Magnetická rezonancia

Čo je MR a ako funguje?
  Magnetická rezonancia (MR) je spôsob, ako získať veľmi detailné pohľady na orgány a tkanivá v celom tele bez nutnosti použiť 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 prítomnosť abnormálnych tkanív. Pacient sa  umiestni do vnútra MR skenera, ktorého tvar pripomína tunel. Silným magnetickým poľom 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 produkovať 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 veľmi jasné snímky tkanív tzv. "rezy". Umožňujú detailne zobraziť tkanivá v akejkoľvek 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 rýchlosťou, pri ktorej sú excitované atómy schopné vrátiť sa do rovnovážneho stavu. Počas procedúry môžu byť podávané kontrastné látky pre zvýraznenie určitých konkrétnych tkanív (gadolínium).
  MR vyžaduje prítomnosť silného magnetického pola. Veľkosť indukcie elektromagnetov sa udáva v jednotkách Tesla a zatiaľ 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 prítomnosť tekutého hélia (supernízke teploty). Nižšia intenzita magnetického pola môže byť 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 zvážiť možné riziká pre zdravie, vyvinúť a zaviesť príslušné bezpečnostné opatrenia, aj napriek tomu, že technológia je prospešná pre lekárske aplikácie. Existuje niekoľko bezpečnostných faktorov, ktoré treba posudzovať s ohľadom na klinické použitie MR u ľudí. V súčasnej dobe neexistuje všeobecný záver, pokiaľ ide o to, či sú úrovne expozície pre pacienta a prevádzkovateľa považované za bezpečné. Treba brať ohľad aj na implantované kardiostimulátory a kovové predmety v tele.
  Silné magnetické polia MR systému budú priťahovať predmety obsahujúce železo (feromagnetické materiály) a môžu spôsobiť, že sa tieto predmety začnú náhle a s veľkou silou pohybovať. Môžu predstavovať potenciálne riziko pre pacientov, ktorých implantáty v tele majú kovové časti. Pacient nesmie mať 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 byť odstránené, ak sú použité v oblasti vyšetrenia MR. Silné magnetické pole MR systému môže poškodiť načúvací prístroj na uchu, kardiostimulátor, elektrický stimulátor alebo neurostimulátor.

Genotoxické účinky
  V súčasnej dobe neexistuje žiadne preukázané nebezpečenstvo biologického poškodenia aj z veľmi 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 porovnateľnými 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 spôsobovať 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 byť 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 vzdialenosťou od magnetu klesá aj hustota magnetického toku.
  Hustota magnetického toku mimo systému závisí na sile pola magnetu, ako aj od konštrukcie systému (veľkosť cievok, tienenie, apod.). Merania na systéme 0.04T FONAR QED-80 ukázali, že zmeny hustoty magnetického toku sa pohybovali medzi 600 µT až 0.04 T. Úrovne v riadiacej miestnosti boli asi 400 µT. 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 veľkosťou statických magnetických polí.

  Súčasťou 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 niekoľkých wattov do niekoľkých desiatok wattov. Špičkový výkon vysokofrekvečných impulzov môže dosiahnuť niekoľko kW (kilowattov). Mimo púzdra magnetu sú intenzity rádiofrekvenčného pola veľmi nízke. Merania na 0.15, 0.5 a 1.9 T systémoch ukázali, že intenzita rádiofrekvečného pola je nižšia ako 0.05 V/m kdekoľvek mimo púzdra magnetu.

Zdravotné účinky polí MR

 Statické magnetické pole
  Statické magnetické polia môžu korelovať s biologickými systémami a silou pôsobia na molekuly a bunky, ktoré majú diamagnetickú citlivosť. Môžu tiež ovplyvniť enzýmovú kinetiku a pôsobiť 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 narušiť prúdovú slučku na nervovom vedení (šírenie akčného potenciálu) a môže spôsobiť 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 sťahy srdca. Pohybom elektrického vodiča v magnetickom poli vzniká indukovaný elektrický potenciál. V prípade človeka môžu byť vodičom krvné cievy. Indukované napätie je závislé na magnetickej indukcii, priemeru cievy, prietoku krvi a orientácii ciev vzhľadom k smeru poľa. Tieto potenciály sú detekovateľné 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 dosť obmedzené a inkonzistenté. Na základe rady starostlivo vykonaných štúdií, nasledujúce dôležité biologické procesy by nemali byť ovplyvnené statickými magnetickými poliami až do veľkosti 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 poslúžiť ako referenčné úrovne pre prevádzkovateľa MR.

 Časovo premenné magnetické pole
  Časovo premenné magnetické pole v interakcii s biologickými systémami predovšetkým indukuje vnútorné elektrické, tzv. "vírivé prúdy". Veľkosť prúdu závisí na rýchlosti časovej zmeny hustoty magnetického toku a na polomere prúdovej slučky. Tieto prúdové slučky sú v rovinách kolmých na smer magnetického poľa. 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 akejkoľvek 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 poľa 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 veľkosť 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. Vzhľadom k tomu, že interakcia RF polí závisí od frekvencie, typu pola (elektrické, magnetické, ďaleké pole, blízke pole) a veľkosti tela a jeho tvaru, používa sa na kvantifikáciu účinkov parameter zvaný Specific Absorption Rate (SAR). SAR vyjadruje rýchlosť, ktorou je rádiofrekvenčná energia na jednotku hmotnosti absorbovaná biologickým materiálom (telom). Jednotkou SAR je watt na kilogram (W/kg). SAR je zvyčajne v ľudskom tele priestorovo nerovnomerná. V prípade MR systémov, priestorové rozloženie závisí na konštrukcii cievok vysielača, frekvencii, tvare, veľkosti 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 ľudskej telesnej teploty, asi 0.5°C pri SAR = 1.4 W/kg pri okolitej teplote 25 až 30°C. Vyšší nárast telesnej teploty možno očakávať u ľudí s narušenou schopnosťou termoregulácie. Lokálne zvýšenie teploty v miestach s vysokou SAR môže byť oveľa väčšie.
  Vplyvy rádiofrekvenčných polí boli skúmané na rôznych systémoch a pokiaľ ide o SAR a trvanie expozície, boli stanovené limitné hodnoty. Mnohé z účinkov možno vysvetliť na základe celotelového alebo lokálneho tepelného efektu. Avšak boli zaznamenané aj účinky spôsobené netepelnými mechanizmami.
  Zdokumentovaných bolo niekoľko 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 nekontrolovateľné správanie, dočasnú sterilitu a spomalenú srdcovú činnosť.

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

 Efekt magnetickej rezonancie
  Niekoľko 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 veľkosti 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 smrteľných 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 odrážať 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 príležitosť pre dlhodobé lekárske sledovanie pacientov a dobrovoľníkov. Počas 6-mesačného sledovania 181 pacientov a 70 dobrovoľníkov 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,
• Rýchlosť časovej zmeny magnetického poľa: 3 T/s (RMS),
• Rádiofrekvenčné pole, ktoré nespôsobí zvýšenie telesnej teploty na akejkoľvek časti tela o viac ako 1°C.

  Tieto limity by mali byť 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 skúmať 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 prispieť 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 priniesť rovnaké diagnostické informácie. Aj keď však náklady na MR klesli, nie je veľa bežných zobrazovacích scenárov, v ktorých možno magnetickou rezoznanciou MR jednoducho nahradiť 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 generovať multirozmerné prierezy tkanív (roviny rezu) s trojrozmernou rekonštrukciou obrazu (vrátane naklonených rovín). MR má celý rad vlastností, ktoré môžu byť použité pre vytváranie kontrastného obrazu. Parametre skenu majú mnoho variácií, kontrast tkaniva možno zmeniť a zvýrazniť rôznymi spôsobmi a použiť 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 užiť 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 (schopnosťou rozlíšiť 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 niekoľkokrát 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), pokiaľ 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 trvať 20 - 40 minút).

  Pre lepšie zobrazenie konkrétnej oblasti môže byť 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 smrť u ľudských lymfocytov. Elektromagnetické pole tiež údajne zvyšuje cytotoxicitu a genotoxicitu gadolínia. Pre kontrastné zobrazovanie pečene už môžu byť dnes použité aj superparamagnetické kontrastné činidlá (napr. nanočastice oxidu železa).