Cieślar, Katarzyna

Polish

Jagiellonian Univeristy Repository

5Neutrino 18Tomografia magnetyczno-rezonansowaWspółczesna medycyna dysponuje różnorodnymi metodami diagnostyczny-mi. Ich opracowanie wymaga często bliskiej współpracy lekarzy, inżynierów i naukowców z wielu różnych dziedzin. Owocem tej współpracy są narzędzia, w których najnowsze technologie stosuje się m.in. do wczesnego identyfikowa-nia chorób, badania skutków działania nowych leków lub do przeprowadzania trudnych operacji. Jedną z takich nowoczesnych metod diagnostycznych jest obrazowanie za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego, zwane tomo-grafią magnetyczno-rezonansową, a potocznie – „rezonansem”. Co to jest magnetyczny rezonans jądrowy?Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego zostało opisane po raz pierw-szy przez Isidora Rabiego w 1938 roku. Efekt rezonansu magnetycznego stoi u podstaw dwóch ważnych metod badawczych – spektrometrii i obrazowania magnetyczno-rezonansowego. Metody te znajdują szerokie zastosowanie za-równo w badaniach materiałowych jak również w biologii i medycynie. Wielkie znaczenie jądrowego rezonansu magnetycznego z punktu widzenia postępu na-uki odzwierciedla fakt, że Szwedzka Akademia Nauk przyznała w sumie aż pięć Nagród Nobla związanych z tym efektem: dwie z fizyki (w 1944 i 1952 roku), dwie z chemii (w 1991 i 2002 roku) i jedną z medycyny (w 2003). Laureaci Nagród Nobla przyznanych za opracowanie i udoskonalenie metod badawczych oraz zastosowania magnetycznego rezonansu jądrowego: od lewej Isidor Rabi (1944), Felix Bloch i Edward Purcell (1952), Richard Ernst (1991), Kurt Wuthrich (2002), Paul Lauterbour i Peter Mansfield (2003)6 Neutrino 18Dokładny opis metody obrazowania z użyciem magnetycznego rezonansu jądrowego wykracza znacznie poza ramy tego artykułu. Pozwolę sobie w związ-ku z tym na pewne uproszczenia, które nakreślą ogólny zarys tej techniki obra-zowania, a zainteresowanego czytelnika odsyłam do doskonałego podręcznika prof. Jacka W. Hennela i prof. Teresy Kryst-Widźgowskiej pt. Na czym polega tomografia magnetyczno-rezonansowa? Zasada i przykłady zastosowań w me-dycynie (IFJ, Kraków 1995).Zacznijmy od wyjaśnienia znaczenia poszczególnych słów w nazwie metody. Słowa „magnetyczny” i „jądrowy” wynikają z tego, że mamy do czynienia ze zjawiskiem, w którym istotne są magnetyczne własności jąder atomowych. Na-tomiast słowo „rezonans” odnosi się do efektu zachodzącego podczas wymu-szonych drgań badanego układu fizycznego. Zjawisko to można zaobserwować na zwykłej huśtawce. Wytrącona z równowagi huśtawka kołysze się z charak-terystyczną dla siebie częstotliwością, czyli liczbą drgań na sekundę. Jeśli na przykład jedno pełne wahnięcie (tam i z powrotem) zajmuje 2 s, to znaczy, że częstotliwość drgań wynosi pół drgania na sekundę. Tę częstotliwość nazywa się częstotliwością własną. Ze względu na siły tarcia wychylenia huśtawki stop-niowo maleją, natomiast częstotliwość wahań pozostaje niemal taka sama. Po pewnym czasie drgania ustają całkowicie i huśtawka zatrzymuje się. Co można zrobić, żeby temu zapobiec? Można na przykład regularnie popychać huśtawkę. Dostarczamy w ten sposób huśtawce energii, kompensując straty wynikające z tarcia. Najlepszy efekt uzyskamy, jeśli będziemy ją popychać za każdym razem, kiedy znajduje się w punkcie największego wychylenia. Oznacza to, że będziemy działać na huśtawkę z siłą o tej samej częstotliwości, co czę-stotliwość własna huśtawki. Taki przypadek, kiedy częstotliwość wymuszająca i częstotliwość własna układu są idealnie dopasowane nosi nazwę rezonansu. Efekt ten zachodzi zarówno dla drgań mechanicznych, takich jak ruch huśtaw-ki, jak również dla drgań elektromagnetycznych. W przypadku magnetycznego rezonansu jądrowego rolę huśtawki pełnią jądra atomowe wchodzące w skład naszego ciała, znajdujące się w polu magnetycznym tomografu, a rolę osoby popychającej huśtawkę – fala elektromagnetyczna o częstotliwości radiowej. Częstotliwość własna każdego jądra atomowego zależy od intensywności pola magnetycznego w danym miejscu oraz od typu jądra. Oznacza to, że jeśli w każdym miejscu w tomografie mielibyśmy inną wartość pola magnetycz-nego, to teoretycznie moglibyśmy tak dobrać częstotliwość wymuszającej fali elektromagnetycznej, żeby dopasować się do częstotliwości własnej każdego wybranego jądra i pobudzać je wybiórczo do drgań. W praktyce jest to możliwe nie dla pojedynczych jąder, ale dla większych ich grup, tzw. voxeli, czyli małych sześcianików zlokalizowanych w konkretnych miejscach w organizmie.Jak zbudowany jest tomograf rezonansu magnetycznego?Podstawowym elementem tomografu jest magnes wytwarzający główne pole magnetyczne, w którym musi znajdować się pacjent w trakcie badania (rys. 1). W chwili obecnej najczęściej wykorzystuje się magnesy nadprzewodzące, mające kształt wielkiej cewki w kształcie solenoidu, chłodzonej ciekłym helem. W obudowie głównego magnesu umieszcza się również szereg dodatkowych cewek o skomplikowanych kształtach (tzw. cewek gradientowych), których celem jest zróżnicowanie pola magnetycznego od punktu do punktu tak, aby móc rejestrować drgania pochodzące od poszczegól-nych grup jąder atomowych znajdujących się w różnych miejscach or-ganizmu pacjenta. Regularne włączanie i wyłączanie tych cewek powo-7Neutrino 18duje dość nieprzyjemny hałas. W trosce o komfort podczas badania zakłada się więc pacjentowi słuchawki. Żeby wymusić drgania jąder atomowych używa się fali elektromagnetycznej o częstotliwości radiowej. Dlatego istotnym elemen-tem tomografu jest także nadajnik fal radiowych wysyłający tzw. impuls czę-stotliwości radiowej oraz ich odbiornik, pozwalający na zarejestrowanie drgań pochodzących od jąder atomowych, czyli tzw. sygnału magnetyczno-rezonan-sowego. Podczas badania zbierane są sygnały z wielu voxeli, po czym sygnał ten jest analizowany komputerowo, co pozwala zrekonstruować obraz wybra-nych przekrojów ciała pacjenta.Co tak naprawdę widać na obrazach magnetycznego rezonansu?Metoda magnetycznego rezonansu jądrowego pozwala zarejestrować sygnał pochodzący od jąder atomowych posiadających tzw. moment magnetyczny. Najpopularniejszym jądrem atomowym wykorzystywanym w diagnostyce jest jądro atomu wodoru. Jądra atomów wodoru, wchodzących w skład wody, tłuszczów i innych związków chemicznych, występują w dużej ilości w organi-zmie, co pozwala otrzymać wystarczająco silny sygnał, a tym samym dobrą jakość obrazu. To, co widzimy na obrazkach, odzwierciedla więc w pierwszym przybliżeniu gęstość jąder wodoru w różnych miejscach w organizmie. Tam, gdzie obraz jest jasny – liczba jąder jest duża, a tam gdzie ciemny – mała. Ze względu na różną gęstość organów wewnętrznych, można dobrze określić ich położenie, wielkość, a nawet strukturę wewnętrzną w badanym organizmie. Dobrą ilustracją jest rys. 2, na którym ciemny obszar w miejscu usytuowania płuc odzwierciedla bardzo małą gęstość jąder wodoru w tym organie. Sygnał magnetyczno-rezonansowy zawiera jednak inne cenne informacje. Wróćmy na chwilę do naszej analogii z huśtawką. Wymuszenie drgań jąder atomowych za pomocą fali elektromagnetycznej odpowiada regularnemu popychaniu huś-tawki. Jednak po zakończeniu impulsu drgania stopniowo słabną, podobnie jak zmniejsza się wychylenie huśtawki z pozycji równowagi. To, jak szybko Rys. 1. Schemat budowy tomografu do obrazowania magnetyczno-rezonansowego8 Neutrino 18zanika sygnał magnetycznego rezonansu, zależy od obecności różnego rodzaju związ-ków chemicznych w otoczeniu jąder wodoru. Jeśli na przykład związki te mają własności magnetyczne, to będą one silnie oddziaływać z badanymi jądrami i „tłumić” ich drgania, co spowoduje, że sygnał zaniknie szybciej, niż w innych miejscach. Można tak zapla-nować badanie, żeby na obrazie uwidocznić różnice w długości trwania sygnału i dzięki temu skonstruować mapę położenia ma-gnetycznej substancji „zakłócającej”. Naj-lepszym przykładem tego typu badania jest tzw. funkcjonalny rezonans magnetyczny, wykorzystywany w obrazowaniu mózgu. Me-toda ta opiera się na różnicy we własnościach magnetycznych hemoglobiny transportującej tlen i dwutlenek węgla we krwi. Hemoglobina połączona z tlenem nie ma własności magne-tycznych, natomiast hemoglobina transportu-jąca dwutlenek węgla posiada silny moment magnetyczny. Jeśli jakiś region w mózgu jest bardzo aktywny, to jego zapotrzebowanie na tlen gwałtownie rośnie. Silnie natleniona krew kierowana jest do tych intensywnie pra-cujących obszarów, co oznacza, że ilość na-tlenionej, niemagnetycznej hemoglobiny, jest w tych miejscach większa niż w sąsiadują-cych częściach mózgu. W porównaniu z ota-czającymi obszarami region silnie natlenio-ny będzie więc na obrazach funkcjonalnych widoczny jako jaśniejszy, ponieważ sygnał magnetycznego rezonansu będzie w tych miejscach trwał nieco dłużej. Dzięki tej meto-dzie możliwe jest m.in. nieinwazyjne badanie różnych funkcji neurologicznych. Ilustracją powyższego zjawiska jest rys. 3, na którym wyróżniono obszary mózgu o zwiększonej ak-tywności w czasie stymulacji.Kiedy stosuje się obrazowanie magne-tyczno-rezonansowe?Magnetyczny rezonans jądrowy nie wiąże się z narażeniem organizmu na promieniowanie jonizujące i dlatego badania można wielo-krotnie powtarzać. Metoda ta nadaje się do obrazowania tzw. tkanek miękkich, szczegól-nie do diagnostyki nowotworów, niektórych schorzeń mózgu, takich jak stwardnienie rozsiane oraz w przypadku konieczności wy-konania badania w czasie ciąży. Rys. 2. Przekrój ciała uzyskany metodą obrazowania magnetycz-no-rezonansowego9Neutrino 18Rys. 3. Obraz mózgu uzyskany metodą obrazowania funkcjonalnego. Kolorem pomarań-czowym oznaczono te obszary, które były najbardziej aktywne w czasie badaniaKC

Tomografia magnetyczno-rezonansowa

https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/251646/cieslar_tomografia_magnetyczno-rezonansowa_2012.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Tomografia magnetyczno-rezonansowa

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jagiellonian Univeristy Repository