thumb|Magnetická rezonancia – rez ľudskou hlavou Zobrazovanie magnetickou rezonanciou (skr. MR alebo MRI – z anglického „magnetic resonance imaging“) je moderná rádiologická metóda, ktorá umožňuje diagnostikovať patologické zmeny v ľudskom organizme bez toho, aby bolo nutné narušiť jeho integritu (operáciou či inou invazívnou metódou). Pacient je vložený do veľmi silného a homogénneho magnetického poľa, do jeho tela je vyslaný krátky rádiofrekvenčný impulz a po jeho skončení sa sníma slabý signál, ktorý vytvára pacientovo telo, a ktorý sa následne použije na rekonštrukciu samotného obrazu.
História
Za prvý priekopnícky článok o zobrazovaní magnetickou rezonanciou sa považuje „Image formation by Induced Local Interaction; Examples Employing Magnetic Resonance“ v marcovom čísle časopisu Nature z 16. marca 1973. Jeho autorom bol Paul Lauterbur.
Ako uznanie za ich objavy a obrovský prínos v uplatnení magnetickej rezonancie v medicíne boli Paul Lauterbur a Sir Peter Mansfield v roku 2003 ocenení Nobelovou cenou za fyziológiu alebo medicínu. Lauterbur objavil, že gradienty v magnetickom poli môžu byť použité na vytvorenie dvojrozmerného obrazu. Mansfield analyzoval gradienty matematicky. Komisia však ignorovala priekopníka v MR zobrazovaní Raymonda V. Damadiana, hoci Nobelove pravidlá dovoľovali rozdeliť ocenenie aj medzi tri osoby. Krátko po vyhlásení si Damadian zaplatil drahú celostranovú inzerciu vo veľkých novinách, a touto formou protestoval proti rozhodnutiu komisie.(„Prístroj a metóda na zisťovanie rakoviny v tkanive“ Raymonda Damadiana)
V roku 1974 si Damadian patentoval dizajn a použitie magnetickej rezonancie (US Patent 3,789,832 ) na zisťovanie rakoviny. V roku 1980 vytvoril prvý komerčný MR prístroj, no nepodarilo sa mu ho predať a nikdy nebol klinicky použitý. Jeho patent síce nepopisoval priamo metódu na vytváranie obrazov, no v roku 1997 sa úspešne súdil s firmou General Electric pre jeho porušenie a získal odškodnenie 129 miliónov dolárov. Neskôr dosiahol za ďalšie milióny dolárov mimosúdne vyrovnanie i s ďalšími výrobcami MR prístrojov.
V roku 1996 Mattson a Simon ocenili Damadiana za popis konceptu celotelového zobrazovania magnetickou rezonanciou a za objavenie rozdielov v relaxácii u jednotlivých tkanív, ktoré zobrazenie umožnilo. V roku 2001 mu Lemelson-MIT program udelil svoje Ocenenie za celoživotné dielo ako „mužovi, ktorý vymyslel MR prístroj“. Vo vedeckej komunite sa však jeho osoba dodnes považuje za kontroverznú a názory na jeho prvenstvo a podiel na dnešnej podobe magnetickej rezonancie nie sú jednotné.
Magnetická rezonancia – prístroje a ich typy thumb|200px|right|MR prístroj so supravodivým typom magnetu so silou 3T. Najdôležitejšou časťou prístroja používaného na zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie je samotný zdroj vonkajšieho magnetického poľa – magnet. Sila tohoto poľa sa udáva v jednotkách Tesla (T) a pohybuje sa v rozmedzí 0,2 až 3T (experimentálne prístroje majú až 8T). Pole musí byť veľmi homogénne (bližšie v kapitole Základné fyzikálne fakty) – to je jeden z dôvodov veľkej technickej náročnosti ich výroby a vysokej ceny. Podľa spôsobu, akým sa pole vytvára, sa prístroje delia do troch základných typov:
prístroje s permanentným magnetom – magnetické pole vytvára trvalo magnetický materiál, na vytvorenie poľa nie je preto v podstate potrebná žiadna ďalšia energia. Nevýhodami sú nízke hodnoty poľa – len do 0,3 T, citlivosť na zmeny teploty a pôvodne aj veľká hmotnosť (až 100 ton). Najnovšie technológie však umožnili konštrukciu špecializovaných prístrojov magnetickej rezonancie s nízkou hmotnosťou (od 1 tony), ktoré sú špecializované na muskuloskeletálny systém. prístroje s elektromagnetom – magnetické pole sa vytvára elektrickým prúdom, pretekajúcim vinutou cievkou. Sú magnetické len v prípade, že nimi prechádza elektrický prúd. Tieto prístroje majú veľkú spotrebu energie a potrebujú masívne chladenie. Sú schopné dosiahnuť väčšiu silu poľa ako permanentné magnety. V súčasnosti sa už používajú len málo. prístroje s hybridným magnetom – sú výhodnou kombináciou predchádzajúcich dvoch typov prístroje so supravodivým magnetom – v súčasnosti najrýchlejšie sa rozširujúci typ. Magnetické pole je vytvárané vo vodiči, ktorý je ochladený na teplotu −269 °C, a ktorý tak získava supravodivé vlastnosti. Výsledkom je strata jeho elektrického odporu, čo má za následok, že raz doň „vpustený“ elektrický prúd v ňom konštantne prebieha a vytvára magnetické pole bez potreby dodávania ďalšej energie. Na udržanie supravodivosti je však nutné dopĺňať tekuté hélium alebo dusík (staršie typy). Hlavnou výhodou tohoto typu je možnosť dosiahnuť vysokú silu a homogenitu magnetického poľa. Nevýhodou sú znovu pomerne dosť vysoké prevádzkové náklady.
Prístroje možno rozdeliť i podľa sily vonkajšieho magnetického poľa:
0,15 – 1,0 T – prístroje s nízkym poľom 1,0 – 2,0 T – prístroje so stredným poľom 2,0 – 7,0 T – prístroje s vysokým poľom* nad 3,0 T – experimentálne prístroje, ktoré sa na štandardné medicínske účely nepoužívajú, ale používajú sa na vedecké štúdie už aj na ľuďoch
Prístroje so slabým i silným poľom majú svoje výhody i nevýhody – nedá sa paušálne povedať, že silnejšie pole je vždy lepšie. Systémy s vysokým poľom umožňujú lepšie priestorové rozlíšenie, rýchle dynamické vyšetrenia a MR spektroskopiu. Naopak prístroje so slabším poľom majú lepší tkanivový kontrast a podstatne nižšie vstupné i prevádzkové náklady.
Samotný magnet musí byť od svojho okolia oddelený, pretože silné magnetické pole môže ovplyvniť citlivé elektronické prístroje v okolí – preto je napríklad vyšetrenie pacienta s kardiostimulátorom veľmi riskantné. Rovnako treba prístroj oddeliť od vplyvov vonkajšieho prostredia, a to najmä od najrôznejšieho rádiofrekvenčného vlnenia, aby sa tak zabránilo rušeniu (interferencii) s rádiofrekvenčným vlnením používaním k samotnému zobrazovaniu. Celý systém je preto uzavretý do tzv. Faradayovej klietky.
Cievky
Jednou zo základných súčastí MR prístroja sú cievky. Ich účelom je vysielať do tkanív rádiofrekvenčné pulzy a/alebo zaznamenávať prichádzajúce signály. Existuje viacero typov:
objemové cievky – sú súčasťou každého MR prístroja. Kompletne obklopujú ľudské telo alebo jeho časť. Patrí sem napríklad tzv. hlavová cievka (podobná klietke, ktorá slúži na vyšetrenie hlavy), ale i veľká cievka zabudovaná do samotného tela prístroja, ktorej účelom je vysielanie RF pulzov. povrchové cievky – prikladajú sa priamo na povrch tela a majú rôzny tvar podľa miesta určenia. Snímajú signály z povrchových štruktúr tela a slúžia len na príjem signálov. „shim“ cievky – slúžia na aktívne vyrovnávanie nehomogenity hlavného vonkajšieho magnetického poľa. gradientové cievky – špeciálne cievky upravujúce magnetické pole – umožňujú nastavenie miesta vyšetrenia; vďaka nim je prístroj schopný rozoznať presnú priestorovú polohu prichádzajúcich signálov a správne zrekonštruovať výsledný obraz. Sú tiež príčinou typického hluku, ktorý pri vyšetrovaní prístroj vydáva.
Základné fyzikálne fakty
Protóny a spin Atómy sa skladajú z jadra a obalu. Obal atómu je tvorený elektrónmi, ktoré majú negatívny elektrický náboj. V jadre sa nachádzajú neutróny, ale najmä pre MR dôležité protóny. Neutróny sú elektricky neaktívne, naopak protóny majú pozitívny elektrický náboj. Protóny v jadre majú vnútorný (vlastný) moment hybnosti – táto ich vlastnosť sa označuje ako jadrový spin. Rovnako rotuje i ich pozitívny elektrický náboj. Pohybujúci sa elektrický náboj je vlastne elektrický prúd, ktorý indukuje vo svojom okolí magnetické pole. Každý protón tak vo svojom okolí vytvára veľmi slabé magnetické pole, ktoré má svoj smer a pripomína tak malý tyčový magnet. Severný pól tohoto magnetického poľa sa v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa natočí k južnému pólu vonkajšieho magnetu. Na zmenu polarity je nutné dodať energiu z vonkajšieho prostredia. Potrebné vlnové dĺžky týchto energii spadajú do oblasti radiových vĺn. Aby došlo k pohlteniu (rezonancii) radiového impulzu musí mať tento impulz špecifickú energiu. Teda iba určité žiarenie pri určitom magnetickom poli rezonuje s určitým jadrom (a teda je absorbované).
Momentálne magnetická rezonancia k zobrazeniu ľudského tela využíva takmer výhradne atómy vodíka so spinovým číslom I = 1/2. Je to podmienené ich fyzikálnymi vlastnosťami a ich značným podielom v ľudskom tele – napr. voda, tvoriaca viac ako dve tretiny hmotnosti ľudského tela, obsahuje vo svojej molekule dva atómy vodíka. Najrozšírenejší izotop vodíka – prócium – má jadro tvorené len jedným protónom. Preto sa často pod označením protón myslí práve tento izotop. Deutérium má spinové číslo I = 1. Protóny (jadra vodíka – prócia) navyše poskytujú i najsilnejší signál.
V rámci výskumu sú však snahy o využitie aj iných prvkov a izotopov. Podmienkou je spin a nepárny počet protónov v jadre – spárované magnetické momenty protónov sa totiž vzájomne vyrušia. Najčastejšie sa používajú tieto izotopy: 13C (uhlík), 19F (fluór), 23Na (sodík), 31P (fosfor). Hlavným problémom je slabý výsledný signál, podmienený malým počtom týchto izotopov v ľudskom tele.
Protóny a magnetické pole Mimo magnetického poľa sú protóny rozmiestnené chaoticky. Po umiestnení do silného vonkajšieho magnetického poľa sa v ňom usporiadajú podobne ako strelky kompasu: smer ich vlastného magnetického poľa sa stane rovnobežným so smerom pôsobenia poľa vonkajšieho. Keďže protóny patria medzi elementárne častice a platia pre nich zákony kvantovej mechaniky, chovajú sa v skutočnosti inak, ako strelka kompasu, ktorá vo vonkajšom magnetickom poli ukazuje vždy jedným smerom. Lokálne magnetické pole protónu môže smerovať paralelne alebo antiparalelne so smerom vonkajšieho magnetického poľa. Paralelné usporiadanie je pre protóny menej energeticky náročné, a preto je väčšie množstvo usporiadané práve týmto smerom. Rozdiel medzi počtom protónov usporiadaných paralelne a antiparalelne je ale napriek tomu veľmi malý a závisí od sily vonkajšieho magnetického poľa.
Precesia thumb|Obr. 1. Schéma rozdielu medzi rotáciou a precesiou.Protóny vo vonkajšom magnetickom poli okrem toho, že rotujú okolo svojej osi a sú usporiadané paralelne alebo antiparalelne so smerom vonkajšieho magnetického poľa, vykonávajú ďalší pohyb, ktorý sa nazýva precesia (Obr. 1). Podobá sa na pohyb detskej hračky „vĺčka“. Rýchlosť, s akou tento pohyb protóny vykonávajú sa označuje ako frekvencia precesie – hodnota vyjadruje počet „otáčok“ protónu za jednu sekundu. Matematicky ju možno vyjadriť z tzv. Larmorovej rovnice:
Ω0 = γ.B
Ω0 je uhlová frekvencia precesie (v rad.s-1 ), γ je tzv. gyromagnetická konštanta (MHz/T), B je (zjednodušene) hodnota vonkajšieho magnetického poľa v T – Tesla (v skutočnosti hodnota vonkajšieho magnetického poľa v tesnom okolí jadra so zohľadnením tieniacej konštanty – pozri chemický posun).
Pre frekvenciu precesného pohybu (Larmorovu frekvenciu) v Hz potom dostaneme
Z rovnice vyplýva, že frekvencia precesie je priamo úmerná indukcii (sile) vonkajšieho magnetického poľa – čím je silnejšie, tým je vyššia. Gyromagnetická konštanta má odlišnú hodnotu pre rôzne látky – pre protóny (teda atómy vodíka) je to 42,5 MHz/T.
left|thumb|Obr. 2. Zjednodušená schéma protónu v priestore Na popis fyzikálnej podstaty MR zobrazovania a jednotlivých vyšetrovacích sekvencii sa používa zjednodušené grafické zobrazenie: pre lepšiu zrozumiteľnosť a názornosť sa protón nahradzuje vektorom a vkladá do súvzťažnej sústavy xyz (Obr. 2). Vektor zobrazuje smer a veľkosť sily jeho magnetického poľa. Táto vzťažná sústava je umiestnená v silnom vonkajšom magnetickom poli. Na obrázku je modrým kruhom znázornená i trajektória precesie protónu.