Osteoartrīta diagnostika: magnētiskās rezonanses attēlveidošana

Magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) pēdējos gados ir kļuvusi par vienu no vadošajām neinvazīvās osteoartrīta diagnostikas metodēm. Kopš 20. gs. septiņdesmitajiem gadiem, kad magnētiskās rezonanses (MR) principi pirmo reizi tika izmantoti cilvēka ķermeņa pētīšanai, šī medicīniskās attēlveidošanas metode ir dramatiski mainījusies un turpina strauji attīstīties.

Tiek pilnveidots tehniskais aprīkojums un programmatūra, tiek izstrādātas attēlu iegūšanas metodes un MR kontrastvielas. Tas ļauj pastāvīgi atrast jaunas MR pielietojuma jomas. Ja sākotnēji tās pielietojums aprobežojās ar centrālās nervu sistēmas pētījumiem, tagad MR tiek veiksmīgi izmantota gandrīz visās medicīnas jomās.

1946. gadā Stenfordas un Hārvardas universitāšu pētnieku grupas neatkarīgi atklāja parādību, ko sauc par kodolu magnētisko rezonansi (KMR). Tās būtība bija tāda, ka dažu atomu kodoli, atrodoties magnētiskajā laukā, ārēja elektromagnētiskā lauka ietekmē spēj absorbēt enerģiju un pēc tam to izstarot radiosignāla veidā. Par šo atklājumu F. Blohs un E. Parmels 1952. gadā saņēma Nobela prēmiju. Jaunā parādība drīz vien tika izmantota bioloģisko struktūru spektrālajā analīzē (KMR spektroskopija). 1973. gadā Pols Rautenburgs pirmais demonstrēja iespēju iegūt attēlu, izmantojot KMR signālus. Tā parādījās KMR tomogrāfija. Pirmās dzīva cilvēka iekšējo orgānu KMR tomogrammas tika demonstrētas 1982. gadā Starptautiskajā radiologu kongresā Parīzē.

Jāsniedz divi precizējumi. Neskatoties uz to, ka metode ir balstīta uz KMR fenomenu, to sauc par magnētisko rezonansi (MR), izlaižot vārdu "kodolieroču". Tas tiek darīts, lai pacientiem nerastos domas par radioaktivitāti, kas saistīta ar atomu kodolu sabrukšanu. Un otrais apstāklis: MR tomogrāfi nejauši netiek "noskaņoti" uz protoniem, t.i., ūdeņraža kodoliem. Audos ir daudz šī elementa, un tā kodoliem ir vislielākais magnētiskais moments starp visiem atomu kodoliem, kas nosaka diezgan augstu MR signāla līmeni.

Ja 1983. gadā pasaulē bija tikai dažas klīniskiem pētījumiem piemērotas ierīces, tad līdz 1996. gada sākumam visā pasaulē darbojās aptuveni 10 000 tomogrāfu. Katru gadu praksē tiek ieviestas 1000 jaunas ierīces. Vairāk nekā 90% no MR-tomogrāfu parka ir modeļi ar supravadošiem magnētiem (0,5–1,5 T). Interesanti atzīmēt, ka, ja 80. gadu vidū uzņēmumi – MR-tomogrāfu ražotāji – vadījās pēc principa "jo augstāks lauks, jo labāk", koncentrējoties uz modeļiem ar lauku 1,5 T un augstāku, tad līdz 80. gadu beigām kļuva skaidrs, ka lielākajā daļā pielietojuma jomu tiem nav būtisku priekšrocību salīdzinājumā ar modeļiem ar vidēju lauka intensitāti. Tāpēc galvenie MR tomogrāfu ražotāji (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker u.c.) pašlaik lielu uzmanību pievērš modeļu ar vidēju un pat zemu lauku ražošanai, kas no augsta lauka sistēmām atšķiras ar savu kompaktumu un ekonomiskumu ar apmierinošu attēla kvalitāti un ievērojami zemākām izmaksām. Augsta lauka sistēmas galvenokārt tiek izmantotas pētniecības centros MR spektroskopijai.

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

MRI metodes princips

Magnētiskā rezonanse (MRI) skenera galvenās sastāvdaļas ir: īpaši spēcīgs magnēts, radio raidītājs, uztveroša radiofrekvences spole, dators un vadības panelis. Lielākajai daļai ierīču ir magnētiskais lauks ar magnētisko momentu, kas ir paralēls cilvēka ķermeņa gareniskajai asij. Magnētiskā lauka stiprumu mēra teslās (T). Klīniskajai MRI tiek izmantoti lauki ar stiprumu 0,2–1,5 T.

Kad pacients tiek ievietots spēcīgā magnētiskajā laukā, visi protoni, kas ir magnētiskie dipoli, pagriežas ārējā lauka virzienā (līdzīgi kā kompasa adata, kas orientēta uz Zemes magnētisko lauku). Turklāt katra protona magnētiskās asis sāk griezties ap ārējā magnētiskā lauka virzienu. Šo specifisko rotācijas kustību sauc par procesiju, un tās frekvenci sauc par rezonanses frekvenci. Kad caur pacienta ķermeni tiek izvadīti īsi elektromagnētiski radiofrekvences impulsi, radioviļņu magnētiskais lauks liek visu protonu magnētiskajiem momentiem griezties ap ārējā lauka magnētisko momentu. Lai tas notiktu, radioviļņu frekvencei jābūt vienādai ar protonu rezonanses frekvenci. Šo parādību sauc par magnētisko rezonansi. Lai mainītu magnētisko protonu orientāciju, protonu un radioviļņu magnētiskajiem laukiem ir jārezonē, t.i., tiem ir jābūt vienādai frekvencei.

Pacienta audos rodas neto magnētiskais moments: audi tiek magnetizēti, un to magnētisms ir orientēts stingri paralēli ārējam magnētiskajam laukam. Magnētisms ir proporcionāls protonu skaitam uz audu tilpuma vienību. Milzīgais protonu (ūdeņraža kodolu) skaits, kas atrodas lielākajā daļā audu, nozīmē, ka neto magnētiskais moments ir pietiekami liels, lai inducētu elektrisko strāvu uztvērēja spolē, kas atrodas ārpus pacienta. Šie inducētie MR signāli tiek izmantoti MR attēla rekonstrukcijai.

Kodola elektronu pārejas procesu no ierosinātā stāvokļa uz līdzsvara stāvokli sauc par spina-režģa relaksācijas procesu jeb garenisko relaksāciju. To raksturo T1 — spina-režģa relaksācijas laiks — laiks, kas nepieciešams, lai 63% kodolu pēc to ierosināšanas ar 90° impulsu nonāktu līdzsvara stāvoklī. Izšķir arī T2 — spina-režģa relaksācijas laiku.

Ir vairākas MR tomogrammu iegūšanas metodes. Tās atšķiras pēc radiofrekvences impulsu ģenerēšanas secības un rakstura, kā arī MR signāla analīzes metodēm. Divas visplašāk izmantotās metodes ir spin-režģa metode un spin-eho metode. Spin-režģa metode galvenokārt analizē T1 relaksācijas laiku. Dažādi audi (smadzeņu pelēkā un baltā viela, cerebrospinālais šķidrums, audzēja audi, skrimšļi, muskuļi utt.) satur protonus ar atšķirīgu T1 relaksācijas laiku. MR signāla intensitāte ir saistīta ar T1 ilgumu: jo īsāks T1, jo intensīvāks MR signāls un jo spilgtāka dotā attēla zona ir redzama TV monitorā. Taukaudi MR tomogrammās ir balti, kam seko smadzenes un muguras smadzenes, blīvi iekšējie orgāni, asinsvadu sieniņas un muskuļi dilstošā MR signāla intensitātes secībā. Gaiss, kauli un kalcifikācijas praktiski nerada MR signālu, tāpēc tiek attēlotas melnā krāsā. Šīs T1 relaksācijas laika attiecības rada priekšnoteikumus normālu un izmainītu audu vizualizēšanai MRI skenējumos.

Citā MRI metodē, ko sauc par spin-eho, uz pacientu tiek vērsta virkne radiofrekvences impulsu, kas rotē precesējošos protonus par 90°. Pēc impulsu apstāšanās tiek reģistrēti atbildes MRI signāli. Tomēr atbildes signāla intensitāte ir atšķirīgi saistīta ar T2 ilgumu: jo īsāks ir T2, jo vājāks ir signāls un līdz ar to mazāks ir spīduma spilgtums televizora monitora ekrānā. Tādējādi galīgais MRI attēls, izmantojot T2 metodi, ir pretējs tam, kas iegūts, izmantojot T1 metodi (jo negatīvs ir pretējs pozitīvam).

MRI tomogrammās mīkstie audi ir attēloti labāk nekā datortomogrāfijā: muskuļi, tauku slāņi, skrimšļi un asinsvadi. Dažas ierīces var radīt asinsvadu attēlus, neievadot kontrastvielu (MRI angiogrāfija). Sakarā ar zemo ūdens saturu kaulu audos, pēdējais nerada ekranēšanas efektu, kā tas ir rentgena datortomogrāfijā, t.i., tas netraucē, piemēram, muguras smadzeņu, starpskriemeļu disku u.c. attēlu. Protams, ūdeņraža kodoli neatrodas tikai ūdenī, bet kaulu audos tie ir fiksēti ļoti lielās molekulās un blīvās struktūrās un netraucē MRI.

MRI priekšrocības un trūkumi

Galvenās MRI priekšrocības ir neinvazivitāte, nekaitīgums (nav starojuma iedarbības), attēla iegūšanas trīsdimensiju raksturs, dabisks kontrasts no kustīgām asinīm, artefaktu neesamība no kaulu audiem, augsta mīksto audu diferenciācija, iespēja veikt MP spektroskopiju audu metabolisma pētījumiem in vivo. MRI ļauj iegūt cilvēka ķermeņa plāno slāņu attēlus jebkurā griezumā - frontālā, sagitālā, aksiālā un slīpajā plaknē. Ir iespējams rekonstruēt orgānu tilpuma attēlus, sinhronizēt tomogrammu iegūšanu ar elektrokardiogrammas zobiem.

Galvenie trūkumi parasti ietver relatīvi ilgo attēlu iegūšanai nepieciešamo laiku (parasti minūtes), kas noved pie elpošanas kustību artefaktu parādīšanās (tas īpaši samazina plaušu izmeklēšanas efektivitāti), aritmijām (sirds izmeklēšanā), nespēju droši noteikt akmeņus, kalcifikācijas, dažus kaulu patoloģiju veidus, augstās iekārtu un to ekspluatācijas izmaksas, īpašas prasības telpām, kurās atrodas ierīces (aizsargājot pret traucējumiem), nespēju izmeklēt pacientus ar klaustrofobiju, mākslīgos elektrokardiostimulatorus, lielus metāla implantus, kas izgatavoti no nemedicīniskiem metāliem.

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

Kontrastvielas MRI

MRI lietošanas sākumā tika uzskatīts, ka dabiskais kontrasts starp dažādiem audiem novērš nepieciešamību pēc kontrastvielām. Drīz vien tika atklāts, ka signālu atšķirību starp dažādiem audiem, t. i., MR attēla kontrastu, var ievērojami uzlabot ar kontrastvielām. Kad komerciāli kļuva pieejams pirmais MR kontrastviela (kas saturēja paramagnētiskus gadolīnija jonus), MRI diagnostiskās informācijas saturs ievērojami palielinājās. MR kontrastvielu izmantošanas būtība ir mainīt audu un orgānu protonu magnētiskos parametrus, t. i., mainīt T1 un T2 protonu relaksācijas laiku (TR). Mūsdienās pastāv vairākas MR kontrastvielu (vai drīzāk kontrastvielu — CA) klasifikācijas.

Saskaņā ar dominējošo ietekmi uz relaksācijas laiku MR-KA tiek iedalīts:

• T1-CA, kas saīsina T1 un tādējādi palielina audu MP signāla intensitāti. Tos sauc arī par pozitīvu CA.
• T2-CA, kas saīsina T2, samazinot MR signāla intensitāti. Tās ir negatīvas CA.

Atkarībā no to magnētiskajām īpašībām MR-CA tiek iedalīti paramagnētiskos un superparamagnētiskos:

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

Paramagnētiskās kontrastvielas

Paramagnētiskām īpašībām piemīt atomi ar vienu vai vairākiem nesapārotiem elektroniem. Tie ir gadolīnija (Gd), hroma, niķeļa, dzelzs un mangāna magnētiskie joni. Gadolīnija savienojumi ir ieguvuši visplašāko klīnisko pielietojumu. Gadolīnija kontrasta efekts ir saistīts ar relaksācijas laika T1 un T2 saīsināšanos. Zemās devās dominē ietekme uz T1, palielinot signāla intensitāti. Lielās devās dominē ietekme uz T2, samazinot signāla intensitāti. Paramagnētiskie savienojumi tagad visplašāk tiek izmantoti klīniskajā diagnostikas praksē.

Superparamagnētiskās kontrastvielas

Superparamagnētiskā dzelzs oksīda dominējošā ietekme ir T2 relaksācijas saīsināšanās. Palielinoties devai, signāla intensitāte samazinās. Šajā CA grupā var iekļaut arī feromagnētiskos CA, kas ietver feromagnētiskus dzelzs oksīdus, kuru struktūra ir līdzīga magnetīta ferītam ( _Fe2 + ^OFe23+ O3 ₎.

Šāda klasifikācija ir balstīta uz CA farmakokinētiku (Sergeev PV et al., 1995):

• ekstracelulārs (audiem nespecifisks);
• kuņģa-zarnu trakta;
• organotropisks (audu specifisks);
• makromolekulāri, kurus izmanto asinsvadu telpas noteikšanai.

Ukrainā ir zināmas četras MR-CA, kas ir ārpusšūnu ūdenī šķīstoša paramagnētiska CA, no kurām plaši tiek izmantotas gadodiamīds un gadopentētikskābe. Atlikušās CA grupas (2–4) tiek klīniski pētītas ārzemēs.

Ārpusšūnu ūdenī šķīstošs MR-CA

Starptautiskais nosaukums	Ķīmiskā formula	Struktūra
Gadopentētiskā skābe	Gadolīnija dimeglumīna dietilēntriamīna pentaacetāts ((NMG)2Gd-DTPA)	Lineārs, jonisks
Gadoterskābe	(NMG)Gd-DOTA	Cikliskais, jonu
Gadodiamīds	Gadolīnija dietilēntriamīna pentaacetāta-bis-metilamīds (Gd-DTPA-BMA)	Lineārs, nejonu
Gadoteridols	Gd-HP-D03A	Cikliskais, nejonu

Ekstracelulārās CA tiek ievadītas intravenozi, 98% no tām izdalās caur nierēm, neiekļūst hematoencefāliskajā barjerā, tām ir zema toksicitāte un tās pieder pie paramagnētisko vielu grupas.

Kontrindikācijas MRI veikšanai

Absolūtās kontrindikācijas ietver stāvokļus, kuros izmeklējums apdraud pacientu dzīvību. Piemēram, implantu klātbūtne, kas tiek aktivizēti elektroniski, magnētiski vai mehāniski – tie galvenokārt ir mākslīgie elektrokardiostimulatori. MRI skenera radiofrekvences starojuma iedarbība var traucēt pieprasījuma sistēmā darbojošā elektrokardiostimulatora darbību, jo izmaiņas magnētiskajos laukos var imitēt sirds darbību. Magnētiskā pievilkšanās var arī izraisīt elektrokardiostimulatora pārvietošanos ligzdā un elektrodu pārvietošanos. Turklāt magnētiskais lauks rada šķēršļus feromagnētisku vai elektronisku vidusauss implantu darbībai. Mākslīgo sirds vārstuļu klātbūtne ir bīstama un ir absolūta kontrindikācija tikai tad, ja izmeklējums tiek veikts ar MRI skeneriem ar spēcīgiem laukiem un ja ir klīniski aizdomas par vārstuļa bojājumu. Absolūtās kontrindikācijas izmeklējumam ietver arī mazu metāla ķirurģisko implantu (hemostatisko klipšu) klātbūtni centrālajā nervu sistēmā, jo to pārvietošanās magnētiskās pievilkšanās dēļ apdraud asiņošanu. To klātbūtne citās ķermeņa daļās rada mazākus draudus, jo pēc ārstēšanas fibroze un klipšu iekapsulēšana palīdz tos saglabāt stabilus. Tomēr papildus potenciālajām briesmām, metāla implantu ar magnētiskām īpašībām klātbūtne jebkurā gadījumā rada artefaktus, kas rada grūtības pētījuma rezultātu interpretācijā.

Kontrindikācijas MRI veikšanai

Absolūti:	Radinieks:
Elektrokardiostimulatori	Citi stimulanti (insulīna sūkņi, nervu stimulatori)
Ferromagnētiski vai elektroniski vidusauss implanti	Neferomagnētiski iekšējās auss implanti, sirds vārstuļu protēzes (stipros laukos, ja ir aizdomas par disfunkciju)
Smadzeņu asinsvadu hemostatiskie klipši	Hemostatiskie klipši citās vietās, dekompensēta sirds mazspēja, grūtniecība, klaustrofobija, nepieciešamība pēc fizioloģiskas uzraudzības

Relatīvās kontrindikācijas, papildus iepriekš minētajām, ietver dekompensētu sirds mazspēju, nepieciešamību pēc fizioloģiskas uzraudzības (mehāniskā ventilācija, elektriskie infūzijas sūkņi). Klaustrofobija ir šķērslis pētījumam 1-4% gadījumu. To var pārvarēt, no vienas puses, izmantojot ierīces ar atvērtiem magnētiem, no otras puses - detalizēti izskaidrojot ierīces lietošanu un izmeklēšanas gaitu. Nav pierādījumu par MRI kaitīgo ietekmi uz embriju vai augli, taču ieteicams izvairīties no MRI grūtniecības pirmajā trimestrī. MRI lietošana grūtniecības laikā ir indicēta gadījumos, kad citas nejonizējošās diagnostiskās attēlveidošanas metodes nesniedz apmierinošu informāciju. MRI izmeklēšanai nepieciešama lielāka pacienta līdzdalība nekā datortomogrāfijai, jo pacienta kustības izmeklēšanas laikā daudz vairāk ietekmē attēlu kvalitāti, tāpēc pacientu ar akūtu patoloģiju, apziņas traucējumiem, spastiskiem stāvokļiem, demenci, kā arī bērnu izmeklēšana bieži vien ir apgrūtināta.

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