Возможности МРТ в оценке патологии опорно-двигательного аппарата
Магнитно-резонансная томография (МРТ) - это высокоинформативный метод медицинской визуализации, который широко используется для диагностики патологии опорно-двигательного аппарата, включая врожденные, приобретенные, метаболические, воспалительные, инфекционные и гематологические заболевания, а также опухоли и опухолеподобные образования. МРТ позволяет получить анатомические изображения тела человека in vivo с высокой контрастностью мягких тканей.
Магнитно-резонансные (МР) изображения можно получить в разных плоскостях (т.е. сагиттальной, аксиальной, фронтальной и косых).
Для получения MP-изображений используют «сигнал», исходящий от ядер водорода (протонов), содержащегося в теле человека. По сути, МРТ - это в основном сканирование ядер атомов водорода.
Ядро водорода имеет суммарный заряд +1 и вращается с частотой, зависящей от переменного магнитного поля и его особой физической характеристики, известной как гиромагнитное отношение. Спиновой заряд каждого ядра водорода создает крошечное магнитное поле, перпендикулярное оси спина, таким образом, действуя как крошечный стержневой магнит. Вне апертуры (отверстия) магнита суммарные магнитные свойства (магнитный момент) человека будут равны нулю, так как вращающиеся ядра водорода ориентированы беспорядочно, приводя к общему «погашению» суммы крошечных магнитных полей.
При помещении в высокопольный магнит вращающиеся ядра водорода в теле человека, намагничиваясь, выстраиваются вдоль магнитного поля магнита. Эта общая намагниченность ядер водорода соответствует низкоэнергетическому уровню (основное состояние) и параллельна полю магнита. Магнитный момент ядра водорода прецессирует относительно оси вращения с частотой, пропорциональной гиромагнитному отношению и напряженности магнитного поля и определяемой из уравнения Лармора. Частота прецессии ядер водорода при 1,5 тесла (Тл) составляет 64 МГц.
Для генерации MP-сигнала ядрам атомов водорода в магните передается энергия в виде радиочастотного (РЧ) импульса с ларморовой частотой. Ларморова частота зависит от напряженности магнитного поля аппарата и от гиромагнитного отношения, специфичного для конкретного элемента или молекулы. При МРТ этим элементом служит ядро атома водорода. Ядра атомов водорода поглощают энергию РЧ-импульса и выходят из основного устойчивого состояния. После воздействия РЧ-импульса энергия, поглощенная ядрами атомов водорода, испускается на той же частоте. Эту выделенную энергию, или MP-сигнал, можно определить с помощью принимающих катушек (функционирующих как антенны) в магните и использовать для получения МР-изображения.
Контрастность мягких тканей обусловлена: 1) различной плотностью протонов (ядер атомов водорода) в тканях; 2) разной скоростью, с которой протоны в различных тканях переориентируются в поле магнита (время, в течение которого протоны переориентируются в поле магнита, называется Т1-релаксацией, продольной, или спин-решеточной, релаксацией) и 3) временем спада сигнала, или дефазирования (также называется Т2-релаксацией, поперечной, или спин-спиновой, релаксацией). Использование различий в указанных биофизических свойствах между нормальными и патологически измененными тканями обеспечивает более четкую контрастность мягких тканей при МРТ по сравнению с компьютерной томографией (КТ).
Типичный MP-сканер включает следующие основные компоненты: 1) магнит с крупной апертурой и высокой напряженностью магнитного поля (0,3-3 Тл); 2) РЧ-катушки внутри магнита, которые можно настроить на передачу и прием импульсов определенной частоты и с помощью которых можно создавать магнитные поля определенной ориентации (градиентные поля, или градиенты), и 3) компьютер, который управляет аппаратом и обрабатывает принимаемые от пациента РЧ-сигналы для построения анатомического изображения.
Для выполнения МРТ пациента укладывают на стол, который перемещают в нужное место внутри апертуры магнита. После этого оператор выбирает программы, которые включают импульсные РЧ-последовательности, необходимые для получения изображений определенной контрастности в зависимости от протонной плотности и времени Т1 и Т2 исследуемых тканей. Данные, получаемые от объекта исследования или пациента, обрабатываются компьютером с помощью специальных алгоритмов (двух- или трехмерное преобразование Фурье). Изображения выводятся на монитор и могут пересылаться на другие компьютеры (система архивирования и передачи изображений [PACS]), а также распечатываться на пленке и записываться на DVD- и CD-диски.
Однако МРТ можно выполнять не всем пациентам. Абсолютными противопоказаниями к МРТ являются клипсы, наложенные на интракраниальные артерии при аневризме (если нет документов, подтверждающих их безопасность для МРТ), кардиостимуляторы и металлические инородные тела в глазу. Кроме того, хирургические клипсы, металлические стержни, проволока и другие травматолого-ортопедические конструкции, расположенные вблизи исследуемой зоны, вызывают артефакты, затрудняющие визуализацию анатомических структур.
МР-картина при частичном разрыве вращательной манжеты. (а) Патологический высокий Т2-сигнал в месте частичного разрыва на суставной стороне сухожилия надостной мышцы (разрыв типа «rim-rent») {стрелка). На кософронтальной МРТ с подавлением сигнала от жировой ткани (FS T2-ВИ) в более проксимальной части вращательной манжеты выявлены также признаки тендинопатии. (b) У другого пациента с частичным разрывом вращательной манжеты на кософронтальном FS T2-BИ прослеживается сохранившаяся тонкая полоска сухожилия надостной мышцы (стрелка). (с) В другом случае на кососагиттальном FST2-BH определяется высокоинтенсивный сигнал от разрыва типа "rim-rent" (стрелка) по переднему краю сухожилия надостной мышцы. (d) Пример более крупного частичного разрыва сухожилия надостной мышцы (стрелка) в сочетании с кистами в головке плечевой кости и реактивным отеком костного мозга на кососагиттальном FS Т2-ВИ. (e) А у этого пациента определяется затек контрастного вещества в место разрыва на суставной стороне проксимальной части сухожилия подостной мышцы (стрелка) на кософронтальной FST1-артрограмме. (f) Более крупный разрыв сухожилия надостной мышцы на суставной его стороне в проксисимальной части {стрелка) на кософронтальном FS T2-ВИ
P.S. * В 1934 г. E.A.Codman описал тип разрыва вращательной манжеты плеча, при котором волокна сухожилия рвутся непосредственно у места прикрепления к плечевой кости вместе с синовиальным заворотом. Этот тип повреждения был назван им «rim-rent tear». Это по существу частичный разрыв волокон сухожилия вращательной манжеты со стороны, обращенной к плечевому суставу, у места прикрепления к большому бугорку плечевой кости. В литературе встречается и более «анатомичное» название этого повреждения: partial articular-sided supraspinatus tendon avulsion, или сокращенно PASTA, которое является по существу синонимом «rim-rent» повреждения.
(g) Интерстициальный разрыв проксимальной части сухожилия надостной мышцы (стрелка) на FS Т2-ВИ в кософронтальной и (h) в кососагиттальной плоскостях. (i) Крупный частичный разрыв вращательной манжеты на стороне синовиальной сумки (стрелка) на кософронтальном FS T2-BИ. В субакромиальной/субдельтовидной сумке видна жидкость, обусловленная бурситом. (J) Глубокий разрыв вращательной манжеты на стороне субакромиальной/субдельтовидной сумки (стрелка) и скопление большого количества жидкости в сумке (звездочка) на кософронтальном FS Т2-ВИ. (k) На кософронтальном FS Т2-ВИ у этого пациента видны разрывы вращательной манжеты на стороне, обращенной к суставу и к синовиальной сумке (стрелка); прослеживается тонкая полоска сохранившихся волокон сухожилия. (l) Разрыв неправильной формы на стороне синовиальной сумки (стрелка), выявленный на кососагиттальном FS Т2-ВИ
Основными преимуществами МРТ при визуализации опорно-двигательного аппарата являются высокая контрастность мягких тканей, возможность получения мультипланарных изображений, динамический быстрый сбор данных и доступность различных контрастных веществ. МРТ оказалась высокоинформативным методом лучевой диагностики при патологии жировой ткани, мышц, связок, сухожилий, нервов, костей и костного мозга и выполняется для диагностики следующей патологии:
1. Врожденные и приобретенные заболевания опорно-двигательного аппарата.
2. Нарушения гистогенеза.
3. Метаболические и генетические заболевания.
4. Инфекционные и неинфекционные воспалительные заболевания.
5. Травмы.
6. Дистрофические поражения.
7. Ишемия и инфаркт мышц, жировой клетчатки и костного мозга.
8. Кровоизлияния.
9. Новообразования костей, мышц, жировой ткани и нервов.
10. Опухолеподобные образования костей и мягких тканей.
11. Опухоли (оценка динамики при проведении неоадъювантной (предоперационной) и послеоперационной химио-и лучевой терапии).
12. Резидуальная или рецидивная опухоль (после онкологической операции).
Явление ядерно-магнитного резонанса используется также для визуализации артерий и вен (метод магнитно-резонансной ангиографии [МРА]); изображение кровеносных сосудов, получаемое с помощью МРА, сходно с традиционными ангиограммами и зависит от целого ряда факторов, таких как тип ИП; пульсация сосудов и скорость кровотока в них; размер, форма и расположение сосудов по отношению к плоскости визуализации. Полезную анатомическую информацию о кровеносных сосудах можно получить с помощью ИП «спин-эхо». На МРА, получаемых при таких ИП, сосуды соответствуют зонам потери сигнала (изображения с «черной» кровью), а при использовании ИП «градиентное эхо» (GRE) сосудам с протекающей по ним кровью соответствуют зоны высокого сигнала (изображения с «яркой» кровью).
Другие режимы исследования включают: MP-спектроскопию (получение спектральных данных, характеризующих биохимические свойства выбранных зон интереса в мягких тканях), диффузионно-взвешенное исследование, основанное на оценке разницы в скорости диффузии протонов в нормальных и патологически измененных тканях, и перфузионную МРТ, выявляющую разницу в скорости контрастирования нормальных и патологически измененных тканей.
Изображение мышц, фасций, сухожилий, связок, компактного вещества кости и костного мозга зависит от ИП, а также от возраста пациента. Кроме часто использующихся стандартных ИП «спин-эхо» или «быстрое спин-эхо», для оценки костно-мышечной патологии иногда применяются и другие импульсные последовательности, например, ИП «инверсия-восстановление»: с короткой инверсионной задержкой (STIR) -для подавления сигнала от жировой ткани и с длительной инверсионной задержкой (FLAIR) - для подавления сигнала от свободной жидкости и т.д., ИП «градиентное эхо» (GRE) с МРА или без нее, перенос намагниченности, диффузионно-перфузионная МРТ и частотно-селективное химическое насыщение. Подробное описание этих последовательностей и режимов исследования можно найти в других руководствах.
МРТ с внутривенным введением контрастного вещества на основе хелатов гадолиния (Gd-KB) часто дает ценную диагностическую информацию при костно-мышечной патологии, в частности при опухолях и опухолеподобных образованиях, при воспалении, инфекции, ишемии. При этих заболеваниях обычно отмечается патологическое накопление контрастного вещества. При новообразованиях опорно-двигательного аппарата динамическая МРТ после болюсного внутривенного введения Gd-KB позволяет в ряде случаев дифференцировать быстро контрастирующуюся опухоль от перитуморального отека или некроза с замедленным накоплением контрастного вещества.
Кроме того, Gd-KB используются и в МР-артрографии. MP-артрография проводится после внутрисуставного введения Gd-KB под рентгенологическим или ультразвуковым контролем. MP-артрография применяется для диагностики поражений плечевого, тазобедренного, коленного и лучезапястного суставов. Новые режимы исследования, такие как диффузионно-взвешенная МРТ и MP-спектроскопия, используются в клинических научных исследованиях для оценки костно-мышечных опухолей и других образований, но их клиническая значимость требует дальнейшего изучения.
Формирование костей происходит путем или энхондрального, или перепончатого остеогенеза. Рост в длину происходит путем энхондрального остеогенеза, при котором кальцинированный хрящевой матрикс в области эпифизарного хряща (пластинки) ремоделируется в кость. Ростковый (эпифизарный) хрящ состоит из четырех параллельных зон, расположенных перпендикулярно длинной оси кости. Эти четыре зоны от периферии (ближе к эпифизу) к проксимальным отделам (ближе к метафизу) включают: 1) зону покоя (неактивная); 2) пролиферативную зону; 3) гипертрофическую зону; 4) зону окостенения (зона оссифицирующегося хряща).
В зонах пролиферации и гипертрофии происходит активное деление и созревание хрящевых клеток. В зоне окостенения наблюдаются формирование и минерализация остеоидного матрикса (она называется также зоной предварительного обызвествления). Зоны покоя, пролиферативная и гипертрофическая зоны рентгенонегативные, на Т2- и FS Т2-ВИ они характеризуются слабо гиперинтенсивным-высоким сигналом и накапливают контрастное вещество, тогда как зона окостенения имеет плотность, аналогичную зрелой минерализованной кости, на рентгенограммах и КТ и низкий сигнал на Т2- и FS Т2-ВИ. В прилежащей зоне метафиза (первичное губчатое вещество) тотчас проксимальнее зоны окостенения происходит ремоделирование кости с помощью активных остеокластов, она имеет вид тонкой зоны слабо гиперинтенсивного-высокого сигнала на FS Т2-ВИ.
При перепончатом остеогенезе костные клетки образуются непосредственно из надкостницы (длинные кости, лицевые кости, ключица) и обеспечивают аксиальный рост или из твердой мозговой оболочки (свод черепа) без участия эпифизарных пластинок.
Надкостница вызывает низкий сигнал на Т1- и Т2-ВИ и сращена с наружной поверхностью кортикального слоя кости в метадиафизах с помощью коллагеновых (шарпеевских) волокон. Надкостница состоит из наружного фиброзного и внутреннего клеточного (камбия) слоев. В области суставных концов костей надкостницы нет. В камбиальном слое содержатся активные остеобласты, благодаря чему во время роста детей происходит увеличение диаметра костей. У детей надкостница рыхло прикреплена к кортикальному слою кости, у взрослых - плотно. Реактивация надкостницы у взрослых может быть обусловлена травмой, инфекцией и опухолью. Периостальное перепончатое костеобразование возникает при переходе фибробластов (в фиброзном слое или прилежащих мягких тканях) в остеогенные клетки-предшественники, которые в итоге дают начало активным остеогенным клеткам в камбии.
Гиперемия при переломе, инфекции и опухоли может ускорять периостальный остеогенез, который обусловливает плотную линейную тень поверхностнее кортикального слоя на рентгенограммах и КТ. Периостальная реакция бывает разных типов в зависимости от патологии. С помощью МРТ можно увидеть отслойку надкостницы при различных заболеваниях, а также поднадкостничные изменения, к примеру кровоизлияние, гной и опухоль.
В костном мозге МР-сигнал зависит от наличия кроветворного (красного) мозга, содержащего 40% жира, 40% воды и 20% белка, или неактивного в гематологическом плане жирового (желтого) мозга, содержащего 80% жира, 15% воды и 5% белка. Жировой мозг обычно имеет сигнал, сходный с сигналом подкожной жировой клетчатки на T1-ВИ и FS T2-ВИ. Красный мозг, как правило, дает промежуточный сигнал на T1-ВИ, немного более низкий, чем у жира, и промежуточный сигнал на FS T2-ВИ, часто сходный с сигналом мышц. У младенцев и детей младшего возраста костный мозг преимущественно представлен красным (кроветворным) мозгом. У нормально развивающегося ребенка происходит постепенное превращение красного мозга в желтый, начиная с кистей и стоп, затем в дистальных отделах длинных костей.
В длинных костях в течение первого десятилетия жизни происходит прогрессирующее замещение красного мозга желтым в диафизарных отделах. Мозг окостеневших эпифизов и вертелов обычно является жировым.
У взрослых красный мозг обычно обнаруживается в позвоночнике, плоских костях, черепе, а также в проксимальных отделах бедренных и плечевых костей. МРТ позволяет визуализировать процесс превращения красного мозга в желтый благодаря незначительным различиям в сигнальных характеристиках на T1-ВИ и FS T2-ВИ. У взрослых старше 20 лет в нормальном костном мозге не наблюдается значимого усиления сигнала после введения гадолиниевого контраста. Эта ситуация отличается от таковой у младенцев и детей младшего возраста. Усиление сигнала после контрастирования гадолинием в норме может наблюдаться в хряще зоны роста, а также в сосудистых каналах эпифизарного хряща у младенцев и детей ясельного возраста.
По мере скелетного созревания и окостенения эпифизов контрастное усиление эпифизарного хряща уменьшается по сравнению с хрящом зоны роста. Умеренно высокий или высокий сигнал на T2-ВИ и FS T2-ВИ, а также контрастное усиление хряща зоны роста в конечном итоге трансформируются в низкоинтенсивный рубец зоны роста без контрастного усиления по достижении скелетной зрелости. У детей красный кроветворный мозг обильно васкуляризирован и обычно демонстрирует контрастное усиление. Усиление сигнала от метафизарного красного мозга у детей с возрастом прогрессивно уменьшается и обычно отсутствует после 20 лет. Контрастное усиление в эпифизарном мозге обычно выражено в меньшей степени по сравнению с метафизарным мозгом и, как правило, не наблюдается после 2 лет.
Большинство патологических процессов увеличивают коэффициенты T1- и T2-релаксации вовлеченных тканей, что приводит к снижению сигнала на T1-ВИ и повышению сигнала на T2-ВИ по сравнению с прилегающей нормальной тканью. К таким процессам относятся ишемия, инфаркт, воспаление, инфекция, метаболические или токсические нарушения, травма, новообразования и лучевое поражение. Однако кровоизлияние может иметь различную картину в зависимости от давности гематомы, степени окисления железа в гемоглобине, гематокрита, концентрации белка, образования и ретракции сгустка, локализации и размера. Оксигемоглобин в сверхостром кровяном сгустке содержит двухвалентное железо и является диамагнитным. Оксигемоглобин не вызывает значительных изменений T1- и T2-значений тканевого окружения, за исключением возможного локального отека.
Через несколько часов, в острой фазе гематомы, оксигемоглобин теряет кислород с образованием дезоксигемоглобина. Дезоксигемоглобин также содержит двухвалентное железо, однако имеет неспаренные электроны и становится парамагнитным. Вследствие этого дезоксигемоглобин укорачивает T2-значение острого сгустка, но существенно не изменяет T1-значение. При МРТ дезоксигемоглобин в сгустке будет давать промежуточный сигнал на T1-ВИ и низкий сигнал на T2-взвешенных спин-эхо или градиент-эхо изображениях. Позднее, в раннюю подострую фазу гематомы, дезоксигемоглобин окисляется до трехвалентного состояния с образованием метгемоглобина, который является сильно парамагнитным. Метгемоглобин укорачивает T1-значение ядер водорода, что приводит к высокому сигналу на T1-ВИ.
Пока эритроциты в сгустке остаются интактными (внутриклеточный метгемоглобин), T2-значения также будут снижены, что дает низкий сигнал на T2-ВИ. В позднюю подострую фазу разрушение мембран эритроцитов приводит к образованию внеклеточного метгемоглобина, который теперь дает высокий сигнал как на T1-ВИ, так и на T2-ВИ. В хронической фазе метгемоглобин подвергается дальнейшему окислению и разрушению макрофагами с образованием гемосидерина, который характеризуется выраженно низким сигналом на T2-ВИ и низким или промежуточным сигналом на T1-ВИ.
Другие процессы, которые могут приводить к появлению зон высокого сигнала на T1-ВИ: жир, дермоиды (интактные или разорванные), тератомы, липомы, кистозные структуры с высоким содержанием белка или холестерина, а также пантопак (контрастное вещество). Очаги или структуры с низким сигналом на T1-ВИ и T2-ВИ могут быть следствием кальцификатов, очень высокой концентрации белка или гадолиниевых хелатов, эффектов магнитной восприимчивости — особенно от металлических фрагментов или хирургических клипс, а также артефактов.
Видео различий КТ и МРТ, показаний и прототивопоказаний к ним
