Diagnose af slidgigt: magnetisk resonans-billeddannelse

Magnetisk resonansbilleddannelse (MR) er i de senere år blevet en af de førende metoder til ikke-invasiv diagnostik af slidgigt. Siden 1970'erne, hvor principperne for magnetisk resonans (MR) først blev brugt til at studere menneskekroppen, har denne metode til medicinsk billeddannelse ændret sig dramatisk og fortsætter med at udvikle sig hurtigt.

Teknisk udstyr og software forbedres, der udvikles billedoptagelsesmetoder, og der udvikles MR-kontrastmidler. Dette gør det muligt konstant at finde nye anvendelsesområder for MR. Hvis dens anvendelse i starten var begrænset til studier af centralnervesystemet, anvendes MR nu med succes inden for næsten alle områder af medicin.

I 1946 opdagede forskergrupper fra Stanford og Harvard universiteter uafhængigt af hinanden et fænomen kaldet kernemagnetisk resonans (NMR). Dets essens var, at kernerne i nogle atomer, der befinder sig i et magnetfelt under påvirkning af et eksternt elektromagnetisk felt, er i stand til at absorbere energi og derefter udsende den i form af et radiosignal. For denne opdagelse blev F. Bloch og E. Parmel tildelt Nobelprisen i 1952. Det nye fænomen blev snart brugt til spektralanalyse af biologiske strukturer (NMR-spektroskopi). I 1973 demonstrerede Paul Rautenburg for første gang muligheden for at opnå et billede ved hjælp af NMR-signaler. Sådan opstod NMR-tomografi. De første NMR-tomogrammer af de indre organer hos en levende person blev demonstreret i 1982 på den internationale radiologkongres i Paris.

To præciseringer bør gives. Selvom metoden er baseret på NMR-fænomenet, kaldes den magnetisk resonans (MR), hvor ordet "nuklear" udelades. Dette gøres, så patienterne ikke får tanker om radioaktivitet forbundet med henfald af atomkerner. Og den anden omstændighed: MR-tomografier er ikke ved et uheld "tunet" til protoner, dvs. brintkerner. Der er meget af dette element i væv, og dets kerner har det største magnetiske moment blandt alle atomkerner, hvilket bestemmer et ret højt niveau af MR-signal.

Hvis der i 1983 kun var få apparater i verden, der var egnede til klinisk forskning, var der i begyndelsen af 1996 omkring 10.000 tomografer i drift på verdensplan. Hvert år introduceres 1000 nye apparater i praksis. Mere end 90% af parken af MR-tomografer er modeller med superledende magneter (0,5-1,5 T). Det er interessant at bemærke, at hvis virksomhederne - producenterne af MR-tomografer - i midten af 80'erne var styret af princippet "jo højere felt, jo bedre" og fokuserede på modeller med et felt på 1,5 T og højere, så blev det i slutningen af 80'erne klart, at de i de fleste anvendelsesområder ikke har væsentlige fordele i forhold til modeller med en gennemsnitlig feltstyrke. Derfor lægger de største producenter af MR-tomografer (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker osv.) i øjeblikket stor vægt på produktion af modeller med mellemstore og endda lave felter, som adskiller sig fra højfeltssystemer ved deres kompakthed og økonomi med tilfredsstillende billedkvalitet og betydeligt lavere omkostninger. Højfeltssystemer anvendes primært i forskningscentre til MR-spektroskopi.

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

Princippet for MR-metoden

Hovedkomponenterne i en MR-scanner er: en superstærk magnet, en radiosender, en modtagende radiofrekvensspole, en computer og et kontrolpanel. De fleste enheder har et magnetfelt med et magnetisk moment parallelt med menneskekroppens længdeakse. Magnetisk feltstyrke måles i teslas (T). Til klinisk MR anvendes felter med en styrke på 0,2-1,5 T.

Når en patient placeres i et stærkt magnetfelt, drejer alle protoner, som er magnetiske dipoler, i retning af det eksterne felt (som en kompasnål orienteret mod Jordens magnetfelt). Derudover begynder de magnetiske akser for hver proton at rotere omkring retningen af det eksterne magnetfelt. Denne specifikke rotationsbevægelse kaldes procession, og dens frekvens kaldes resonansfrekvens. Når korte elektromagnetiske radiofrekvenspulser sendes gennem patientens krop, får radiobølgernes magnetfelt alle protoners magnetiske momenter til at rotere omkring det eksterne felts magnetiske moment. For at dette kan ske, skal radiobølgernes frekvens være lig med protonernes resonansfrekvens. Dette fænomen kaldes magnetisk resonans. For at ændre de magnetiske protoners orientering skal protonernes og radiobølgernes magnetfelter resonere, dvs. have samme frekvens.

Der skabes et netto magnetisk moment i patientens væv: vævene magnetiseres, og deres magnetisme er orienteret strengt parallelt med det eksterne magnetfelt. Magnetismen er proportional med antallet af protoner pr. volumenhed væv. Det enorme antal protoner (hydrogenkerner), der findes i de fleste væv, betyder, at det netto magnetiske moment er stort nok til at inducere en elektrisk strøm i en modtagespole, der er placeret uden for patienten. Disse inducerede MR-signaler bruges til at rekonstruere MR-billedet.

Processen med overgangen af elektronerne i kernen fra den exciterede tilstand til ligevægtstilstanden kaldes spin-gitter-relaksationsprocessen eller longitudinel relaksation. Den er karakteriseret ved T1 - spin-gitter-relaksationstiden - den tid, der kræves for at overføre 63% af kernerne til ligevægtstilstanden efter deres excitation med en 90° puls. T2 - spin-spin-relaksationstiden skelnes også.

Der findes adskillige metoder til at opnå MR-tomogrammer. De adskiller sig i rækkefølgen og arten af generering af radiofrekvenspulser og metoder til MR-signalanalyse. De to mest anvendte metoder er spin-lattice og spin-ekko. Spin-lattice analyserer primært T1-relaksationstiden. Forskellige væv (hjernens grå og hvide substans, cerebrospinalvæske, tumorvæv, brusk, muskler osv.) indeholder protoner med forskellige T1-relaksationstider. Intensiteten af MR-signalet er relateret til varigheden af T1: jo kortere T1, desto mere intenst er MR-signalet, og desto lysere vises det givne område af billedet på tv-skærmen. Fedtvæv er hvidt på MR-tomogrammer, efterfulgt af hjerne og rygmarv, tætte indre organer, karvægge og muskler i faldende rækkefølge efter MR-signalintensitet. Luft, knogler og forkalkninger producerer praktisk talt ikke et MR-signal og vises derfor i sort. Disse T1-relaksationstidsforhold skaber forudsætningerne for at visualisere normalt og ændret væv på MR-scanninger.

I en anden MR-metode, kaldet spin-ekko, rettes en række radiofrekvenspulser mod patienten, hvorved de præcesserende protoner roteres 90°. Når pulserne stopper, optages MR-responssignalerne. Intensiteten af responssignalet er dog forskelligt relateret til varigheden af T2: jo kortere T2, desto svagere er signalet og følgelig desto lavere er lysstyrken på gløden på tv-skærmen. Således er det endelige MR-billede ved brug af T2-metoden det modsatte af det, der bruges ved T1-metoden (da et negativt billede er det modsatte af et positivt billede).

MR-tomografi viser blødt væv bedre end CT-scanninger: muskler, fedtlag, brusk og blodkar. Nogle apparater kan producere billeder af blodkar uden at injicere et kontrastmiddel (MR-angiografi). På grund af det lave vandindhold i knoglevævet skaber sidstnævnte ikke en afskærmende effekt, som ved røntgen-CT-scanning, dvs. det interfererer ikke med billedet af f.eks. rygmarven, intervertebrale diske osv. Naturligvis er hydrogenkerner ikke kun indeholdt i vand, men i knoglevævet er de fikseret i meget store molekyler og tætte strukturer og interfererer ikke med MR-scanning.

Fordele og ulemper ved MR-scanning

De vigtigste fordele ved MR-scanning inkluderer ikke-invasivitet, harmløshed (ingen strålingseksponering), tredimensionel billedoptagelse, naturlig kontrast fra bevægeligt blod, ingen artefakter fra knoglevæv, høj differentiering af blødt væv, evnen til at udføre MP-spektroskopi til in vivo-undersøgelser af vævsmetabolisme. MR giver mulighed for at tage billeder af tynde lag af den menneskelige krop i enhver sektion - i frontal-, sagittal-, aksial- og skråplan. Det er muligt at rekonstruere volumetriske billeder af organer og synkronisere optagelsen af tomogrammer med tænderne på elektrokardiogrammet.

De største ulemper omfatter normalt den relativt lange tid, det tager at optage billeder (normalt minutter), hvilket fører til forekomsten af artefakter fra respirationsbevægelser (dette reducerer især effektiviteten af lungeundersøgelse), arytmier (ved hjerteundersøgelse), manglende evne til pålideligt at detektere sten, forkalkninger, visse typer knoglepatologi, de høje omkostninger til udstyr og dets drift, særlige krav til de lokaler, hvor apparaterne er placeret (afskærmning mod interferens), manglende evne til at undersøge patienter med klaustrofobi, kunstige pacemakere, store metalimplantater lavet af ikke-medicinske metaller.

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

Kontrastmidler til MR-scanning

I begyndelsen af brugen af MR-scanning troede man, at den naturlige kontrast mellem forskellige væv eliminerede behovet for kontrastmidler. Det blev hurtigt opdaget, at forskellen i signaler mellem forskellige væv, dvs. kontrasten i MR-billedet, kunne forbedres betydeligt med kontrastmidler. Da det første MR-kontrastmiddel (indeholdende paramagnetiske gadoliniumioner) blev kommercielt tilgængeligt, steg indholdet af diagnostisk information i MR betydeligt. Essensen af at bruge MR-kontrastmidler er at ændre de magnetiske parametre for vævs- og organprotoner, dvs. at ændre relaksationstiden (TR) for T1- og T2-protoner. I dag findes der flere klassifikationer af MR-kontrastmidler (eller rettere kontrastmidler - CA).

I henhold til den dominerende effekt på relaksationstiden er MR-KA opdelt i:

• T1-CA, som forkorter T1 og derved øger intensiteten af vævets MP-signal. De kaldes også positiv CA.
• T2-CA'er, der forkorter T2 og reducerer intensiteten af MR-signalet. Disse er negative CA'er.

Afhængigt af deres magnetiske egenskaber er MR-CA opdelt i paramagnetiske og superparamagnetiske:

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

Paramagnetiske kontrastmidler

Paramagnetiske egenskaber besiddes af atomer med en eller flere uparrede elektroner. Disse er magnetiske ioner af gadolinium (Gd), krom, nikkel, jern og mangan. Gadoliniumforbindelser har fået den bredeste kliniske anvendelse. Gadoliniums kontrasterende effekt skyldes forkortelsen af relaksationstiderne T1 og T2. I lave doser dominerer effekten på T1, hvilket øger signalintensiteten. I høje doser dominerer effekten på T2, hvilket reducerer signalintensiteten. Paramagneter anvendes nu mest i klinisk diagnostisk praksis.

Superparamagnetiske kontrastmidler

Den dominerende effekt af superparamagnetisk jernoxid er forkortelsen af T2-relaksationen. Med stigende dosis er der et fald i signalintensiteten. Ferromagnetiske CA'er, som omfatter ferromagnetiske jernoxider, der strukturelt ligner magnetitferrit (Fe2 ⁺_OFe23⁺ O3 ₎, kan også inkluderes i denne gruppe af CA'er.

Følgende klassificering er baseret på CA's farmakokinetik (Sergeev PV et al., 1995):

• ekstracellulær (vævs-uspecifik);
• gastrointestinal;
• organotropisk (vævsspecifik);
• makromolekylære, som bruges til at bestemme det vaskulære rum.

I Ukraine kendes fire MR-CA, som er ekstracellulær vandopløselig paramagnetisk CA, hvoraf gadodiamid og gadopentetinsyre er meget anvendte. De resterende grupper af CA (2-4) er i gang med kliniske forsøg i udlandet.

Ekstracellulær vandopløselig MR-CA

Internationalt navn	Kemisk formel	Struktur
Gadopentetisk syre	Gadoliniumdimeglumin-diethylentriaminpentaacetat ((NMG)2Gd-DTPA)	Lineær, ionisk
Gadotersyre	(NMG)Gd-DOTA	Cyklisk, ionisk
Gadodiamid	Gadoliniumdiethylentriaminpentaacetat-bis-methylamid (Gd-DTPA-BMA)	Lineær, ikke-ionisk
Gadoteridol	Gd-HP-D03A	Cyklisk, ikke-ionisk

Ekstracellulær CA administreres intravenøst, 98% af dem udskilles af nyrerne, trænger ikke ind i blod-hjerne-barrieren, har lav toksicitet og tilhører gruppen af paramagnetiske stoffer.

Kontraindikationer for MR-scanning

Absolutte kontraindikationer omfatter tilstande, hvor undersøgelsen udgør en trussel mod patienternes liv. For eksempel tilstedeværelsen af implantater, der aktiveres elektronisk, magnetisk eller mekanisk - disse er primært kunstige pacemakere. Eksponering for radiofrekvensstråling fra en MR-scanner kan forstyrre funktionen af en pacemaker, der opererer i kredsløbssystemet, da ændringer i magnetfelter kan imitere hjerteaktivitet. Magnetisk tiltrækning kan også få pacemakeren til at forskyde sig i sin sokle og bevæge elektroderne. Derudover skaber magnetfeltet hindringer for funktionen af ferromagnetiske eller elektroniske mellemøreimplantater. Tilstedeværelsen af kunstige hjerteklapper er farlig og er kun en absolut kontraindikation ved undersøgelse på MR-scannere med høje felter, og hvis der er klinisk mistanke om skade på klappen. Absolutte kontraindikationer for undersøgelsen omfatter også tilstedeværelsen af små kirurgiske metalimplantater (hæmostatiske klemmer) i centralnervesystemet, da deres forskydning på grund af magnetisk tiltrækning truer med blødning. Deres tilstedeværelse i andre dele af kroppen udgør en mindre trussel, da fibrose og indkapsling af klemmerne efter behandlingen hjælper med at holde dem stabile. Ud over den potentielle fare forårsager tilstedeværelsen af metalliske implantater med magnetiske egenskaber dog under alle omstændigheder artefakter, der skaber vanskeligheder med at fortolke resultaterne af undersøgelsen.

Kontraindikationer for MR-scanning

Absolut:	Slægtning:
Pacemakere	Andre stimulanser (insulinpumper, nervestimulatorer)
Ferromagnetiske eller elektroniske mellemøreimplantater	Ikke-ferromagnetiske implantater til det indre øre, hjerteklapproteser (i høje felter, hvis der er mistanke om dysfunktion)
Hæmostatiske klemmer af cerebrale kar	Hæmostatiske klemmer på andre steder, dekompenseret hjertesvigt, graviditet, klaustrofobi, behov for fysiologisk overvågning

Relative kontraindikationer, ud over de ovenfor anførte, omfatter dekompenseret hjertesvigt og behovet for fysiologisk overvågning (mekanisk ventilation, elektriske infusionspumper). Klaustrofobi er en hindring for undersøgelsen i 1-4% af tilfældene. Det kan overvindes ved at bruge apparater med åbne magneter, og ved en detaljeret forklaring af apparatet og undersøgelsens forløb. Der er ingen tegn på en skadelig virkning af MR-scanning på embryoet eller fosteret, men det anbefales at undgå MR-scanning i første trimester af graviditeten. Brug af MR-scanning under graviditet er indiceret i tilfælde, hvor andre ikke-ioniserende diagnostiske billeddannelsesmetoder ikke giver tilfredsstillende information. MR-scanning kræver mere patientdeltagelse end computertomografi, da patientbevægelser under undersøgelsen har en langt større effekt på billedernes kvalitet, så undersøgelse af patienter med akut patologi, nedsat bevidsthed, spastiske tilstande, demens samt børn er ofte vanskelig.

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