Бесплатный фрагмент - Особенности проведения магнитно-резонансной томографии у пациентов с имплантами и металлоконструкциями

РЕЦЕНЗЕНТЫ

Синицын Валентин Евгеньевич — доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой лучевой диагностики и терапии МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий отделом лучевой диагностики МНОЦ МГУ им. М. В. Ломоносова

Буренчев Дмитрий Владимирович — доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделением рентгенодиагностических и радионуклидных методов исследования ГБУЗ «ГКБ им. А. К. Ерамишанцева ДЗМ»

Сергуладзе Сергей Юрьевич – доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделением хирургического лечения тахиаритмий, врач сердечно-сосудистый хирург ФГБУ «НМИЦ ССХ им. А.Н. Бакулева» Минздрава России

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В книге использованы следующие обозначения:
жирным шрифтом выделены особенно важные моменты;
курсивом — информация для углубленного изучения и примечания;

__________________________________________________________________

в отдельные блоки курсивом выделены и вынесены дополнительные сведения, которые могут быть полезны искушенному читателю.

__________________________________________________________________

В книге употребляются такие сокращения, как:

ВИ — взвешенность изображения (Т1-ВИ, Т2-ВИ, ДВИ)

ИВЛ — искусственная вентиляция легких

ИКД — имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор

ИМИ — имплантируемое медицинское изделие

ИП — импульсная последовательность

КТ — компьютерная томография

КУ — контрастное усиление

ЛПУ — лечебно-профилактическое учреждение

МО — медицинская организация

МР — магнитно-резонансный

МРТ — магнитно-резонансная томография

МТЗ — медико-техническое задание

ОКД — область контролируемого доступа

ОЛД — отделение лучевой диагностики

РГ — рентгенография

РЧ — радиочастотный

СРТ — сердечная ресинхронизирующая терапия

ЧЛО — челюстно-лицевая область

ЭДС — электродвижущая сила

ЭКГ — электрокардиография

ЭКС — электрокардиостимулятор

ETL — Echo Train Length (длина пакета эхосигналов)

ADC — Apparent Diffusion Coefficient (измеряемый коэффициент диффузии)

FA — Flip Angle (угол отклонения вектора суммарной намагниченности)

FOV — Field of View (поле обзора)

MAR — Metal Artefact Reduction (подавление артефактов от металла)

SAR — Specific Absorption Rate (удельный коэффициент поглощения)

SNR — Signal to Noise Ratio (отношение «сигнал/шум»)

TE — Echo Time (время эха)

TR — Repetition Time (время повторения)

VNS — Vagus Nerve Stimulation (стимуляция блуждающего нерва)

ВВЕДЕНИЕ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) считается одним из самых безопасных методов медицинской визуализации, потому что в ее основе нет ионизирующего излучения. Тем не менее некоторые пациенты все равно могут подвергаться во время исследования повышенному риску для здоровья, а иногда и для жизни. Речь идет о тех пациентах, в чье тело имплантированы различные металлические объекты, «поведение» которых в магнитном поле достаточно сложно прогнозировать, как и те риски травмирования, которые они способны увеличить.

Один из первых опубликованных инцидентов, связанных с МРТ, как раз касался металла, случайно попавшего в тело пациента, а именно в глазное яблоко. Металлическая стружка каким-то образом оказалась вблизи сетчатки глаза мужчины, который работал на заводе, изготавливающем металлические изделия. Пациент вошел в процедурную кабинета МРТ, успешно прошел МР-исследование на низкопольном аппарате 0,35 Тл, и только, когда стол начал выдвигаться обратно, почувствовал острую боль, яркую вспышку и в результате полностью потерял возможность видеть этим глазом [1].

Однако, несмотря на то, что наличие металлоконструкций в теле пациента традиционно во многих клиниках считается абсолютным противопоказанием к проведению МР-исследования, импланты и другие инородные объекты могут не оказывать критического негативного воздействия на окружающие ткани [2, 3, 4]. Более того, при соблюдении соответствующих условий возможно безопасное проведение исследования даже пациентам с МР-несовместимыми активными медицинскими изделиями [5].

В этой книге мы постараемся ответить на вопросы: можно ли выполнять МРТ пациентам с металлоконструкциями (здесь сразу ответим утвердительно) и как в этом случае провести исследование максимально безопасно и качественно? Для начала мы, с точки зрения физики, расскажем о факторах риска и опишем краткое понимание того, что в каждом случае стоит предпринять, затем дадим конкретные рекомендации для врачей-рентгенологов, руководителей отделений лучевой диагностики и рентгенолаборантов. Также приведем примеры исследований с разными типами имплантов, на которых подробно разберем причины возникающих рисков и способы их минимизации.

Отметим, что в первую очередь здесь речь пойдет об МРТ со сверхпроводящим магнитом с индукцией магнитного поля 1,5–3,0 Тл, как наиболее распространенных на сегодняшний день в клинической практике.

Монография подготовлена в рамках научно-исследовательской работы «Жизненный цикл ресурсов лучевой диагностики и терапии: качество, безопасность, прогнозирование» (№ЕГИСУ: АААА-А21-121012290079-2) в соответствии с Программой Департамента здравоохранения города Москвы «Научное обеспечение столичного здравоохранения» на 2020—2022 годы.

Глава 1.
ФАКТОРЫ РИСКА:
ЧЕМ ГРОЗИТ НАЛИЧИЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ В ТЕЛЕ ПАЦИЕНТА

Особенностью МРТ по сравнению с методами, применяющими ионизирующее излучение, является то, что при ее проведении повышается риск причинения вреда здоровью непосредственно в тот момент, когда пациент входит в область действия магнитного поля. И эти эффекты сильно отличаются от отсроченных негативных последствий, которые могут возникнуть, когда дозовая нагрузка превышает допустимые нормы.

Характерные для МРТ биоэффекты можно разделить на прямые и косвенные. К прямым относят: головокружение, нейростимуляцию, магнитофосфены, кардиостимуляцию [6] и некоторые другие. В большинстве случаев эти эффекты не приводят к значимым для здоровья последствиям и заканчиваются сразу после выхода из зоны действия магнитного поля.

В случаях, когда в теле пациента присутствует какой-либо металлический объект или имплант, наиболее актуальной становится проблема косвенных биоэффектов, связанных с магнитными и электрическими свойствами этих объектов: смещениями, поворотами, вибрацией и нагревом, а также с нарушением функционирования активных имплантов.

В данной главе мы рассмотрим ключевые факторы риска при проведении МРТ пациентам с металлическими имплантируемыми медицинскими изделиями (ИМИ) и причины их возникновения. Но прежде, чем приступать к взаимодействию различных объектов с полями МРТ, договоримся о терминах.

Имплантом (или пассивным имплантом) в этой книге мы будем называть пассивные имплантируемые медицинские изделия, к которым, в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14630—2017, относятся «импланты, работа которых не зависит от электрической энергии или любого другого источника энергии, за исключением силы тяжести или энергии, непосредственно генерируемой телом человека» [7]. В эту категорию входят ортопедические эндопротезы суставов и разнообразные металлофиксаторы, а также искусственные сердечные клапаны и эндоваскулярные стенты, нейрохирургические и сосудистые клипсы, стенты, катетеры, порт-системы и прочее.

Активные импланты (активные имплантируемые медицинские изделия) — это устройства, «…функционирующие за счет электрической энергии или любого другого источника энергии, за исключением сил гравитации или энергии, непосредственно генерируемой телом человека» (по ГОСТ Р ИСО 14708-1-2012) [8]. К этой категории относятся кардио- и нейростимуляторы, водители ритма (пейсмейкеры), стимуляторы блуждающего нерва, устройства глубокой стимуляции мозга, инсулиновые помпы, активные слуховые протезы и некоторые другие механизмы.

Металлоконструкции — это все активные и пассивные импланты, а также инородные металлические объекты, попавшие в организм в результате ранения, травмы или несчастного случая (осколки, пули, шрапнели и пр.). К этой же категории относятся и импланты, которые более не выполняют своей изначальной функции: например, сломанные эндопротезы или оставленные после оперативного вмешательства неиспользуемые электроды водителей ритма.

Немного о физике МРТ

Магнитно-резонансный томограф представляет собой постоянный или сверхпроводящий магнит и набор токопроводящих катушек — приемных и передающих. Часть из них встроена в корпус (гентри), часть — подключается отдельно.

При проведении МР-исследования на пациента действуют три типа полей: постоянное B0 высокой индукции (1,5 Тл, 3 Тл и др.), градиентные BG и радиочастотные B1 (рис. 1.1).

Когда идет речь о явлении ядерного магнитного резонанса, предполагается, что всегда имеется в виду магнитное поле. Однако еще в 1862 году британский физик Джеймс Максвелл убедительно доказал, что магнитное и электрическое поля неразрывно связаны, и наличие одного свидетельствует о наличии другого. Поэтому мы также рассмотрим и воздействие электрической составляющей поля.

Во время проведения исследования пациента помещают в изоцентр магнита — область размером порядка 30 см, в которой поле наиболее однородно. Отметим, что в отношении МРТ принято использовать следующую систему координат: точка (0,0,0) — начало координат совпадает с изоцентром магнита (в нашем случае — с центром гентри), оси X и Y направлены вертикально и горизонтально соответственно, а ось Z — вдоль стола пациента (рис. 1.2). Формирование изображения в МРТ происходит за счет регистрации отклика протонов водорода (чаще всего, но на практике применяются и другие атомы) на воздействие радиочастотного магнитного поля.

Описание принципа работы МР-томографа выходит за рамки этой монографии, однако, его понимание крайне важно для проведения МРТ пациентам с металлоконструкциями. В качестве наиболее подходящего источника информации хотелось бы порекомендовать книгу «Основы магнитно-резонансной томографии: физика» Эверта Блинка [9]. Тем не менее, для того чтобы понять причины тех или иных явлений, связанных с наличием металлоконструкций у пациента, нам безальтернативно придется обратиться к некоторым физическим основам.

Все риски, возникающие в кабинете МРТ из-за присутствия металла, вызваны их «чувствительностью» к электрическим и магнитным полям. По отношению к взаимодействию с магнитным полем все материалы делятся на несколько групп: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Существуют и другие, менее распространенные «магнетики», однако всех их характеризует некоторое значение величины магнитной восприимчивости.

У диамагнетиков и парамагнетиков значение магнитной восприимчивости близко к нулю, и поэтому их взаимодействием с магнитным полем можно пренебречь. Важное значение в рассматриваемой нами теме имеет магнитная восприимчивость ферромагнетиков (к ним относятся Fe, Co, Ni, Gd, Tb и другие элементы, а также некоторые их соединения), в большой степени зависящая от напряженности поля. При этом ее значения могут на несколько порядков превосходить значения для диа- и парамагнетиков.

Не менее существенная характеристика материала — это электропроводность, то есть возможность возникновения электрического тока в проводнике под воздействием электромагнитных полей.

В результате воздействия полей МРТ, в зависимости от характеристик конкретного объекта (будь то ИМИ или инородное тело), выполнение исследования приводит к риску его поворота, смещения, нагрева и вибрации, появлению артефактов на изображениях, а также нарушению работы активных ИМИ. Рассмотрим каждый из перечисленных факторов подробнее.

Смещение

Металлические объекты могут притягиваться (иногда со значительной силой) к томографу. Для того, чтобы продемонстрировать уровень воздействия поля на ферромагнетики, приведем следующий пример. Магнитная восприимчивость титана при 20 °С составляет 3,2×10—6, в то время как у ферромагнетиков эта характеристика не постоянна и зависит как от параметров электромагнитного поля, так и от температуры (например, для Ni может достигать 80, а для Fe 22×103). В результате, при прочих равных, сила, действующая на железный и титановый объекты, может отличаться в 109 раз. Поэтому, в то время как на одни материалы магнитное поле не оказывает хоть сколько-нибудь значимого влияния, другие способны притягиваться к корпусу томографа с огромной силой, буквально сметая все на своем пути. Рисунок 1.3 демонстрирует результат одной из наиболее распространенных ошибок, связанных с техникой безопасности в МРТ — внесения объектов, содержащих ферромагнетики, в процедурную.

Первый зарегистрированный инцидент, связанный с проведением МРТ, произошел в 2001 году в США и был связан именно с возникновением данной силы [10]. По ошибке в процедурную внесли газовый баллон, который, притянувшись к томографу, убил ребенка.

Как правило, примагниченные крупные объекты (такие как кресло, кушетка или газовый баллон) невозможно извлечь силами персонала медорганизации. Даже если в результате подобного инцидента не возникает риск для здоровья человека, вероятнее всего, потребуется отключение магнитного поля. При этом его восстановление будет длительным, дорогостоящим и, более того, не всегда реализуемым.

То же самое происходит и с металлоконструкциями в теле пациента в процедурной кабинета МРТ, хотя последствия могут быть и не столь фатальными. Говоря о пациентах с металлоконструкциями, необходимо оценить величину действующей на конкретный объект силы. С точки зрения безопасности, допустимым можно считать воздействие поступательной силы, сопоставимое с воздействием гравитационного поля Земли. Следовательно, безопасным можно считать ИМИ, которое притягивается к томографу не более чем в рамках рутинной эксплуатации (например, сила «втягивания» меньше силы тяжести).

Что делать? Пациента необходимо заранее проверить на наличие любых металлоконструкций с использованием металлодетектора, ферромагнитного детектора (к ним мы еще вернемся) или рентгенографии и убедиться в том, что ни один из присутствующих в теле объектов не будет подвержен критичному втягиванию в магнит.

Оценка силы, действующей на имплант в магнитном поле, проводится по стандарту ASTM F2052 [11] экспериментальным методом и заключается в непосредственном измерении воздействия конкретного поля на конкретный объект. Расчетная оценка также допустима, однако предполагает наличие точных сведений о характеристиках конкретного объекта, зачастую недоступных в обычной практике. Хотя, очевидно, в условиях медицинской организации (МО) такая оценка нереализуема.

Все современные ИМИ на этапе проектирования или после производства подвергаются серии экспериментов и маркируются как МР-безопасные, МР-совместимые при определенных условиях или МР-небезопасные. Подробное описание этой маркировки, а также возможные источники подобной информации будут приведены в следующих главах.

Возвращаясь к вопросу проведения МРТ пациентам с металлоконструкциями, следует помнить, что практически не подвержены воздействию поступательной силы в магнитном поле объекты из стекла, большинства пластиков и дерева (не содержащие каких-либо металлических частей в конструкции). Во всех остальных случаях для того, чтобы принять решение о безопасности проведения исследования, следует обратиться к документации на ИМИ и провести комплексный анализ рисков с учетом анатомической области, сроков установки или травмы (в случае, если присутствуют инородные тела).

Примечание: не идентифицированные объекты требуют особого внимания вне зависимости от габаритов. В качестве примера можно привести значения для объектов сопоставимого размера: сила, действующая в МРТ на стент, может составлять порядка 0,2 мН [12], а на пулю или дробь — порядка 4,4 Н (эквивалент весу ~440 г) [13].

__________________________________________________________________

Рассмотрим чуть подробнее причины возникновения силы втягивания. Согласно законам физики, на все объекты в магнитном поле действует поступательная сила F:

где χ — магнитная восприимчивость,

m — намагниченность, А/м;

V — объем объекта, м3;

𝜇0— магнитная постоянная (≈ 1,26 × 10—6 Н/А2).

Из формулы видно, что сила действует только на объекты с ненулевой магнитной восприимчивостью. Учитывая пренебрежимо малое взаимодействие пара- и диамагнетиков с магнитным полем, фактор возникновения поступательной силы относится к ферромагнетикам. Также из факторов риска можно исключить возникновение поступательной силы при воздействии градиентных магнитных полей, так как, при прочих равных, ее величина может быть на два порядка (т.е. в 100 раз) меньше силы, возникающей под действием поля B0 [14].

Величина силы F зависит как от характеристик объекта, так и от его пространственного положения в поле. Применительно к МРТ наибольшая амплитуда силы F наблюдается у торца гентри (рис. 1.4).

Обратите внимание, что указанные на рисунке 1.4 размеры приведены в качестве примера. В действительности же поступательная сила часто оказывает значительное воздействие на больших расстояниях от изоцентра.

Важно, что современные системы обеспечивают лучшую «локализацию» магнитного поля — в результате, за пределами небольшой зоны диаметром 3­–4 м величина индукции может быть пренебрежимо мала. С одной стороны, это положительно влияет на качество изображения (благодаря высокой однородности поля в области сканирования). Но, с другой стороны, это означает, что по мере приближения к гентри томографа скорость, с которой увеличивается поступательная сила, больше, чем для предыдущих систем. Это приводит к тому, что, например, крупные ферромагнитные объекты могут притягиваться и разгоняться с большей силой.

Отметим также, что для высокого качества визуализации в рабочей области томографа диаметром около 30 см (зависит от производителя и модели) обеспечивается максимальная однородность постоянного магнитного поля B0. В результате в этой области величина силы, возникающей под действием данного поля, стремится к нулю.

__________________________________________________________________

Нагрев

Еще одним фактором риска при проведении МР-исследования становится нагрев тканей. Когда пациент подвергается воздействию электромагнитных полей, часть поглощаемой тканями энергии неминуемо преобразуется в тепло. Количество этой энергии характеризуется величиной SAR — Specific Absorption Rate (удельный коэффициент поглощения) и ограничивается максимальным значением для конкретного пациента при сканировании той или иной области тела. Более подробно эти ограничения представлены в рекомендациях «Основы безопасности при проведении МРТ» [6]. Отметим, что для здорового человека допустимо локальное повышение температуры тела на 1 °С за время исследования [15] и локальное значение температуры не более 39°[16]. Однако определение внутренней температуры тканей с высокой точностью на сегодняшний день затруднено, поэтому современные томографы в автоматическом (по результатам предварительного сканирования) или полуавтоматическом (исходя из роста и веса пациента, которые указывает оператор) режиме рассчитывают значение SAR для каждой импульсной последовательности.

Вопрос нагрева сильно обостряется при наличии металлоконструкций в теле пациента. В отличие от возникновения поступательной силы и крутящего момента, магнитные свойства материала не являются критическим фактором для нагрева: например, нагрев ферромагнетиков может быть незначительным — порядка 0,05° C/мин [17].

Возрастание температуры при проведении МР-исследования объясняется возникновением электрического тока в проводнике или на его поверхности под действием электромагнитных полей, и, как следствие, происходит тепловыделение, пропорциональное электрическому сопротивлению. Это становится возможным из-за того, что части импланта и окружающие его ткани образуют замкнутый электрический контур. А согласно закону Фарадея, при изменении проходящего через замкнутый контур магнитного потока (он изменяется, когда изменяется величина или направление поля) возникает электродвижущая сила (ЭДС). Важно отметить, что причины изменения потока в данном случае не играют роли, и ЭДС возникает как при изменении поля, так и при движении контура в этом поле.

Протекающий электрический ток в результате может привести к нагреву импланта на несколько градусов за время исследования и даже к ожогам 1–3 степени [18], если вблизи него отсутствуют нервные окончания, которые бы позволили пациенту вовремя среагировать и попросить остановить сканирование. Кроме того, может возникнуть так называемый эффект антенны в случаях, когда имплант или электрод имеет продолговатую форму. Например, если его длина составляет 12 см, а человек сканируется в аппарате 3 Тл, то нагрев может достигать 60° C [14].

Численная оценка ожидаемого изменения температуры за время исследования в значительной степени, с одной стороны, затруднена сложностью моделирования окружающих тканей, поэтому стандарт ASTM F 2182 [19] предлагает экспериментальную методику оценки РЧ-индуцированного нагрева при сканировании фантома. С другой стороны, в качестве индикатора нагрева можно использовать характеристику SAR. Однако следует иметь в виду, что, несмотря на прямую зависимость между нагревом металлоконструкций и SAR (чем выше значение SAR, тем больший нагрев следует ожидать), одно и то же значение SAR может привести к разным уровням нагрева [20].

Что делать? Строго соблюдать ограничения производителя импланта на SAR, по возможности — минимизировать это значение. Важно помнить, что пациент может не почувствовать нагрева импланта из-за отсутствия термочувствительных рецепторов.

В случае, если отсутствует необходимость сканирования в режиме контроля первого или второго уровня, значение SAR может быть снижено настройкой параметров импульсных последовательностей. Наиболее доступные варианты снижения SAR представлены в таблице 1.1. Но следует учитывать, что это может привести и к снижению качества визуализации.

На протяжении длительного времени считалось, что причиной нагрева имплантов в МРТ является поле B1 (так называемый РЧ-индуцированный нагрев). Однако переменные во времени и пространстве градиентные магнитные поля BG также могут оказывать значимое влияние на температуру металлических объектов [21]. Winter и соавторы в обзоре, посвященном нагреву имплантов в МРТ [22], приводят следующую сводную таблицу (табл. 1.2) сравнения причин нагрева:

Отметим также, что риск нагрева небольших (до 3 см) одиночных (не ближе 3 см до соседних) металлических объектов может считаться незначительным и, вероятно, не требует отдельной оценки, так как не превысит 2° C за час сканирования в стандартных режимах [23]. Причем, это относится как к РЧ-индуцированному, так и к градиент-индуцированному нагреву и в равной степени верно для пассивных имплантов и инородных металлических тел. Аналогичные результаты были получены в итоге собственного экспериментального исследования с небольшими ферромагнитными объектами — за 90 минут сканирования максимальный зафиксированный нагрев составил 4° C для латунной втулки диаметром 10 мм. В то же время в отношении пространственной ориентации импланта удалось показать, что на величину нагрева значимо влияет его удаление от изоцентра магнита [24].

__________________________________________________________________

Рассчитываемый автоматически (часто — только при условии корректного указания роста и массы пациента) коэффициент SAR определяется количеством энергии, поглощенной за единицу времени единицей массы объекта, и зависит от свойств ткани (Вт/кг) [25].

где ρ — плотность вещества, кг/м3;

σ — удельная проводимость вещества, См/м;

E — напряженность индуцированного электрического поля.

Среднюю величину SAR можно оценить по уравнению (1.3) и закону Фарадея (1.6). Таким образом, величина SAR зависит от Ларморовой частоты (f), величины поля B1 (соответственно, угла отклонения суммарного вектора намагниченности), размеров пациента (r), а также доли времени подачи РЧ-импульсов в общей длительности сканирования (D) [25, 26].

Градиент-индуцированный нагрев, как правило, не требует внимания в отношении небольших пассивных имплантов, так как не может привести к травме тканей или повреждению самого изделия. Однако следует выделить нагрев массивных проводящих объектов под действием градиентных магнитных полей. Помимо токов, протекающих через замкнутый контур (например, петлю, зазор которой становится местом потенциального нагрева из-за возросшего сопротивления), в токопроводящей массе эндопротезов и других крупных объектов возникают вихревые токи. Так, в цилиндрическом диске радиуса R и толщиной d мгновенная мощность, создаваемая вихревыми токами, может быть описана формулой:

где P — мгновенная мощность, Вт;

R — радиус, м;

T — толщина материала, м;

σ — электропроводность, См;

β — угол вектора dB/dt относительно нормали к плоскости диска, рад;

dB/dt — скорость изменения магнитного поля, Тл/с.

Важно, что индукционное взаимодействие вихревых токов становится причиной перераспределения плотности тока к поверхности, как представлено на рис. 1.5 [27].

В высокочастотном поле токи Фуко сосредотачиваются преимущественно в поверхностном «скин-слое», толщина которого Δ определяется:

где γ — удельная проводимость материала (1/Ом*м),

μ — магнитная проницаемость (Гн/м),

⍵ — частота (рад/с).

В результате отдельной проблемой является нагрев поверхностного слоя, непосредственно контактирующего с тканями. Для некоторых тазобедренных имплантов при применении последовательностей с активной работой градиентной системы нагрев прилегающих тканей пациента может достигать нескольких градусов [22].

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Рассматривая взаимодействие металлоконструкций в теле пациента с электромагнитными полями МРТ, мы могли бы начать с основ физики протекающих процессов, уравнений Максвелла и введения соответствующего математического аппарата. Однако в рамках этой работы мы полагаем, что более актуальными будут вопросы, непосредственно относящиеся к практическому применению в клинике.

Говоря о нагреве токопроводящих объектов во время сканирования, мы уже упоминали возникновение электрического тока под действием радиочастотных и градиентных магнитных полей. В действительности же необходимым условием для этого является не наличие поля, а изменение потока.

Закон электромагнитной индукции Фарадея говорит о том, что при изменении магнитного потока Ф, протекающего через замкнутый контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила — ЭДС (𝜀) [28]:

где Ф — поток магнитного поля B через контур площадью S;

t — время.

Значит, возникновение тока не зависит от причины изменения потока, который мог измениться из-за трансформации в пространстве или времени магнитного поля, а также из-за перемещения контура в пространстве.

Применительно к МРТ это означает, что ток (и, как следствие, нагрев) импланта может возникнуть при быстром перемещении его в пространстве. И чем быстрее движется объект в процедурной, тем больше будет величина индуцируемого тока.

Кроме того, движение пациента или персонала в магнитном поле с высокой скоростью может привести к проявлению магнитогидродинамического эффекта: головокружению, стимуляции периферической нервной системы по причине наведения той же ЭДС. Таким образом, можно рекомендовать в любой ситуации избегать «резких» движений в процедурной кабинета МРТ.

__________________________________________________________________

Вибрация

Возникающий в электропроводных элементах ток приводит не только к нагреву импланта. Мы знаем, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. Поэтому, если поле постоянно меняется по направлению (например, BG), сила действует то в одну, то в другую сторону, приводя к вибрации.

МР-индуцированная вибрация отличается от типичной вибрации, характерной для нормальной активности пациента в обычной жизни. Воздействие же на ткани при этом может быть сопоставимо с таковым при установке импланта [29, 30], а в некоторых случаях даже привести к нарушению функционирования активного устройства (подробнее этот вопрос будет рассмотрен позже). Кроме того, пациент может испытывать некоторый дискомфорт и даже ощущать вибрацию как нагрев [31].

Отметим, что ввиду природы возникновения вибраций ИМИ, они стремятся к нулю в изоцентре (dB/dt → 0) и максимальны при одновременном выполнении следующих условий:

а) объект имеет большую проводящую поверхность;

б) во время исследования градиентное магнитное поле изменяется
в направлении, перпендикулярном поверхности импланта;

в) имплант расположен в области с максимальным значением dB/dt (вблизи торца гентри).

По аналогии с ранее рассмотренными факторами риска, безопасным уровнем вибрации может считаться соответствующий таковому при нормальной активности пациента.

В практике можно ожидать минимального уровня вибраций, вызванных воздействием градиентных магнитных полей, при размещении металлического объекта в изоцентре (где разница магнитного поля при переключении BG минимальна) или за пределами гентри томографа (где BG-> 0).

Тем не менее вопросу возникновения вибраций при проведении МР-исследования зачастую не уделяется достаточного внимания. Так, ГОСТ 59093 [32] и ISO/TS 10974 [33] предполагают оценку потенциального воздействия лишь в отношении активных ИМИ, что, в первую очередь, обусловлено преимущественно небольшим поперечным сечением пассивных объектов.

Что делать? Строго соблюдать ограничения производителя. По возможности, располагать пациента так, чтобы металлический объект находился в изоцентре (если риск возникновения вибрации критичен по сравнению с другими факторами — как, например, для кардиостимуляторов).

Функционирование имплантов

Следующим после поворота, смещения, нагрева и вибрации фактором риска принято считать нарушение функционирования активных имплантов. Так, стандарт ISO/TS 10974 приводит требования к испытаниям на МР-совместимость именно активных изделий. Однако с точки зрения безопасности пациентов целесообразно расширить данную категорию до функционирующих имплантов, то есть рассмотреть не только влияние МРТ на работу активных имплантов, но и на пассивные импланты с подвижными элементами, а также влияние работающего активного импланта на пациента.

Каждое изделие в данном контексте необходимо рассматривать индивидуально ввиду значительной вариабельности конструктивных решений. Более того, одним из распространенных подходов, позволяющих оценить влияние факторов МР-среды на тот или иной имплант, становится отдельное рассмотрение воздействия постоянного магнитного поля B0, РЧ-полей B1 и градиентных полей BG, а также их комплекса [23]. При этом можно использовать теоретические расчеты или моделирование полей разного типа в лабораторных условиях.

Рассмотрим наиболее критичные с точки зрения безопасности случаи (в следующих главах мы еще вернемся к данному вопросу применительно к некоторым конкретным наиболее распространенным типам активных имплантов). Нарушение функционирования (отказ или некорректная работа) активного импланта представляется одной из наиболее очевидных проблем и может быть вызвано непосредственным влиянием поля B0 на такие чувствительные к этому элементы, как герконы в электрокардиостимуляторах, нарушением работы электроники из-за появления индуцированных токов или помех, а также, критичным нагревом [34]. Работа пассивных имплантов в некоторых случаях также может быть нарушена. Это касается таких изделий, как инфузионные помпы с активацией по температуре тела, изделия с замкнутыми проводящими контурами (антеннами), ферромагнитными пружинами и др. [23]. К той же категории можно отнести изделия с датчиками давления, которые могут быть активированы акустической волной МРТ.

В случае, если работа устройства была нарушена во время и восстановлена после окончания сканирования, следует выполнить дополнительную проверку корректности работы изделия через несколько дней после МРТ (это требование является обязательным при проведении испытаний ИМИ по ГОСТ 59093 или ISO/TS 10974, но может быть включено и в рекомендации по эксплуатации ИМИ [35]).

Артефакты на изображениях

Как правило, неоднородность магнитного поля, обусловленная влиянием металлоконструкций, приводит к возникновению артефактов на изображениях. Характер и величина таких артефактов в значительной степени зависят от объекта, его расположения, томографа, импульсной последовательности и многих других факторов. При этом наиболее объективно спрогнозировать данное негативное воздействие можно лишь методом фантомного моделирования, описанного в стандарте ASTM F2119 (при этом используется измерение площади или объема артефакта на изображении) [36].

Подробному описанию причин и методам подавления артефактов от металлоконструкций посвящена отдельная глава этой книги. На данном же этапе отметим, что, помимо изменения интенсивности, металлоконструкции в теле пациента могут привести к геометрическим искажениям и снижению эффективности жироподавления [37]. Кроме площади самого артефакта, все изображение претерпевает негативные изменения, а именно: снижаются отношение «сигнал/шум» и пространственная разрешающая способность, возрастают неоднородность и нелинейность, а также искажается толщина выделяемого среза [38].

Риск для персонала

Когда речь идет об МРТ и имплантах, в первую очередь предполагается наличие импланта у пациента. Однако не стоит забывать о возможности наличия металлоконструкций у других участников исследования. К группе потенциального риска (ввиду того, что все внимание, как правило, сконцентрировано на пациентах) можно отнести сотрудников кабинета МРТ, других сотрудников медицинской организации и сопровождающих пациента, а также персонал сторонних обслуживающих организаций [39].

Факторы риска для указанной категории не отличаются от таковых для пациента, за исключением двух моментов. Во-первых, сотрудники могут подвергаться длительному воздействию электромагнитных полей и, хотя их негативное влияние не доказано, время этого воздействия, согласно СанПиН 1.2.3685 [40], должно быть ограничено. Во-вторых, в отличие от пациентов сотрудники и сопровождающие с большей вероятностью могут передвигаться по кабинету с высокой скоростью, попадая тем самым под действие быстро меняющегося магнитного поля. Рекомендации ICNIRP [41] формализуют требования к скорости движения с учетом параметров поля, но, с практической точки зрения, под безопасной скоростью подразумевается значение порядка 0,25 м/с [26]. Для сравнения: скорость движения стола пациента составляет порядка 2,5 см/с, в то время как скорость движения рентгенолаборанта по кабинету может достигать более 1 м/с.

Чтобы оценить воздействие постоянного и изменяющихся во времени (например, градиентного) магнитных полей, проводились экспериментальные [42–44] и модельные исследования [45]. Кроме того, были и работы, в которых изучалась частота встречаемости прямых эффектов у персонала [42]. Их результаты показали, что у медицинских работников действительно бывают жалобы на временное возникновение некоторых неприятных симптомов при нахождении в постоянном магнитном поле. В большинстве случаев отмечались головокружения и металлический привкус во рту — 6% и 2% смен соответственно. При этом их число было напрямую связано с величиной индукции магнитного поля.

В другом исследовании удалось обнаружить статистически значимую разницу между числом сообщений о головных болях у работников кабинета МРТ и контрольной группы [43]. То же относится к проблемам со сном в этих группах: достоверно чаще они возникают у персонала кабинетов МРТ. Кроме того, значительно чаще влияли на персонал (по сравнению с контрольной группой) миалгии, тахикардия, чрезмерная усталость, проблемы с концентрацией внимания, нервозность и боли в спине [43].

Примерами косвенных инцидентов, связанных с персоналом, стали случаи в кабинете МРТ, внесенные в базу FDA (Food and Drug Administration — Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США). Так, в 2016 году инженер обсуживающей организации получил тяжелые ожоги при заполнении системы гелием. Также описаны несколько случаев, связанных с ремонтными работами или монтажом оборудования, в результате которых инженеры получали средние и тяжелые повреждения из-за притягивания металлических деталей к магниту. Заслуживает внимания и случай, произошедший в 2015 году во время пожара в одном из медицинских центров США. Несмотря на многочисленные предупреждения один из сотрудников, тушивших пожар и проверявших помещения, зашел в комнату сканирования кабинета МРТ с огнетушителем и получил повреждения, так как тот резко притянулся к магниту. Все эти факты подтверждают необходимость ознакомления с правилами безопасности как непосредственно сотрудников кабинета МРТ, так и персонала других подразделений. При этом им следует обращать внимание на критическую важность соблюдения этих правил.

Прочие риски

Стоит отметить и иные риски, связанные с наличием металлоконструкций в теле пациента. В случае, если электропроводящий объект находится в непосредственном контакте с тканями пациента, существует потенциальный риск нервной стимуляции электрическими токами, которые появляются из-за градиентных магнитных полей и РЧ-импульсов.

Также надо обратить внимание и на звуковое воздействие. Чувствительность некоторых активных имплантов к звуковому давлению создает потенциальную опасность того, что их функционирование может быть нарушено [46]. Несмотря на то, что на сегодняшний день не зафиксированы соответствующие прецеденты, существует теоретическая вероятность нарушения работы МРТ из-за воздействия ИМИ, излучающего РЧ-энергию. Это, несомненно, надо иметь в виду.

Резюме

Мы должны помнить, что импланты могут нагреваться, смещаться, вибрировать, ломаться, вызывать артефакты на изображениях, даже оказывать стимулирующий эффект на мышечную или нервную ткань. Поэтому, если достоверные сведения об объекте отсутствуют, то решение вопроса о возможности проведения МРТ переходит в категорию научно-прикладного исследования и должно основываться на анализе составных частей, всех возможных типов воздействия и опыте проведения исследований с аналогичными изделиями. В рутинной же практике наиболее корректным решением будет отказ от проведения МРТ.

Глава 2.
АРТЕФАКТЫ ОТ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Как только вы изучили документы об МР-совместимости и пришли к однозначному решению, что пришедшему пациенту с имплантом сделать исследование можно, перед вами встает еще одна проблема — как сделать это исследование так, чтобы оно получилось достойного качества и имело клиническую значимость? Особенно, если имплант находится непосредственно в зоне сканирования. Любой врач-рентгенолог не раз на практике сталкивался с наличием артефактов от металлоконструкций, которые вносили такие корректировки в изображение, что его интерпретация становилась невозможной. Поэтому в данной главе мы обратимся к весьма болезненному порой вопросу получения качественных МР-изображений, а именно — к подавлению артефактов.

Мы рассмотрим причины появления артефактов от имплантов в МРТ и постараемся обоснованно сформулировать возможные пути их подавления. К сожалению, на сегодняшний день в данном вопросе не существует «универсальной пилюли», и на практике приходится применять различные подходы с поиском оптимального соотношения качества изображений и затраченного на исследование времени.

Итак, как мы помним, метод МРТ основывается, по своей сути, на регистрации отклика протонов, находящихся в молекулах тканей организма, на воздействие магнитных полей. Изображение при этом строится на основании регистрации этого отклика. Появление в зоне сканирования (или вблизи нее) инородного ферромагнитного объекта приводит к нарушению однородности как постоянного (B0), так и переменных — радиочастотных (B1) и градиентных (BG) полей. В результате искажается либо сам сигнал, либо его пространственное положение, что приводит к возникновению артефактов: ложному или искаженному отображению анатомических структур, а в некоторых случаях, — потере сигнала. На рисунке 2.1 представлены примеры МР-изображений пациентов с металлоконструкциями.

Подобные искажения изображений могут стать причиной невозможности как качественной, так и количественной оценки рентгенологом области интереса. Но практика показывает, что в большинстве случаев качество изображений можно значительно улучшить с помощью корректировки протокола сканирования, учтя при этом особенности конкретного металлического объекта и диагностической задачи.

Степень влияния металла на качество изображения зависит от многих факторов: например, материала объекта, его размеров, положения в теле, области сканирования, применяемых ИП, радиочастотных катушек, параметров аппарата и др. Использование в качестве материала импланта керамики или пластика приводит к меньшим артефактам по сравнению с конструкциями, содержащими нержавеющую сталь или другие металлы [3]. В исследовании, проведенном Лабораторией по трехмерной челюстно-лицевой визуализации (3D Craniofacial Image Laboratory) в Университете Копенгагена, было показано, какие из металлических соединений, чаще всего присутствующих в ротовой и челюстно-лицевой областях в виде ИМИ, вызывают большие артефакты во время МР-сканирования. На рисунке 2.2 изображена конфигурация артефактов, характерная для тех или иных материалов и сплавов в зависимости от применяемых ИП в МРТ [47].

Перед тем, как сформулировать методологию подавления артефактов от металлоконструкций, рассмотрим конкретные причины их возникновения.

Причины возникновения артефактов

Потеря сигнала

Вблизи некоторых ферромагнитных объектов локальная неоднородность магнитного поля может стать причиной быстрой дефазировки и некогерентности спинов, а также выхода частоты прецессии протонов в зоне интереса за пределы полосы пропускания приемника. На изображении это проявляется как темная зона вокруг имплантата (рис. 2.3).

Некорректная пространственная регистрация

Для формирования изображения в МРТ пространственная локализация каждого вокселя ткани регистрируется при помощи позиционно-зависимого градиента магнитного поля во время выбора среза и считывания данных. Расположение каждой группы спинов линейно зависимо от локальной индукции магнитного поля и, следовательно, от частоты прецессии спина. Связанные с металлом неоднородности постоянного магнитного поля B0 нарушают линейность этой зависимости, изменяя частоту прецессии спинов. В результате во время выбора среза возбуждаются спины, в том числе вне интересующего среза. Подобные процессы регистрируются также как геометрическое искажение (рис. 2.4) [48].

Некорректное подавление сигнала от жира и воды

Селективное подавление сигнала от жировой ткани посредством химического сдвига возможно благодаря различной резонансной частоте протонов, которые входят в состав жира и воды. Связанная с металлом неоднородность B0 смещает пиковые значения жира в сторону частотно-специфического импульса насыщения, что приводит к невозможности подавления жира [4]. На рисунке 2.5 показано, как из-за установленных транспедикулярных винтов не работает функция подавления сигнала от жира.

Некорректная работа технологии подавления сигнала от воды вблизи металлоконструкций обусловлена изменением угла отклонения спинов в последовательности FLAIR. Ниже представлен пример нарушения работы технологии подавления сигнала от воды (рис. 2.6).

На рисунке 2.7 проиллюстрирована некорректная работа технологии селективного возбуждения сигналов от свободной жидкости (Water Excitation Technique), в результате которой не был подавлен сигнал от жировой ткани, а также был ослаблен сигнал от движущейся в артериях крови в режиме 3D времяпролетной ангиографии (3D Time of Flight, ToF).

Подавление артефактов

Подавление артефактов от металлоконструкций предполагает целый комплекс мероприятий, включающий изменение протокола сканирования и настройку параметров импульсных последовательностей в зависимости от вида возникающих искажений изображения. Такой подход мы будем называть «ручным» (потому что есть и «автоматические» методы — программные, но о них мы поговорим позже).

Основные подходы к ручному подавлению артефактов приведены в таблице 2.1. Их можно применять на любом МР-томографе, однако для практического использования следует заранее сформировать протоколы (при необходимости привлекая аппликатора и/или медицинского физика).

На сегодняшний день для большинства производителей МРТ характерна опциональная поставка программного обеспечения для подавления артефактов, поэтому наиболее актуальным становится применение ручных методов. С них и начнем.

«Ручные методы» подавления артефактов

Хотя выбор аппарата сложно назвать методом подавления, важно отметить, что неоднородность магнитного поля, вызванная наличием металла, прямо пропорциональна величине индукции. Поэтому томографы с полем 1,5 Тл и меньше с этой точки зрения более предпочтительны в сравнении с аппаратами 3 Тл [37], [49]. На рисунке 2.8 представлен пример проявления артефактов от имплантов тазобедренных суставов на томографах с разной индукцией магнитного поля [50].

Преимущество томографа с полем 1,5 Тл в данном примере очевидно. Но заранее отметим, что когда речь идет о программных алгоритмах подавления артефактов от металла (MAR — Metal Artefact Reduction), на томографе с большей индукцией можно получить изображения лучшего качества, так как чем выше отношение «сигнал/шум» (SNR) изображений (3 Tл по сравнению с 1,5 Тл), тем более детальное изображение мы можем получить с помощью MAR. Подробнее об этих алгоритмах — в разделе «Программные решения для коррекции артефактов».

Выпадение сигнала в виде характерного «облака» низкой интенсивности, окружающего металлический протез, опосредуется T2-дефазированием. Применение импульсных последовательностей на основе спинового эха позволяет эффективно снижать артефакты, используя 180°-импульс с ультракоротким временем эха (ТЕ). Таким образом, последовательности на основе спинового эха обеспечивают своевременное перефокусирование дефазирующих спинов и уменьшение степени затухания T2-дефазирования, тем самым снижая потерю сигнала [51].

__________________________________________________________________

На рисунке 2.9 для наглядной демонстрации разницы работы импульсных последовательностей представлены временные диаграммы спинового и градиентного эха.

__________________________________________________________________

Чтобы уменьшить искажения на изображениях, также можно использовать последовательности спинового эха, быстрого спинового эха или турбоспинового эха. На рисунке 2.10 представлены примеры, демонстрирующие преимущества применения спинового эха по сравнению с градиентными эхо-последовательностями: появляется возможность оценить линию перелома и прилежащую область.

Примечание: в случае, если необходимо оценить состояние мышечной ткани или сухожилий, можно порекомендовать незначительно снизить значение TE (на 7–10 мс), чтобы снизить сигнал от жидкости и «выделить» целевые области.

Ввиду того, что пространственные ошибки регистрации не оказывают влияния на фазовое кодирование, пользователь может поменять направления фазового и частотного кодирования, чтобы сместить артефакты в направлении, в котором искажение не перекрывает область интереса. Этот подход следует применять индивидуально для каждого пациента в зависимости от цели исследования.

Импульсные последовательности класса спинового эха можно также оптимизировать за счет увеличения полосы пропускания приемника (bandwidth). Увеличение ширины полосы приемника дополнительно приводит к улучшению резкости контура, но также и к снижению SNR.

__________________________________________________________________

На рисунке 2.11 представлено схематическое изображение коррекции смещения сигнала с помощью увеличения полосы пропускания приемника.