Aktualizované: 10.3.2015
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 poui röntgenové iarenie resp. ionizujúce iarenie. Miesto neho vyuíva 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 (zväča vodíka), ktoré sú prítomné ako molekuly vody vo väčine telesných tkanív. Pouité rádiové vlny potom prinútia vybudené atómy vodíka produkova signály na rezonančnej frekvencii a sú zachytávané prijímačom v MR skeneri. Signály sú peciálne modulované pomocou rýchlo sa meniaceho magnetického pola a s pomocou počítačového spracovania vytvoria vežmi jasné snímky tkanív tzv. "rezy". Umoňujú detailne zobrazi tkanivá v akejkožvek polohe. Pretoe cievky silných elektromagnetov sa počas skenovania rýchlo zapínajú a vypínajú, vytvárajú charakteristické hlasné a opakujúce sa klopavé zvuky. Kontrast medzi rôznymi tkanivami je určený rýchlosou, pri ktorej sú excitované atómy schopné vráti sa do rovnováneho stavu. Počas procedúry môu by podávané kontrastné látky pre zvýraznenie určitých konkrétnych tkanív (gadolínium).
MR vyaduje prítomnos silného magnetického pola. Vežkos indukcie elektromagnetov sa udáva v jednotkách Tesla a zatiaž čo väčina systémov funguje na 1.5 T, k dispozícii sú rôzne systémy od 0.2 do 7 T. Väčina pouívaných magnetov je supravodivých a vyaduje prítomnos tekutého hélia (supernízke teploty). Niia intenzita magnetického pola môe by dosiahnutá aj permanentnými magnetmi, ktoré sa často pouívajú v "otvorených" MR skeneroch u klaustrofobických pacientov.
Ako bezpečná je MR ?
Rovnako ako u iných technológií, je potrebné starostlivo zvái moné riziká pre zdravie, vyvinú a zavies prísluné bezpečnostné opatrenia, aj napriek tomu, e technológia je prospená pre lekárske aplikácie. Existuje niekožko bezpečnostných faktorov, ktoré treba posudzova s ohžadom na klinické pouitie MR u žudí. V súčasnej dobe neexistuje veobecný záver, pokiaž ide o to, či sú úrovne expozície pre pacienta a prevádzkovateža povaované za bezpečné. Treba bra ohžad aj na implantované kardiostimulátory a kovové predmety v tele.
Silné magnetické polia MR systému budú priahova predmety obsahujúce elezo (feromagnetické materiály) a môu spôsobi, e sa tieto predmety začnú náhle a s vežkou silou pohybova. Môu predstavova potenciálne riziko pre pacientov, ktorých implantáty v tele majú kovové časti. Pacient nesmie ma počas vyetrenia u seba iadne kovové predmety, vrátane hodiniek, perkov 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 pouité v oblasti vyetrenia MR. Silné magnetické pole MR systému môe pokodi načúvací prístroj na uchu, kardiostimulátor, elektrický stimulátor alebo neurostimulátor.
Genotoxické účinky
V súčasnej dobe neexistuje iadne preukázané nebezpečenstvo biologického pokodenia aj z vežmi silných statických magnetických polí. Avak genotoxické (t.j. potenciálne karcinogénne) účinky magnetickej rezonancie boli preukázané aj in vivo, aj in vitro. Odporúčané sú ďalie túdie a obozretné pouívanie, aby sa predilo zbytočným vyetreniam, na základe princípu predbenej opatrnosti. V porovnaní genotoxických efektov MR a CT, Knuuti a spol. uviedli, e aj napriek tomu, e pokodenie DNA zistiné po vyetrení MR bolo úrovňami porovnatežnými s vyetrením pomocou ionizujúceho iarenia (nízke dávky koronárnej CT angiografie, nukleárny imaging, röntgenová angiografia), rozdiely v mechanizme pokodenia naznačujú, e riziko rakoviny z MR, ak existuje, nie je známe.
Periférna nervová stimulácia
Rýchle zapínanie a vypínanie elektromagnetov a tým vznikajúcich magnetických polí môe spôsobova nervovú stimuláciu. Prejavuje sa ako pocity klbania počas rýchleho prepínania polí a to najmä v končatinách.
Ohrev tkanív spôsobený absorpciou rádiových vĺn
Kadý 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).
Bené 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 vzdialenosou od magnetu klesá aj hustota magnetického toku.
Hustota magnetického toku mimo systému závisí na sile pola magnetu, ako aj od kontrukcie systému (vežkos cievok, tienenie, apod.). Merania na systéme 0.04T FONAR QED-80 ukázali, e zmeny hustoty magnetického toku sa pohybovali medzi 600 ľT a 0.04 T. Úrovne v riadiacej miestnosti boli asi 400 ľT. Merania na systéme 0.15T Teslacon Technicare ukázali, e 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 vežkosou statických magnetických polí.
Súčasou MR vyetrenia pomocou magnetických polí sú i rádiofrekvenčné polia (RF). Sú to polia pulzné a systém od systému sa pouívajú rôzne pulzné sekvencie. Frekvencia rádiofrekvenčných polí závisí na sile statického magnetického pola. V MR systémoch zobrazujúcich protóny sa pouívajú frekvencie v rozmedzí od asi 6.4 MHz pre systém 0.15 T a po 85 MHz pre systém 2 T (najbenejie sú 68 MHz systémy pri 1.5 T). Priemerný výkon rádiofrekvenčného vysielača je od niekožkých wattov do niekožkých desiatok wattov. pičkový výkon vysokofrekvečných impulzov môe 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, e intenzita rádiofrekvečného pola je niia ako 0.05 V/m kdekožvek mimo púzdra magnetu.
Zdravotné účinky polí MR
Statické magnetické pole
Statické magnetické polia môu korelova s biologickými systémami a silou pôsobia na molekuly a bunky, ktoré majú diamagnetickú citlivos. Môu tie ovplyvni enzýmovú kinetiku a pôsobi na pohybujúce sa objekty (vrátane tekutín). Molekuly a niektoré bunkové truktúry (čapíky sietnice, DNA vlákna v bunkách) sú magneticky anizotropné, a preto na ne pôsobí sila v statickom magnetickom poli, ktorá sa snaí 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 môe magnetické pole narui prúdovú slučku na nervovom vedení (írenie akčného potenciálu) a môe spôsobi zníenie potenciálu vodivosti spolu so zníením rýchlosti vedenia. Na tento efekt sú potrebné silné magnetické polia nad 24 T (Tesla).
Ďalí typ interakcie zahŕňa pohybujúce sa tekutiny, prietok krvi a pravidelný pohyb niektorých častí tela, napr. hrudníka a sahy srdca. Pohybom elektrického vodiča v magnetickom poli vzniká indukovaný elektrický potenciál. V prípade človeka môu 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, avak fyziologicky sú bezvýznamné, kým nie je dosiahnutá prahová hodnota pre depolarizáciu srdcových svalových vlákien. Depolarizácia buniek srdcového svalu vyvoláva jeho kontrakciu. Najnepriaznivejie výpočty ukazujú, e 2.5 Tesla vyvoláva elektrický potenciál rádovo 40 mV, čo je prahová hodnota pre individuálnu depolarizáciu srdcového svalu. Vypočítaný potenciál sa vak týka prierezu aorty.
Dostupné vedecké údaje o biologických účinkoch statických magnetických polí sú dos obmedzené a inkonzistenté. Na základe rady starostlivo vykonaných túdií, nasledujúce dôleité biologické procesy by nemali by ovplyvnené statickými magnetickými poliami a do vežkosti pribline 2 T:
1. Rast buniek a morfológia,
2. truktúra 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 vak nie sú v súčasnej dobe dostatočné kritérium pre posúdenie rizika vystavenia sa väčím statickým magnetickým poliam. Niektoré krátkodobé expozície statickým magnetickým poliam 2 T nemali iadne následky, ale expozície napr. 0.5 T po dlhiu dobu zaznamenali kodlivé 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 môu poslúi ako referenčné úrovne pre prevádzkovateža MR.
Časovo premenné magnetické pole
Časovo premenné magnetické pole v interakcii s biologickými systémami predovetkým 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.
Pribliné prahové hodnoty hustoty magnetického toku v ivých tkanivách (Ampér na meter tvorcový):
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 vyie uvedených prahov a biologických účinkov viedlo k záveru, e 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 pribline 3-násobne pod prahom pre srdcové fibrilácie. 0.03 A/m2 zodpovedá zhruba 3 T/s.
Nedávno bola realizovaná túdia na posúdenie účinkov pulzného magnetického poža na vývoj plodu u myí. Expozície sa pohybovali medzi 3.5 - 12 kT/s s dĺkami pulzov 0.33-0.56 ms. Expozície boli krátkodobé v rôznych fázach gravidity. Niektoré efekty expozície mali za následok stimuláciu povrchového kostrového svalu. iadne neiaduce účinky neboli pozorované počas gravidity, nemali efekt ani na vežkos vrhu a rast plodu exponovaných myí.
Rádiofrekvenčné pole
kodlivé účinky na zdravie z vystavenia sa rádiovým frekvenciám (RF) polia sú spojené s vysokou mierou odovzdávania energie. Vzhžadom k tomu, e interakcia RF polí závisí od frekvencie, typu pola (elektrické, magnetické, ďaleké pole, blízke pole) a vežkosti tela a jeho tvaru, pouíva 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 rozloenie závisí na kontrukcii cievok vysielača, frekvencii, tvare, vežkosti a type zobrazovaného tkaniva.
Vystavenie sa rádiofrekvenčným poliam má za následok miestne alebo celotelové zvýenie teploty. Odhaduje sa, e 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 a 30°C. Vyí nárast telesnej teploty mono očakáva u žudí s naruenou schopnosou termoregulácie. Lokálne zvýenie teploty v miestach s vysokou SAR môe by oveža väčie.
Vplyvy rádiofrekvenčných polí boli skúmané na rôznych systémoch a pokiaž ide o SAR a trvanie expozície, boli stanovené limitné hodnoty. Mnohé z účinkov mono vysvetli na základe celotelového alebo lokálneho tepelného efektu. Avak boli zaznamenané aj účinky spôsobené netepelnými mechanizmami.
Zdokumentovaných bolo niekožko potenciálne významných účinkov pri priemernom SAR 1 a 3 W/kg po dobu dlhej expozície. Medzi ne patria: zmeny v správaní, nárast nádorov u myí, zníenie počtu Purkyňových buniek v mozgu krýs, zmeny vo funkcii endokrinných liaz, zmeny v krvnej biochémii a reverzibilné zmeny v hematologických a imunologických systémoch. Okrem toho boli popísané ďalie 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 vyou SAR medzi 4 a 8 W/kg bolo preukázané, e spôsobujú u pokusných zvierat nekontrolovatežné správanie, dočasnú sterilitu a spomalenú srdcovú činnos.
Napriek tomu, e sa MR hojne vyuíva u roky, výskumné údaje na žuďoch sú vežmi obmedzené a nie sú uitočné pre návrh odporúčaní o kvantitatívne bezpečných limitoch expozície.
Efekt magnetickej rezonancie
Niekožko túdií na bunkách zvierat bolo zrealizovaných pomocou pola magnetickej rezonancie. Nezistili sa iadne mutagénne alebo cytotoxické účinky v ovariálnych bunkách čínskeho krečka, 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 iadne chromozomálne pokodenie v bunečnej kultúre vystavenej MR po dobu 14h. Myi boli vystavené MR 0.7 T pri priemernej SAR 0.087 W/kg po dobu 1 hodiny. Neboli zistené iadne rozdiely v chromozomálnych aberáciách v bunkách kostnej drene medzi exponovanými a neexponovanými myami.
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 iadne zmeny krvného tlaku, srdcovej frekvencie, ani EKG.
Na druhej strane, myi vystavené MR 0.15 T nevykázali normálnu nočnú analgéziu na morfín. Zvieratá odobraté počas periódy dňa mali slabiu reakciu na morfínom vyvolanú analgéziu. Tieto výsledky môu odráa vyvolané zmeny v neurónovej väzbe a/alebo zmeny v aktivite epifýzy.
Počet klinických túdií na človeku vystaveného MR poliam je relatívne malý, pretoe zariadenia neboli v prevádzke tak dlho, aby poskytli príleitos pre dlhodobé lekárske sledovanie pacientov a dobrovožníkov. Počas 6-mesačného sledovania 181 pacientov a 70 dobrovožníkov neboli nájdené iadne zmeny srdcových a neurologických funkcií. Avak u MR zariadení pouívaných v týchto túdiách bolo statické pole len 0.04 T. iadne vizuálne účinky, ani účinky na centrálny nervový systém neboli nájdené u 118 pacientov, ktorých hlavy boli vyetrované pomocou MR.
Za minimálne, ak vôbec nejaké zdravotné riziká, sú u MR povaované expozície, ktoré nepresahujú tieto limity:
Statické magnetické pole: 2 T,
Rýchlos časovej zmeny magnetického poža: 3 T/s (RMS),
Rádiofrekvenčné pole, ktoré nespôsobí zvýenie 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 zvyok času osoba nie je vystavená rádiofrekvenčným poliam z MR prístroja. Expozícia z MR systémov, ktoré prekračujú stanovené limity nie je nevyhnutne nebezpečná, ale pozor, vyaduje to určité individuálne hodnotenie, pretoe v súčasnosti dostupné vedecké údaje nie sú dostatočné na zabezpečenie veobecného odporúčania.
MR verzus CT
Magnetická rezoznania (MR) a počítačová tomografia (CT) sú doplnkové zobrazovacie technológie a kadá z nich má svoje výhody a obmedzenia pre konkrétne aplikácie. Počítačová tomografia (CT) pouíva röntgenové (ionizujúce) iarenie a umoňuje skúma tkanivo zloené z prvkov relatívne vyieho atómového čísla, ne tkanív, ktoré ho obklopujú, napr. kosti a kalcifikácie (na báze vápnika), svalovina (na báze uhlíka) alebo truktúry (duté orgány, črevá). Na druhej strane magnetická rezonancia (MR) vyuíva signály na rádiovej frekvencii a je najvhodnejia pre nekalcifikované tkanivá. Obavou je potenciál CT, ktorý môe prispie k rakovine vyvolanej pouitým ionizujúcim iarením. Austrálska túdia zistila, e 1z 1800 CT vyetrení bolo spojené so vznikom nového nádorového ochorenia. Výhodou MR vyetrenia je, e nepouíva ionizujúce iarenie a preto sa odporúča najmä po CT, ak môe prinies rovnaké diagnostické informácie. Aj keď vak náklady na MR klesli, nie je veža bených zobrazovacích scenárov, v ktorých mono magnetickou rezoznanciou MR jednoducho nahradi počítačovú tomografiu CT. Vplyv nízkych dávok iarenia na karcinogenézy sú tie sporné. Aj keď je MR spojené s biologickými účinkami, nebolo preukázané, e by bolo príčinou významných pokodení. V porovnaní moných genotoxických účinkov MR a CT vyetrenia, Knuuti a spol. poznamenávajú, e aj keď predchádzajúce túdie preukázali pokodenie DNA spojené s MR, "dlhodobý biologický a klinický význam DNA pokodení vyvolaných MR zostáva neznámy".
MR skenery dokáu generova multirozmerné prierezy tkanív (roviny rezu) s trojrozmernou rekontrukciou obrazu (vrátane naklonených rovín). MR má celý rad vlastností, ktoré môu by pouité pre vytváranie kontrastného obrazu. Parametre skenu majú mnoho variácií, kontrast tkaniva mono zmeni a zvýrazni rôznymi spôsobmi a poui pre detekciu rôznych funkcií. Veobecne je MR najlepia pre účely detekcie nádoru a jeho identifikácie. Avak CT je zvyčajne k dispozícii vo väčej miere, je rýchlejie, menej nákladné a nevyaduje, aby osoby museli ui sedatíva alebo anestézu v niektorých prípadoch.
MR sa vyuíva pri rozliovaní patologického tkaniva (napr. nádor na mozgu) od normálneho tkaniva. Poskytuje primerané rozlíenie s dobrým kontrastom (schopnosou rozlíi rozdiely medzi dvoma podobnými, ale nie identickými tkanivami). Základom tejto schopnosti je komplexná kninica pulzných sekvencií, ktorú moderná lekárska MR obsahuje, kninica je optimalizovaná pre rôzne kontrasty obrazu zaloené na chemickej citlivosti MR.
MR sa najlepie hodí pre prípady, kedy pacient podstupuje vyetrenie niekožkokrát po sebe v krátkej dobe, pretoe na rozdiel od CT, nevystavuje sa nebezpečenstvu ionizujúceho iarenia. CT vytvára výrazne vyiu dávku iarenia (40 a 100 krát vyiu ne konvenčné röntgenove vyetrenie). Veobecne, 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 vyaduje dlhí čas vyetrenia ne CT (v závislosti od zloitosti môe trva 20 - 40 minút).
Pre lepie zobrazenie konkrétnej oblasti môe by pouitá kontrastná látka. Jódované kontrastné látky sa bene pouívajú počas CT vyetrenia a hlavné neiaduce účinky sú anafylaktoidné reakcie a nefrotoxicita. U MR sa najčastejie vyuíva paramagnetické kontrastné činidlo (gadolínium). Určité obavy týkajúce sa toxicity gadolínia sa v minulosti objavili v súvislosti s poruchou funkcie obličiek (Issa 2008, STRATTA 2008). Ďalie túdie (Cho 2014) naznačujú, e gadolínium indukuje pokodenie DNA a apoptickú bunkovú smr u žudských lymfocytov. Elektromagnetické pole tie údajne zvyuje cytotoxicitu a genotoxicitu gadolínia. Pre kontrastné zobrazovanie pečene u môu by dnes pouité aj superparamagnetické kontrastné činidlá (napr. nanočastice oxidu eleza).