Nukleární magnetická rezonance

V biografickém článku o fyziku Felixi Blochovi (http://www.3pol.cz/cz/rubriky/biografie/1773-felix-bloch-u-zrodu-magneticke-rezonance), který se podílel na objevení a vysvětlení jaderné magnetické rezonance, jsme se zmínili, že letos uplyne 20 let od instalace prvního diagnostického přístroje využívajícího magnetickou rezonanci v lékařství v České republice. Co to nukleární magnetická rezonance je?

Fyzikální princip

Atomové jádro se skládá z neutronů a protonů, které mají spin (ten si můžeme představit jako rotaci částice kolem své vlastní osy). Protony jsou kladně nabité částice, čili svým spinem vytvářejí magnetické pole a vykazují magnetický moment. Atomová jádra s lichým počtem protonů se chovají jako malé magnetky. Takovým atomem je například i atom vodíku, nejhojnější prvek lidského těla. Jeho jádro obsahuje jediný proton. Protože atomů vodíku je v lidských tkáních mnoho, protony v nich rotují různými směry. Jejich spiny se vzájemně vyruší a výsledné magnetické pole je nulové.

Kromě rotace vykonává jádro vodíku ještě další pohyb, který hraje důležitou úlohu při vyšetření magnetickou rezonancí – takzvanou precesi, což je pohyb spinu po plášti pomyslného kužele. Můžeme si ho představit jako pohyb roztočené káči. Vložíme-li jádro do silného magnetického pole, uspořádají se rotační osy protonů rovnoběžně se siločárami vnějšího magnetického pole, a to ve dvou možných směrech – buď paralelně, nebo antiparalelně. Antiparalelně orientované atomy mají vyšší energii než ty paralelní. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do své původní klidové polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální) pole, začne jádro opět rotovat. Aby se jádra udržela ve stálém pohybu, používá se vysokofrekvenční magnetické pole.

Larmorova frekvence

Atomy vykonávají precesní pohyb o stejné frekvenci – ta se nazývá Larmorova frekvence a závisí na velikosti magnetického pole, kterému jsou atomy vystaveny a na druhu atomu, a lze ji vypočítat. Přístroj vyšle do pacientova těla elektromagnetické vlnění o stejné frekvenci, jako má precesní pohyb atomů vodíku. Jejich frekvence (stovky MHz) odpovídá vlnám, kterými se šíří rozhlas či televize. Při interakci dvou vlnění o stejné frekvenci dochází k rezonanci (odtud název metody) – atomy vodíku absorbují energii, která jejich precesní pohyb o něco vychýlí. Zjednodušeně můžeme říci, že tím přibylo antiparalelně postavených atomů o vyšší energii na úkor paralelních. Navíc všechny atomy začnou vykonávat díky elektromagnetickému impulsu svůj precesní pohyb synchronně – začnou obíhat pomyslný kužel ve stejném směru, jejich spin je tedy v daný okamžik vychýlený na stejnou stranu a vznikne tak příčná magnetizace (kolmá na hlavní magnetické pole), kterou můžeme měřit. Když impuls přestane působit, atomy vodíku se začnou vracet do původního postavení a přitom energii, kterou nejprve absorbovaly, zase postupně vyzáří. Tomu se říká fáze relaxace. A v této fázi probíhá měření. Měří se jednak doba, za jak dlouho se nadbytečné antiparalelní atomy vrátí do paralelní polohy, což se projeví jako změny v podélné magnetizaci, a dál se měří změny v příčné magnetizaci, za jak dlouho se atomy opět desynchronizují v precesním pohybu. To závisí hlavně na složení okolní tkáně. Někde se tak atomy začnou o něco opožďovat a někde zrychlovat. Velmi citlivě tak můžeme odlišit tkáně s různým obsahem vody.

Zdroj magnetického pole

V medicíně používané supravodivé cívky chlazené tekutým dusíkem vytvářejí pole obvykle v rozsahu (0,1-3) T. Pro výzkumné účely se však používají i velikosti až 9,4 T, pro pokusy na zvířatech až 21 T. Běžně používané pole o intenzitě 1,5 Tesla je asi 30 000krát silnější než magnetické pole Země. Detekční zařízení musí být co nejblíže k pacientovi, proto vypadá celý přístroj jako tunel o průměru asi 60 cm, do kterého pacient zajíždí na pohyblivém lůžku. Uvnitř tunelu může slyšet hluk připomínající údery kladivem. Je to projev zapínání a vypínání cívek.

Výhoda MRI

Na rozdíl od počítačové tomografie můžeme získat řezy tělem v různých rovinách – díky nastavení příslušného gradientu magnetické indukce. MRI nepoužívá ionizující záření, proto je tato metoda vhodná i u dětí a u těhotných po prvním trimestru. Dosud nebyly pozorovány žádné účinky na biologickou tkáň vystavenou silným magnetům či radiofrekvečním impulsům.