Jak naskenovat člověka

Viděli jste někdy přistroj pro vyšetřování magnetickou rezonancí? A lekli jste se? Není divu, velká hučící a bušící krabice s tunelem uprostřed důvěru nevzbuzuje. Jenže je to nejdokonalejší metoda snímkování lidského těla, která nemá absolutně žádné vedlejší účinky a čeká ji velká budoucnost. Viděli jste někdy přistroj pro vyšetřování magnetickou rezonancí? A lekli jste se? Není divu, velká hučící a bušící krabice s tunelem uprostřed důvěru nevzbuzuje. Jenže je to nejdokonalejší metoda snímkování lidského těla, která nemá absolutně žádné vedlejší účinky a čeká ji velká budoucnost.

Představte si město  z výšky, pod vámi září tisíce světel v ulicích. Jenže to není město, ale tkáň a nejsou to světla, ale atomy. Pojďme na výpravu do prostoru lidského těla.

Před cestou za fyzikou

Vydáme se do hloubi lidské tkáně a do hloubi samého skeneru, jak také budeme přístroj pro vyšetření magnetickou rezonancí nazývat. Ale nejprve si povězme, co magnetická rezonance (MR) či nukleární MR (NMR) znamená pro lékařství, především pro diagnostikování poruch a nemocí. Na snímcích z MR jednoznačně určíte roztroušenou sklerózu, nádory mozku, poruchy míchy, záněty šlach, uvidíte poruchy vazů, kloubních pouzder, páteřních plotének, určíte velikost cyst, rozpoznáte mozkovou cévní příhodu ještě před jejím vypuknutím. Přístroj prozkoumá váš cévní systém. Suma sumárum: na každém z nás by se něco našlo. MR skener umí rozřezat vaše tělo na milimetrové plátky, obdivuhodné je, že tyto plátky mohou vést podél kterékoli osy (viz. obrázek). Skener rozpozná zdravou tkáň od nemocné, počítač pak z plátků sestaví trojrozměrný obraz části těla a postižená místa vybarví. Velmi rychlé otevřené MR skenery umí pohybová vyšetření – lékař „v přímém přenosu“ sleduje, co se děje ve vašem koleni, když ho ohýbáte. Pokrok zaznamenala funkční vyšetření mozku.

Neustálý vývoj

Magnetická rezonance prochází překotným vývojem. MR skener původně zabíral celou místnost, která byla vlastně Faradayovou klecí, čili byla odstíněna od jakéhokoliv rušivého elektromagnetického vlnění. Nyní je to kvádr umístěný v odstíněné místnosti. U starších modelů pacient do přístroje zajede celý, tunel jednoho nového stroje však měří pouze 1,6 m, na obou stranách je navíc kónický otvor, který se ze 110 cm zužuje na 60 cm. Samotná trubice je tedy ještě kratší. Výpočetní výkon současných počítačů obrovsky urychlil tvorbu snímků a jejich kvalitu. 3. června 1977 vznikl první snímek vytvořený magnetickou rezonancí. Jeho generování trvalo pět hodin a z pohledu dnešních lékařů byl snímek prakticky nečitelný. Přesto to byl fenomenální úspěch, pánové Raymond Damadian, Larry Minkoff a Michael Goldsmith na tuto chvíli čekali sedm let, svému stroji začali říkat „Nezkrotný“.

Principy technologie

Nukleární magnetická rezonance je velmi složitá, složité jsou její teoretické principy, spletitá je i technologie, která je aplikuje. MR je jedním z vrcholů vědeckotechnického snažení člověka na začátku 21. století. Existuje mnoho typů skenerů pro provádění MR, více se o nich dozvíte v rámečku. Všem typům přístrojů je společné vyzařování velmi silného a homogenního magnetického pole. Pojďme si ukázat nástin toho nejpodstatnějšího. MR je neinvazivní (nepoškozující) zobrazovací metoda, která pracuje na principu magnetismu a radiofrekvenční energie. To byla definice, která vám nic neřekne. Začneme od lesa. Tedy vlastně od masa.

Hlavní hrdina: proton vodíku

Lidské tělo se skládá z různých tkání, tkáně z různých prvků. Naše tělo je ze dvou třetin tvořeno vodou, proto je voda v každé tkáni zastoupena. MR pracuje pouze s tkáněmi, v nichž je voda, potažmo vodík. Jak totiž víme ze školy, molekula vody se skládá z atomu vodíku a dvou atomů kyslíku. Jádro vodíku tvoří jediný proton. Tento proton velmi rychle rotuje, kombinace náboje protonu a jeho rychlé rotace vytváří magnetické pole. Díky svému magnetickému poli má proton vodíku silný magnetický moment. Znamená to, že pokud se proton ocitne ve vnějším magnetickém poli, orientuje se jeho magnetického pole rovnoběžně se siločárami vnějšího pole. Proton se navíc otáčí kolem osy – vykonává precesní pohyb. Představte si roztočenou káču: její tělo se točí (rotace protonu a její hlavní důsledek – magnetický moment) a navíc ve svém pohybu rotuje kolem pomyslné vertikální osy (to je precesní pohyb). Pokud položíme člověka do silného homogenního magnetického pole, mají všechny atomy vodíku v jeho těle osu precesního pohybu rovnoběžnou s vnějším magnetickým polem. Proč? Protony se díky svému magnetickému momentu poli přizpůsobily. Jakoby se káča najednou netočila na zemi, ale třeba na stěně. Některý atom ovšem srovná svou osu po směru vnějšího pole, jiný proti směru. Magnetická pole takového páru protonů se navzájem vyruší. Magnetická rezonance může pracovat jen s těmi atomy-solitéry, které svoje magnetické pole navzájem nevyrušily. Na milión atomů je jich jen několik, přesto to stačí k dokonalému snímkování lidských tkání. Pojďme si situaci představit, doslova se vzneseme nad lidskou tkáň. Skener ji vidí, jako když z letadla vidíme světla města. Díky světlům známe obrysy jednotlivých čtvrtí. A světla jsou ony atomy-solitéry. Ještě jednodušeji: jsou to jednotlivé magnetky v těle, které silné magnetické pole hlavního magnetu donutilo, aby se orientovaly určitým směrem. A skener je nějakým způsobem vidí. Jak to, že je „vidí“?

RF čili Jádro pudla

„Očima skeneru“ jsou impulsy radiofrekvenční energie (RF). Není to nic jiného, než rádiové vlny, které denně používáte, když si pouštíte rádio, televizi, zapínáte mobil. Však také MR skener má vysílací i přijímací antény. Obě úlohy zastávají speciální cívky, umisťují se co nejblíže tělu pacienta. Každý skener má ve své výbavě zádové cívky, hlavové cívky (na hlavu vám nasadí jakýsi „koš“), ale existují také třeba kolenní cívky. Cívky-antény tedy vysílají RF vlny o specifické frekvenci, jejich energii atomy vodíku absorbují. Vysílání donutí atomy vykonávat precesní pohyb v určité jiné frekvenci a v určitém jiném vektoru. Když cívky přestanou vysílat, vrací se vektory atomů do původní polohy (nutí je k tomu silné vnější magnetické pole) a právě v této chvíli atomy vyzáří absorbovanou energii. Tkáň na chvíli „zasvítí“ jako ono město – atomy vysílají „rezonanční vlny“, podle této fáze byla technologie pojmenována. Toto „slabé světlo“ – ve skutečnosti neuvěřitelné množství neuvěřitelně slabých vysokofrekvenčních signálů – zachytí cívky, které se z vysílacích antén staly anténami přijímacími. Tento proces se periodicky opakuje jednou za 100 až 200 milisekund.

Kdepak je atom?

Ke snímkování dochází jen v malém úseku tunelu, tam, kde je magnetické pole nejsilnější a nejvíce homogenní. Stůl, na němž pacient leží, je také proto posuvný. Na začátku jsme řekli, že MR umí dělat jakkoliv orientované řezy lidským tělem. Jak je to možné? V onom úseku tunelu, kde se snímkuje, není totiž magnetické pole tak úplně homogenní. Je v osách x, y a z jemně vychýlené. Toto přesně vypočítané vychýlení zajišťují další zdroje magnetického pole, tzv. gradientní cívky. Systém tedy do výpočtu energie, kterou atomy „vyzáří“ při návratu do původní polohy, musí započítat strojem danou odchylku. Ta ovšem umožňuje každý jednotlivý atom přesně lokalizovat. A záleží jen na lékaři, v jakém řezu bude pole vychýleno a jaký „plátek těla“ se bude skenovat.

Tajemství

Prošli jsme si fyzikální část procesu. Pokud byste si v tuto chvíli nechali zobrazit nezpracovaná data za stroje, viděli byste jen shluk teček podobný rozsypané soli. Nyní totiž nastupuje „drsná“ matematika a „hrubý“ výpočetní výkon. Pomocí Fourierovy transformace a dalších operací se v počítačích tvoří reálný obraz lidské tkáně. Jednotlivé řezy se poté přenesou na fotografický materiál, až tyto velké listy prohlíží lékař, řez po řezu vidí postižené místo a určuje diagnózu. Magnetická rezonance pomohla a pomáhá miliónům lidí. Včasné určení diagnózy znamená včasný zásah a záchranu či prodloužení života. Smekněme klobouk nad prací vědců minulých i současných. A nad tisíci hodin práce, které je teprve čekají: jedná se totiž o nejperspektivnější technologii snímkování „prostoru lidského těla“.

Síla pole a supravodivé cívky

Síla hlavního magnetické pole skeneru je velmi důležitá. Běžně se pracuje s přístroji, které mají od 1 do 3 Tesla. Tesla (T) je jednotka magnetické indukce, jinou jednotkou je gauss (1 T=10 000 gauss). Síla je to obrovská , pro srovnání – Země má magnetické pole 0,5 gaussu!

Otevřené a uzavřené skenery

Principy MR jsou u na všech přístrojích stejné. Existují ale dva hlavní typy skenerů, které se od sebe výrazně liší vyzařovaným magnetickým polem – čím je pole silnější, tím rychleji, zhruba řečeno, přístroj skenuje. Uzavřené rezonance jsou ony dobře známé tunely. Magnetické pole se v nich generuje velmi zajímavým způsobem. Pacient vlastně zajíždí do hermeticky uzavřené „termosky“. Ve stěnách kolem vás však není čaj, ale hélium v tekutém stavu. Aby hélium udrželo kapalné skupenství, musí se teplota v termosce blížit absolutní nule (tj. 0 Kelvinů čili –273,15 °C). Proč taková zima? Cívka, která vytváří hlavní magnetické pole, je totiž vytvořena z drátu ze supravodivého materiálu. Určité kovy se za vysokého podchlazení stávají supravodivými. Jinak řečeno: nemají žádný elektrický odpor. Důsledek to má velmi jednoduchý: po instalaci přístroje se cívka zvláštním postupem nabije, pak se zdroj proudu odpojí. Ve skeneru potom obíhá proud donekonečna, přístroj se stal trvalým silným magnetem. Musí se jen doplňovat hélium. Je to velmi ekonomický způsob vytváření magnetického pole. Díky němu se výrazně zmenšila hmotnost skenerů, 8 tunová monstra nahrazují 3 až 4 tunoví drobečci. U druhého typů skenerů – u skenerů otevřených – je právě váha a výrazně vyšší spotřeba proudu problémem. V otevřené MR najdete starý, poctivý elektromagnet. Aby dosáhl dostatečně silného pole, musí být velmi velký. A těžký. Představte si, že otevřená rezonance o síle pouhých 0,6 T váží 36 tun. Otevřených skenery jsou však nezastupitelné při pohybových (kinematických) vyšetřeních krční páteře, kloubů aj.

Kdo může do MR skeneru?

Do místnosti, kde přístroj stojí, se nesmí vcházet s kovovými předměty. Supravodivá cívka je trvalý magnet, je možné vypnout ji jen v nouzi. Z kyslíkové láhve by se stal projektil, nůžky, které by pole vytáhlo doktorovi z kapsy, by mohly ošklivě zranit pacienta ležícího v tunelu. A nejen to. I kancelářská sponka, která spadne do přístroje, nebo mince přilepená na jeho stěně výrazně zhorší homogenitu pole uvnitř skeneru.

Vyšetření nemohou podstoupit

lidé s kardiostimulátory
lidé s kovovými implantáty, které nejsou fixovány v tkáni

těhotné ženy (vliv pole na plod nebyl zcela prozkoumán)
lidé trpící klaustrofobií

lidé citliví na hluk
nadměrně objemní lidé

Výhody MR
Nemá vedlejší účinky (na rozdíl od CT, počítačové tomografie). Velmi silné pole nad 7 T ovlivňuje periferní nervy, ovšem pouze dočasně. Možnost různých prostorových řezů, CT umí jen axiální řez; pomocí CT zase můžete snímkovat kosti, pro MR jsou nepřístupné (malé procento vody).

Trendy a budoucnost

Zesilování pole:
Klinicky jsou odzkoušeny skenery o síle 6 T, experimentuje se s přístroji 12 T.

Chytré antény:
Moderní cívky-antény umějí tzv. paralelní skenování. Je v nich více samostatných cívek, které skládají obraz buď mnohem rychleji, nebo v mnohem vyšším rozlišení.

Funkční vyšetření:
Na rychlých strojích (až 860 obrázků za vteřinu) lékař sleduje třeba reakce mozku na světlo či postupné rozšiřování kontrastní látky v žilním systému. Ve chvíli, kdy je zapotřebí detailně sledovat reakce zkoumaného orgánu, se přístroj přepne do pomalejšího zobrazení ve vysokém rozlišení.

Malé skenery a mikrosnímkování:
Již existují malé a silné přístroje pro skenování kloubů (na ruku či nohu se jen nasunou). Vyvíjejí se mikroskenery – přiložením maličkého přístroje lze snímat třeba oční pozadí, bradavky, kůži.

Intervenční skenování:
Budoucností MR jsou spojená pracoviště, v nichž lékař po zásahu do těla okamžitě kontroluje výsledný efekt. Pokud se najdou vhodné neferomagnetické materiály, bude se operovat přímo pod dohledem MR skeneru.

Nobelova cena za rok 2003
Objev principu MR je více než 70 let starý. V roce 1952 dostali Nobelovu cenu dva fyzici, kteří objasnili chování atomů v silném magnetickém poli. V sedmdesátých letech se začala provádět analýza chemické struktury látek (spektroskopie), až od roku 1977 se datují první pokusy snímkování pomocí MR. Již před více než deseti lety se horečně hledal kandidát na Nobelovu cenu za přínos pro MR. Udělení ceny v roce 1991 Richardu R. Ernstovi, fyzikálnímu chemikovi ze Švýcarska, však neuspokojilo všechny. Jedni tvrdili, že oblast MR je tím pokryta, druzí říkali, že došlo jen k částečnému ocenění vědeckého úsilí. Rok 2003 přinesl konečně uznání. Kandidátů bylo více, jedním z nich byl i R. Damadian, tvůrce prvního skeneru pojmenovaného „Nezkrotný“. Cenu za medicínu a fyziologii si nakonec rozdělili prof. Paul C. Lauterbur (1929), který objevil možnost kódování prostorové informace do signálu MR a Sir Peter Mansfield (1933), který odhalil možnosti matematické analýzy magnetických signálů.

Počty skenerů, ceny, výrobci

Odhaduje se, že ve světě je celkem 22 000 pracovišť, v nich lékaři vykonají na 60 mil. vyšetření. U nás je asi 20 pracovišť, jedno z prvních bylo v Motole, ve Všeobecné fakultní nemocnici, moderní skenery najdete v Rychnově nad Kněžnou, vbrzku ve Zlíně. Přístroje jsou velmi drahé. Skener o síle 1,5 T se standardní výbavou (základní typy cívek) stojí 50 až 60 miliónů korun, za jedno vyšetření pojišťovna zaplatí kolem 5 000 Kč. Nejvíce jsou v Česku zastoupeny rezonance od Siemensu, u nás také najdete skenery od General Electric (ve světovém měřítku největší výrobce), od Philipsu (jako první uvedl malé a lehké skenery kolem 3 tun, je nejdále v technologii paralelního skenování). Obchod s magnetickými rezonancemi je v posledních 20 letech jedním z nejlukrativnějších odvětví obchodu s lékařskou elektronikou.

Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Fototapety do ložnice pro pohodový relax

Fototapety do ložnice pro...

O faktu, že každý člověk potřebuje dostatečné množství spánku, není nutné...
Zamiřte do Afriky s Hanzelkou a Zikmundem

Zamiřte do Afriky s Hanzelkou a...

ZOO Dvůr Králové zve návštěvníky na výstavu H + Z v Africe....
Na jižní pól za pomoci obnovitelné energie

Na jižní pól za pomoci...

Obnovitelná energie, toto spojení slyšíme čím dál víc. A aby toho nebylo...
Dvorským drilům se daří

Dvorským drilům se daří

Chovu drilů černolících, vzácného druhu afrických primátů, se...
Dny geografie 20. – 24. listopadu 2017

Dny geografie 20. – 24....

Přijďte se setkat s předními odborníky, vyzkoušet si jejich práci a...
Roboti a UI

Roboti a UI

Program v hlavní budově festivalu Akademie věd ČR v Praze na Národní třídě...
Nanotechnologie – mocný sluha, nebo zlý pán?

Nanotechnologie – mocný sluha,...

Čtvrtým dnem pokračuje Týden vědy a techniky AV ČR. V hlavní budově v...
Je levnější topit elektřinou nebo plynem? Porovnání kotlů na vytápění

Je levnější topit elektřinou nebo...

České domácnosti vydají 2/3 celkem spotřebované energie za vytápění....
Mezinárodní den radiologie.

Mezinárodní den radiologie.

Německý vědec Wilhelm Conrad Röntgen 8. listopadu 1895 ve würzburgské pracovně...
Medicína se zaměřením na civilizační choroby

Medicína se zaměřením na...

Festival Týden vědy a techniky AV ČR dnes pokračuje třetí den medicínským...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Unikátní žebříček: 15 nejinteligentnějších celebrit!

Unikátní žebříček: 15...

Některé hollywoodské hvězdy plní titulky novin svými skandály, jiné...
Může Česko zasáhnout ničivé zemětřesení?

Může Česko zasáhnout ničivé...

Na přelomu let 1985 a 1986 zasáhl zemětřesný roj Chebsko. Nejsilnější otřes dosáhl...
Vrah Anders Breivik: Jak se mu žije v luxusním vězení?

Vrah Anders Breivik: Jak se mu žije...

Ulicí Grubbegata ve čtvrti Regjeringskvartalet v Oslu otřese exploze. Je 15.25...
Měl být prezident Edvard Beneš unesen?

Měl být prezident Edvard Beneš...

Komunistický převrat v roce 1948 znamenal pro Československo 40 let politického,...
Podzimní a zimní „epidemie“ nemocí je tu! Jak se s ní vypořádat?

Podzimní a zimní „epidemie“ nemocí...

Sychravé podzimní počasí je v plném proudu a nese s sebou nejen stesk po...
Tajemná Zdislava z Lemberka: Léčila pomocí zázračné vody?

Tajemná Zdislava z Lemberka: Léčila...

Kolem dcery šlechtice Přibyslava z Křižanova se shromáždí zástup chudiny. „Paní,...
Pornografie: Motor technologických inovací!

Pornografie: Motor...

Ať se to někomu líbí, či nikoliv, pornografie byla a je jedním z fenoménů,...
Spojené státy americké: Proč se nechtěly plést do válek v Evropě?

Spojené státy americké: Proč se...

USA vůbec nemají chuť se zapojovat do 1. světové války. Prezident Wodrow Wilson...
Robert Downey Jr není jen Iron Man: Slavný herec umí také fantasticky zpívat!

Robert Downey Jr není jen Iron Man:...

Robert Downey Jr (*1965) patří k nejznámějším hercům...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.