Діагностика остеоартрозу: магнітно-резонансна томографія

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) за останні роки стала одним з провідних методів неінвазивної діагностики остеоартрозу. З 70-х років, коли принципи магнітного резонансу (MP) вперше стали використовувати для дослідження людського організму, до сьогоднішніх днів цей метод медичної візуалізації докорінно змінився і продовжує швидко розвиватися.

Удосконалюються технічне оснащення, програмне забезпечення, розвиваються методики одержання зображень, розробляються MP-контрастні препарати. Це дозволяє постійно знаходити нові сфери застосування МРТ. Якщо спочатку її застосування обмежувалося лише дослідженнями центральної нервової системи, то зараз МРТ з успіхом застосовують практично у всіх областях медицини.

У 1946 р групи дослідників зі Стенфордського і Гарвардського університетів незалежно один від одного відкрили явище, яке було названо ядерно-магнітним резонансом (ЯМР). Суть його полягала в тому, що ядра деяких атомів, перебуваючи в магнітному полі, під дією зовнішнього електромагнітного поля здатні поглинати енергію, а потім випускати її у вигляді радіосигналу. За це відкриття Ф. Блоч і Е. Пармелія в 1952 р були удостоєні Нобелівської премії. Новий феномен незабаром навчилися використовувати для спектрального аналізу біологічних структур (ЯМР-спектроскопія). У 1973 р Пауль Раутенбург вперше продемонстрував можливість за допомогою ЯМР-сигналів отримати зображення. Так з'явилася ЯМР-томографія. Перші ЯМР-томограми внутрішніх органів живої людини були продемонстровані в 1982 р на Міжнародному конгресі радіологів в Парижі.

Слід дати два пояснення. Незважаючи на те, що метод заснований на явищі ЯМР, його називають магнітно-резонансним (MP), опускаючи слово «ядерний». Це зроблено для того, щоб у пацієнтів не виникало думки про радіоактивність, пов'язаної з розпадом ядер атомів. І друга обставина: MP-томографи не випадково «налаштовані» саме на протони, тобто на ядра водню. Цього елемента в тканинах дуже багато, а ядра його володіють найбільшим магнітним моментом серед усіх атомних ядер, що обумовлює досить високий рівень МР-сигналу.

Якщо в 1983 р у всьому світі налічувалося лише кілька приладів, придатних для клінічних досліджень, то до початку 1996 р в світі працювало близько 10 000 томографів. Щорічно в практику вводиться 1000 нових приладів. Більше 90% парку MP-томографів становлять моделі з надпровідними магнітами (0,5-1,5 Тл). Цікаво відзначити, що якщо в середині 80-х років фірми - виробники MP-томографів керувалися принципом «чим вище поле, тим краще», спираючись на моделі з полем 1,5 Тл і вище, то вже до кінця 80-х років стало ясно, що в більшості областей застосування вони не мають істотних переваг перед моделями із середньою силою поля. Тому основні виробники MP-томографів ( «Дженерал Електрик», «Сіменс», «Філіпс», «Тоши-ба», «Пікер», «Брукер» і ін.) В даний час велику увагу приділяють випуску моделей із середнім і навіть низьким полем, які відрізняються від високопольних систем компактністю і економічністю при задовільній якості зображень і значно меншої вартості. Високопольні системи використовуються переважно в науково-дослідних центрах для проведення МР-спектроскопії.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]

Принцип методу МРТ

Основними компонентами MP-томографа є: надсильний магніт, радіопередавач, приймальня радіочастотна котушка, комп'ютер і пульт управління. Більшість апаратів мають магнітне поле з магнітним моментом, паралельним довгої осі тіла людини. Сила магнітного поля вимірюється в теслах (Тл). Для клінічної МРТ використовують поля з силою 0,2-1,5 Тл.

Коли пацієнта поміщають в сильне магнітне поле, всі протони, є магнітними диполями, розгортаються в напрямку зовнішнього поля (подібно компасної стрілкою, що орієнтується на магнітне поле Землі). Крім цього, магнітні осі кожного протона починають обертатися навколо напрямку зовнішнього магнітного поля. Це специфічне обертальний рух називають процесією, а його частоту - резонансною частотою. При пропущенні через тіло пацієнта коротких електромагнітних радіочастотних імпульсів магнітне поле радіохвиль змушує магнітні моменти всіх протонів обертатися навколо магнітного моменту зовнішнього поля. Для того щоб це відбулося, необхідно, щоб частота радіохвиль дорівнювала резонансній частоті протонів. Це явище називають магнітним резонансом. Для зміни орієнтації магнітних протонів магнітні поля протонів і радіохвиль повинні резонувати, тобто мати однакову частоту.

У тканинах пацієнта створюється сумарний магнітний момент: тканини намагнічуються і їх магнетизм орієнтується строго паралельно до зовнішнього магнітного поля. Магнетизм пропорційний числу протонів в одиниці об'єму тканини. Величезне число протонів (ядер водню), що містяться в більшості тканин, обумовлює той факт, що чистий магнітний момент досить великий для того, щоб індукувати електричний струм в розташованої поза пацієнта приймаючої котушці. Ці індуковані MP-сигнали використовуються для реконструкції МР-зображення.

Процес переходу електронів ядра із збудженого стану в рівноважний називається спін-граткових релаксаційним процесом або поздовжньої релаксацією. Він характеризується Т1 - спін-граткових часом релаксації - часом, необхідним для перекладу 63% ядер в стан рівноваги після їх порушення 90 ° імпульсом. Виділяють також Т2 - спін-спіновий час релаксації.

Існує ряд способів отримання MP-томограм. Їх відмінність полягає в порядку і характер генерації радіочастотних імпульсів, методах аналізу MP-сигналів. Найбільшого поширення мають два способи: спін-гратковий і спін-еховий. При спін-граткових аналізують головним чином час релаксації Т1. Різні тканини (сіра і біла речовина головного мозку, спинномозкова рідина, пухлинна тканина, хрящ, м'язи і т.д.) мають в своєму складі протони з різним часом релаксації Т1. З тривалістю Т1 пов'язана інтенсивність MP-сигналу: чим коротше Т1, тим інтенсивніше МР-сигнал і тим світліше виглядає дане місце зображення на телемоніторі. Жирова тканина на MP-томограмах - біла, слідом за нею за інтенсивністю MP-сигналу в порядку убування йдуть головний і спинний мозок, щільні внутрішні органи, судинні стінки і м'язи. Повітря, кістки і кальцифікати практично не дають MP-сигналу і тому відображаються чорним кольором. Зазначені взаємовідносини часу релаксації Т1 створюють передумови для візуалізації нормальних і змінених тканин на МР-томограмах.

При іншому способі MP-томографії, названому спін-еховий, на пацієнта направляють серію радіочастотних імпульсів, що повертають прецессирует протони на 90 °. Слідом за припиненням подачі імпульсів реєструють відповідні MP-сигнали. Однак інтенсивність відповідного сигналу по-іншому пов'язана з тривалістю Т2: чим коротше Т2, тим слабкіше сигнал і, отже, нижче яскравість світіння екрана телемонітора. Таким чином, підсумкова картина МРТ за способом Т2 протилежна такий за способом Т1 (як негатив позитиву).

На MP-томограмах краще, ніж на комп'ютерних томограмах, відображаються м'які тканини: м'язи, жирові прошарки, хрящі, судини. На деяких апаратах можна отримати зображення судин, не вводячи в них контрастний засіб (MP-ангіографія). Внаслідок невисокого вмісту води в кістковій тканині остання не створює екрануючого ефекту, як при рентгенівської комп'ютерної томографії, тобто не заважає зображенню, наприклад, спинного мозку, міжхребцевих дисків і т.д. Звичайно, ядра водню містяться не тільки у воді, але в кістковій тканині вони фіксовані в дуже великих молекулах і щільних структурах і не є перешкодою при МРТ.

Переваги і недоліки методу МРТ

До основних переваг МРТ відносяться неінвазивний, нешкідливість (відсутність променевого навантаження), тривимірний характер отримання зображень, природний контраст від рухомої крові, відсутність артефактів від кісткових тканин, висока диференціація м'яких тканин, можливість виконання MP-спектроскопії для прижиттєвого вивчення метаболізму тканин in vivo. MPT дозволяє отримувати зображення тонких шарів тіла людини в будь-якому перетині - у фронтальній, сагітальній, аксіальної і косих площинах. Можна реконструювати об'ємні зображення органів, синхронізувати отримання томограм з зубцями електрокардіограми.

До основних недоліків зазвичай відносять досить великий час, необхідне для отримання зображень (зазвичай хвилини), що призводить до появи артефактів від дихальних рухів (це особливо знижує ефективність дослідження легких), аритмій (при дослідженні серця), неможливість надійного виявлення каменів, кальцификатов, деяких видів патології кісткових структур, висока вартість обладнання та його експлуатації, спеціальні вимоги до омещеніям, в яких знаходяться прилади (екранування від перешкод), неможливість обстеження я хворих з клаустрофобію, штучними водіями ритму, великими металевими імплантатами з немедичних металів.

[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]

Контрастні речовини для МРТ

На початку використання МРТ вважалося, що природна контрастність між різними тканинами виключає необхідність застосування контрастних речовин. Незабаром було виявлено, що різниця в сигналах між різними тканинами, тобто контрастність МР-зображення може бути істотно поліпшена контрастними засобами. Коли перший MP-контрастний засіб (містить парамагнітні іони гадолінію) стало комерційно доступним, діагностична інформативність МРТ значно зросла. Суть застосування МР-контрастного засобу полягає в тому, щоб змінити магнітні параметри протонів тканин і органів, тобто змінити час релаксації (TR) Т1 і Т2 протонів. На сьогоднішній день існує кілька класифікацій MP-контрастних засобів (або вірніше контрастних агентів - КА).

За переважного впливу на час релаксації МР-Кадела на:

• Т1-КА, які вкорочують Т1 і тим самим підвищують інтенсивність MP-сигналу тканин. Їх ще називають позитивними КА.
• Т2-КА, які вкорочують Т2, знижуючи інтенсивність МР-сигналу. Це негативні КА.

Залежно від магнітних властивостей МР-КА поділяються на парамагнітні і суперпарамагнітні:

[16], [17], [18], [19], [20]

Парамагнітні контрастні засоби

Парамагнітні властивості мають атоми з одним або декількома неспареними електронами. Це магнітні іони гадолінію (Gd), хрому, нікелю, заліза, а також марганцю. Найбільш широке клінічне застосування отримали сполуки гадолінію. Контрастує ефект гадолінію зумовлений укорочением часу релаксації Т1 і Т2. У нізкіхдозах переважає вплив на Т1, що підвищує інтенсивність сигналу. У високих дозах переважає вплив на Т2 зі зниженням інтенсивності сигналу. Парамагнетики зараз найбільш широко використовуються в клініко-діагностичній практиці.

Суперпарамагнітні контрастні засоби

Домінуючим впливом суперпарамагнітна оксиду заліза є вкорочення релаксації Т2. З підвищенням дози відбувається зниження інтенсивності сигналу. До цієї групи КА можна віднести і феромагнітні КА, до складу яких входять феромагнітні оксиди заліза, структурно подібні до ферритом магнетиту (Fe ²⁺ OFe ₂ ³⁺ 0 ₃ ).

Наступна класифікація заснована на фармакокінетиці КА (СергеевП.В. Ісоавт., 1995):

• позаклітинні (тканенеспеціфіческіе);
• шлунково-кишкові;
• Органотропність (тканеспеціфіческіе);
• макромолекулярні, які використовують для визначення судинного простору.

В Україні відомі чотири МР-КА, які є позаклітинними водорозчинними парамагнітним КА, з них широко використовують гадодіамід і гадопентетовую кислоту. Решта групи КА (2-4) проходять стадію клінічних випробувань за кордоном.

Позаклітинні водорозчинні МР-КА

Міжнародна назва	Хімічна формула	Структура
Гадопентетовая кислота	Гадолінію димеглюміну діетілентріамінпента-ацетат ((NMG) 2Gd-DTPA)	Лінійна, іонна
Кислота гадотеровая	(NMG) Gd-DOTA	Циклічна, іонна
Гадодамідід	Гадолінію діетілентріамінпентаацетат-біс-метиламід (Gd-DTPA-BMA)	Лінійна, Неіонний
Outotéridol	Gd-HP-D03A	Циклічна, Неіонний

Позаклітинні КА вводять внутрішньовенно, на 98% вони виводяться нирками, не проникають через гематоенцефалічний бар'єр, мають низьку токсичність, відносяться до групи парамагнетиков.

Протипоказання до проведення МРТ

До абсолютних протипоказань відносять стани, при яких проведення дослідження є загрозливим життя пацієнтів. Наприклад, наявність імплантатів, які активуються електронним, магнітним або механічними шляхами, - це в першу чергу штучні водії ритму. Вплив радіочастотного випромінювання МР-томографа може порушити функціонування стимулятора, що працює в системі запиту, так як зміни магнітних полів можуть імітувати серцеву діяльність. Магнітне тяжіння може викликати також зміщення стимулятора в гнізді і зрушити електроди. Крім того, магнітне поле створює перешкоди для роботи феромагнітних або електронних імплантатів середнього вуха. Наявність штучних клапанів серця становить небезпеку і є абсолютним протипоказанням тільки при дослідженні на МР-томографах з високими полями, а також якщо клінічно передбачається пошкодження клапана. До абсолютних протипоказань до дослідження відноситься також наявність невеликих металевих хірургічних імплантатів (гемостатичні кліпси) в центральній нервовій системі, так як зміщення їх внаслідок магнітного тяжіння загрожує кровотечею. Їх наявність в інших частинах тіла має меншу загрозу, оскільки після лікування фіброз і инкапсулирование затискачів допомагають утримати їх в стабільному стані. Однак крім потенційної небезпеки, наявність металевих імплантатів з магнітними властивостями в будь-якому випадку викликає артефакти, що створюють складності для інтерпретації результатів дослідження.

Протипоказання до проведення МРТ

Абсолютні:	Відносні:
Кардіостимулятори	Інші стимулятори (інсулінові помпи, нервові стимулятори)
Феромагнітні або електронні імплантати середнього вуха	Неферомагнітними імплантати внутрішнього вуха, протези клапанів серця (у високих полях, при підозрі на дисфункцію)
Кровоспинні кліпси судин головного мозку	Кровоспинні кліпси іншої локалізації, декомпенсована серцева недостатність, вагітність, клаустрофобія, необхідність в фізіологічному моніторингу

До відносних гротівопоказаніям, крім перерахованих вище, відносяться також декомпенсована серцева недостатність, необхідність фізіологічного моніторингу (механічна вентиляція легенів, електричні інфузійні насоси). Клаустрофобія є перешкодою для проведення дослідження в 1-4% випадків. Подолати його можна, з одного боку, використанням приладів з відкритими магнітами, з іншого - докладним поясненням пристрої апаратури та ходу обстеження. Свідоцтв шкідливої дії МРТ на ембріон або плід не отримано, проте рекомендовано уникати МРТ в I триместрі вагітності. Застосування МРТ у період вагітності показано у випадках, коли інші неіонізуючі методи діагностичної візуалізації не дають задовільної інформації. МРТ-дослідження вимагає більшої участі в ньому пацієнта, ніж комп'ютерна томографія, так як рухи хворого під час дослідження значно сильніше впливають на якість зображень, тому дослідження хворих з гострою патологією, порушеною свідомістю, спастичними станами, деменцією, а також дітей нерідко буває важким.

[21], [22], [23], [24], [25], [26]