Rezonans magnetyczny

Obraz w badaniu rezonansu magnetycznego (MRI - magnetic resonance imaging) powstaje dzięki rejestracji sygnału emitowanego przez protony wzbudzone falą radiową w polu magnetycznym [28]. Ludzkie ciało zbudowane jest w ogromnej mierze z atomów wodoru, które składają się z protonu i elektronu. Każdy proton posiada mikroskopijną oś magnetyczną, podobną do osi magnetycznej kuli ziemskiej, wokół której sam wiruje (czyli posiada spin), i która dodatkowo zatacza w przestrzeni ruchy rotacyjne podobne do żyroskopu (lub dziecięcej zabawki - bączka, który został wprawiony w ruch w osi nieprostopadłej do podłoża), zwane precesją (Ryc. 7). Osie magnetyczne protonów są ustawione chaotycznie w różnych kierunkach, natomiast po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego ustawiają się równolegle do linii tego pola (Ryc. 8). Jeśli w takim stanie dostarczymy protonom dodatkową energię w postaci fali elektromagnetycznej, o częstotliwości radiowej zgodnej z częstotliwością precesji protonów, padającej prostopadle do linii pola magnetycznego to możemy wychylić ich osie magnetyczne o 90 stopni w stosunku do wyjściowego położenia.

Po wyłączeniu sygnału radiowego następuje relaksacja protonów, czyli powrót osi magnetycznych protonów do ich wyjściowego ustawienia wzdłuż linii pola magnetycznego i oddanie nadmiaru energii w postaci wyemitowania fali elektromagnetycznej. W trakcie relaksacji protonów z jednej strony następuje narastanie powrotu ich osi magnetycznych do linii pola magnetycznego, zwane czasem relaksacji podłużnej T1, a z drugiej strony ma miejsce zanikanie poprzecznego odchylenia osi magnetycznej wychylonych protonów, czyli czas relaksacji poprzecznej T2. Odpowiednie obrazy, które powstają na bazie tych dwóch wielkości są nazywane obrazami T1- lub T2-zależnymi. Tkanki różnią się zawartością protonów i ich wzajemnymi relacjami, co wpływa na czasy relaksacji T1- i T2-zależnej i pozwala odwzorować ich struktury w badaniu MRI. Do uzyskania obrazów T1 i T2 stosowane są odpowiednie sekwencje akwizycyjne. Klasyczną sekwencją jest tzw. sekwencja spin echo (SE), którą charakteryzują dwa parametry: czas repetycji (TR - repetition time) i

czas echa (TE - echo time). Inne, nowsze sekwencje to np. GRE (gradient echo) lub SSFP (steady-state free precession) [29][30][31]. Rozdzielczość obrazów MRI uzyskiwanych w codziennej praktyce wynosi przeciętnie ok. 1,5x1,5mm, ale zależnie od zastosowanych sekwencji może być większa (poniżej 1,0x1,0mm) lub mniejsza (powyżej 2,0x2,0mm).

Ryc. 7. Ruch precesyjny protonu.

Ryc. 8. Ułożenie osi magnetycznych protonów - wyjściowe i pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Pierwsze obrazy rezonansu magnetycznego ludzkiego ciała dotyczyły nieruchomych struktur, takich jak mózg, rdzeń kręgowy i kręgosłup. Rezonans magnetyczny serca (CMR - cardiac magnetic resonance) stanowi większe wyzwanie z uwagi na ruchomość oddechową klatki piersiowej oraz ruchomość samego mięśnia sercowego wynikającą z jego czynności skurczowej. Pierwszą przeszkodę pokonuje się wykonując badanie na zatrzymanym oddechu - najczęściej pacjent wstrzymuje oddech na wydechu na kilka do kilkunastu sekund, co jest wielokrotnie powtarzane w czasie badania. Natomiast, czynność skurczową mięśnia sercowego monitoruje się z pomocą zapisu EKG (elektrokardiografia) i rejestruje się obraz jedynie w okresie względnego bezruchu, przez ok. 200ms pomiędzy końcem załamka T a

początkiem załamka P, a następnie sumuje się obraz z kilku, kilkunastu cykli serca. W ten sposób uzyskane obrazy pozwalają dokładnie ocenić morfologię mięśnia sercowego. Zapis EKG stosuje się, jednak do jeszcze jednego celu - do bramkowanej rejestracji obrazu CMR.

Odstęp R-R dzieli się wówczas na ok. 20 faz i rejestruje się obraz małymi „porcjami”

informacji z poszczególnych faz w czasie kilku, kilkunastu cykli skurczowo-rozkurczowych.

Zsumowanie cząstkowych danych pozwala uzyskać ruchome obrazy kinematograficzne (cine) serca z rozdzielczością czasową ok. 35-45ms. W najnowszych aparatach MRI możliwe jest uzyskanie rozdzielczości czasowej obrazów cine rzędu 6-10ms po podzieleniu cyklu pracy serca na 50-100 faz. Należy mieć na uwadze, że obrazy cine nie są obrazami funkcji serca w czasie rzeczywistym, tylko są uśrednioną rekonstrukcją wielu cykli serca, możliwą do wykonania przy miarowym rytmie pracy serca. Dużego stopnia niemiarowość zwykle uniemożliwia uzyskanie zadowalających obrazów cine.

CMR jest uważana za najdokładniejszą metodę obrazowania mięśnia sercowego pozwalającą w sposób powtarzalny uzyskać informacje nt. jego objętości, masy i funkcji [28].

W ocenie LVEF CMR uchodzi za „złoty standard”. Do oceny funkcjonalnej wykorzystuje się obrazy cine, uzyskane dzięki akwizycji w osi krótkiej serca (SAX - short-axis), w projekcji dwujamowej pokazującej prawą i lewą komorę na przekroju poprzecznym (Ryc. 9). Lewą komorę można wówczas podzielić na serię warstw o grubości ok. 1cm, zaczynając od poziomu pierścienia mitralnego i przesuwając się w kierunku koniuszka. Następnie, metodą wolumetryczną wylicza się objętość lewej komory sumując objętości poszczególnych warstw.

Oddzielnie wykonuje się pomiar EDV i ESV. Ponieważ serce skraca swój wymiar podłużny w czasie skurczu i podstawa serca zbliża się do koniuszka, liczba warstw zmniejsza się, co należy uwzględnić przy pomiarach. Alternatywną metodą pomiaru objętości LK, podobnie jak w echokardiografii, jest metoda geometryczna pole-długość (area-length), w której rejestruje się obraz w osi długiej serca w projekcjach dwu- i czterojamowych. Do obliczeń wykorzystuje się obrys LK w obydwu projekcjach, na podstawie którego oszacowuje się pole przekroju komory oraz jej długość mierzoną od koniuszka do pierścienia mitralnego. Zaletą tej metody jest możliwość szybkiego pomiaru objętości LK, natomiast wadą jest konieczność przyjęcia geometrycznego założenia, że kształt komory jest zbliżony do elipsoidy, co wprowadza ryzyko przekłamań, o których była mowa wcześniej przy okazji omawiania echokardiografii.

Zaletami badania CMR jest fakt uzyskiwania czytelnych obrazów niezależnie od budowy pacjenta lub ilości tkanki tłuszczowej. Ograniczeniami tej metody są natomiast wszelkie przeciwwskazania do przebywania w środowisku silnego pola magnetycznego (np.

metalowe elementy w ciele badanego), zaburzenia rytmu serca i klaustrofobia, jak również często niska dostępność i wysoki koszt badania.

Ryc. 9. Pomiar objętości lewej komory serca w rezonansie magnetycznym (CMR) na jednym z przekrojów w osi krótkiej (SAX).