PODROBNÉ VYSVETLENIE TECHNOLÓGIE NUKLEÁRNEJ MAGNETICKEJ REZONANCIE
Nižšie uvedené informácie majú za cieľ poskytnúť technicky zameraným osobám podrobné objasnenie terapeuticky využívanej MBST technológie nukleárnej magnetickej rezonancie, ktorá vývojom nadväzuje na diagnostický technologický princíp zobrazovania magnetickou rezonanciou (MRT), a poukázať na ich spoločné a odlišné prvky.
Na úvod je potrebné zdôrazniť, že bluev rámci MRT (tomografie magnetickou rezonanciou) ani pri MBST terapii nukleárnou magnetickou rezonanciou, nie je ľudské telo vystavené žiadnemu škodlivému žiareniu. MRT prístroje a MBST terapeutické zariadenia namiesto toho využívajú magnety a rádiové signály na krátkodobé merateľné ovplyvnenie atómov vodíka v tele. Na základe týchto zmien je možné pri MRT vytvoriť snímky vnútra tela a vizualizovať nápadné štruktúry v tkanive. V prípade MBST terapie sa tak na molekulárnom biofyzikálnom princípe stimulujú bunky alebo skupiny buniek špecifického druhu tkaniva, čo má za úlohu opäť aktivovať nielen prirodzené regeneratívne procesy, ale aj telu vlastné opravné mechanizmy.
Obidve metódy sú bezbolestné a podľa aktuálneho stavu informácií nijako pacienta nezaťažujú. Pacient procesy prebiehajúce v tele nevníma.
Tomografia nukleárnou magnetickou rezonanciou alebo magnetickou rezonanciou (MRT)
Fyzikálny jav nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) prvýkrát popísali v roku 1946 Felix Bloch a Edward Purcell (Bloch 1946; Purcell et al. 1946): Jadrá atómov, ktoré boli vystavené elektromagnetickému poľu, samé predstavujú merateľný zdroj energie. Za tento objav získali v roku 1952 Nobelovu cenu za fyziku. O 20 rokov neskôr preukázal Lauterbur, že nukleárnu magnetickú rezonanciu je možné využívať na snímkové zobrazenie priestorových štruktúr (Lauterbur 1973). S používaním snímacích metód v medicínskej diagnostike sa začalo až začiatkom 80-tych rokov 19. storočia. Metóda magnetickej rezonančnej tomografie (MRT) znamenala revolúciu v rádiologickej diagnostike.
Princíp pôsobenia MRT
Jadrá atómov s nepárnym počtom nukleónov disponujú vlastnosťou nukleárnej rezonancie, tzn. majú vlastný rotačný impulz (angl.: „spin“). S elektrickým nábojom, ktorý so sebou tento rotačný pohyb prináša, je spojený magnetický moment (µ), keďže pohybujúci sa elektrický náboj vytvára magnetické pole. Pri tejto metóde sa využívajú jadrá atómov vodíka, ktoré so svojim jedným protónom tvoria najjednoduchšie jadro atómu s nepárnym počtom nukleónov. V ľudskom organizme tvoria atómy vodíka s podielom až 70% celkovej hmotnosti tela najčastejšie sa vyskytujúce atómy.
Magnetické pole pri MRT
V prirodzenom prostredí smerujú jadrá atómov svoj magnetický moment do ľubovoľných smerov v priestore. Magnetické vektory jednotlivých atómov sa tým eliminujú a výsledkom je, že nevzniká žiadna zvonka merateľná magnetizácia. To isté platí aj pre atómy vodíka v ľudskom tele.
Ak sa ľudské telo následne vystaví magnetickému poľu, magnetické momenty atómov sa vyrovnajú paralelne alebo antiparalelne podľa siločiar poľa. Uprednostňuje sa pritom paralelná, menej energetická orientácia a výsledkom je netto magnetizácia v smere zvonku pôsobiaceho magnetického poľa. Táto magnetizácia však nie je merateľná zvonku, pretože je možné pozorovať iba zmeny vznikajúce priečne k pôsobiacemu magnetickému poľu.
Magnetický vektor pri MRT
Magnetický vektor je tvorený súčtom paralelne smerujúcich magnetických momentov jednotlivých atómových jadier vodíka a vykazuje rotačný impulz, ktorý vyplýva zo „spinu“ jednotlivých atómov. Tento rotačný impulz zodpovedá krúživému pohybu a definuje sa ako jadrová precesia. Jednotlivé atómy sa odlišujú frekvenciou jadrovej precesie. V prípade vodíka je hodnota ω pri 1,5 Tesla približne 65 Mhz a teda sa nachádza v oblasti rádiových vĺn. Táto frekvencia precesie sa tiež nazýva Larmorova frekvencia alebo rezonančná frekvencia a je proporcionálna k sile pôsobiaceho magnetického poľa (B0). Ak sa existujúci magnetický (súčtový) vektor ovplyvní vonkajšími vplyvmi, zmení sa orientácia vektora, ktorú je možné následne merať zvonku.
Larmorova rovnica popisuje vzájomnú závislosť týchto parametrov: ωo = γ B0
(γ predstavuje gyromagnetický pomer, čo je konštantný proporcionálny faktor špecifický pre každý atóm).
Fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie
Následkom prenosu energie sa zmení stabilná rotačná poloha jadier atómov vodíka. Túto zmenu je možné dosiahnuť dodaním energie zvonka. V rámci MRT sa to dosahuje krátkodobým pôsobením vysokofrekvenčného rádiového impulzu – pulzná nukleárna magnetická rezonancia, ktorý disponuje precesnou frekvenciou jadier atómov vodíka.
Doba relaxácie
Magnetický vektor mení svoju orientáciu v súlade s precesnými pohybmi jadier a v závislosti od trvania impulzu má jeho vychýlenie rozdielnu intenzitu. Po vypnutí impulzu ma rotujúci magnetický vektor tendenciu vrátiť sa do pôvodného, nízkoenergetického stavu v paralelnej orientácii k vonkajšiemu magnetickému poľu. Systém rotujúceho jadra však môže energiu prijatú prostredníctvom rádiového impulzu odovzdať iba do svojho okolia, tzn. „spin-mriežka“ alebo bezprostredne susediacim jadrám. Takzvaná doba relaxácie T1 je miera prepojenia týchto momentov jadier s ich okolitou mriežkou (syn.: doba relaxácie „spin-mriežka“ alebo longitudinálna doba relaxácie). Doba relaxácie T2 (syn.: doba relaxácie Spin-Spin, transverzálna doba relaxácie) vyjadruje silu vzájomného prepojenia magnetických momentov jadier.
Rôzne tkanivá disponujú rôznymi dobami relaxácie T1 a T2 a rôznou hustotou protónov. Aby bolo možné vytvoriť snímky s vysokým kontrastom a snímky rôznych tkanív, musí tomograf magnetickou rezonanciou spraviť snímky s rôznymi nastaveniami. V závislosti od zobrazenia sa tieto snímky označujú ako T1 snímky, T2 snímky alebo snímky vytvorené na základe hustoty protónov. Vďaka tomu je možné rôzne tkanivá rozlíšiť iba na základe ich rôzneho podielu tuku a vody. Na snímkach založených na T1 sú tuk a kostná dreň zobrazené svetlou farbou, vnútorné orgány, telesné tekutiny a kosti sú tmavé. Na snímkach založených na T2 sú tekutiny zobrazené svetlou farbou, tuk a kosti sú tmavé. Na snímkach založených na protónovej hustote je tuk zobrazený svetlou farbou, kvapaliny sú tmavé.
Pozdĺžna relaxácia (T1) tak popisuje proces opätovného vyrovnania, resp. opätovného usporiadania magnetických momentov, pozdĺž siločiar externého magnetické poľa v priebehu času. Transverzálna relaxácia (T2) popisuje proces defázovania atómov, ktoré sa po ožiarení rádiovým impulzom najskôr správajú synchrónne z dôvodu vzájomného pôsobenia jednotlivých magnetických momentov jadier atómov.
Obidva procesy relaxácie (T1 + T2) prebiehajú súčasne a vyplývajú zo vzájomného pôsobenia rotácie jadra s okolitým prostredím a tým tvoria prejavy biofyzikálnych vlastností skúmaného materiálu, čo je možné merať snímacou cievkou magnetickej rezonancie (MRT).
MRT sekvencie
Intenzitu signálu nukleárnej magnetickej rezonancie v určitom okamihu ovplyvňuje sila pôsobiaceho poľa a ďalšie parametre. Vplyv jednotlivých parametrov na signál je možné ovplyvniť zmenou sekvencie merania. Rozdiely špecifické pre dané tkanivo je možné v rámci procesu relaxácie vyrovnať alebo zvýrazniť. Vďaka špeciálnym kódovacím procesom je možné signál spojiť s miestom jeho vzniku a priestorovo ho lokalizovať. Intenzita nameraného signálu je indikovaná hodnotou jasu zobrazovacieho bodu (voxel).
Výkon magnetov pri MRT · Tesla
Magnetický rezonančný tomograf je veľmi veľký prístroj a obsahuje veľmi silný, valcovitý magnet. V súčasnosti používané magnetické rezonančné tomografy zvyčajne disponujú magnetmi so silou poľa 1,5 alebo 3 Tesla a v ojedinelých prípadoch až 7 Tesla a viac (ultra vysokofrekvenčná magnetická rezonančná tomografia). Vyššie hodnoty Tesla znamenajú presnejší prístroj a vyššie rozlíšenie, keďže sa zaznamenáva väčší počet protónov vodíka.
V tejto súvislosti je dôležitá skutočnosť, že pri MRT sa musí pôsobiť na všetky protóny vodíka vo všetkých druhoch tkanív, aby vznikla ostrá snímka s vysokým kontrastom. MBST terapia naopak pôsobí iba na špecifický druh tkaniva, preto si nevyžaduje tak vysoký magnetický výkon, ale presne prispôsobenú silu poľa, aby sa dosiahla stimulácia protónov vodíka v cieľovom tkanive.
ROZDIELY MEDZI MRT A MBST TERAPIOU!
Ako získame kvalitnú MRT snímku a aký vplyv to má na MBST terapiu?
Na MRT snímke chodidla je možné jasne rozlíšiť rôzne detaily, napr. priehlavkový kĺb, holennú kosť, lýtkové svaly, Achillovu šľachu alebo kožu. Táto presnosť detailov sa dosahuje rôznymi MRT sekvenciami a presným vyhodnotením snímok, s cieľom zvýrazniť znaky / rozdiely špecifické pre dané tkanivá na diagnostické účely.
MBST terapii sa používajú pulzné sekvencie za účelom cieleného ovplyvnenia špecifických tkanív, napr. chrupavka. Prostredníctvom MBST technológie nukleárnej magnetickej rezonancie sa liečenému tkanivu, v tomto prípade chrupavkové bunky, odovzdáva energia, čím sa majú aktivovať regeneratívne procesy a opravné mechanizmy.
Sila magnetického poľa, gradienty a z toho vyplývajúce hlučné klopavé zvuky
MRT prístroj je veľmi veľký a vyžaduje si špeciálne tienenú miestnosť. Aby nedošlo k negatívnemu ovplyvneniu kvality snímok, nesmú vyšetrenie rušiť žiadne iné rádiové vlny alebo elektrické prístroje.
MRT prístroj nevystavuje pacienta žiadnemu jednotne silnému magnetickému poľu. Na jednej strane tela je pole silnejšie, na druhej strane slabšie. Z toho vyplýva gradient magnetického poľa, tzn. že dochádza k zachyteniu iba tenkej vrstvy protónov. Ak sa táto vrstva ožiari rádiovými vlnami so zodpovedajúcou Larmorovou frekvenciou, aktivujú sa iba tieto protóny a iba signály z nich sú registrované snímacou cievkou.
Technológia MRT vytvára v priečnom a pravouhlom smere k rovine snímania ďalšie gradienty. Tieto sa delia do stĺpcov a riadkov, ktoré je možné čítať ako tabuľku. Pri každom zapnutí a vypnutí týchto gradientových polí pôsobia na závesoch cievok tzv. „Lorentzove sily“, ktoré spôsobujú klopanie typické pre MRT.
Potrebná sila magnetického poľa a elektrická energia nemusia byť v prípade MBST terapie zďaleka také vysoké, ako pri MRT. Prevádzka MBST terapeutického prístroja je preto takmer nehlučná.
MBST technológia nukleárnej magnetickej rezonancie využíva tzv. „adiabatic fast passage (AFP).“ Je to metóda na zmenu orientácie rotácie jadra a tvorí predpoklad pre nukleárnu magnetickú rezonanciu.
WIKIPEDIA » Opakované sekvencie nukleárnej magnetickej rezonancie na princípe rýchleho adiabatického prechodu umožňujú vytvorenie podmienok nukleárnej magnetickej rezonancie v slabých magnetických poliach. Vďaka tomu sa môžu podmienky nukleárnej magnetickej rezonancie používať aj pri malých a stredných systémoch. Tento postup sa používa v rámci terapie nukleárnou magnetickou rezonanciou. Pri terapii nukleárnou magnetickou rezonanciou sú potrebné tri magnetické polia, ktoré pôsobia v súčinnosti. Prvé je statické hlavné magnetické pole, druhé je modulované magnetické pole smerujúce paralelne k prvému a tretie je striedavé pole, ktoré postačuje pre splnenie Larmorovej podmienky a pôsobí kolmo na predchádzajúce dve polia. Následne sa spustí prechod sily magnetického poľa modulovaného magnetického poľa okolo statického poľa, zatiaľ čo frekvencia zostáva konštantná. V prípade poklesu sily sa aktivuje striedavé pole. Cieľom je korelácia frekvencie modulovaného magnetického poľa s dobou relaxácie „spin-mriežka“. Typické magnetické pole sa vytvára v Helmholtzovej cievke.
MRT · Strach zo stiesnených priestorov a dlhodobé zachovanie polohy
Pri MRT sa pacient vo väčšine prípadov zasunie do trubice a musí počas doby vyšetrenia ležať čo najpokojnejšie. V prípade pohnutia môžu vzniknúť neostré snímky a snímanie je potrebné opakovať. To má za následok, že pacient musí ešte dlhšie zotrvať v MRT prístroji. Pacientom s klaustrofóbiou alebo inými faktormi sa preto často pred snímaním podávajú upokojujúce prostriedky.
MBST terapeutické prístroje disponujú otvorenou konštrukciou, vďaka čomu sa pacient môže počas ošetrenia voľne pohybovať v terapeutickom priestore. Keďže cieľom ošetrenia nie je získanie čo najostrejších snímok, nie je potrebné nehybné ležanie. Pacient môže počas ošetrenia uvoľnene čítať, počúvať hudbu alebo dokonca spať.
Pre záujemcov o techniku ešte niekoľko technických informácií: Výťah z patentových spisov
AKTIVÁCIA METABOLIZMU
Základom pre tento objav bolo zistenie, že pozitívne terapeutické účinky pri terapii magnetickými poľami je možné vysvetliť simuláciou pohybu prostredníctvom signálov nukleárnej magnetickej rezonancie. V rámci ľudského, zvieracieho alebo iného biologického tela sa môžu magnetické momenty, napr. rotačné momenty elektrónov a atómových jadier, orientovať podľa magnetického poľa zeme, čím vytvárajú makroskopickú magnetizáciu. Každý pohyb časti tela má za následok zmenu v smere tejto magnetizácie. Pokiaľ nie je smer magnetizácie paralelný so smerom magnetického poľa zeme, magnetizácia s frekvenciou cca 2 000 Hz vykonáva precesiu v magnetickom poli zeme a v okolitom prostredí indukuje striedavé napätie s rovnakou frekvenciou. Toto indukované napätie je možné merať vonkajšou cievkou, pričom hodnoty sú v oblasti mV. V tele je však toto indukované napätie z dôvodu menších vzdialeností výrazne vyššie. Ľudský nervový systém registruje toto napätie a tým identifikuje pohyb. Následkom toho sa aktivuje metabolizmus, pretože na prácu svalov je potrebná energia.
Z dôvodu rôznych ochorení je obmedzený pohyb pacienta a tým aj jeho metabolizmus. Prostredníctvom tohto inovatívneho zariadenia a postupu sa dosiahne predurčený a cielený smer rotácie (spin), resp. makroskopická magnetizácia v tkanive vyvolaná smerom rotácie. Organizmus sa tým prostredníctvom nukleárnej magnetickej rezonancie vytváranej v tele prirodzeným spôsobom následkom magnetického poľa zeme presvedčí, že dochádza k pohybu, ktorý v skutočnosti nie je reálny. S týmto cieľom vytvára toto inovatívne zariadenie vhodné magnetické polia, ktoré menia orientáciu rotácie (spin) a/alebo magnetizáciu takým spôsobom, že sa simuluje pohyb časti tela nachádzajúcej sa v oblasti ošetrenia.
NUKLEÁRNA MAGNETICKÁ REZONANCIA
Atómové jadrá v tkanive pacienta definujú v magnetických poliach frekvenciu nukleárnej magnetickej rezonancie alebo ju vykazujú. Rezonančná frekvencia pritom súvisí so silou magnetického poľa. Pre atómy vodíka pritom napr. platí rovnica F[kHz]=4,225 B [Gauss], pričom F udáva frekvenciu nukleárnej magnetickej rezonancie v kilohertzoch a B udáva silu magnetického poľa v Gauss.
Frekvencia nukleárnej magnetickej rezonancie má napríklad hodnotu 16,9 kHz pri magnetickom poli so silou 4 Gauss. Druhé zariadenie je prednostne konštruované na vytváranie striedavého poľa. Obidve zariadenia na tvorbu prvého a druhého magnetického poľa pritom tvoria klasické usporiadanie na tvorbu nukleárnej magnetickej rezonancie.
Druhé magnetické pole pritom prednostne osciluje s frekvenciou nukleárnej magnetickej rezonancie, ktorá je definovaná typom častíc, prvkov alebo chemických zlúčenín v tele a ktorá definuje silu prvého magnetického poľa. Preferovaná vyvolaná frekvencia nukleárnej magnetickej rezonancie je medzi 1 kHz až 1 MHz, obzvlášť preferovaná je medzi 2 kHz až 200 kHz a ideálna je v oblasti cca 100 kHz.
V rámci jedného vyhotovenia vynálezu je možné terapeutické pole meniť z časového hľadiska tak, že prostredníctvom časovej zmeny terapeutického poľa dochádza ku zmene smeru rotácie (spin) alebo makroskopickej magnetizácie vytváranej rotáciou tak, že dochádza k simulácii pohybu časti tela nachádzajúcej sa v oblasti ošetrenia.
Prvé magnetické pole prednostne zahŕňa paralelné alebo antiparalelné prekrývanie prednostne konštantného tretieho magnetického poľa, ktoré je prednostne vytvárané pevnými magnetmi alebo feritmi, a prednostne časovo premenlivého štvrtého magnetického poľa, ktoré je prednostne vytvárané pomocnými cievkami priradenými k pevným magnetom. Preferovaná sila tretieho magnetického poľa je pritom v rozmedzí 0,5 Gauss až 500 Gauss, viac preferovaná je hodnota v rozmedzí 10 Gauss až 50 Gauss a ideálny je rozsah 23 Gauss až 24 Gauss.
Štvrté magnetické pole, ktoré tiež možno označiť ako modulačné pole, periodicky osciluje v rozmedzí -10 Gauss až +10 Gauss, prednostne medzi -1 Gauss až +1 Gauss a ideálne medzi -0,5 Gauss až +0,5 Gauss, pričom posledný rozsah približne zodpovedá magnetickému poľu Zeme.
Odborníkovi je následne zrejmé, že tretie magnetické pole vytvára konštantné základné pole a štvrté magnetické pole moduláciu amplitúdy prvého magnetického poľa. Štvrté magnetické pole prednostne popisuje symetrickú trojuholníkovú a „pílovitú“ osciláciu okolo hodnoty 0 Gauss, takže prvé magnetické pole osciluje okolo hodnoty tretieho magnetického poľa alebo konštantného základného poľa. Prvé magnetické pole následne prednostne disponuje trojuholníkovou moduláciou amplitúdy. Matematická podmienka rezonancie je pritom splnená presne vtedy, keď štvrté magnetické pole zmizne.
Sila tretieho magnetického poľa je pritom minimálne 4-,10- alebo 20-násobne väčšia než maximálna sila štvrtého magnetického poľa. Ak sa následne začne vyžarovať druhé magnetické pole v smere kolmom na prvé magnetické pole (striedavé pole) s frekvenciou, ktorá zodpovedá frekvencii nukleárnej magnetickej rezonancie častíc v tkanive v treťom magnetickom poli, zodpovedá to usporiadaniu na aktiváciu takzvaného rýchleho adiabatického prechodu.
Je preferované, ak druhé magnetické pole alebo striedavé pole, vykazuje počas stúpajúcej alebo klesajúcej krivky prvého magnetického poľa rôzne intenzity. Obzvlášť preferované je vyžarovanie druhého magnetického poľa počas klesajúcej krivky prvého magnetického poľa a počas klesajúcej krivky je vypnuté alebo naopak. Tým sa rotácia (spin) alebo makroskopická magnetizácia počas „doby zapnutia“ druhého magnetického poľa adiabaticky vytočí zo smeru základného poľa a v rámci „doby vypnutia“ druhého magnetického poľa sa opäť uvoľní a vráti do pôvodného stavu.
Z toho dôvodu sú frekvencia štvrtého magnetického poľa alebo modulácia amplitúdy prvého magnetického poľa prednostne prispôsobené dobe relaxácie „spin-mriežka“ častíc v tkanive. To má za následok dosiahnutie periódy modulácie prvého magnetického poľa v rozsahu 1 ms až 10 s, preferovaný je rozsah 10 ms až 1 s a obzvlášť preferovaný je rozsah 200 ms. Alternatívne k usporiadaniu pre rýchly adiabatický prechod sa vyžaruje druhé magnetické pole alebo striedavé pole v krátkych impulzoch, napr. takzvaný 90° pulz alebo 180° pulz.
(1) Zdroj · Robert Koch-Institut (Vyd.) (2012) Údaje a fakty: Výsledky štúdie »Zdravie v Nemecku aktuálne 2010«. Príspevky zdravotného spravodajstva Spolku. RKI, Berlín.