© Copyright by Bolesław Gonet, 1997

© Copyright by Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1997, 2016

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Autor i Wydawnictwo dołożyli wszelkich starań, aby wybór i dawkowanie leków w tym opracowaniu były zgodne z aktualnymi wskazaniami i praktyką kliniczną. Mimo to, ze względu na stan wiedzy, zmiany regulacji prawnych i nieprzerwany napływ nowych wyników badań dotyczących podstawowych i niepożądanych działań leków, Czytelnik musi brać pod uwagę informacje zawarte w ulotce dołączonej do każdego opakowania, aby nie przeoczyć ewentualnych zmian we wskazaniach i dawkowaniu. Dotyczy to także specjalnych ostrzeżeń i środków ostrożności. Należy o tym pamiętać, zwłaszcza w przypadku nowych lub rzadko stosowanych substancji.

Wydawca: Anna Plewa

Redaktor prowadzący: Anna Klocek

Redaktor merytoryczny: Zespół

Producent: Magdalena Preder

Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Ilustracja na okładce: Kondor83/Fotolia

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2016 r., (wyd. II)

Warszawa 2020

ISBN 978-83-200-6081-2

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwa Lekarskiego: mobisfera.pl

Składam serdeczne podziękowanie za trud recenzji Panom: prof. dr. hab. A. Dobkowi z Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu, prof. dr. hab. R. Bilskiemu z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Dziękuję Pani Iwonie Żuk za komputerowe opracowanie rycin.

Dziękuję również firmom: Toshiba, Siemens, General Electric za wyrażenie zgody na publikacje obrazów MR oraz autorom,

których prace zacytowałem w książce.

Toshiba: ryc. 16.2, 16.3, 16.4, 16.7, 16.8, 16.9, 16.11, 16.12, 16.13,

16.14, 16.15, 16.16. Siemens: ryc. 9.4. General Electric: ryc. 11.2, 13.4.

Autor

Spis treści

Wstęp

1. Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego

1.1. Moment pędu i moment magnetyczny jądra atomu

1.2. Jądro atomu w polu magnetycznym

1.3. Elementy mechaniki kwantowej

1.4. Kwantowe ujęcie zjawiska rezonansu

1.5. Klasyczny obraz zjawiska rezonansu

2. Czasy relaksacji

2.1. Oddziaływanie spin-sieć. Czas relaksacji podłużnej – T_1

2.2. Oddziaływanie spin-spin. Czas relaksacji poprzecznej – T_2

3 Doświadczalne aspekty spektroskopii NMR

4. Metoda impulsowa Hahna jako podstawa tomografii NMR

5. Sygnał FID. Transformacja Fouriera

6. Pomiary czasów relaksacji. Echo spinowe

6.1. O pewnych nieścisłościach w opisie zjawiska rezonansu magnetycznego i echa spinowego

7. Gradienty pola magnetycznego – klucz do obrazowania

8. Metody skanowania i rekonstrukcji obrazów

9. Budowa tomografu NMR

10. Sposoby skracania czasu obrazowania

11. Parametry obrazowania NMR

12. Czasy relaksacji jako parametr diagnostyczny stanów chorobowych

13. Obrazowanie magnetyczno- -rezonansowe naczyń. Angiografia MR

14. Spektroskopia NMR in vivo – „okno” na metabolizm

15. Aspekty bezpieczeństwa ludzi w badaniach MR

16. Możliwości diagnostyczne metody MRI

16.1. Mózgowie i rdzeń kręgowy

16.2. Układ mięśniowo-szkieletowy

16.3. Klatka piersiowa

16.4. Jama brzuszna i miednica

17. Echo gradientowe – podstawa szybkich metod obrazowania

18. Wykrywanie i obrazowanie wolnych rodników

18.1. Zasady fizyczne zjawiska ESR, EPR

18.2. Obrazowanie wolnych rodników metodą ESR

18.3. Elektronowo-protonowy rezonans podwójny

Piśmiennictwo

Monografie na temat tomografii NMR oraz spektroskopii NMR, jakie ukazały się w ostatnich latach

Opracowania przeglądowe dotyczące tomografii NMR i spektroskopii NMR w piśmiennictwie polskim

Słowniczek NMR

Wstęp

W roku 1895 W. K. Roentgen uzyskał pierwszy obraz radiologiczny kończyn człowieka. Od tego czasu metoda obrazowania z udziałem promieniowania Roentgena (X) była ciągle doskonalona; wymownym tego świadectwem jest obecnie powszechnie stosowana tomografia komputerowa (CT). Powstały i rozwijają się również inne metody obrazowania narządów wewnętrznych ciała bez naruszania jego ciągłości, jak np. pozytonowa tomografia emisyjna (PET), cyfrowa angiografia różnicowa (DSA), ultrasonografia (USG), tomografia NMR. Główną rolę w tych metodach spełnia obecnie tomografia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) – zwana też zeugmatografią lub, najczęściej, metodą MRI (Magnetic Resonance Imaging) – czyli obrazowanie na podstawie zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Szerokie, a także zupełnie nowe możliwości diagnostyczne i poznawcze tomografii NMR oraz jej nieinwazyjność spowodowały, że wzbudza ona zainteresowanie wielu laboratoriów na świecie i rozpowszechnia się niezwykle szybko. Zjawisko NMR zostało wykryte w roku 1946, przez niezależnie pracujące zespoły Blocha [11] i Purcella [101], którym przyznano za to nagrodę Nobla w 1952 roku. Zostało ono wkrótce zastosowane w fizyce do badania właściwości jąder atomowych oraz w chemii organicznej i biochemii do badania struktury i dynamiki cząsteczek organicznych jako spektroskopia NMR.

Ogromny postęp (zwiększenie czułości i rozdzielczości) w rozwoju spektroskopii NMR nastąpił wraz z wprowadzeniem metody impulsowej badania rezonansu oraz zastosowaniem przekształcenia Fouriera do analizy sygnałów (R. Ernst, 1996 r.).

Tomografia NMR umożliwia uzyskiwanie map rozkładu (topografii) gęstości, przede wszystkim jąder atomów wodoru (protonów) oraz tzw. czasów relaksacji tych protonów, na dowolnie wybranym przekroju ciała. Wodór wchodzi w skład wody, zawartej w dużych ilościach w organizmach żywych (60–70%), a także jest składnikiem wszystkich związków organicznych; szczególnie dużo wodoru wykazują tłuszcze. Uzyskana informacja o jego rozkładzie wewnątrz organizmu jest parametrem obrazów różnicującym tkanki pod względem stopnia ich uwodnienia lub zawartości tłuszczu. Gęstość protonów i (lub) czasy relaksacji są odwzorowane poprzez jasność świecenia (stopień szarości) punktów takiej mapy, podobnie jak w metodzie CT stopień szarości odwzorowuje pochłanianie promieniowania Roentgena. Rozpoznanie wielu zmian chorobowych, jak np. różnego rodzaju guzów, obrzęku, zawału, zatoru, krwiaka, tętniaka, stłuczenia i wielu innych jest możliwe dzięki „sekcji bez sekcji”. Na uwagę zasługuje fakt, że metoda tomografii NMR zapewnia kontrastowe obrazy tkanek miękkich; substancja biała i szara w mózgu daje się dobrze rozróżnić. Metoda ta nie tylko lepiej ukazuje szczegóły anatomiczne niż tomografia komputerowa (CT), ale ujawnia dokładniej różnice pomiędzy zdrową i chorobowo zmienioną tkanką. Co więcej, rezonans wykazują nie tylko protony, ale również niektóre inne jądra, np. fosforu 31P; umożliwia to określenie zawartości ATP, fosfokreatyny, a pośrednio nawet pH w wybranych obszarach organizmu; odpowiednia dziedzina badań nazywana jest spektroskopią NMR in vivo. Powstały zatem możliwości badania zaburzeń metabolizmu in vivo, co znalazło już zastosowanie w badaniach niedotlenienia mózgu, metabolizmu mięśnia sercowego i wątroby, dystrofii mięśniowych i innych miopatii.

Pierwsze badania organizmów żywych wykonane techniką NMR zostały przeprowadzone w 1971 roku, kiedy to Damadian [26] wykazał różnice czasów relaksacji protonów cząsteczek wody w fizjologicznych i zmienionych nowotworowo tkankach szczura. W 1973 roku Lauterbur [73] opracował metodę przestrzennej lokalizacji sygnałów NMR, stwarzając podstawy rekonstrukcji obrazów badanego obiektu. Dzięki temu pierwsze obrazy NMR przekrojów ludzkiego nadgarstka uzyskano w 1977 roku [60]. Od tego czasu datuje się rozwój produkcji urządzeń do badań metodą NMR. Początkowo najlepsze rezultaty uzyskano w obrazowaniu mózgu [18], obecnie wszystkie narządy i tkanki stały się dostępne do badań metodą MRI [32].

Zjawisko NMR jest złożone, tomograf NMR jest zaś urządzeniem skomplikowanym; w tej dziedzinie wysoce użyteczne dla medycyny są fizyka i informatyka. Tomografy NMR produkuje obecnie kilkanaście firm: Bruker, General Electric, Philips, Picker, Siemens, Toshiba i inne, ale na ich budowę mogą pozwolić sobie jedynie firmy o dużym doświadczeniu elektronicznym. Tomografy NMR stanowią już, pomimo wysokiej ceny, standardowe wyposażenie klinik, a nawet prywatnych gabinetów lekarzy. W Polsce zainstalowanych jest obecnie około 100 takich urządzeń. Należy szczególnie podkreślić, że w metodzie NMR nie używa się wysoce szkodliwych czynników – promieniowania jonizującego X ani pierwiastków radioaktywnych, stosuje się w niej pola magnetyczne i fale elektromagnetyczne z zakresu radiowego – czynniki bezpieczne dla pacjentów i personelu. Metoda NMR jest całkowicie bezpieczna (nieinwazyjna) i znajduje obecnie szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej.

Celem tej publikacji jest zapoznanie Czytelników ze zjawiskiem jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, z koncepcją spektroskopii NMR, przejściem od spektroskopii NMR do tomografii NMR, jak też ukazanie właściwości i szerokich możliwości diagnostycznych tej nowej metody obrazowania. Wystarczy wspomnieć o możliwości wizualizacji ośrodków pobudzenia kory mózgowej przez stymulację zewnętrzną (światło, dźwięk), jak również wewnętrzną, wywołaną procesem mowy, a nawet wyobraźni.

Szczególnie dużo uwagi poświęcono, ważnym z biologicznego punktu widzenia, czasom relaksacji. Cytowane piśmiennictwo ułatwi zainteresowanym dostęp do informacji źródłowych z zakresu działania, budowy i możliwości diagnostycznych metody MRI. Książka jest przeznaczona głównie dla studentów medycyny, może być również lekturą wstępną w zakresie obrazowania magnetyczno-rezonansowego dla lekarzy różnych specjalności. Poznanie szczegółów metody NMR umożliwi lekarzowi stosowanie jej według własnej inwencji, gdyż zawiera ona potencjalnie olbrzymie możliwości diagnostyczne i poznawcze. „Piękno” metody tomografii NMR wynagrodzi Czytelnikowi intelektualny wysiłek wniesiony w jej poznanie.

1 Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR), jak sama nazwa wskazuje, dotyczy jąder atomowych i jest podstawą spektroskopii i tomografii NMR. Na pierwszy rzut oka wydaje się „dziwne”, że właściwości jąder mogą być źródłem informacji o tym, co dzieje się w powłokach elektronowych atomów i cząsteczek. A jednak jądro może oddziaływać z innymi jądrami i powłokami elektronowymi – z otoczeniem, co jest źródłem informacji uzyskiwanych w spektroskopii i tomografii NMR. Warto nadmienić, że rok wcześniej od wykrycia fenomenu NMR wykryto podobne zjawisko, dotyczące jednak elektronów – elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) lub inaczej – elektronowy rezonans spinowy (ESR). Zjawisko to jest podstawą spektroskopii ESR, która znalazła szerokie zastosowanie również w biologii i medycynie jako czuła metoda bezpośredniego wykrywania wolnych rodników. Metoda EPR nie doczekała się jeszcze tomografii w sensie tomografii NMR. Główną przeszkodą w realizacji tego pomysłu jest używana w metodzie EPR krótka długość fali – zakres mikrofal, które są silnie pochłaniane przez wodę i nie mogą wnikać do wnętrza organizmu. Prace związane z tym problemem prowadzi się jednak w wielu ośrodkach na świecie, a obecnie jest już możliwe obrazowanie sygnałów EPR z niewielkich obszarów tkanek i obiektów, np. małych zwierząt [92,8].

Tomografia NMR różni się od spektroskopii NMR tym, że ta ostatnia ogranicza się do badań in vitro w próbkach o objętościach około 1 cm^3 lub in vivo na małych obszarach organizmu, natomiast tomografia daje możliwości badania całego organizmu in vivo, w tym ludzkiego. Przejście od spektroskopii NMR do tomografii NMR stało się możliwe głównie dzięki dwóm czynnikom – powstaniu impulsowej spektroskopii NMR oraz zastosowaniu komputerów do rozwiązania tego problemu.

Podamy teraz szereg potrzebnych informacji, zanim poznamy bliżej zjawisko NMR.

1.1. Moment pędu i moment magnetyczny jądra atomu

Przypomnijmy definicję momentu pędu i momentu magnetycznego , gdyż będą one często występować w dalszych rozważaniach prowadzących do wyjaśnienia istoty zjawiska NMR.

Rozpatrzmy w tym celu obiekt (kulkę) o masie m, który porusza się z prędkością po okręgu o promieniu (ryc. l.l a).

Rycina 1.1. Ilustracja do objaśnienia definicji momentu pędu i momentu magnetycznego .

Moment pędu w takim ruchu określamy jako iloczyn pędu m i promienia , czyli = × m. jest to wielkość wektorowa, której kierunek i zwrot wyznacza reguła śruby prawoskrętnej, jak to pokazano na rycinie l.l a, a wartość K = mvR.

Jeżeli poruszająca się masa posiada ładunek elektryczny, to ruch taki stanowi zamknięty obwód prądu powodujący powstawanie pola magnetycznego; można zatem traktować taki układ jako mały magnes o dwu biegunach NS – dipol magnetyczny; wiadomo bowiem, że jedynym (pierwotnym) powodem powstawania pola magnetycznego jest ruch ładunku elektrycznego. Właściwości takiego magnesu opisuje się poprzez moment magnetyczny dipolu , zdefiniowanego jako iloczyn natężenia prądu i pola powierzchni zamkniętego obwodu prądowego. Kierunek i zwrot momentu magnetycznego  przyjmuje się jak pokazano na rycinie 1.1 b. Jeżeli weźmiemy pod uwagę w tym względzie atom wodoru (w ujęciu klasycznym, model planetarny), to ma on momenty 0 i 0 wynikające z ruchu elektronu dookoła jądra (orbitalne) i momenty s i  s wynikające z wirowego ruchu elektronu dookoła własnej osi (spinowe) oraz momenty i  jądra, którymi będziemy się bliżej interesować. Moment pędu jądra nazywa się spinem jądrowym (uwaga! w żargonie naukowym spinem jądrowym nazywa się też moment magnetyczny jądra ). Jego wartość (skwantowana) dla różnych jąder wynosi , gdzie I – tzw. jądrowa liczba spinowa, h – stała Plancka, ħ = h/2π.

Dla jąder atomu wodoru czyli protonów I = 1/2. Dla innych jąder liczba spinowa I może przyjmować wartości: 0, l/2, 1,3/2, ... 6. Zjawisko NMR można obserwować tylko dla jąder, których liczba I jest różna od zera. Oprócz interesującego nas jądra wodoru mogą to być np. izotopy: 23Na, 31P, 13C, l9F. Warto nadmienić, że występujący często w związkach organicznych tlen 160 i węgiel I2C posiadają spiny jądrowe równe zeru i nie są one dostępne do badania metodą NMR.