Magnetická rezonancia

Čo je MR a ako funguje?
  Magnetická rezonancia (MR) je spôsob, ako získa vežmi detailné pohžady na orgány a tkanivá v celom tele bez nutnosti použi röntgenové žiarenie resp. ionizujúce žiarenie. Miesto neho využíva MR silné statické a nízkofrekvenčné časovo premenné magnetické pole spolu s rádiovými vlnami, ktoré v spojení s počítačovým spracovaním vytvára snímky znázorňujúce zranenie, chorobný proces alebo prítomnos abnormálnych tkanív. Pacient sa  umiestni do vnútra MR skenera, ktorého tvar pripomína tunel. Silným magnetickým požom sa vyrovnajú atómové častice - protóny (zväčša vodíka), ktoré sú prítomné ako molekuly vody vo väčšine telesných tkanív. Použité rádiové vlny potom prinútia vybudené atómy vodíka produkova signály na rezonančnej frekvencii a sú zachytávané prijímačom v MR skeneri. Signály sú špeciálne modulované pomocou rýchlo sa meniaceho magnetického pola a s pomocou počítačového spracovania vytvoria vežmi jasné snímky tkanív tzv. "rezy". Umožňujú detailne zobrazi tkanivá v akejkožvek polohe. Pretože cievky silných elektromagnetov sa počas skenovania rýchlo zapínajú a vypínajú, vytvárajú charakteristické hlasné a opakujúce sa klopavé zvuky. Kontrast medzi rôznymi tkanivami je určený rýchlosou, pri ktorej sú excitované atómy schopné vráti sa do rovnovážneho stavu. Počas procedúry môžu by podávané kontrastné látky pre zvýraznenie určitých konkrétnych tkanív (gadolínium).
  MR vyžaduje prítomnos silného magnetického pola. Vežkos indukcie elektromagnetov sa udáva v jednotkách Tesla a zatiaž čo väčšina systémov funguje na 1.5 T, k dispozícii sú rôzne systémy od 0.2 do 7 T. Väčšina používaných magnetov je supravodivých a vyžaduje prítomnos tekutého hélia (supernízke teploty). Nižšia intenzita magnetického pola môže by dosiahnutá aj permanentnými magnetmi, ktoré sa často používajú v "otvorených" MR skeneroch u klaustrofobických pacientov.

Ako bezpečná je MR ?
  Rovnako ako u iných technológií, je potrebné starostlivo zváži možné riziká pre zdravie, vyvinú a zavies príslušné bezpečnostné opatrenia, aj napriek tomu, že technológia je prospešná pre lekárske aplikácie. Existuje niekožko bezpečnostných faktorov, ktoré treba posudzova s ohžadom na klinické použitie MR u žudí. V súčasnej dobe neexistuje všeobecný záver, pokiaž ide o to, či sú úrovne expozície pre pacienta a prevádzkovateža považované za bezpečné. Treba bra ohžad aj na implantované kardiostimulátory a kovové predmety v tele.
  Silné magnetické polia MR systému budú priahova predmety obsahujúce železo (feromagnetické materiály) a môžu spôsobi, že sa tieto predmety začnú náhle a s vežkou silou pohybova. Môžu predstavova potenciálne riziko pre pacientov, ktorých implantáty v tele majú kovové časti. Pacient nesmie ma počas vyšetrenia u seba žiadne kovové predmety, vrátane hodiniek, šperkov a kusov oblečenia, ktoré majú kovové závity alebo spojovací materiál. Podobne make-up, lak na nechty, alebo iné kozmetické materiály, ktoré obsahujú kovové častice, musia by odstránené, ak sú použité v oblasti vyšetrenia MR. Silné magnetické pole MR systému môže poškodi načúvací prístroj na uchu, kardiostimulátor, elektrický stimulátor alebo neurostimulátor.

Genotoxické účinky
  V súčasnej dobe neexistuje žiadne preukázané nebezpečenstvo biologického poškodenia aj z vežmi silných statických magnetických polí. Avšak genotoxické (t.j. potenciálne karcinogénne) účinky magnetickej rezonancie boli preukázané aj in vivo, aj in vitro. Odporúčané sú ďalšie štúdie a obozretné používanie, aby sa predišlo zbytočným vyšetreniam, na základe princípu predbežnej opatrnosti. V porovnaní genotoxických efektov MR a CT, Knuuti a spol. uviedli, že aj napriek tomu, že poškodenie DNA zistiné po vyšetrení MR bolo úrovňami porovnatežnými s vyšetrením pomocou ionizujúceho žiarenia (nízke dávky koronárnej CT angiografie, nukleárny imaging, röntgenová angiografia), rozdiely v mechanizme poškodenia naznačujú, že riziko rakoviny z MR, ak existuje, nie je známe.

Periférna nervová stimulácia
  Rýchle zapínanie a vypínanie elektromagnetov a tým vznikajúcich magnetických polí môže spôsobova nervovú stimuláciu. Prejavuje sa ako pocity šklbania počas rýchleho prepínania polí a to najmä v končatinách.

Ohrev tkanív spôsobený absorpciou rádiových vĺn
  Každý MR skener obsahuje silný rádiový vysielač, ktorý generuje elektromagnetické pole. V prípade absorbcie energie pola dochádza k zohrievaniu tkanív. Z tohto dôvodu musí by výkon vysielača obmedzovaný (viď ďalej SAR).

Bežné úrovne expozície z MR
  V súčasnej dobe sú k dispozícii komerčné zobrazovacie systémy, ktoré produkujú magnetické pole s magnetickou indukciou v rozmedzí od 0.02 do 2 T, v závislosti na systéme. Magnetické polia sú vyrábané permanentným alebo odporovým magnetom (len pod 0.3 T), alebo pomocou supravodivého elektromagnetu. S narastajúcou vzdialenosou od magnetu klesá aj hustota magnetického toku.
  Hustota magnetického toku mimo systému závisí na sile pola magnetu, ako aj od konštrukcie systému (vežkos cievok, tienenie, apod.). Merania na systéme 0.04T FONAR QED-80 ukázali, že zmeny hustoty magnetického toku sa pohybovali medzi 600 ľT až 0.04 T. Úrovne v riadiacej miestnosti boli asi 400 ľT. Merania na systéme 0.15T Teslacon Technicare ukázali, že hustota magnetického toku pri vstupe do magnetu je 0.1 T, klesajúca na 0.015 T vo vzdialenosti cca 1 m od povrchu magnetu. Pri 0.5T Philips Gyroscan 515 bola hustota magnetického toku na vstupe magnetu asi 0.12 T, 0.03 T vo vzdialenosti 1 m a 0.003 T vo vzdialenosti 3 m od povrchu púzdra magnetu. Pri systéme 1.9T Oxford Research TMR 32/20 s malým otvorom magnetu (0.26 m) hustota toku na vstupe bola asi 0.8 T, klesajúca na 0.012 T vo vzdialenosti 1 m a menej ako 0.001 T v 3 m vzdialenosti.

  Časovo premenné magnetické pole dopĺňa v MR zobrazovaní a spektroskopii statické magnetické pole pre získanie priestorovej informácie. Tieto nízkofrekvenčné magnetické polia sú nízke v porovnaní s vežkosou statických magnetických polí.

  Súčasou MR vyšetrenia pomocou magnetických polí sú i rádiofrekvenčné polia (RF). Sú to polia pulzné a systém od systému sa používajú rôzne pulzné sekvencie. Frekvencia rádiofrekvenčných polí závisí na sile statického magnetického pola. V MR systémoch zobrazujúcich protóny sa používajú frekvencie v rozmedzí od asi 6.4 MHz pre systém 0.15 T až po 85 MHz pre systém 2 T (najbežnejšie sú 68 MHz systémy pri 1.5 T). Priemerný výkon rádiofrekvenčného vysielača je od niekožkých wattov do niekožkých desiatok wattov. Špičkový výkon vysokofrekvečných impulzov môže dosiahnu niekožko kW (kilowattov). Mimo púzdra magnetu sú intenzity rádiofrekvenčného pola vežmi nízke. Merania na 0.15, 0.5 a 1.9 T systémoch ukázali, že intenzita rádiofrekvečného pola je nižšia ako 0.05 V/m kdekožvek mimo púzdra magnetu.

Zdravotné účinky polí MR

 Statické magnetické pole
  Statické magnetické polia môžu korelova s biologickými systémami a silou pôsobia na molekuly a bunky, ktoré majú diamagnetickú citlivos. Môžu tiež ovplyvni enzýmovú kinetiku a pôsobi na pohybujúce sa objekty (vrátane tekutín). Molekuly a niektoré bunkové štruktúry (čapíky sietnice, DNA vlákna v bunkách) sú magneticky anizotropné, a preto na ne pôsobí sila v statickom magnetickom poli, ktorá sa snaží o ich priestorovú orientáciu.
  Statické magnetické pole pôsobí silou na pohybujúci sa náboj. Sila je smerovaná kolmo k smeru pola a smeru pohybu. Prostredníctvom tohto mechanizmu môže magnetické pole naruši prúdovú slučku na nervovom vedení (šírenie akčného potenciálu) a môže spôsobi zníženie potenciálu vodivosti spolu so znížením rýchlosti vedenia. Na tento efekt sú potrebné silné magnetické polia nad 24 T (Tesla).
  Ďalší typ interakcie zahŕňa pohybujúce sa tekutiny, prietok krvi a pravidelný pohyb niektorých častí tela, napr. hrudníka a sahy srdca. Pohybom elektrického vodiča v magnetickom poli vzniká indukovaný elektrický potenciál. V prípade človeka môžu by vodičom krvné cievy. Indukované napätie je závislé na magnetickej indukcii, priemeru cievy, prietoku krvi a orientácii ciev vzhžadom k smeru poža. Tieto potenciály sú detekovatežné v EKG, avšak fyziologicky sú bezvýznamné, kým nie je dosiahnutá prahová hodnota pre depolarizáciu srdcových svalových vlákien. Depolarizácia buniek srdcového svalu vyvoláva jeho kontrakciu. Najnepriaznivejšie výpočty ukazujú, že 2.5 Tesla vyvoláva elektrický potenciál rádovo 40 mV, čo je prahová hodnota pre individuálnu depolarizáciu srdcového svalu. Vypočítaný potenciál sa však týka prierezu aorty.

  Dostupné vedecké údaje o biologických účinkoch statických magnetických polí sú dos obmedzené a inkonzistenté. Na základe rady starostlivo vykonaných štúdií, nasledujúce dôležité biologické procesy by nemali by ovplyvnené statickými magnetickými poliami až do vežkosti približne 2 T:

1. Rast buniek a morfológia,
2. Štruktúra DNA a génová expresia,
3. Reprodukcia a vývoj,
4. Bioelektrické vlastnosti izolovaných neurónov,
5. Správanie,
6. Reakcia na stimuláciu nervov,
7. Kardiovaskulárna dynamika,
8. Hematologické indexy,
9. Odpoveď imunitného systému,
10. Regulácia fyziologických a denných rytmov.

  Vedecké databázy však nie sú v súčasnej dobe dostatočné kritérium pre posúdenie rizika vystavenia sa väčším statickým magnetickým poliam. Niektoré krátkodobé expozície statickým magnetickým poliam 2 T nemali žiadne následky, ale expozície napr. 0.5 T po dlhšiu dobu zaznamenali škodlivé účinky. Limity expozície 0.01-0.03 T po dobu 8 hodín za deň boli doporučené pre pracovníkov v laboratóriách jadrovej fyziky v rôznych krajinách a môžu poslúži ako referenčné úrovne pre prevádzkovateža MR.

 Časovo premenné magnetické pole
  Časovo premenné magnetické pole v interakcii s biologickými systémami predovšetkým indukuje vnútorné elektrické, tzv. "vírivé prúdy". Vežkos prúdu závisí na rýchlosti časovej zmeny hustoty magnetického toku a na polomere prúdovej slučky. Tieto prúdové slučky sú v rovinách kolmých na smer magnetického poža. Jednotky zmeny magnetického toku sa udávajú v T/s (Tesla za sekundu). Medzi účinky patrí fibrilácia, indukcia vizuálnych vnemov a vznik impulzov v nervových a svalových bunkách. Prahové hodnoty sú funkcie rýchlosti zmeny hustoty magnetického toku a doby trvania aplikovaného časovo premenného pola.

  Približné prahové hodnoty hustoty magnetického toku v živých tkanivách (Ampér na meter štvorcový):

• 1 A/m² pre srdcové fibrilácie,
• 0.01 A/m² pre reverzibilné vizuálne vnemy,
• 0.01-0.1 A/m² pre aplikáciu chronických nezvratných zmien biochémie a fyziológie buniek a tkanív.

  Vyhodnotenie vyššie uvedených prahov a biologických účinkov viedlo k záveru, že expozícia človeka zmene magnetického toku 3 T/s je minimálny zdravotný hazard. Expozícia 20 T/s indukuje maximálne 0.3 A/m2 v akejkožvek časti tela, čo je približne 3-násobne pod prahom pre srdcové fibrilácie. 0.03 A/m2 zodpovedá zhruba 3 T/s.

  Nedávno bola realizovaná štúdia na posúdenie účinkov pulzného magnetického poža na vývoj plodu u myší. Expozície sa pohybovali medzi 3.5 - 12 kT/s s dĺžkami pulzov 0.33-0.56 ms. Expozície boli krátkodobé v rôznych fázach gravidity. Niektoré efekty expozície mali za následok stimuláciu povrchového kostrového svalu. Žiadne nežiaduce účinky neboli pozorované počas gravidity, nemali efekt ani na vežkos vrhu a rast plodu exponovaných myší.

 Rádiofrekvenčné pole
  Škodlivé účinky na zdravie z vystavenia sa rádiovým frekvenciám (RF) polia sú spojené s vysokou mierou odovzdávania energie. Vzhžadom k tomu, že interakcia RF polí závisí od frekvencie, typu pola (elektrické, magnetické, ďaleké pole, blízke pole) a vežkosti tela a jeho tvaru, používa sa na kvantifikáciu účinkov parameter zvaný Specific Absorption Rate (SAR). SAR vyjadruje rýchlos, ktorou je rádiofrekvenčná energia na jednotku hmotnosti absorbovaná biologickým materiálom (telom). Jednotkou SAR je watt na kilogram (W/kg). SAR je zvyčajne v žudskom tele priestorovo nerovnomerná. V prípade MR systémov, priestorové rozloženie závisí na konštrukcii cievok vysielača, frekvencii, tvare, vežkosti a type zobrazovaného tkaniva.
  Vystavenie sa rádiofrekvenčným poliam má za následok miestne alebo celotelové zvýšenie teploty. Odhaduje sa, že SAR medzi 1 a 4 W/kg v krátkom časovom období (cca 1 h) vytvára významný nárast žudskej telesnej teploty, asi 0.5°C pri SAR = 1.4 W/kg pri okolitej teplote 25 až 30°C. Vyšší nárast telesnej teploty možno očakáva u žudí s narušenou schopnosou termoregulácie. Lokálne zvýšenie teploty v miestach s vysokou SAR môže by oveža väčšie.
  Vplyvy rádiofrekvenčných polí boli skúmané na rôznych systémoch a pokiaž ide o SAR a trvanie expozície, boli stanovené limitné hodnoty. Mnohé z účinkov možno vysvetli na základe celotelového alebo lokálneho tepelného efektu. Avšak boli zaznamenané aj účinky spôsobené netepelnými mechanizmami.
  Zdokumentovaných bolo niekožko potenciálne významných účinkov pri priemernom SAR 1 až 3 W/kg po dobu dlhšej expozície. Medzi ne patria: zmeny v správaní, nárast nádorov u myší, zníženie počtu Purkyňových buniek v mozgu krýs, zmeny vo funkcii endokrinných žliaz, zmeny v krvnej biochémii a reverzibilné zmeny v hematologických a imunologických systémoch. Okrem toho boli popísané ďalšie netepelné účinky, ako sú zmeny v energetickom metabolizme buniek v mozgu potkanov a zmeny v produkcii vápnikových iónov pri modulovaných poliach extrémne nízkymi frekvenciami (1 - 300 Hz). U rádiofrekvenčných polí s vyššou SAR medzi 4 až 8 W/kg bolo preukázané, že spôsobujú u pokusných zvierat nekontrolovatežné správanie, dočasnú sterilitu a spomalenú srdcovú činnos.

  Napriek tomu, že sa MR hojne využíva už roky, výskumné údaje na žuďoch sú vežmi obmedzené a nie sú užitočné pre návrh odporúčaní o kvantitatívne bezpečných limitoch expozície.

 Efekt magnetickej rezonancie
  Niekožko štúdií na bunkách zvierat bolo zrealizovaných pomocou pola magnetickej rezonancie. Nezistili sa žiadne mutagénne alebo cytotoxické účinky v ovariálnych bunkách čínskeho škrečka, bunky boli vystavené polu MR vežkosti 0.35 T, 4.6 T/s a vrchol SAR bol 2.9 W/kg pri 15 MHz (4 pulzy trvania 5 ms). Za rovnakých podmienok expozície nebolo zistené žiadne chromozomálne poškodenie v bunečnej kultúre vystavenej MR po dobu 14h. Myši boli vystavené MR 0.7 T pri priemernej SAR 0.087 W/kg po dobu 1 hodiny. Neboli zistené žiadne rozdiely v chromozomálnych aberáciách v bunkách kostnej drene medzi exponovanými a neexponovanými myšami.
  Rôzne bakteriálne kmene boli vystavené MR 1 T, 1 T/s s priemerným rádiofrekvenčným výkonom 0.097 W bez mutagénnych alebo smrtežných účinkov. Krysy a morčatá boli vystavené MR 0.16 T, 2 T/s a neboli zistené žiadne zmeny krvného tlaku, srdcovej frekvencie, ani EKG.

  Na druhej strane, myši vystavené MR 0.15 T nevykázali normálnu nočnú analgéziu na morfín. Zvieratá odobraté počas periódy dňa mali slabšiu reakciu na morfínom vyvolanú analgéziu. Tieto výsledky môžu odráža vyvolané zmeny v neurónovej väzbe a/alebo zmeny v aktivite epifýzy.

  Počet klinických štúdií na človeku vystaveného MR poliam je relatívne malý, pretože zariadenia neboli v prevádzke tak dlho, aby poskytli príležitos pre dlhodobé lekárske sledovanie pacientov a dobrovožníkov. Počas 6-mesačného sledovania 181 pacientov a 70 dobrovožníkov neboli nájdené žiadne zmeny srdcových a neurologických funkcií. Avšak u MR zariadení používaných v týchto štúdiách bolo statické pole len 0.04 T. Žiadne vizuálne účinky, ani účinky na centrálny nervový systém neboli nájdené u 118 pacientov, ktorých hlavy boli vyšetrované pomocou MR.

  Za minimálne, ak vôbec nejaké zdravotné riziká, sú u MR považované expozície, ktoré nepresahujú tieto limity:

• Statické magnetické pole: 2 T,
• Rýchlos časovej zmeny magnetického poža: 3 T/s (RMS),
• Rádiofrekvenčné pole, ktoré nespôsobí zvýšenie telesnej teploty na akejkožvek časti tela o viac ako 1°C.

  Tieto limity by mali by splnené, ak SAR neprekračuje 1 W/kg v priemere pri expozíčnej dobe viac ako 15 minút, a 2 W/kg počas max. 15 min, kde po zvyšok času osoba nie je vystavená rádiofrekvenčným poliam z MR prístroja. Expozícia z MR systémov, ktoré prekračujú stanovené limity nie je nevyhnutne nebezpečná, ale pozor, vyžaduje to určité individuálne hodnotenie, pretože v súčasnosti dostupné vedecké údaje nie sú dostatočné na zabezpečenie všeobecného odporúčania.

MR verzus CT
  Magnetická rezoznania (MR) a počítačová tomografia (CT) sú doplnkové zobrazovacie technológie a každá z nich má svoje výhody a obmedzenia pre konkrétne aplikácie. Počítačová tomografia (CT) používa röntgenové (ionizujúce) žiarenie a umožňuje skúma tkanivo zložené z prvkov relatívne vyššieho atómového čísla, než tkanív, ktoré ho obklopujú, napr. kosti a kalcifikácie (na báze vápnika), svalovina (na báze uhlíka) alebo štruktúry (duté orgány, črevá). Na druhej strane magnetická rezonancia (MR) využíva signály na rádiovej frekvencii a je najvhodnejšia pre nekalcifikované tkanivá. Obavou je potenciál CT, ktorý môže prispie k rakovine vyvolanej použitým ionizujúcim žiarením. Austrálska štúdia zistila, že 1z 1800 CT vyšetrení bolo spojené so vznikom nového nádorového ochorenia. Výhodou MR vyšetrenia je, že nepoužíva ionizujúce žiarenie a preto sa odporúča najmä po CT, ak môže prinies rovnaké diagnostické informácie. Aj keď však náklady na MR klesli, nie je veža bežných zobrazovacích scenárov, v ktorých možno magnetickou rezoznanciou MR jednoducho nahradi počítačovú tomografiu CT. Vplyv nízkych dávok žiarenia na karcinogenézy sú tiež sporné. Aj keď je MR spojené s biologickými účinkami, nebolo preukázané, že by bolo príčinou významných poškodení. V porovnaní možných genotoxických účinkov MR a CT vyšetrenia, Knuuti a spol. poznamenávajú, že aj keď predchádzajúce štúdie preukázali poškodenie DNA spojené s MR, "dlhodobý biologický a klinický význam DNA poškodení vyvolaných MR zostáva neznámy".

  MR skenery dokážu generova multirozmerné prierezy tkanív (roviny rezu) s trojrozmernou rekonštrukciou obrazu (vrátane naklonených rovín). MR má celý rad vlastností, ktoré môžu by použité pre vytváranie kontrastného obrazu. Parametre skenu majú mnoho variácií, kontrast tkaniva možno zmeni a zvýrazni rôznymi spôsobmi a použi pre detekciu rôznych funkcií. Všeobecne je MR najlepšia pre účely detekcie nádoru a jeho identifikácie. Avšak CT je zvyčajne k dispozícii vo väčšej miere, je rýchlejšie, menej nákladné a nevyžaduje, aby osoby museli uži sedatíva alebo anestézu v niektorých prípadoch.
  MR sa využíva pri rozlišovaní patologického tkaniva (napr. nádor na mozgu) od normálneho tkaniva. Poskytuje primerané rozlíšenie s dobrým kontrastom (schopnosou rozlíši rozdiely medzi dvoma podobnými, ale nie identickými tkanivami). Základom tejto schopnosti je komplexná knižnica pulzných sekvencií, ktorú moderná lekárska MR obsahuje, knižnica je optimalizovaná pre rôzne kontrasty obrazu založené na chemickej citlivosti MR.
  MR sa najlepšie hodí pre prípady, kedy pacient podstupuje vyšetrenie niekožkokrát po sebe v krátkej dobe, pretože na rozdiel od CT, nevystavuje sa nebezpečenstvu ionizujúceho žiarenia. CT vytvára výrazne vyššiu dávku žiarenia (40 až 100 krát vyššiu než konvenčné röntgenove vyšetrenie). Všeobecne, CT sa neodporúča u detí (Shah & Platt 2008, Iakovou 2008), pokiaž je k dispozícii vhodná klinická alternatíva. MR je kontraindikovaná pri prítomnosti nebezpečných kovových implantátov. MR vyžaduje dlhší čas vyšetrenia než CT (v závislosti od zložitosti môže trva 20 - 40 minút).

  Pre lepšie zobrazenie konkrétnej oblasti môže by použitá kontrastná látka. Jódované kontrastné látky sa bežne používajú počas CT vyšetrenia a hlavné nežiaduce účinky sú anafylaktoidné reakcie a nefrotoxicita. U MR sa najčastejšie využíva paramagnetické kontrastné činidlo (gadolínium). Určité obavy týkajúce sa toxicity gadolínia sa v minulosti objavili v súvislosti s poruchou funkcie obličiek (Issa 2008, STRATTA 2008). Ďalšie štúdie (Cho 2014) naznačujú, že gadolínium indukuje poškodenie DNA a apoptickú bunkovú smr u žudských lymfocytov. Elektromagnetické pole tiež údajne zvyšuje cytotoxicitu a genotoxicitu gadolínia. Pre kontrastné zobrazovanie pečene už môžu by dnes použité aj superparamagnetické kontrastné činidlá (napr. nanočastice oxidu železa).