Μαγνητική τομογραφία: πως λειτουργεί, τι προσφέρει στην ιατρική διάγνωση

Των Δημήτρη Παυλόπουλου*

& Χρήστου Σκοπετέα**

Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI), είναι μια τεχνική ιατρικής απεικόνισης που χρησιμοποιείται στην ακτινολογία για τη διερεύνηση της ανατομίας και τη λειτουργία του σώματος, τόσο για την υγεία όσο και την ασθένεια. Οι MRI σαρωτές χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία και ραδιοκύματα για να σχηματίσουν εικόνες του σώματος. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στα νοσοκομεία για ιατρική διάγνωση, σταδιοποίηση της νόσου και για παρακολούθηση χωρίς έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία.

Το άρθρο για την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) αποτελεί εξειδίκευση της παρουσίασης των Δημήτρη Παυλόπουλου και Χρήστου Σκοπετέα με θέμα: Οι επιδράσεις της νανοτεχνολογίας στη ζωή μας

Ο Μαγνητικός τομογράφος έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ιατρική διάγνωση και υπολογίζεται ότι υπάρχουν πάνω από 25.000 σαρωτές που χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο. Ο Μαγνητικός τομογράφος έχει επιπτώσεις στη διάγνωση και στη θεραπεία σε πολλές ειδικότητες, αν και η επίδραση στη βελτίωση των αποτελεσμάτων για την υγεία είναι αβέβαιη. Ο Μαγνητικός τομογράφος είναι γενικά μια ασφαλής τεχνική αλλά ο αριθμός των συμβάντων που προκαλούν βλάβη στους ασθενείς έχουν αυξηθεί.

Οι αντενδείξεις περιλαμβάνουν πλέον τα κοχλιακά εμφυτεύματα και καρδιακούς βηματοδότες, θραύσματα και μεταλλικά ξένα σώματα στις τροχιές και μερικά σιδηρομαγνητικά χειρουργικά εμφυτεύματα. Η ασφάλεια της μαγνητικής τομογραφίας κατά τη διάρκεια του πρώτου τριμήνου τηςκύησης είναι αβέβαιη, αλλά μπορεί να είναι προτιμότερη σε εναλλακτικές επιλογές. Η συνεχής αύξηση της ζήτησης για την μαγνητική τομογραφία στον κλάδο της υγείας έχει οδηγήσει σε ανησυχίες σχετικά με την αποτελεσματικότητα του κόστους και την υπερβολική διάγνωση.

1.Τεχνική λήψης

O εξεταζόμενος τοποθετείται εντός ισχυρού μαγνητικού πεδίου (τουλάχιστον 1.5 Tesla-15.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της γής). Υπό αυτές τις συνθήκες οι πυρήνες υδρογόνου του σώματος, (που βρίσκονται σχεδόν σε όλες τις ενώσεις – νερό, λίπος και άλλες οργανικές ενώσεις), προσανατολίζονται παράλληλα ως προς της μαγνητικές γραμμές του πεδίου και εκτελούν μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον άξονα των μαγνητικών γραμμών με συγκεκριμένη συχνότητα περιστροφής ( συχνότητα Larmor ). Η συχνότητα αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε άτομο. Η ποσότητα γ είναι ίση με το λόγο της μαγνητικής ροπής εξ’ αιτίας του spin προς τη στροφορμή λόγω spin. Ο λόγος γ ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος του spin (gyromagnetic ratio).

Είναι φανερό ότι για δεδομένο εξωτερικό πεδίο κάθε τύπος ατομικού πυρήνα εκτελεί μεταπτωτική κίνηση με ορισμένη συχνότητα ( ιδιοσυχνότητα ), που είναι διαφορετική για κάθε άτομο. Συνεπώς η μεταπτωτική αυτή κίνηση αποτελεί ένα μέσο διερεύνησης των διαφόρων τύπων πυρήνων που εμπεριέχονται σε ένα σώμα, είτε αυτό είναι δείγμα κάποιας βιολογικής ή χημικής ουσίας είτε είναι ιστός κάποιου εξεταζόμενου.

Κατά την διάρκεια της εξέτασης τα πηνία ραδιοσυχνότητας του μαγνητικού τομογράφου εκπέμπουν RF (ραδιοκύματα ) με συχνότητα ίση με αυτή της περιστροφής των πυρήνων ( συχνότητα Larmor ). Οι πυρήνες απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και αλλάζει η κατάσταση περιστροφής τους. Μετά από την διέγερση με παλμούς RF, ενώ οι τροχιές μεταπίπτουν στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπουν ένα αδύνατο σήμα ραδιοσυχνότητας στην συχνότητα Larmor (με μικρές αποκλίσεις ). Το αδύναμο εκπεμπόμενο σήμα RF το οποίο λαμβάνουμε είναι το σήμα μαγνητικού συντονισμού. Το σήμα αυτό φθίνει με την πάροδο του χρόνου και ονομάζεται σήμα ελεύθερης επαγωγικής απόσβεσης ( Free InductionDecay). Έπειτα με την εφαρμογή μετασχηματισμού Fourier στο FID ( σήμα στο πεδίο του χρόνου ) λαμβάνουμε το σήμα στην τελική του μορφή, δηλαδή στο πεδίο των συχνοτήτων.

Κατά την εκτέλεση εξετάσεων MRI ο χωρικός προσδιορισμός των λαμβανόμενων σημάτων γίνεται με την υπέρθεση βαθμιδωτών μαγνητικών πεδίων τα οποία αλλάζουν τοπικά την ισχύ του κύριου πεδίου με αποτέλεσμα την μικρή αλλαγή στην συχνότητα συντονισμού των πυρήνων υδρογόνου. Με αυτό τον τρόπο και την εκπομπή RF παλμών με συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων διεγείρονται συγκεκριμένες περιοχές και μπορεί να προσδιορισθεί η θέση τους με βάση τις διαφορές στην συχνότητα και στον ρυθμό περιστροφής των πρωτονίων.

2 Τυπική δομή

Η κύρια συνιστώσα του συστήματος είναι ο κύριος μαγνήτης που παράγει το εξωτερικό στατικό πεδίο Βο. Υπάρχουν τρεις τύποι μαγνητών που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα απεικόνισης:

1.μόνιμοι μαγνήτες (Permanent magnets)

2.υπεραγώγιμοι μαγνήτες (Superconductivemagnets) και

3. μαγνήτες αντιστάσεως (Resistivemagnets).

Οι μόνιμοι μαγνήτες κατασκευάζονται από κάποιο μόνιμα μαγνητισμένο υλικό. Οι υπεραγώγιμοι και οι μαγνήτες αντιστάσεων αποτελούνται από πηνία ή σωληνοειδή που διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Λειτουργούν με βάση την αρχή της παραγωγής μαγνητικού πεδίου στο περιβάλλον ενός ρευματοφόρου αγωγού. Στην περίπτωση των υπεραγώγιμων μαγνητών το υλικό κατασκευής επιλέγεται ώστε να παρουσιάζει το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας (superconductivity).

Δηλαδή το φαινόμενο κατά το οποίο συμβαίνει μηδενισμός της ηλεκτρικής αντίστασης σε χαμηλές θερμοκρασίες (χαμηλότερες από μια ορισμένη τιμή που είναι διαφορετική για κάθε υλικό). Εκτός από τον βασικό μαγνήτη ένα σύστημα απεικόνισης πρέπει να διαθέτει τέσσερα ακόμα είδη πηνίων:

1.πηνία βαθμίδας (gradientcoils), για την παραγωγή της βαθμίδας πεδίου και το χωρικό προσδιορισμό της απεικονιζόμενης περιοχής,

2.πηνία εξομάλυνσης (shimcoils), για την εξομάλυνση των ανoμοιογενειών του στατικού μαγνητικού πεδίου,

3. πηνία ραδιοσυχνότητας (RF coils), για παραγωγή μαγνητικών παλμών και ανίχνευση σημάτων FID, και

4. πηνία επιφανείας (surfacecoils), για την διέγερση της επιλεγμένης περιοχής του σώματος.

Τέλος το απεικονιστικό σύστημα περιλαμβάνει έναν ισχυρό ηλεκτρονικό υπολογιστή για την ανακατασκευή και την επεξεργασία των λαμβανόμενων σημάτων.

Όλο το σύστημα του μαγνήτη, με τα διάφορα πηνία, βρίσκεται στο βασικό σώμα (ή ικρίωμα-gantry) του μηχανήματος. Το σώμα έχει συνήθως σχήμα, κατά προσέγγιση, ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου μεένα άνοιγμα-σήραγγα (τούνελ) στο μέσον της πρόσοψής του. Στο άνοιγμα αυτό εισάγεται ο ασθενής. Το άνοιγμα είναι σημαντικά μεγαλύτερο στα λεγόμενα συστήματα ανοικτών μαγνητών (open magnets). Σε τέτοια συστήματα το βασικό σώμα του μηχανήματος μπορεί να έχει τη μορφή δύο κυλινδρικών δακτυλίων. Ανάμεσα στους δακτυλίους υπάρχει επαρκής χώρος ώστε να διευκολύνονται χειρουργικές επεμβάσεις (σε χώρους χειρουργείου).

Σε άλλα συστήματα το σώμα του μηχανήματος έχει δύο κυλινδρικά σώματα (πόλοι), εκ των οποίων το ένα βρίσκεται επάνω από τον ασθενή και το άλλο από κάτω. Συνεπώς μεταξύ των πόλων υπάρχει επαρκής χώρος για επεμβάσεις, για εξετάσεις παιδιών και για διευκόλυνση κλειστοφοβικών ασθενών. Το βασικό σώμα του μηχανήματος είναι τοποθετημένο σε κατάλληλα διευθετημένο χώρο που ονομάζεται χώρος εξέτασης (scanroom).

*Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ

**Χρήστος Σκοπετέας, Μηχανικός πληροφορικής και συστημάτων