Magnetisk resonanstomografi MRT NMR Nuclear Magnetic Resonance MRI Magnetic Resonance Imaging MRT Magnetisk resonanstomografi Magnetisk resonanstomografi (MRT) är en metod för bildgivande diagnostik som är relativt ung, men som mycket snabbt tagit en stor och viktig plats inom diagnostiken. I korthet går metoden ut på att man med hjälp av radiovågor i ett mycket starkt magnetfält avbildar tätheten av vätekärnor i vatten och fett i kroppen. 1. Patienten läggs i en magnet 2. En radiovåg sänds in 3. Radiovågen stängs av 4. Vävnaden sänder ut en signal som avlyssnas och används för 5. bildrekonstruktion Steg 2 4 upprepas många gånger. Patienten ligger i magnetkameran. Magnetfältet B о är parallellt med kroppens längsriktning. Patienten Patienten tycker vanligtvis att magnetkameraundersökningen är ganska problemfri. Efter sedvanlig kallelse, och tyvärr ofta en viss väntetid, kommer patienten till magnetkameran. Efter att ha klätt av sig alla metallföremål, smink, klockor och kreditkort ligger patienten ned på undersökningsbordet som sedan förs in och centreras i magnetkameran. Undersökningen tar mellan en halv och drygt en timme, under vilken tid patienten måste ligga helt stilla inne i magnetkameran. Patientutrymmet utgörs av en mellan en och tre meter lång tunnel med en diameter på mellan 50 och 60 cm. De största problemen brukar vara värme, starkt buller från gradientspolar och instängdhetskänsla. Ungefär en procent av patienterna klarar därför inte av undersökningen på grund av klaustrofobi, men lugnande preparat finns att få. Det bästa sättet att undvika klaustrofobiska attacker under MRT är dock riklig och korrekt information om vad som väntar, innan patienten kommer till undersökningen. Många patienter somnar under undersökningen, och de som vill får lyssna på musik. Hela tiden finns möjlighet att tala med personalen via högtalare. Fysikalisk kemi och biokemi 1946 Upptäcktes av F. Bloch och E.M. Purcell 1952 Nobelpris till F. Bloch och E.M. Purcell (Upptäckt och utveckling av spektroskopi) 1991 Nobelpris till R.R. Ernst (Metodutveckling inom spektroskopi) Användning inom medicinen 1971 Tumor detection R. Damadian 1973 Image formation P.C. Lauterbur 2003 P.Lauterbur och P. Mansfield Nobelpris (upptäckter rörande avbildning med magnetresonans) Magnetkameraundersökningens stora fördelar för patienten är att den är riskfri, att ingen joniserande strålning före kommer, att den är helt icke-invasiv, såvitt ej intravenös kontrast skall tillföras, och att den ger hög diagnostisk säkerhet. Bland nackdelarna finns som ovan nämnts bekymmer med klaustrofobi, och att många tycker att det bullrar väldigt från apparaten. Därtill kommer att pacemakerpatienter ej kan undersökas över huvud taget, eftersom pacemakerns stängs av i det starka magnetfältet. Magnetiska metallföremål i patienterna, antingen de utgörs av splitter eller implantat, utgör också risker, och flera dödsfall har förekommit då intrakraniella 1
kärlclips av äldre typ rört sig under undersökningen med intrakraniell blödning som följd. Därför är det mycket viktigt att personalen vid magnetkameran informeras om implantat och tidigare operationer. Flygande metallföremål som pennor, nycklar och verktyg är också en numera välkänd risk, och all magnetisk information på kreditkort och disketter raderas för evigt om de kommer för nära magneten. Magnetfältets styrka och de trånga förhållandena medför att narkos är ovanligt besvärligt att ge, men det brukar ändå gå bra. Några biologiska risker med de starka magnetfält som används vid klinisk diagnostik har ej kunnat påvisas. Priset på MRT-undersökningar är fortfarande högt, och de få maskiner och den höga efterfrågan leder till långa väntetider. Diagnostik Fördelarna med MRT jämfört med andra metoder som datortomografi, ultraljudsundersökningar m fl är många. Det finns nu möjlighet att framställa bilder i valfritt bildplan; inte bara tvärsnitt eller de tre ortogonala planen. Kontrastupplösningen mellan olika typer av vävnader är mycket hög vilket medför att patologiska förändringar ofta syns mycket tydligt. Undersökningsmetoden är liksom datortomografi tomografisk, och störs inte av överlagrade strukturer. MRT ger inte bara anatomisk information, utan också i många fall viktig fysiologisk information. Undersökningstiden har avkortats i takt med att mjukvaran utvecklats, och snart finns också möjlighet till undersökning i realtid, så kallad genomlysning, i magnetkameran. Trots att metoden nu har många år på nacken sker fortfarande en häpnadsväckande snabb utveckling av nya tekniker och applikationer, men förväntningarna har ibland varit orealistiskt högt ställda och inte kunnat infrias. Nervsystemet På grund av hjärnans begränsade storlek och intressanta sjukdomspanorama, och det faktum att hjärnan är beläget långt ifrån störningar från andningsorgan och hjärta, blev hjärnan och nervsystemet det första organsystemet som undersöktes med MRT. Diagnostiken av förändringar i hjärnan underlättas både av möjligheten till nya bildplan och av den höga kontrastupplösningen. Tumörer, infarkter och blödningar ses minst lika bra som vid datortomografi, och man kan nu för första gången se MS-plaques. Ryggmärgen kan direkt visualiseras tack vare bilder i sagittalplanet. MRT har stora fördelar framför datortomografi i områden där man tidigare fick mycket störningar från tjock kortikalt ben, t ex i bakre skallgropen och i ryggen. Amalgamfyllningar och titanimplantat ger så gott som inga artefakter vid MRT vilket gör att munhåla och bihålor samt kokleära implantat alltid undersöks med MRT. MR-angiografi används vid utredning av misstänkt sinustrombos, och vid screening av familjära arteriella aneurysm, samt vid uppföljning av carotis-dissektion. Fortfarande är kvaliteten vid MR-angiografi alltför låg för att kunna ersätta konventionell angiografi vid utredning av aterioskleros. Rörelseapparaten Leder, senor och menisker kan nu för första gången direkt visualiseras. Diagnostiken av meniskskador i knäleden har genomgått en revolution, där diagnostik av rupturer och degeneration i stort sett är lika tillförlitlig som vid artroskopi. Förändringar i benmärgen såsom nekros, tumörer och ödem kan nu ses mycket bra. Muskoloskeletala tumörer i 2
mjukdelarna undersöks numera enbart med MRT efter inledande slätröntgenundersökning, medan man vid tumörer i skelettet ofta kompletterar med datortomografi. Vid diagnostik av ryggens sjukdomar är datortomografi fortfarande förstahandsmetod för utredning av misstänkt diskbråck och spinal stenos. MRT används som andrahandsmetod vid oklara fynd och oklara symtom. MRT har stor betydelse för bedömning av förändringar i kotkropparna, för bedömning av påverkan på ryggmärgen vid trauma eller tumörer, och för bedömning av intraspinala förändringar. Konventionell myelografi är numera många gånger onödig. MRT är också en bra metod att utvärdera trauma, både i mjukdelar och skelett, och metoden är bättre och sannolikt också billigare än skelettscintigrafi för utvärdering av misstänkt collum femorisfraktur där den primära röntgenundersökningen är negativ. Hjärta och bröstkorg Vid MRT av hjärtat kan hjärtrummen, hjärtväggen och skador i hjärtväggen ses. Blodets flödesriktning kan avbildas. Rörelsen under hjärtcykeln kan cinefilmas, och man får information av såväl anatomisk som fysiologisk karaktär. Idag används MRT kliniskt vid utredning av barnvitier, ffa vid postoperativ uppföljning. Man bedömer tranpositioner och shuntar, och anatomi vid coarctatio aortae. På vuxna används metoden mest för morfologisk bedömning, t ex vid utredning av tumörer i hjärta och perikarium. Funktionell bedömning av vuxna är fortfarande på forskningsstadiet. Man beräknar att kliniskt kunna använda metoden för MR-coronarangiografi inom fem år. MRT används vidare för bedömning av mediastinala körtlar, där körtlar med aktivitet anses vara ödematösa och inaktiva körtlar fibrösa. Den goda anatomiska informationen gör att metoden är bra för bedömning av tumöröverväxt på thoraxväggen. Själva lungparenkymet undersöks bästa med datortomografi. Bukorgan MRT börjar nu användas vid utredning av levertumörer, där metoden är aningen bättre än datortomografi. Nya kontrastmedel kommer inom kort att göra MRT ännu bättre. Snart kommer MRT även att användas vid utredning av pancreassjukdomar, och även MRangiografi kommer att användas, ffa hos patienter med njursvikt. Det i kontrastmedlet ingående Gadolinium-kelatet har inte samma nefrotoxiska effekt som jodkontrastmedel. Fysik och teknik vid MRT Protoner i magnetfält Protonerna precessar runt magnetvektorn z med frekvensen ω о, vilket är resonansfrekvensen Atomkärnor med udda antal protoner och/eller udda antal neutroner har förutom sin elektriska laddning även en rotation runt en tänkt axel, ett spinn. Eftersom rotation av ett elektriskt fält inducerar ett magnetiskt dipolmoment utgör de således små magneter. Bland atomkärnor med denna egenskap finner vi 1 H, 13 C, 19 F, 23 Na och 31 P. Vätekärnor i vatten och fett kan användas för bildgivande diagnostik. Däremot avbildas protoner i kalk, syre och kol ej. Placeras en vävnad innehållande t ex mycket protoner i ett yttre starkt magnetfält Bσ t ex i en magnetkamera, kommer 3
protonernas magnetfält att sträva efter att orienteras parallellt med det yttre magnetfältet. Värmerörelser hos molekylerna tenderar att skapa fullständig oordning med magnetfältet åstadkommer en liten nettoordning. Den sammanlagda nettomagnetiseringen benämns M. Riktningen på denna nettomagnetisering är initialt parallell med magnetfältet Bσ. Magnetfältet mätes i Tesla (1T= 1000 Gauss). En högfältsmagnetkamera arbetar vid 1 1,5 T. Som jämförelse kan nämnas att det jordmagnetiska fältet vid polerna är c:a 70 μ T, och vid ekvatorn 30 μ T, medan styrkan hos en kylskåpsmagnet är ungefär 10 m T. Då protoner placeras i ett starkt yttre magnetfält kommer deras magnetisering, M, att rotera runt riktningen av det yttre magnetfältet eftersom protonerna har ett spinn. Precis som en gyrosnurra eller snurrtopp har en rotationsrörelse kring sin egen axel då den bringas i hastig rotation, denna rörelse kallas precession, och precessionsrörelsens frekvens kallas resonansfrekvens eller Larmor-frekvens. Resonansfrekvensen ω är proportionell mot det yttre magnetfältet B enligt Larmor-ekvationen: ω о = γ ٠ B där konstanten γ är 42,58 MHz/T Vid T2-relaxation går protonerna ur fas med varandra. Vid T1-relaxation återgår protonerna gradvis till ett läge parallellt med B о. MR-signal Radiovågor innehåller såväl ett elektriskt som ett magnetiskt fält. Om en kort puls radiovågor med samma frekvens som resonansfrekvensen ω о sänds mot ett objekt i ett starkt yttre magnetfält о B uppkommer resonans (synkron vibration) i protonerna. Detta innebär att protonerna kommer att rotera runt riktningen för magnetfältet B о, vilket i sin tur innebär att nettomagnetiseringsvektorn M kommer att precessera runt B о. Styrkan och längden på den radiosignal som sänds bestämmer hur mycket M kommer att vinklas ned från B о. När M precesserar induceras i sin tur en radiosignal, MR-signalen, som avläses av en antenn. Denna antenn, eller spole, är ofta utformad som en ytspole som läggs på eller vid den kroppsdel man vill undersöka. Tiden mellan varje repetition av radiopuls kallas repetitionstid (TR) medan tiden till signal från vävnaden kallas ekotid (TE). Starkare MRsignal från vävnaden på grund av högre protontäthet ger ljusare bild, och svagare signal ger mörkare bild. TR, TE och andra parametrar kan varieras för att skapa olika pulssekvenser, som i sin tur leder till stora skillnader i signal från olika vävnader i den resulterande bilden. Varje pulssekvens tar flera minuter att utföra, och ger som resultat 10-20 tomografiska bilder från en kroppsdel. Vi har nu beskrivit fenomenet NMR (nukleär magnetisk resonans), och skall gå vidare med att beskriva ett användningsområde för NMR, nämligen MRT (magnetisk resonanstomografi). Bildkontrast 4
Styrkan på MR-signalen, och därmed intensiteten i bilden, bestäms i första hand av protontätheten i vävnaden. Protonrika vävnader, såsom vätskor, fett m m ger hög signal och ljus bild, medan protonfattiga vävnader och material, såsom ben, luft och de flesta konstgjorda föremål ger låg signal och mörk bild. Vore detta enda sättet att avbilda vävnaden skulle MRT inte vara ett sådant genombrott som det faktiskt är. Flera andra faktorer än protontäthet spelar stor roll för bildkontrasten, och de två viktigaste kallas T1 och T2. För att rekonstruera en MR-bild krävs många MR-signaler, och därför måste många radiopulser sändas. Mellan pulserna strävar magnetiseringen att återgå till jämviktsläget parallellt med B о, vilket kallas relaxation. De två olika processerna genom vilka detta sker kallas T1 och T2. T2-relaxation, även kallad spinn-spinn-relaxation, beror på små variationer i det lokala magnetfältet i vävnaden, vilket innebär att olika protoner har aningen olika Larmorfrekvens. I korthet kommer protonernas precessionsrörelse, som av radiopulsen synkroniserades så att även nettomagnetiseringen M precesserade, att bli mer asynkron, och protonerna kommer att gå ur fas med varandra. T2 är kort i fast vävnad och lång i vätskor. T2 är normalt från 30 ms upp till flera sekunder, från t ex cerebrospinalvätska. Genom att magnetfältet ges en gradient och blir litet starkare i ena ändan kan en skiva väljas ut där protonerna har resonans med den insända RF-pulsen T1-relaxation, även kallad spin-gitter-relaxation, är långsammare än T2-relaxationen, och innebär en gradvis återgång av de individuella protonerna till ett läge parallellt med B о. Sammantaget ökar värdet av vektorn M z parallellt med B о under denna relaxation. Värdet på T1 bestäms till stora delar av molekylstorlek och rörlighet, där T1 är kortast hos medelstora molekyler (t ex fett), och längst hos små och stora molekyler (vätskor, fast vävnad). T1 ligger normalt mellan 300 och 2000 ms. Det är värt att notera att T1 och T2 är oberoende av varandra med undantag av att T2 alltid är mindre än eller lika med T1. Bildutseendet påverkas av tiden mellan radiovågorna (TR, repetitionstid) och tiden mellan signalavläsningen och TE (ekotid). EnT1-viktad bild, där ffa fett ger hög signal, har kort repetitionstid på c:a 500 ms. Signalen i bilden styrs i första hand av skillnader i T1 mellan de olika vävnaderna. Å andra sidan styrs kontrasten i en T2-viktad bild, där ffa vätskor ger hög signal, av skillnader i T2, cär man använder lång TR på c:a 2000 ms och lång TE på c:a 90 ms. Kontrasten i bilden styrs dessutom av ytterligare fler parametrar vilka vi inte går in på här. Undersökningens bildkvalitet är således i hög grad operatörberoende. Vi har nu beskrivit hur en MR-signal skapas, och vi har delvis och kortfattat beskrivit hur kontrasten mellan olika vävnader kan styras i denna MR-signal. Nu återstår att skapa en bild av signalen. Bildrekonstruktion vid magnetisk resonanstomografi 5
Tomografi betyder skära, skriva. I objektet, d v s patienten, skärs en skiva ut med hjälp av variationer i magnetfältet. Från att ha varit ett helt homogent, starkt yttre magnetfält B о lägger man på en gradient i kroppens riktning med hjälp av gradientspolar, så att magnetfältet är något starkare i ena ändan av kroppen, och något svagare i andra ändan. Detta innebär att protonernas Larmorfrekvens varierar linjärt i kroppen, och med hjälp av en noggrant avvägd radiopuls med en exakt frekvens motsvarande protonernas resonansfrekvens, kan en tunn skiva väljas ut där protonerna bringas i resonans, medan protonerna i resten av kroppen ej reagerar, och således ej lämnar någon MR-signal till spolarna. Ett volymselement (voxel) i objektet med en viss snittjocklek översätts till ett bildelement (pixel) i bilden. Genom att anbringa ytterligare korta gradientsignaler efter radiopulsen, och före och under registreringen av signalen, kommer signalen från ovannämnda utvalda skiva att variera i fas i y-led och i frekvens i x-led. Med Lokalisationen av en bildpunkt i en utvald hjälp av Fouriertransformationen kan en bild skiva sker med hjälp av variationer i fas av skivan återskapas, där de tredimensionella och frekvens, i y- respektive x-led. volymelementen (voxels) i skivan representeras av tvådimensionella bildelement (pixels) i bilden. Kontrastmedel Flera kommersiella kontrastmedel för MRT finns i handeln, och flera är under utveckling. Alla är magnetiska och verkar genom att påverka signalförhållandena lokalt. De vanligaste intravenösa kontrastmedlen innehåller den paramagnetiska metalljonen gadolinium (Gd³ + ) bunden i ett kelat. Cirkulerande blod är i de flesta fall svart på grund av dess flödeshastighet, vilket syns på alla vanliga undersökningar. Det finns dock MR-angiografiska metoder där cirkulerande blod blir vitt, och det finns möjlighet till tredimensionell rekonstruktion av ett kärlträd. Mats Geijer 1995 Institutionen för diagnostisk radiologi Sahlgrenska sjukhuset, Göteborg Uppdaterad 2005-01-19 6