Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και η χρησιμότητά του στην ιατρική απεικόνιση

Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός εκμεταλλεύεται το ότι ορισμένοι πυρήνες στο σώμα, κυρίως του υδρογόνου, συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Όταν τους στείλουμε ένα ραδιοκύμα στη σωστή συχνότητα, αυτοί διεγείρονται και στη συνέχεια εκπέμπουν ένα αδύναμο σήμα, το οποίο καταγράφουμε και μετατρέπουμε σε εικόνα χωρίς τη χρήση ακτίνων Χ.

Πυρήνες όπως του υδρογόνου έχουν spin, μια ιδιότητα που τους κάνει να συμπεριφέρονται σαν μικρές σβούρες και ταυτόχρονα σαν μικροί μαγνήτες. Σε έναν μεγάλο μαγνήτη, πολλοί τέτοιοι πυρήνες τείνουν να ευθυγραμμιστούν, δημιουργώντας μια συνολική μαγνήτιση που μπορούμε να επηρεάσουμε και να μετρήσουμε με ραδιοκύματα.

Το στατικό πεδίο B₀ της μαγνητικής τομογραφίας οργανώνει τους πυρήνες, έτσι ώστε οι περισσότεροι να «κοιτάζουν» προς μια προτιμώμενη κατεύθυνση. Αυτή η μικρή αλλά σημαντική πλειοψηφία δημιουργεί ένα καθαρό διάνυσμα μαγνήτισης, το οποίο αποτελεί το σημείο εκκίνησης για όλα τα επόμενα βήματα του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.

Μέσα στο πεδίο B₀ οι πυρήνες δεν μένουν ακίνητοι, αλλά εκτελούν μια κίνηση σαν περιστροφή γύρω από έναν άξονα, που λέγεται προεκύλιση. Η συχνότητα με την οποία προεκύλιζουν, η συχνότητα Larmor, εξαρτάται από το είδος του πυρήνα και την ένταση του πεδίου και καθορίζει τη συχνότητα των ραδιοκυμάτων που πρέπει να χρησιμοποιήσουμε για να τους διεγείρουμε αποτελεσματικά.

Οι παλμοί ραδιοσυχνοτήτων «σπρώχνουν» τη μαγνήτιση από την αρχική της θέση και την γυρίζουν σε μια νέα γωνία ως προς το πεδίο B₀, που ονομάζεται γωνία μετάπτωσης. Με τον κατάλληλο συνδυασμό διάρκειας και έντασης του παλμού μπορούμε να επιλέξουμε αν θα κάνουμε μια μικρή, μια 90° ή μια 180° αναστροφή, επηρεάζοντας έτσι το είδος του σήματος και την αντίθεση της εικόνας.

Μετά τον παλμό RF, οι πυρήνες αρχίζουν να επιστρέφουν σταδιακά στη βασική τους κατάσταση, ξανακερδίζοντας ευθυγράμμιση με το πεδίο B₀· αυτή η διαδικασία περιγράφεται από τον χρόνο T1. Διαφορετικοί ιστοί έχουν διαφορετικό T1, οπότε «ξεκουράζονται» με διαφορετικό ρυθμό, κάτι που επιτρέπει στη μαγνητική τομογραφία να ξεχωρίζει μεταξύ περιοχών με διαφορετική σύσταση.

Παράλληλα με την επαναφορά T1, οι πυρήνες χάνουν σιγά-σιγά τον συγχρονισμό τους μεταξύ τους, με αποτέλεσμα η εγκάρσια μαγνήτιση να μειώνεται· αυτό περιγράφεται από τον χρόνο T2. Όταν προστεθούν και οι ανομοιογένειες του πεδίου, η φαινομενική απώλεια είναι ακόμη πιο γρήγορη και χαρακτηρίζεται από τον χρόνο T2*, που παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές ακολουθίες MRI.

Αμέσως μετά τον παλμό RF, η εγκάρσια μαγνήτιση παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα στο πηνίο λήψης, το οποίο ξεκινά δυνατό και σβήνει εκθετικά· αυτό είναι το FID. Με κατάλληλους παλμούς και κλίσεις μπορούμε να «αναζωογονήσουμε» το σήμα και να δημιουργήσουμε echoes, που μας δίνουν πιο ελεγχόμενη πληροφορία για τη χαλάρωση T2 και την ποιότητα της εικόνας.

Οι μαγνητικές κλίσεις μεταβάλλουν ελαφρά την ένταση του πεδίου B₀ ανάλογα με τη θέση, ώστε η συχνότητα Larmor να αλλάζει από σημείο σε σημείο. Έτσι, εφαρμόζοντας ένα RF παλμό μόνο σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων, μπορούμε να διεγείρουμε μια λεπτή «φέτα» του σώματος και να περιορίσουμε το σήμα σε αυτήν την περιοχή.

Η κωδικοποίηση φάσης και συχνότητας χρησιμοποιεί κλίσεις που ενεργοποιούνται σε διαφορετικούς άξονες και χρονικές στιγμές, ώστε κάθε θέση μέσα στη φέτα να αποκτήσει μοναδική «υπογραφή» στο σήμα. Τα μετρημένα δεδομένα τοποθετούνται σε έναν μαθηματικό χώρο που λέγεται k-space και, όταν αυτός γεμίσει, με μετασχηματισμούς Fourier ανασυνθέτουμε την τελική εικόνα στο χώρο θέσεων.

Οι παράμετροι TR και TE λειτουργούν σαν χρονοδιακόπτες που καθορίζουν πότε διεγείρουμε ξανά τους πυρήνες και πότε συλλέγουμε το σήμα. Με μικρούς ή μεγάλους χρόνους TR και TE μπορούμε να δώσουμε μεγαλύτερη βαρύτητα στην T1 ή στην T2 συμπεριφορά των ιστών, δημιουργώντας εικόνες T1-weighted, T2-weighted ή ενδιάμεσης αντίθεσης.

Η πυκνότητα πρωτονίων εκφράζει πόσα ενεργά πρωτόνια υπάρχουν σε κάθε μικρό όγκο ιστού, δηλαδή πόσο «υλικό» συμμετέχει στο σήμα της MRI. Όταν ρυθμίσουμε TR και TE έτσι ώστε να μειώνεται η επιρροή της T1 και της T2, η εικόνα κυριαρχείται από διαφορές στην PD και μπορούμε να ξεχωρίζουμε περιοχές κυρίως με βάση το πόσο νερό ή λίπος περιέχουν.

Λίπος και νερό έχουν ελαφρώς διαφορετική συχνότητα Larmor, οπότε το σήμα τους μπορεί να είναι πότε «μέσα» και πότε «εκτός» φάσης μεταξύ τους. Με κατάλληλη επιλογή χρόνων και ακολουθιών Dixon μπορούμε να δημιουργήσουμε χωριστές εικόνες μόνο με λίπος, μόνο με νερό ή συνδυασμό τους, βοηθώντας στην ανίχνευση διηθήσεων λίπους ή οιδημάτων.

Οι ακολουθίες spin echo χρησιμοποιούν έναν παλμό 180° για να αντιστρέψουν τις ανομοιογένειες του πεδίου και να δημιουργήσουν echo με καθαρότερο T2 χαρακτήρα. Οι turbo ή RARE εκδοχές επαναλαμβάνουν πολλά echoes σε μία μόνο διέγερση, γεμίζοντας γρηγορότερα τον k-space και μειώνοντας τον χρόνο εξέτασης χωρίς να θυσιάζουν τη σταθερή αντίθεση spin echo.

Στις ακολουθίες gradient echo η επαναφορά του σήματος γίνεται με κλίσεις αντί για παλμό 180°, επιτρέποντας πολύ μικρούς χρόνους TR και TE και άρα γρήγορες λήψεις. Αυτές οι εικόνες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες σε ανομοιογένειες πεδίου και στο T2*, κάτι που τις κάνει χρήσιμες σε αγγειογραφία, λειτουργική MRI και μελέτη περιοχών με αίμα ή μέταλλο.

Οι ακολουθίες inversion recovery ξεκινούν με παλμό 180° και περιμένουν συγκεκριμένο χρόνο μέχρι τον επόμενο παλμό, έτσι ώστε η μαγνήτιση ενός ιστού να μηδενιστεί και το σήμα του να σβήσει. Με STIR μπορούμε να καταστείλουμε το λίπος, ενώ με FLAIR «σβήνουμε» το εγκεφαλονωτιαίο υγρό, αναδεικνύοντας βλάβες δίπλα σε κοιλίες και υπoαραχνοειδείς χώρους.

Οι ακολουθίες διάχυσης είναι ευαίσθητες στη μικροσκοπική κίνηση των μορίων νερού μέσα στους ιστούς, πέρα από τη μακροσκοπική ροή. Περιοχές με περιορισμένη διάχυση, όπως οξύ εγκεφαλικό έμφρακτο, εμφανίζονται με υψηλό σήμα στις DWI και χαμηλές τιμές στον χάρτη ADC, βοηθώντας στην πολύ πρώιμη διάγνωση.

Η αγγειογραφία MRA εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι το αίμα κινείται, ώστε τα αγγεία να φαίνονται φωτεινά σε σχέση με τους στάσιμους ιστούς, με ή χωρίς τη χρήση σκιαγραφικού. Με τεχνικές perfusion μπορούμε να μετρήσουμε πόσο αίμα φτάνει και περνά μέσα από έναν ιστό, προσφέροντας πληροφορίες για ισχαιμία, όγκους και άλλες αιμοδυναμικές διαταραχές.

Η MRI δεν χρησιμοποιεί ιοντίζουσα ακτινοβολία, αλλά ο ισχυρός μαγνήτης και τα μεταλλικά αντικείμενα μπορούν να δημιουργήσουν επικίνδυνες καταστάσεις, γι’ αυτό ο χώρος πρέπει να είναι αυστηρά ελεγχόμενος. Ελέγχονται πάντα εμφυτεύματα, κλιπ και βηματοδότες για συμβατότητα, ενώ τα σκιαγραφικά με γαδολίνιο χρησιμοποιούνται με προσοχή σε ασθενείς με νεφρική ανεπάρκεια.

Η μαγνητική τομογραφία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μελέτη μαλακών ιστών, όπως εγκέφαλος, νωτιαίος μυελός, αρθρώσεις, καρδιά και ήπαρ, προσφέροντας υψηλή αντίθεση χωρίς ακτινοβολία. Για τον ασθενή η εξέταση σημαίνει ακινησία μέσα στον μαγνήτη και έντονους ήχους από τις κλίσεις, αλλά με σωστή προετοιμασία, εξοπλισμό άνεσης και επικοινωνία η διαδικασία παραμένει ασφαλής και ανώδυνη.