Diagnose van artrose: magnetische resonantiebeeldvorming

Magnetic resonance imaging (MRI) is de afgelopen jaren uitgegroeid tot een van de toonaangevende methoden voor niet-invasieve diagnostiek van artrose. Sinds de jaren 70, toen de principes van magnetische resonantie (MR) voor het eerst werden gebruikt om het menselijk lichaam te bestuderen, is deze medische beeldvormingsmethode drastisch veranderd en blijft deze zich snel ontwikkelen.

Technische apparatuur en software worden verbeterd, beeldverwervingsmethoden worden ontwikkeld en MRI-contrastmiddelen worden ontwikkeld. Hierdoor worden voortdurend nieuwe toepassingsgebieden voor MRI gevonden. Was de toepassing aanvankelijk beperkt tot onderzoek van het centrale zenuwstelsel, nu wordt MRI met succes toegepast in bijna alle medische disciplines.

In 1946 ontdekten groepen onderzoekers van de universiteiten van Stanford en Harvard onafhankelijk van elkaar een fenomeen genaamd nucleaire magnetische resonantie (NMR). De essentie ervan was dat de kernen van sommige atomen, die zich in een magnetisch veld bevinden, onder invloed van een extern elektromagnetisch veld, energie kunnen absorberen en deze vervolgens in de vorm van een radiosignaal kunnen uitzenden. Voor deze ontdekking ontvingen F. Bloch en E. Parmel in 1952 de Nobelprijs. Het nieuwe fenomeen werd al snel gebruikt voor spectrale analyse van biologische structuren (NMR-spectroscopie). In 1973 demonstreerde Paul Rautenburg voor het eerst de mogelijkheid om een beeld te verkrijgen met behulp van NMR-signalen. Zo ontstond NMR-tomografie. De eerste NMR-tomogrammen van de inwendige organen van een levend persoon werden in 1982 gedemonstreerd op het Internationaal Congres voor Radiologen in Parijs.

Twee verduidelijkingen zijn nodig. Hoewel de methode gebaseerd is op het NMR-fenomeen, wordt het magnetische resonantie (MR) genoemd, waarbij het woord "nucleair" is weggelaten. Dit wordt gedaan zodat patiënten geen rekening hoeven te houden met radioactiviteit die gepaard gaat met het verval van atoomkernen. En de tweede omstandigheid: MR-tomografen zijn niet per ongeluk "afgestemd" op protonen, oftewel waterstofkernen. Er is veel van dit element in weefsels aanwezig en de kernen ervan hebben het hoogste magnetische moment van alle atoomkernen, wat een vrij hoog MR-signaalniveau bepaalt.

Waren er in 1983 wereldwijd slechts enkele apparaten geschikt voor klinisch onderzoek, begin 1996 waren er wereldwijd ongeveer 10.000 tomografen in gebruik. Elk jaar worden er 1000 nieuwe apparaten in de praktijk geïntroduceerd. Meer dan 90% van het park MR-tomografen bestaat uit modellen met supergeleidende magneten (0,5-1,5 T). Het is interessant om op te merken dat, terwijl de bedrijven - fabrikanten van MR-tomografen - zich halverwege de jaren 80 lieten leiden door het principe "hoe hoger het veld, hoe beter", en zich richtten op modellen met een veldsterkte van 1,5 T en hoger, tegen het einde van de jaren 80 duidelijk werd dat ze in de meeste toepassingsgebieden geen significante voordelen hadden ten opzichte van modellen met een gemiddelde veldsterkte. Daarom besteden de belangrijkste fabrikanten van MR-tomografen (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker, enz.) momenteel veel aandacht aan de productie van modellen met gemiddelde en zelfs lage velden. Deze onderscheiden zich van systemen met hoge velden door hun compactheid en zuinigheid, maar bieden ook een bevredigende beeldkwaliteit en aanzienlijk lagere kosten. Systemen met hoge velden worden voornamelijk gebruikt in onderzoekscentra voor MR-spectroscopie.

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

Principe van de MRI-methode

De belangrijkste onderdelen van een MRI-scanner zijn: een supersterke magneet, een radiozender, een ontvangende radiofrequentiespoel, een computer en een bedieningspaneel. De meeste apparaten hebben een magnetisch veld met een magnetisch moment parallel aan de lengteas van het menselijk lichaam. De magnetische veldsterkte wordt gemeten in tesla (T). Voor klinische MRI worden velden met een sterkte van 0,2-1,5 T gebruikt.

Wanneer een patiënt in een sterk magnetisch veld wordt geplaatst, draaien alle protonen, die magnetische dipolen zijn, in de richting van het externe veld (zoals een kompasnaald die gericht is op het aardmagnetisch veld). Bovendien beginnen de magnetische assen van elk proton te roteren rond de richting van het externe magnetische veld. Deze specifieke rotatiebeweging wordt processie genoemd en de frequentie ervan wordt resonantiefrequentie genoemd. Wanneer korte elektromagnetische radiofrequentiepulsen door het lichaam van de patiënt worden gestuurd, zorgt het magnetische veld van de radiogolven ervoor dat de magnetische momenten van alle protonen roteren rond het magnetische moment van het externe veld. Hiervoor moet de frequentie van de radiogolven gelijk zijn aan de resonantiefrequentie van de protonen. Dit fenomeen wordt magnetische resonantie genoemd. Om de oriëntatie van de magnetische protonen te veranderen, moeten de magnetische velden van de protonen en de radiogolven resoneren, d.w.z. dezelfde frequentie hebben.

Er ontstaat een netto magnetisch moment in de weefsels van de patiënt: de weefsels worden gemagnetiseerd en hun magnetisme is strikt parallel aan het externe magnetische veld georiënteerd. Het magnetisme is evenredig met het aantal protonen per volume-eenheid weefsel. Het enorme aantal protonen (waterstofkernen) in de meeste weefsels betekent dat het netto magnetische moment groot genoeg is om een elektrische stroom te induceren in een ontvangende spoel buiten de patiënt. Deze geïnduceerde MRI-signalen worden gebruikt om het MRI-beeld te reconstrueren.

Het proces waarbij de elektronen van de kern van de aangeslagen toestand naar de evenwichtstoestand overgaan, wordt spin-roosterrelaxatie of longitudinale relaxatie genoemd. Het wordt gekenmerkt door T1 - de spin-roosterrelaxatietijd - de tijd die nodig is om 63% van de kernen na excitatie door een 90°-puls in de evenwichtstoestand te brengen. T2 - de spin-spinrelaxatietijd - wordt ook onderscheiden.

Er bestaan verschillende methoden voor het maken van MR-tomogrammen. Deze verschillen in de volgorde en aard van de generatie van radiofrequentiepulsen en de methoden voor de analyse van MR-signalen. De twee meest gebruikte methoden zijn spin-lattice en spin-echo. Spin-lattice analyseert voornamelijk de T1-relaxatietijd. Verschillende weefsels (grijze en witte stof in de hersenen, hersenvocht, tumorweefsel, kraakbeen, spieren, enz.) bevatten protonen met verschillende T1-relaxatietijden. De intensiteit van het MR-signaal is gerelateerd aan de duur van T1: hoe korter de T1, hoe intenser het MR-signaal en hoe helderder het betreffende gebied van het beeld op de tv-monitor verschijnt. Vetweefsel is wit op MR-tomogrammen, gevolgd door de hersenen en het ruggenmerg, dichte inwendige organen, vaatwanden en spieren in aflopende volgorde van MR-signaalintensiteit. Lucht, botten en verkalkingen produceren praktisch geen MR-signaal en worden daarom in zwart weergegeven. Deze T1-relaxatietijdrelaties creëren de voorwaarden voor het visualiseren van normale en veranderde weefsels op MRI-scans.

Bij een andere MRI-methode, spin-echo genaamd, wordt een reeks radiofrequente pulsen op de patiënt gericht, waardoor de precesserende protonen 90° roteren. Nadat de pulsen zijn gestopt, worden de respons-MRI-signalen geregistreerd. De intensiteit van het responssignaal is echter anders gerelateerd aan de duur van T2: hoe korter de T2, hoe zwakker het signaal en dus hoe minder helder de gloed op het tv-scherm. De uiteindelijke MRI-foto met de T2-methode is dus het tegenovergestelde van die met de T1-methode (omdat een negatief het tegenovergestelde is van een positief).

MRI-tomografieën geven weke delen beter weer dan CT-scans: spieren, vetlagen, kraakbeen en bloedvaten. Sommige apparaten kunnen beelden van bloedvaten produceren zonder contrastmiddel te injecteren (MRI-angiografie). Door het lage watergehalte in botweefsel creëert botweefsel geen afschermend effect, zoals bij röntgen-CT-scans, d.w.z. het verstoort de beelden van bijvoorbeeld het ruggenmerg, de tussenwervelschijven, enz. niet. Waterstofkernen bevinden zich natuurlijk niet alleen in water, maar in botweefsel zijn ze gefixeerd in zeer grote moleculen en dichte structuren en verstoren ze MRI-beelden niet.

Voor- en nadelen van MRI

De belangrijkste voordelen van MRI zijn onder meer de niet-invasiviteit, onschadelijkheid (geen blootstelling aan straling), de driedimensionale beeldvorming, het natuurlijke contrast van bewegend bloed, de afwezigheid van artefacten van botweefsel, de hoge differentiatie van zachte weefsels en de mogelijkheid om MP-spectroscopie uit te voeren voor in-vivo-onderzoek naar weefselmetabolisme. MRI maakt het mogelijk om beelden te maken van dunne lagen van het menselijk lichaam in elke doorsnede - in het frontale, sagittale, axiale en schuine vlak. Het is mogelijk om volumetrische beelden van organen te reconstrueren en de opname van tomogrammen te synchroniseren met de tanden van een elektrocardiogram.

De belangrijkste nadelen zijn doorgaans de relatief lange tijd die nodig is om beelden te verkrijgen (meestal minuten), wat leidt tot het optreden van artefacten van ademhalingsbewegingen (dit vermindert met name de effectiviteit van longonderzoek), aritmieën (bij hartonderzoek), het onvermogen om stenen, verkalkingen en sommige soorten botpathologie betrouwbaar te detecteren, de hoge kosten van de apparatuur en de bediening ervan, speciale eisen aan de ruimtes waarin de apparaten zich bevinden (afscherming tegen interferentie), het onvermogen om patiënten met claustrofobie te onderzoeken, kunstmatige pacemakers en grote metalen implantaten van niet-medische metalen.

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

Contrastmiddelen voor MRI

Aan het begin van het gebruik van MRI werd gedacht dat het natuurlijke contrast tussen verschillende weefsels de noodzaak van contrastmiddelen elimineerde. Al snel werd ontdekt dat het signaalverschil tussen verschillende weefsels, oftewel het contrast van de MRI-afbeelding, aanzienlijk kon worden verbeterd met contrastmiddelen. Toen het eerste MR-contrastmiddel (met paramagnetische gadoliniumionen) commercieel beschikbaar kwam, nam de diagnostische informatie van MRI aanzienlijk toe. De essentie van het gebruik van MR-contrastmiddelen is het veranderen van de magnetische parameters van weefsel- en orgaanprotonen, d.w.z. het veranderen van de relaxatietijd (TR) van T1- en T2-protonen. Tegenwoordig bestaan er verschillende classificaties van MR-contrastmiddelen (of beter gezegd contrastmiddelen - CA).

Afhankelijk van het overheersende effect op de relaxatietijd wordt MR-KA onderverdeeld in:

• T1-CA, die de T1 verkorten en daardoor de intensiteit van het weefsel-MP-signaal verhogen. Ze worden ook wel positieve CA genoemd.
• T2-CA's die de T2 verkorten, waardoor de intensiteit van het MR-signaal afneemt. Dit zijn negatieve CA's.

Afhankelijk van hun magnetische eigenschappen worden MR-CA onderverdeeld in paramagnetisch en superparamagnetisch:

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

Paramagnetische contrastmiddelen

Paramagnetische eigenschappen worden waargenomen door atomen met één of meer ongepaarde elektronen. Dit zijn magnetische ionen van gadolinium (Gd), chroom, nikkel, ijzer en mangaan. Gadoliniumverbindingen hebben de breedste klinische toepassing gekend. Het contrasterende effect van gadolinium is te danken aan de verkorting van de relaxatietijd T1 en T2. Bij lage doses overheerst het effect op T1, waardoor de signaalintensiteit toeneemt. Bij hoge doses overheerst het effect op T2, waardoor de signaalintensiteit afneemt. Paramagneten worden tegenwoordig het meest gebruikt in de klinische diagnostische praktijk.

Superparamagnetische contrastmiddelen

Het dominante effect van superparamagnetisch ijzeroxide is de verkorting van de T2-relaxatie. Bij toenemende dosis neemt de signaalintensiteit af. Ferromagnetische CA's, waaronder ferromagnetische ijzeroxiden die qua structuur vergelijkbaar zijn met ^{magnetietferriet} ( _Fe₂⁺ OFe₂₂₀ _...

De volgende classificatie is gebaseerd op de farmacokinetiek van CA (Sergeev PV et al., 1995):

• extracellulair (weefsel-niet-specifiek);
• maag-darmkanaal;
• organotropisch (weefselspecifiek);
• macromoleculaire, die gebruikt worden om de vasculaire ruimte te bepalen.

In Oekraïne zijn vier MR-CA's bekend, namelijk extracellulaire, wateroplosbare paramagnetische CA's, waarvan gadodiamide en gadopentetinezuur veel worden gebruikt. De overige CA-groepen (2-4) worden momenteel in het buitenland klinisch onderzocht.

Extracellulaire wateroplosbare MR-CA

Internationale naam	Chemische formule	Structuur
Gadopentetisch zuur	Gadolinium dimeglumine diethyleentriamine penta-acetaat ((NMG)2Gd-DTPA)	Lineair, ionisch
Gadoteerzuur	(NMG)Gd-DOTA	Cyclisch, ionisch
Gadodiamide	Gadoliniumdiethyleentriaminepentaacetaat-bis-methylamide (Gd-DTPA-BMA)	Lineair, niet-ionisch
Gadoteridol	Gd-HP-D03A	Cyclisch, niet-ionisch

Extracellulair CA wordt intraveneus toegediend, wordt voor 98% via de nieren uitgescheiden, dringt niet door de bloed-hersenbarrière, heeft een lage toxiciteit en behoort tot de groep paramagnetische stoffen.

Contra-indicaties voor MRI

Absolute contra-indicaties zijn aandoeningen waarbij het onderzoek een bedreiging vormt voor het leven van de patiënt. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van implantaten die elektronisch, magnetisch of mechanisch worden geactiveerd - dit zijn voornamelijk kunstmatige pacemakers. Blootstelling aan radiofrequente straling van een MRI-scanner kan de werking van een pacemaker die in het aanvraagsysteem werkt verstoren, omdat veranderingen in magnetische velden de hartactiviteit kunnen imiteren. Magnetische aantrekkingskracht kan er ook toe leiden dat de pacemaker in zijn holte verschuift en de elektroden bewegen. Bovendien creëert het magnetische veld obstakels voor de werking van ferromagnetische of elektronische middenoorimplantaten. De aanwezigheid van kunstmatige hartkleppen is gevaarlijk en vormt alleen een absolute contra-indicatie bij onderzoek op MRI-scanners met hoge velden en als er klinisch vermoeden is van beschadiging van de klep. Absolute contra-indicaties voor het onderzoek zijn ook de aanwezigheid van kleine metalen chirurgische implantaten (hemostatische clips) in het centrale zenuwstelsel, omdat hun verplaatsing door magnetische aantrekkingskracht bloedingen kan veroorzaken. Hun aanwezigheid in andere lichaamsdelen vormt minder een bedreiging, omdat fibrose en inkapseling van de klemmen na de behandeling helpen om ze stabiel te houden. Naast het potentiële gevaar veroorzaakt de aanwezigheid van metalen implantaten met magnetische eigenschappen echter sowieso artefacten die de interpretatie van de resultaten van het onderzoek bemoeilijken.

Contra-indicaties voor MRI

Absoluut:	Relatief:
Pacemakers	Andere stimulerende middelen (insulinepompen, zenuwstimulatoren)
Ferromagnetische of elektronische middenoorimplantaten	Niet-ferromagnetische implantaten voor het binnenoor, hartklepprothesen (bij hoge frequenties, indien er een vermoeden van disfunctie bestaat)
Hemostatische clips van hersenvaten	Hemostatische clips op andere locaties, gedecompenseerd hartfalen, zwangerschap, claustrofobie, behoefte aan fysiologische monitoring

Relatieve contra-indicaties, naast de hierboven genoemde, zijn onder meer gedecompenseerd hartfalen en de noodzaak van fysiologische monitoring (mechanische beademing, elektrische infuuspompen). Claustrofobie vormt in 1-4% van de gevallen een belemmering voor het onderzoek. Dit kan enerzijds worden overwonnen door apparaten met open magneten te gebruiken, anderzijds door een gedetailleerde uitleg over het apparaat en het verloop van het onderzoek. Er zijn geen aanwijzingen voor een schadelijk effect van MRI op het embryo of de foetus, maar het wordt aanbevolen om MRI te vermijden in het eerste trimester van de zwangerschap. Het gebruik van MRI tijdens de zwangerschap is geïndiceerd in gevallen waarin andere niet-ioniserende diagnostische beeldvormingsmethoden onvoldoende informatie opleveren. MRI-onderzoek vereist meer patiëntparticipatie dan computertomografie, omdat patiëntbewegingen tijdens het onderzoek een veel grotere invloed hebben op de beeldkwaliteit. Hierdoor is het onderzoek van patiënten met acute pathologie, bewustzijnsvermindering, spastische aandoeningen, dementie en kinderen vaak moeilijk.

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