през бъбреците, не проникват през кръвно-мозъчната бариера, имат ниска токсичност и принадлежат към групата на парамагнитните вещества.

Противопоказания за ЯМР

Абсолютните противопоказания включват състояния, при които изследването представлява заплаха за живота на пациентите. Например, наличието на импланти, които се активират електронно, магнитно или механично - това са предимно изкуствени пейсмейкъри. Излагането на радиочестотно лъчение от ЯМР скенер може да наруши функционирането на пейсмейкър, работещ в системата за заявка, тъй като промените в магнитните полета могат да имитират сърдечна дейност. Магнитното привличане може също да доведе до изместване на пейсмейкъра в гнездото му и преместване на електродите. Освен това, магнитното поле създава пречки за работата на феромагнитни или електронни импланти в средното ухо. Наличието на изкуствени сърдечни клапи е опасно и е абсолютно противопоказание само при изследване на ЯМР скенери с високи полета и ако има клинично съмнение за увреждане на клапата. Абсолютните противопоказания за изследването включват също наличието на малки метални хирургически импланти (хемостатични клипсове) в централната нервна система, тъй като тяхното изместване поради магнитно привличане заплашва с кървене. Присъствието им в други части на тялото представлява по-малка заплаха, тъй като след лечение, фиброзата и капсулирането на скобите помагат за поддържането им стабилни. Въпреки това, освен потенциалната опасност, наличието на метални импланти с магнитни свойства във всеки случай причинява артефакти, които създават трудности при интерпретирането на резултатите от изследването.

Противопоказания за ЯМР

Абсолютно:	Роднина:
Пейсмейкъри	Други стимуланти (инсулинови помпи, нервни стимулатори)
Феромагнитни или електронни импланти за средно ухо	Неферомагнитни импланти за вътрешно ухо, протези на сърдечни клапи (във високи полета, ако има съмнение за дисфункция)
Хемостатични клипсове на мозъчни съдове	Хемостатични клипсове на други места, декомпенсирана сърдечна недостатъчност, бременност, клаустрофобия, необходимост от физиологичен мониторинг

Относителните противопоказания, освен изброените по-горе, включват декомпенсирана сърдечна недостатъчност, необходимостта от физиологичен мониторинг (механична вентилация, електрически инфузионни помпи). Клаустрофобията е пречка за изследването в 1-4% от случаите. Тя може да бъде преодоляна, от една страна, чрез използване на устройства с отворени магнити, от друга - чрез подробно обяснение на устройството и хода на изследването. Няма данни за увреждащ ефект на ЯМР върху ембриона или плода, но се препоръчва да се избягва ЯМР през първия триместър на бременността. Използването на ЯМР по време на бременност е показано в случаите, когато други нейонизиращи диагностични методи за образна диагностика не предоставят задоволителна информация. ЯМР изследването изисква по-голямо участие на пациента, отколкото компютърната томография, тъй като движенията на пациента по време на изследването имат много по-голямо влияние върху качеството на изображенията, така че изследването на пациенти с остра патология, нарушено съзнание, спастични състояния, деменция, както и на деца, често е трудно.

[ 21 ], [ 22 ], [ 23 ], [ 24 ], [ 25 ], [ 26 ]