Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (στα αγγλικά Magnetic Resonance Imaging (MRI), ή αλλιώς Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός) ή, όπως είναι περισσότερο γνωστή στην Ελλάδα, Μαγνητική Τομογραφία είναι μια ακτινολογική μέθοδος απεικόνισης του εσωτερικού ενός οργανισμού. Θεωρείται τεράστια ιατρική πρόοδος.

Ιστορία

Αρχικά πρέπει να γίνει ιδιαίτερη αναφορά στον μαθηματικό Jean Baptiste Josepf Fourier ο οποίος ανακάλυψε τους ομώνυμους μετασχηματισμούς, χωρίς τους οποίους θα ήταν αδύνατη σήμερα η ανακατασκευή των φασμάτων και στον Nicola Tesla για τις εφευρέσεις του σχετικά με τον ηλεκτρομαγνητισμό οι οποίες έδωσαν μεγάλη ώθηση στην περαιτέρω εξέλιξη της τεχνολογίας. Αρχικά το 1924 ο Pauli μετά από σειρά μελετών πρότεινε την θεωρητική ύπαρξη μιας εγγενούς πυρηνικής περιστροφής. Το 1925 οι Uhlenbeck και Goudsmit εισήγαγαν στην φυσική την έννοια του περιστρεφόμενου ηλεκτρονίου. Δύο χρόνια αργότερα, ο Pauli και ο Charles Galton Darwin ανέπτυξαν ένα θεωρητικό πλαίσιο για την έννοια της περιστροφής ηλεκτρονίων με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής που αναπτύχθηκαν από τον Edwin Schredinger και τον Werner Heisenberg. Οι πρώτες μελέτες σχετικά με τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων ξεκινούν στις αρχές της δεκαετίας του '30 με τους Gorter και Rabi. Το 1933 o Otto Stern και o Walther Gerlach ήταν σε θέση να μετρήσουν την επίδραση της πυρηνικής περιστροφής από την εκτροπή μιας ακτίνας μορίων υδρογόνου. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30, το εργαστήριο του Isidor Isaac Rabi στο πανεπιστήμιο Κολούμπια της Νέας Υόρκης έγινε σημαντικό κέντρο σχετικών μελετών. Ο Gorter χρησιμοποίησε αρχικά τον όρο "πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός" σε μια δημοσίευση που εμφανίστηκε στην Ολλανδία το 1942. Ο μαγνητικός συντονισμός περιστροφής ηλεκτρονίων ανακαλύφθηκε στο πανεπιστήμιο Κazan από τον Yevgeni Κ. Zavoisky προς το τέλος του 1943. Ο Zavoisky είχε ανιχνεύσει τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό το 1941 και παρουσίασε τα πορίσματά του σε αγγλόφωνο ρωσικό επιστημονικό περιοδικό αλλά δεν είχε αντίκτυπο στην επιστημονική κοινότητα της εποχής. Επίσημα το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (nuclear magnetic resonance-NMR) ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τους Felix Bloch (Stanford) και Edward Purcell (Harvard) το 1946 και το 1952 βραβεύονται με βραβείο Nobel φυσικής. Λίγα χρόνια αργότερα αναπτύχθηκε η φασματοσκοπία NMR, η οποία ξεκινά να εφαρμόζεται κυρίως για την in vitro έρευνα στοιχείων και χημικών ενώσεων (σε μελέτες με πολλές τεχνικές δυσκολίες και με αρκετά σφάλματα). Το 1955/1956, ο Erik Odeblad και ο Gunnar Lindstrοm από τη Στοκχόλμη δημοσίευσαν τις πρώτες μελέτες ΝΜR, συμπεριλαμβανομένων μετρήσεων χρόνων χαλάρωσης, μελετών ζωντανών κυττάρων και αξιολόγησης ζωικών ιστών. Ο Odeblad συνέχισε τις μελέτες σε ζωντανούς ιστούς καθ' όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του '50 και του '60. Το 1959 o Jay Singer μελέτησε την δυνατότητα μέτρησης ροών σε ιστούς. Στα τέλη της δεκαετίας του '60 γίνονται έρευνες για την λήψη σημάτων και προσδιορισμού των χρόνων χαλάρωσης σε ανθρώπους και σε ζώα με κυριότερη την μελέτη του J. Johns, ο οποίος μελέτησε την χημική σύσταση των ιστών ζωντανών ζώων (1967). Η εφεύρεση του αξονικού τομογράφου στα μέσα της δεκαετίας του '60 επηρέασε θετικά την έρευνα για την εξέλιξη των εφαρμογών απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Μερικές εβδομάδες μετά την εγκατάσταση του πρώτου αξονικού τομογράφου (Αγγλία, 1971) ο Paul Lauterbur ανακαλύπτει την δυνατότητα χωρικής χαρτογράφησης των μοριακών συγκεντρώσεων συνδυάζοντας τα γραμμικά βαθμιδωτά πεδία (χρησιμοποιήθηκαν πρώτη φορά από τον Erwin L.Hahn το 1950) και την τεχνική της οπισθοπροβολής (σε αυτή βασίζεται η αξονική τομογραφία). Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 πραγματοποιούνται οι πρώτες μελέτες της φασματοσκοπίας φωσφόρου για την ανάλυση δειγμάτων ερυθροκυττάρων (Moon 1973). Το 1974 ο Hoult μελετά με την φασματοσκοπία φωσφόρου την σύσταση των μυικών ιστών ποντικών. Τότε γίνεται φανερό ότι η φασματοσκοπία προσφέρει μη επεμβατική in vivo ανάλυση της σύστασης και του μεταβολισμού των ιστών. Το 1972 ο Raymond Damadian ανακαλύπτει ότι οι παθολογικοί ιστοί εμφανίζουν μεγαλύτερους χρόνους χαλάρωσης σε σχέση με τους αντίστοιχους υγιείς. Το 1973 ο Lauterbur παρουσιάζει την εικόνα δυο σωλήνων με νερό στο περιοδικό Nature και το 1974 παρουσιάζει την απεικόνιση της θωρακικής κοιλότητας ενός ποντικού. Ονόμασε την τεχνική αυτή ζευγματογραφία, όρος ο οποίος μετέπειτα αντικαταστάθηκε από τον όρο απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού. Το 1974 οι Anil Kumar, Dieter Welti και Richard Ernst παρουσίασαν την εργασία 'NMR Fourier Zeugmatography' η οποία περιγράφει την χρήση χρονικά μεταβαλλόμενων βαθμιδωτών πεδίων και την εφαρμογή των μετασχηματισμών Fourier για την ανακατασκευή των εικόνων. Επίσης το 1974 η εταιρία ΕΜΙ ασχολήθηκε με την κατασκευή εξοπλισμού αυτού του είδους. Με την συνεισφορά και των εργασιών του Damadian και τις ανακαλύψεις του Lauterbur επήλθε επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση καθώς οδήγησε στην δημιουργία του πρώτου υποτυπώδους πειραματικού μαγνητικού τομογράφου. Οι καθηγητές Damadian, Minkoff και Goldsmith, μόλις ολοκλήρωσαν την κατασκευή του πρώτου υποτυπώδους μαγνητικού τομογράφου (Indomitable), στις 3 Ιουλίου 1977, μετά από μέτρηση 6 ωρών και ανακατασκευή 22 ωρών παρήγαγαν την πρώτη ιατρική εικόνα του ανθρώπινου σώματος (τομή θωρακικής χώρας). Επίσης το 1977 ο Sir Peter Mansfield και η ομάδα του έλαβαν εικόνες από τομή δακτύλου του χεριού και από την κοιλιακή χώρα με την βοήθεια της τεχνικής Echo Planar Imaging (E.P.I.).

Τεχνική λήψης

Ο 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 σπιν προς τη στροφορμή λόγω σπιν. Ο λόγος γ ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος του σπιν (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 Induction Decay). 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.

Μαγνητικός τομογράφος - 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 (Superconductive magnets) και 3. μαγνήτες αντιστάσεως (Resistive magnets). 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 (gradient coils), για την παραγωγή της βαθμίδας πεδίου και το χωρικό προσδιορισμό της απεικονιζόμενης περιοχής, 2. πηνία εξομάλυνσης (shim coils), 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 (surface coils), για την διέγερση της επιλεγμένης περιοχής του σώματος. Τέλος το απεικονιστικό σύστημα περιλαμβάνει έναν ισχυρό ηλεκτρονικό υπολογιστή για την ανακατασκευή και την επεξεργσία των λαμβανόμενων σημάτων. Oλο 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 με ένα 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 (scan room).

Πλεονεκτήματα

Με την αποκλειστική χρήση μαγνητικού τομογράφου είναι δυνατή η λήψη πληροφοριών σχετικά με την βιοχημική κατάσταση των ιστών με την μορφή εικόνων και φασμάτων. Η MRΙ προσφέρει την δυνατότητα του έγκαιρου εντοπισμού διαφόρων βιοχημικών αλλαγών οι οποίες συμβαίνουν πριν το σχηματισμό κακοήθειας. Επίσης σε σχέση με άλλες απεικονιστικές μεθόδους, οι οποίες βασίζονται στην ανίχνευση συγκεκριμένων ιχνηθετών με εξειδικευμένη δράση, προσφέρουν μεγαλύτερη ευαισθησία, καλύτερη διακριτική ικανότητα και μεγαλύτερη ευελιξία στην εφαρμογή. Η μαγνητική τομογραφία προσφέρει μία πληθώρα εργαλείων για την εύρεση και την παρακολούθηση της πορείας διαφόρων βλαβών καθώς επίσης και την δυνατότητα πολλών επαναλήψεων μιας και οι ασθενείς δεν επιβαρύνονται με ιοντίζουσες ακτινοβολίες ή άλλες χημικές ουσίες. Επίσης η εφαρμογή της γεφυρώνει το χάσμα της ανατομικής απεικόνισης και της μοριακής απεικόνισης καθώς προσφέρει την δυνατότητα χωρικής απεικόνισης της λειτουργικής κατάστασης των ιστών. Με την βοήθεια της μαγνητικής τομογραφίας είναι δυνατή η σταδιοποίηση και ο χαρακτηρισμός, η εκτίμηση της πορείας της νόσου και η παρατήρηση της ανταπόκρισης των ιστών στην θεραπεία. Η δυνατότητα εφαρμογής σε όλες σχεδον τις ανατομικές περιοχές και η ραγδαία εξέλιξη της σχετικής τεχνολογίας υπόσχονται ταχύτερη, καλύτερη και ακόμα πιο έγκαιρη διάγνωση σε σχέση με άλλες πιο πολύπλοκες και ακριβότερες διαγνωστικές μεθόδους. Συνοπτικά τα κυριότερα πλεονεκτήματα είναι: α. η εκμετάλλευση πολλαπλών φυσικών παραμέτρων για τη λήψη φασμάτων και μεταβολικών χαρτών υψηλής διαγνωστικής αξίας και στα τρία χωρικά επίπεδα. β. η αποφυγή επιβάρυνσης του εξεταζόμενου με ιοντίζουσες ακτινοβολίες (ακτινοβολίες Χ, γ, β - δυνατότητα επανάληψης χωρίς σημαντικές επιπτώσεις). γ. ο προσδιορισμός της βιοχημικής σύστασης του οργανισμού με διαδικασίες ανώδυνες, με μη επεμβατικό χαρακτήρα.

Μειονεκτήματα

Η μαγνητική τομογραφία, παρότι έχει φέρει νέα επανάσταση στην ακτινοδιαγνωστική εμφανίζει και ορισμένα μειονεκτήματα: α. Η αφθονία εφαρμογών και η απαίτηση σύνθετης γνώσης φυσικών παραμέτρων, υπολογιστών, μαθηματικών, φυσιολογίας και ανατομίας για την σωστή εκμετάλλευση αυτού του εργαλείου καθιστά σχετικά δύσκολη την εφαρμογή του. β. Η μεγάλη χρονική διάρκεια εκτέλεσης ορισμένων ακολουθιών. γ. Η ερμηνεία και η επεξεργασία των εικόνων και των ποσοτικών δεδομένων καθώς επίσης και η δυσκολία αναγνώρισης των ψευδενδείξεων. δ. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται στην ιατρική έχουν υψηλό κόστος (περίπου ένα εκατομμύριο δολλάρια ανά Τέσλα για μία μονάδα, καθώς και μερικές χιλιάδες ευρώ για τη συντήρησή τους).

Χρήση σε άλλες επιστήμες

Ο Μαγνητικός Συντονισμός έχει επίσης βρει πολλές πρωτότυπες εφαρμογές σε άλλα πεδία πέραν της ιατρικής και της βιολογίας, από τον καθορισμό της περατότητας βράχων ως τους υδρογονάνθρακες και ορισμένες μεθόδους μη-καταστρεπτικών δοκιμών υλικών, ενώ αποτελεί και μια μέθοδο ανίχνευσης ποσοτήτων νερού σε γεωλογικές δομές. Άλλες πρόσφατες υλοποιήσεις αφορούν στρατιωτικές εφαρμογές και την ασύρματη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας (Intel, 2008).

Οι κυριότερες εφαρμογές αφορούν την βιολογία και είναι οι εξής:

Φασματοσκοπία πεπτιδίων και πρωτεϊνών: Οι παράμετροι των φασμάτων NMR είναι ευαίσθητες σε μεταβολές τόσο της αλληλουχίας όσο και της διαμόρφωσης ενός μακρομορίου. Διαδικασίες όπως το δίπλωμα (folding) ή η μετουσίωση (denaturation) μιας πρωτεϊνης μπορούν να μελετηθούν με τη βοήθεια φασμάτων NMR. Ενα σημαντικό πρόβλημα είναι οι δυσκολίες που παρουσιάζονται κατά την απόδοση ορισμένων γραμμών σε συγκεκριμένες ομάδες ή πυρήνες. Τα συνήθη φάσματα πρωτεϊνών έχουν από 600 έως 1000 γραμμές, οι οποίες σε πάρα πολλές περιπτώσεις αλληλοεπικαλύπτονται. Αυτή η πολυπλοκότητα των φασμάτων εμποδίζει τον ακριβή προσδιορισμό της τρισδιάσττης δομής των πρωτεϊνών. Επίσης το εύρος των φασματικών γραμμών αυξάνει με το μοριακό βάρος με αποτέλεσμα μόρια μεγάλου μοριακού βάρους (ιδιαίτερα πάνω από 25000) είναι πρακτικά αδύνατο να μελετηθούν (οι διευρυμένες γραμμές αλληλοεπικαλύπτονται). Ο ακριβής προσδιορισμός της προέλευσης των φασματικών γραμμών απαιτεί την πλήρη γνώση της ακολουθίας των αμινοξέων. Πάντως παρά το ότι ένα σημαντικό τμήμα του φάσματος των πρωτεϊνών παραμένει αδιευκρίνιστο η συνολική ποσότητα των λαμβανομένων πληροφοριών θεωρείται ικανοποιητική. Οι πληροφορίες αυτές σχετίζονται με : 1. Τον προσδιορισμό της διαμόρφωσης (conformation) επιλεγμένων περιοχών μιας πρωτεϊνης, 2. Τον προσδιορισμό των μεταβάσεων από μια κατάσταση έλικας σε κατάσταση απλής ακολουθίας, 3. Τον προσδιορισμό του ποσοστού των αμινοξέων που βρίσκονται σε α-έλικα, 4. Την παρατήρηση της σύνδεσης μικρών μορίων ή μεταλλικών ιόντων σε επιλεγμένες περιοχές μιας πρωτεϊνης, κλπ.

Μελέτη της δομής πολυνουκλεοτιδίων με NMR: Τέτοιες μελέτες είναι αρκετά δύσκολες εξ'αιτίας του οτι τα πολυνουκλεοτίδια είναι αρκετά στερεά, με φασματικές γραμμές αρκετά διευρυμένες και αλληλοεπικαλυπτόμενες. Αυτό οφείλεται στο οτι το μοριακό βάρος (πχ του DNA) είναι πολύ μεγαλύτερο από το όριο των 25000. Επίσης ένα μεγάλο μέρος των εργασιών σχετικά με τη δομή των πολυνουκλεοτιδίων είχε ήδη γίνει με άλλες τεχνικές, όταν το ΝΜR άρχισε να εφαρμόζεται σε τέτοια προβλήματα.

Φασματοσκοπία NMR και βιολογικές μεμβράνες: στα φάσματα αυτά οι υδρόφυλες κεφαλές των λιπιδίων παρουσιάζουν λεπτές φασματικές γραμμές ακόμα και σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό είναι ένδειξη της σχετικής ελευθερίας και ευκινησίας τους. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες παρουσιάζεται λέπτυνση και των φασματικών γραμμών που αντιστοιχούν στις υδρόφοβες ουρές των λιπιδίων. Στην κατάσταση πηκτώματος (gel) η κινητικότητα των λιπιδίων είναι γενικά χαμηλή. Οι σχετικές φασματικές γραμμές είναι διευρυμένες. Εκτός από φάσματα πρωτονίων λαμβάνονται και φάσματα 13C, 31P και 2Η (σε δευτεριωμένα λιπίδια).

Ιχνηθέτηση σπιν (spin labeling): πρόκειται για μια μέθοδο προσδιορισμού αποστάσεων μέσα σε ένα μακρομόριο. Π.χ. απόσταση μεταξύ δυο αμινοξέων σε μια πρωτεϊνη. Η τεχνική συνίσταται στην εισαγωγή μιας ουσίας με μονήρες (ασύζευκτο) ηλεκτρόνιο μέσα στο προς μελέτη βιολογικό σύστημα. Αυτό το μονήρες ηλεκτρόνιο χαρακτηρίζεται ως παραμαγνητικό κέντρο. Το κέντρο αυτό δημιουργεί στο χώρο ένα ισχυρό κυμαινόμενο μαγνητικό πεδίο το οποίο επιδρά στους γειτονικούς πυρήνες. Η επίδραση αυτή παρουσιάζεται με τη μορφή διεύρυνσης της φασματικής γραμμής που αντιστοιχεί στο δεδομένο πυρήνα. Το μέγεθος αυτής της διεύρυνσης ελαττώνεται σε συνάρτηση με την απόσταση του πυρήνα από το μονήρες ηλεκτρόνιο. Η διεύρυνση εξαρτάται επίσης και από τη χρονική διάρκεια της παρουσίας και της επίδρασης του παραμαγνητικού κέντρου. Η μετουσίωση μιας πρωτεϊνης επιφέρει σημαντικές αλλαγές στα φάσματα NMR. Οι αλλαγές αυτές παρατηρούνται κυρίως στις φασματικές γραμμές των πρωτονίων των α-ανθράκων. Μερικές χαρακτηριστικές μεταβολές στα φάσματα είναι: 1. Η λέπτυνση των γραμμών εξ' αιτίας του οτι αυξάνεται η ελευθερία κίνησης των μορίων και 2. Η προσέγγιση των φασματικών γραμμών (χημικών μετατοπίσεων) που αντιστοιχούν σε ίδια αμινοξέα. Αυτό το τελευταίο οφείλεται στο οτι κατά τη μετουσίωση ίδια αμινοξέα παύουν να βρίσκονται σε τελείως διαφορετικό περιβάλλον με αποτέλεσμα οι αντίστοιχες γραμμές να προσεγγίσουν ή να ταυτίζονται. Η πειραματική παρακολούθηση της μετουσίωσης μιας πρωτεϊνης μπορεί να πραγματοποιηθεί παρατηρώντας το εύρος και τη θέση μιας γραμμής σε συνάρτηση με το PH, τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση διφόρων παραγόντων μετουσίωσης κλπ.

Σκιαγραφικές ουσίες στην μαγνητική τομογραφία

Πρόκειται για ουσίες που χρησιμοποιούνται, όπως και στις άλλες απεικονιστικές μεθόδους για ενίσχυση της αντίθεσης μεταξύ δυο ιστών. Οι ουσίες που χρησιμοποιούνται στο μαγνητικό συντονισμό διαφέρουν τελείως από αυτές των ακτινών Χ. Μια βασική διαφορά είναι ο μηχανισμός μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η ενίσχυση της αντίθεσης. Στις ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται υλικά μεγάλου ατομικού αριθμού που απορροφούν την ακτινοβολία. Στο μαγνητικό συντονισμό η ενίσχυση της αντίθεσης βασίζεται στη μεταβολή των χρόνων μαγνητικής αποκατάστασης. Οι χρησιμοποιούμενες ουσίες είναι κυρίως παραμαγνητικά ιόντα, παραμαγνητικά σύμπλοκα και μοριακό οξυγόνο.Πρόκειται για μόρια ή ιόντα που διαθέτουν ένα ασύζευτο (μονήρες) ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο αυτό έχει μεγάλη μαγνητική ροπή. Όταν μια παραμαγνητική ουσία βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο (Β0) οι μαγνητικές ροπές προσανατολίζονται παράλληλα με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το αποτέλεσμα είναι η μεταβολή της έντασης του τοπικού πεδίου με αντίστοιχες μεταβολές στους χρόνους μαγνητικής αποκατάστασης των γειτονικών ιστών (που παρουσιάζουν διαγνωστικό ενδιαφέρον). Αυτό που ενδιαφέρει, ως προς την ενίσχυση της αντίθεσης είναι η ελάττωση του χρόνου μαγνητικής αποκατάστασης. Η ελάττωση αυτή έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση του σήματος που προέρχεται από τον εξεταζόμενο ιστό. Η ελάττωση του χρόνου μαγνητικής αποκατάστασης είναι ανάλογη της συγκέντρωσης της παραμαγνητικής ουσίας και του τετραγώνου της μαγνητικής ροπής. Η χορήγηση των σκιαγραφικών ουσιών μπορεί να γίνει με ενδοαγγειακή έγχυση, από το στόμα ή και με εισπνοή. Ως σκιαγραφικά ενδοαγγειακής έγχυσης έχουν προταθεί τα ιόντα Γαδολινίου (Gd3+), Χρωμίου (Cr3+) και Μαγγανίου (Mn2+) συνδεδεμένα με χημικά σύμπλοκα όπως EDTA και DTPA, καθώς επίσης και ελεύθερες σταθερές ρίζες μονοξειδίου του Αζώτου (Nitroxide stable free radicals- NSFR) και κυρίως τα παράγωγα πιπεριδίνη και πυρρολιδίνη. Ως ουσίες χορηγούμενες από το στόμα έχουν προταθεί: διαλυτά μεταλλικά ιόντα όπως (ferric ammonium citrate), διαλυτά μεταλλικά σύμβολα ιόντων όπως Cr-EDTA και αδιάλυτες ουσίες όπως (gadolinium oxalate). Tέλος για χορήγηση με εισπνοή έχει προταθεί το μοριακό οξυγόνο το οποίο διαθέτει δυο ασύζευκτα ηλεκτρόνια (με παράλληλα σπίν) και συνεπώς είναι παραμαγνητικό. Εκτός από τις σκιαγραφικές ουσίες που επηρεάζουν τους χρονικούς Τ1, Τ2 έχουν προταθεί και ουσίες που επηρεάζουν την πυκνότητα πρωτονίων χωρίς όμως σημαντικές εφαρμογές μέχρι στιγμής.

Βιολογικές επιπτώσεις

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού είναι ότι οι εξεταζόμενοι και το προσωπικό δεν εκτίθενται σε ιοντίζουσα ακτινοβολία. Υπάρχει όμως η επίδραση τριών διαφορετικών μαγνητικών πεδίων : του στατικού μαγνητικού πεδίου Βο, των βαθμίδων πεδίου Gx, Gy κ.λπ. και των μαγνητικών παλμών Β1. Αυτοί οι τελευταίοι αποτελούν τη λεγόμενη ‘’ακτινοβολία ραδιοσυχνότητα’’. Οι πιθανές βιολογικές επιπτώσεις θα προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τα τρία αυτά πεδία. Ως προς την επίδραση στατικών πεδίων σε βιολογικούς οργανισμούς υπάρχουν μια σειρά από δεδομένα προερχόμενα από άλλους χώρους εργασίας. Π.χ. εργαστήρια Πυρηνικής Φυσικής που χρησιμοποιούν επιταχυντές σωματιδίων. Υπάρχουν επίσης αποτελέσματα που προέρχονται από πειράματα σε ζώα (κυρίως ποντίκια). Γενικά, εκτός από ελάχιστες εξαιρέσεις, δεν έχουν μέχρι αυτή τη στιγμή παρατηρηθεί τόσο βραχυπρόθεσμα όσο και μακροπρόθεσμα βλαβερά βιολογικά αποτελέσματα. Π.χ. μυτογενετικά αποτελέσματα (mutogenic effects), ηλεκτρική αγωγιμότητα νεύρων (nerve conduction E.C.G. characterists). Η ανάπτυξη μικρού ηλεκτρικού δυναμικού σε αγγεία μεγάλης διαμέτρου που κινούνται κάθετα στο πεδίο, δεν φαίνεται να έχει αποτελέσματα στη λειτουργία της καρδιάς. Διαφορά δυναμικού μπορεί να αναπτυχθεί εξ’ αιτίας της κίνησης φορτίων που βρίσκονται μέσα σε ρευστά (αίμα) που ρέουν στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος. Στο φορτίο ασκούνται δυνάμεις Laplace, λόγω της ύπαρξης μαγνητικού πεδίου, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου και ηλεκτρικού δυναμικού. Όπως έχει υπολογισθεί για την αορτή, αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού περίου 16 mVolt/Tesla όταν η ταχύτητα ροής είναι περίπου 0,6 m/sec. Προβλήματα μπορεί να παρουσιασθούν έμμεσα με ασθενείς που φέρουν διάφορες μεταλλικές εμφυτεύσεις π.χ. aneurysm clips, heart valves, dental plates. Επίσης σε ασθενείς που συνοδεύονται από IV stands, μπουκάλες οξυγόνου, physiological monitors κ.λπ. Aντικείμενα κατασκευασμένα με σιδηρομαγνητικό υλικό τείνουν να στραφούν έτσι ώστε να ευθυγραμμισθούν με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις (aneurysm clips, heart valves) κάτι τέτοιο είναι καταστρεπτικό. Επίσης, όμως έχει προαναφερθεί, τέτοια αντικείμενα παραμορφώνουν το μαγνητικό πεδίο και υποβαθμίζεται έτσι η ποιότητα της διαγνωστικής εικόνας. Ανάλογα με τη νομοθεσία της κάθε χώρας το ανώτατο όριο στατικού μαγνητικού πεδίου καθορίζεται σε 2 ή 2,5 Τ (Η.Π.Α., Βρετανία). Μια βάση για τον καθορισμό του ορίου 2.5 Tesla είναι το γεγονός ότι, σε τέτοιες τιμές πεδίου, αναπτύσσεται στα τοιχώματα της αορτής τάση 40 mVolt περίπου (2,5 Tesla x 16 mVolt/ Tesla). Η τιμή 40 mVolt αποτελεί όριο πέραν του οποίου εμφανίζονται φαινόμενα αποπόλωσης των καρδιακών μυϊκών ινών. Συνιστάται επίσης στους εργαζόμενους σε συστήματα μαγνητικού συντονισμού να μην εκτίθενται για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε μαγνητικά πεδία εντονότερα των 0,02 Tesla (ολόσωμη έκθεση). Εάν πρόκειται μόνο για τα χέρια το όριο είναι 0,2 Tesla. Επίσης εάν η παραμονή στο πεδίο είναι συντομότερη από 15 λεπτά τα όρια αυξάνονται σε 0,2 Tesla και 2 Tesla αντίστοιχα. Προβλήματα μπορεί να παρουσιασθούν εξ’ αιτίας της απότομης χρονικής μεταβολής του πεδίου κατά την εφαρμογή και την άρση των βαθμίδων. Ένα πρώτο φαινόμενο είναι η ανάπτυξη επαγωγικών ρευμάτων στους ιστούς. Κάτι τέτοιο μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε νευρικά κύτταρα, στους μυς της καρδιάς και του αναπνευστικού (muscle fibers of the heart, respiratory musculative). Σημαντικό πρόβλημα φαίνεται ότι είναι η διέγερση του αμφιβληστροειδούς. Εξ’ αιτίας της διέγερσης των magnetic retinal phosphenes προκαλείται η αίσθηση αναλαμπών φωτός. Αυτή η τελευταία παρουσιάζεται όταν η πυκνότητα ρεύματος (i/s) στους ιστούς είναι 1-10 A/m. Άλλα πιθανά προβλήματα εξ’ αιτίας της χρονικής μεταβολής του πεδίου μπορεί να είναι : ventricular fibrillattions και alterations in bone heating. Όπως έχει προαναφερθεί ως όριο χρονικής μεταβολής του πεδίου έχουν τεθεί τα 3Τ/sec. Καθώς επίσης πειράματα που έχουν γίνει σε ποντίκια έχουν δείξει ότι ρυθμοί μεταβολής μέχρι και 60 Τ/sec δεν επιφέρουν αξιοσημείωτες βλάβες (δεν παρουσιάζονται προβλήματα καρδιακά, αναπνευστικά κ.λπ.). Πάντως κανένα πρόβλημα βιολογικών επιπτώσεων δεν παρουσιάζεται τουλάχιστο όσον αφορά τις ισχύς των παλμών που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα μαγνητικού συντονισμού. Συνήθως διατίθενται κατάλληλες ασφάλειες στα πηνία ώστε η ισχύς στους ιστούς να μην υπερβαίνει κάποια όρια. Ένα σημαντικό ζήτημα σχετικό με την ‘’ακτινοβόληση’’ του εξεταζομένου με ενέργεια RF. είναι ο καθορισμός ορισμένων ανωτάτων οριακών τιμών απορροφούμενης ισχύος. Οι τιμές αυτές δεν θα πρέπει να υπερβαίνονται κατά τις εξετάσεις. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων των Η.Π.Α. (Food- Drug Administration) το όρια αυτά πρέπει να είναι 2 Watt/Kgr για ένα γραμμάριο ιστού ή 0,4 Watt/Kgr μέση τιμή για ολόκληρο το σώμα. Στη Βρετανία έχει καθορισθεί η τιμή 4 Watt/Kgr για ένα γραμμάριο. Τα όρια απορροφουμένης ισχύος έχουν τεθεί με βάση το συλλογισμό ότι δεν θα πρέπει να εισάγεται στον ανθρώπινο οργανισμό θερμότητα περισσότερη απ’ όση αυτός παράγει σε κατάσταση ηρεμίας (Βασικός ρυθμός μεταβολισμού). Πρακτικά βάση για τον καθορισμό αυτών των ορίων αποτελεί η απαίτηση η αύξηση της θερμοκρασίας να μην υπερβαίνει τον 1οC. Γενικά, στο ζήτημα της θέρμανσης των ιστών απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή διότι η τοπική εναπόθεση μεγάλων ποσοτήτων ισχύος μπορεί να είναι αποτέλεσμα τυχαίων γεγονότων. Π.χ. κλειστοί βρόγχοι αγώγιμου σύρματος που μπορεί να βρίσκεται στον ασθενή. Στους βρόγχους αυτούς παρουσιάζονται επαγωγικά φαινόμενα, με αποτέλεσμα το συντονισμό τους και την εναπόθεση ισχύος στους ιστούς. Πρόβλημα μπορεί να παρουσιασθεί επίσης εάν δεν υφίσταται ορθή αποσύζευξη του πηνίου δέκτη από το πηνίο πομπός. Τέλος όπως έχει ήδη αναφερθεί, προβλήματα παρουσιάζονται στη λειτουργία των βηματοδοτών. Συνεπώς ασθενείς με βηματοδότη θα πρέπει να αποκλείονται από εξετάσεις με μαγνητικό συντονισμό. Δεν θα πρέπει επίσης να πλησιάζουν σε χώρους με πεδία ισχυρότερα από 3 ή 5 Gauss. Ένα πρόβλημα που πρέπει να προβλέπεται από τους κανονισμούς είναι η πιθανότητα εκτόξευσης μικρών διαστάσεων μεταλλικών αντικειμένων λόγω ανάπτυξης ισχυρών μαγνητικών δυνάμεων. Συνεπώς η παρουσία ανιχνευτών μεταλλικών αντικειμένων (συνήθως υπό μορφή αψίδας) είναι απαραίτητη σε κάθε τμήμα μαγνητικού συντονισμού. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να εστιασθεί στην ενημέρωση και την εξοικείωση του προσωπικού κάθε κατηγορίας με τις ιδιότητες του μαγνητικού πεδίου και τα πάσης φύσεως φαινόμενα που οφείλονται στην ύπαρξή του. Π.χ. όργανα και εργαλεία που χρησιμοποιούνται στη συντήρηση του συστήματος είναι δυνατόν να μη λειτουργούν σωστά, να μη μπορούν να χρησιμοποιηθούν ή να μην επιτρέπεται η παρουσία τους στο χώρο του πεδίου (λόγω επικινδυνότητας). Άτομα που μπορεί να εισέλθουν στο χώρο που βρίσκεται το μηχάνημα σε ώρες εκτός του κανονικού ωραρίου λειτουργίας (π.χ. καθαρίστριες, φύλακες, πυροσβέστες) μπορεί να κινδυνεύσουν εάν δεν έχουν ενημερωθεί. Πρέπει επίσης να γίνεται αυστηρός έλεγχος σε διάφορα αντικείμενα για τα οποία υπάρχει υποψία παρουσίας σιδηρομαγνητικού υλικού. Γενικά ο χώρος πρέπει κατά τις ώρες εκτός ωραρίου λειτουργίας να φυλάσσεται προσεκτικά ή να είναι κλειδωμένος ιδιαίτερα όταν πρόκειται για ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες. Προβλήματα ενδέχεται να παρουσιασθούν στους εξεταζόμενους κατά την απότομη διακοπή του μαγνητικού πεδίου (quenching). Π.χ. ανάπτυξη επαγωγικών ρευμάτων στον ασθενή που μπορεί να προκαλέσουν κάποιο καρδιακά επεισόδιο.

Περαιτέρω διάβασμα

* Αξονική τομογραφία

Βιβλιογραφία

* Καρατόπης Α. , Κανδαράκης Ι., Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμου, Πανεπιστημιακες εκδοσεις Αράκυνθος, 2007, ISBN 978-960-91034-9-7

Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License