REVIEW

Rezonanţa magnetică nucleară: actualităţi şi perspective

 Nuclear magnetic resonance: actualities and perspectives

First published: 30 septembrie 2021

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/Med.142.4.2021.5416

Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a complex physical process based on the interaction of protons in an electro­mag­ne­tic field, the most well-known and widespread ap­pli­cation in medical-clinical and medical-surgical field being nuclear magnetic resonance imaging. Considering the interdependent relationship between research in scien­ti­fic fields that are closely related to medicine and the me­di­cal world, it is particularly important to be aware of the existence of other applications of the physical process men­tioned before: diffusionometry, relaxometry and MRI spectroscopy. These are well-known and studied research entities, but their applicability in the clinical diagnostic pro­cess is still limited, despite the huge potential to provide a much broader and more detailed perspective on various biological tissues in vitro, but even in vivo. We want to re­view the evolution of nuclear magnetic resonance to­mo­gra­phy or imaging, which has gone from being a Nobel Prize-winning idea to one of the most widespread and useful methods of non-invasive and non-irradiating me­di­cal imaging, but especially an example of the feasi­bi­li­ty of diffusionometry, relaxometry, respectively MRI spec­tro­scopy in a medical setting, through global studies on their po­ten­tial diagnosis in areas such as oncology, neurology, en­do­cri­no­logy and others.
 

Keywords
NMR, MRI, diffusiometry, relaxometry, spectroscopy, Imaging

Rezumat

Rezonanţa magnetică nucleară (RMN) reprezintă un proces fizic complex la baza căruia stă interacţiunea protonilor în cadrul unui câmp electromagnetic, cea mai cunoscută şi răs­pân­dită aplicaţie pe plan medico-clinic şi medico-chi­rur­gi­cal fiind imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară. Luând în considerare relaţia de interdependenţă dintre cercetarea în domeniile ştiinţifice, care sunt în strânsă legătură cu medicina şi lumea medicală, este deosebit de importantă luarea la cu­noştinţă a existenţei celorlalte aplicaţii ale procesului fizic men­ţio­nat anterior: difuziometria, relaxometria şi spec­tro­sco­pia RMN. Acestea reprezintă entităţi bine cunoscute şi studiate în domeniul cercetării, însă aplicabilitatea lor în procesul de diagnostic clinic este încă limitată, în ciuda po­ten­ţia­lului imens de a oferi o perspectivă mult mai vastă şi de­ta­liată asu­pra diverselor ţesuturi biologice in vitro, dar chiar şi in vivo. Se doreşte o trecere în revistă a evoluţiei tomografiei sau ima­gis­ti­cii prin rezonanţă magnetică nucleară, care a ajuns să devină de la o idee care a câştigat Premiul Nobel la una din­tre cele mai răspândite şi folositoare metode de ima­gis­ti­că me­di­ca­lă neinvazivă şi neiradiantă, dar mai ales o exem­pli­fi­care a fezabilităţii difuziometriei, relaxometriei, res­pectiv a spectroscopiei RMN într-un cadru medical prin in­ter­me­diul unor studii realizate la nivel global asupra potenţialului lor diagnostic în domenii precum oncologia, neurologia, endo­cri­no­lo­gia şi altele.
 

Introducere

Rezonanţa magnetică nucleară (RMN) semnifică un fenomen fizic la baza căruia stă interacţiunea dintre nucleii atomilor de hidrogen în cadrul unui câmp electromagnetic extern, constant, expus la unde electromagnetice de radiofrecvenţă specifică. Acest principiu fizic are o deosebită importanţă medicală, imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară (IRM) devenind indispensabilă în procedeul diagnostic al nenumăratelor patologii de natură internă, neurologică, endocrină, respectiv oncologică, denotându-i astfel caracterul versatil.

Rezonanţa magnetică nucleară, respectiv modalitatea prin care energia este absorbită de molecule în funcţie de o frecvenţă magnetică specifică şi faptul că această absorbţie determină o deflexiune fasciculară măsurabilă, a fost pentru prima oară observată în anul 1939 de către Isidor Rabi, care a câştigat Premiul Nobel pentru Fizică în anul 1944(1,2). În 1946 a avut loc extinderea principiului fizic la nivelul structurilor macromoleculare lichide, respectiv solide, de către Felix Bloch şi Edward Purcell, care au câştigat la rândul lor Premiul Nobel în anul 1952 pentru demonstrarea aplicabilităţii procesului fizic(1). Abia în anul 1973 a fost obţinută prima imagine bidimensională, în urma semnalelor nucleare magnetice, de către Paul Lauterbur, care împreună cu Peter Mansfield au primit în 2003 Premiul Nobel pentru Fiziologie şi Medicină(1). Ulterior a fost dovedită capacitatea obţinerii unor imagini diferite prin rezonanţă magnetică nucleară, în funcţie de structura morfologică a ţesuturilor, res­pectiv distingerea ţesutului integru de cel patologic sau tumoral prin intermediul semnalmentelor luminoase de intensitate diferită. S-a analizat mişcarea protonilor de la nivelul respectivelor ţesuturi introduse în câmpul magnetic în urma aplicării undelor de radiofrecvenţă, iar energia absorbită la nivelul nucleilor a fost cedată sub formă de semnal pentru revenirea la starea de echilibru. Semnalul s-a integrat într-un sistem triaxial de planuri şi s-au obţinut prin informatizare imagini cu înaltă semnificaţie medicală.
 

La ora actuală, imagistica medicală este dominată de două mari entităţi distincte, imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară şi tomografia computerizată (CT). Imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară este o tehnică imagistică neinvazivă, ce utilizează radiaţii electromagnetice neionizante şi prin intermediul căreia se pot genera imagini pe secţiuni clar delimitate ale unor structuri interne. Un avantaj foarte important al imagisticii prin rezonanţă magnetică nucleară îl reprezintă faptul că radiofrecvenţa aplicată este de ordinul ultrasunetelor, imaginile obţinându-se în absenţa radiaţiilor ionizante, a căror doză eficace poate depăşi 10 mSv (miliSievert) (10 E-3 m2·s-2) în cadrul CT-ului. Una dintre cele mai importante contribuţii ale principiului rezonanţei magnetice nucleare în cadrul imagisticii medicale este cea de a urmări structura anatomică şi de a diferenţia structurile integre de cele patologice, îndeosebi la nivelul sistemului nervos central, dar nu numai. Aceste diferenţe într-un context anatomic clar stabilit pot determina stabilirea diagnosticului de leziune structurală, precum diverse neoplasme, tumori sau metastaze, tumori vasculare, atrofii de na­tură diversă, hemoragii sau acumulări patologice de lichid cefalorahidian(3). Valoarea diagnostică a imagisticii prin rezonanţă magnetică nucleară nu se rezumă doar la domeniul neurologiei, ci în vaste patologii ce necesită abordare clinică multidisciplinară. Rezonanţa magnetică nucleară, pe lângă imagistica RMN sau tomografia RMN, care este şi cea mai cunoscută şi utilizată în domeniul medical, are ca aplicaţii şi difuziometria, relaxometria şi spectrofotometria RMN(10), însă, în ciuda potenţialului explorator al unor multiple ţesuturi biologice şi umane, aplicabilitatea şi fezabilitatea lor în cadrul imagisticii medicale sunt încă nedefinitivate.

Relaxometria RMN reprezintă o metodă cantitativă de măsurare a timpilor de relaxare din cadrul rezonanţei magnetice nucleare menţionaţi anterior, în funcţie de valorile acestora fiind posibilă obţinerea unor produse imagistice. Potenţialul acesteia este remarcat în literatura de specialitate, exemple de aplicaţii deosebite ale metodei fiind propunerea utilizării relaxometriei în determinarea prognosticului în legătură cu dezvoltarea sistemului nervos central la prematuri, utilizarea timpului de relaxare T2 de la nivelul putamenului ca marker de diagnostic diferenţial al sindroamelor ce implică tremorul, res­pectiv observarea neuromelaninei şi a infiltrării cu fier la nivelul substanţei negre mezencefalice(4-6). Un studiu desfăşurat în Taiwan a evidenţiat faptul că, prin intermediul relaxometriei RMN, nu doar că ariile de necroză microscopice, respectiv leziunile de substanţă albă cerebrală sunt mai uşor de luat în considerare în comparaţie cu metodele imagistice clasice, ci şi valoarea predictivă a interpretării timpilor de relaxare T2, obţinându-se corelaţii între curbele obţinute şi prematurii cu dezvoltare întârziată, paralizie cerebrală, respectiv cei cu sistem nervos central integru(4). Un alt studiu a pledat pentru luarea în considerare a T2-ului obţinut la nivelul putamenului stâng în cadrul relaxometriei RMN ca factor ce poate determina obţinerea mai facilă a unui diagnostic diferenţial între boala Parkinson şi tremorul esenţial, două patologii care impun în mod constant probleme de diferenţiere diagnostică prin similitudinea simptomatică(5). O altă abordare a bolii Parkinson prin intermediul relaxometriei a fost propusă de cercetătorii sud-coreeni – şi anume, monitorizarea conţinutului scăzut de neuromelanină în contrast cu cel crescut de infiltrările de fier de la nivelul substanţei negre mezencefalice, discrepanţa între cele două exprimate anterior putând avea valoare prognostică în evoluţia bolii(6).

O altă aplicaţie a rezonanţei magnetice nucleare, spectroscopia RMN, este o noţiune indispensabilă în cadrul conceptului de psihoradiologie, datorită capacităţii de determinare a conţinutului în anumite substanţe metabolice a materiei cerebrale, care pot determina diverse tulburări, îndeosebi de natură psihiatrică(7). Este demn de menţionat un studiu indian care demonstrează că prin intermediul spectroscopiei RMN se pot obţine date referitoare la compoziţia biochimică a glioamelor, aceasta fiind responsabilă de caracterul evolutiv oncologic, dar şi de dezvoltarea unei anumite rezistenţe la tratamentul chimioterapic(8), două caracteristici deosebit de importante pentru medicul oncolog.

Spectroscopia s-a dovedit a fi utilă şi în analizarea dezechilibrelor metabolice din cadrul encefalopatiei hepatice, un studiu realizat pe şobolani dovedind că la nivel cerebral are loc o scădere semnificativă a cantităţii de propilen glicol, metilmalonat, creatinină, colină, taurină, glucoză şi mioinozitol, iar neurotransmiţătorii precum N-acetilglutamatul, N-acetilaspartatul, glutamatul, 4-aminobutiratul şi glutamina, respectiv succinatul, citratul, malatul, acetatul, glicina şi lactatul, au avut valori crescute, pe când la nivel hipotalamic s-au obţinut rezultate contrastante ale unora dintre cele enumerate anterior ca fiind crescute(9), în ciuda proximităţii anatomice, acest exemplu fiind încă un argument pentru potenţialul utilizării spectroscopiei în cercetarea biochimică a sistemului nervos central, mai ales în condiţii patologice.

Spre deosebire de imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară, difuziometria RMN are capacitatea de a determina şi analiza coeficienţii de difuzie a protonilor din cadrul unui voxel şi de a calcula prin intermediul unor procedee complexe dimensiunea şi intricarea cavităţilor de ordinul micrometrilor din cadrul unor structuri anatomice la nivelul cărora mişcarea aleatorie pură cu orice fel de traiectorie posibilă(10) a protonilor este manipulată prin intermediul rezonanţei magnetice nucleare, al undelor de radiofrecvenţă, obţinându-se date numerice exacte. Prin comparaţie, se poate exprima specificitatea crescută a difuziometriei RMN pentru determinarea mai exactă a structurilor de dimensiune foarte mică, ţinând cont de faptul că nu doar densitatea sau conţinutul în protoni al unei structuri biologice este factor diagnostic sau prognostic în cadrul înţelegerii unei patologii, ci şi spaţiul virtual de deplasare a protonilor respectivi, ce limitează schimbul de energie nucleară(10).

O aplicaţie propusă a difuziometriei RMN este investigarea ţesutului osos integru, respectiv osteopenic sau osteoporotic, cu măsurarea microcavităţilor determinate de traveele osului trabecular sau a canalelor sistemelor haversiene sau Volkmann ale structurilor corticale. În ciuda potenţialului evident al acestei investigaţii inovatoare, literatura prezintă doar experimente individuale în legătură cu acest subiect, însă este vast utilizată la aprecierea structurii măduvei osoase, structură imediat apropiată ţesutului osos.

Unul dintre principalele scopuri în explorarea imagistică a măduvei osoase s-a dovedit a fi infiltrarea acesteia în cadrul mielomului multiplu. Un studiu(11) concluzionează faptul că, pe lângă diferenţele fiziologice între măduva osoasă hematogenă şi măduva galbenă, determinate de conţinutul superior în adipocite al măduvei galbene, ceea ce determină o variaţie a coeficientului aparent de difuzie (ADC) de 0,2-0,6 10-3 mm2/s, există un pattern specific al parametrilor difuziometriei RMN în cadrul evoluţiei mielomului multiplu.

Din punct de vedere fiziopatologic, odată cu progresia mielomului multiplu, concentraţia de apă la nivelul măduvei osoase creşte datorită invaziei celulelor plasmatice la nivel medular, consecutiv scăzând din punct de vedere cantitativ conţinutul în măduvă galbenă, observându-se o creştere a vitezei de difuzie a protonilor din cadrul moleculelor de apă. Acest fapt determină o creştere a ADC-ului, deci o valoare hiperintensă, ce poate fi observată imagistic, devenind o modalitate demnă de luat în considerare în cadrul procesului de monitorizare a mielomului multiplu şi de urmărire a evoluţiei sale la nivelul măduvei osoase(11).

Una dintre cele mai impresionante metode imagistice care utilizează conceptul difuziometriei RMN este tractografia(12) la nivel encefalic, care a fost posibilă prin presupunerea corelaţiei dintre orientarea paralelă a unui număr de fibre nervoase din cadrul aceluiaşi fascicul de fibre şi orientarea comună a mediei vectorilor determinaţi de direcţia de difuzie a moleculelor de apă din cadrul respectivelor structuri. Astfel, maparea materiei albe cerebrale organizată în tracturi nervoase a devenit posibilă inclusiv in vivo, delimitarea exactă şi cantitativă a mănunchiurilor nervoase, care este suprapozabilă neuroanatomiei deja cunoscute, fiind deosebit de valoroasă ca ghidaj imagistic în cadrul unor intervenţii neurochirurgicale complexe. Există însă loc pentru cercetare şi în acest subdomeniu, una dintre cele mai semnificante problematici fiind posibilitatea coinciderii semnalelor de difuziometrie RMN oferite de voxeli diferiţi, din configuraţii nervoase diferite, apărând astfel semnale fals pozitive(12). Metoda tractografiei prin difuziometrie şi rezonanţă magnetică nucleară este totuşi limitată, în ciuda complexităţii sale, din cauza posibilităţii existenţei surselor de erori, ce pot duce la rezultate clinice nefaste.

Pe lângă faptul că aplicabilitatea şi fezabilitatea utilizării aparatelor ce funcţionează pe principiul rezonanţei magnetice nucleare au fost implementate la nivel global, există în literatură articole care atestă importanţa difuziometriei RMN în cadrul monitorizării eficacităţii tratamentului cancerului de sân(13). Principiul de bază al difuziometriei este aplicabil şi la nivel tumoral, considerând că efectul chimioterapicelor de creştere a permeabilităţii membranare, respectiv de liză celulară la nivel tumoral, determină o modificare a spaţiului extracelular din cadrul tumoral, ceea ce va duce la valori crescute ale coeficientului aparent de difuzie (ADC)(13). Monitorizarea ADC-ului din stadiile incipiente ale tratamentului poate anticipa capacitatea individuală de a răspunde la tratamentul chimioterapic, deci şi de a oferi o perspectivă prospectivă a eficacităţii tratamentului ales. Un studiu a demonstrat fezabilitatea utilizării ADC-ului ca biomarker cantitativ şi neinvaziv de monitorizare a tratamentului chimioterapic în cazul cancerului de sân, dovedind valoarea predictivă a unui ADC crescut la 12 săptămâni după tratamentul cu taxani, respectiv antracicline, în special în cazul tumorilor HR+/HER2-, care prezintă o micşorare tumorală redusă comparativ cu celelalte tipuri de tumori în cadrul tratamentului(13).

Un alt domeniu medical aflat în continuă evoluţie este cel al patologiilor autoimune, posibilitatea stabilirii activităţii inflamatorii la nivelul ileonului, respectiv al colonului la pacienţii cu boală Crohn cu ajutorul DWI (diffusion-weighted imaging), care funcţionează conform principiilor difuziometriei şi rezonanţei magnetice nucleare, fiind evidenţiată în literatura de specialitate(14).

S-a concluzionat că valori ale coeficientului aparent de difuzie de 2,08±0,31 corespund stării inactive de boală Crohn, valori de 1,16±0,39 celei uşor active, iar valori de 0,79±0,20 celei moderat severe, rezultatele fiind comparabile cu cele obţinute prin metodele imagistice patentate, enterografia convenţională prin rezonanţă magnetică nucleară, respectiv ileocolonoscopia(14). ADC-ul se dovedeşte a fi invers proporţional cu stadiul de activitate a bolii inflamatorii datorită infiltratului inflamator ce determină o scădere observabilă în spaţiul extracelular de la nivelul peretelui intestinal. Astfel, a fost demonstrată acurateţea crescută a diferenţierii stadiilor inactive de boală Crohn de cele uşor active, respectiv de cele mai severe, comparativ cu acurateţea imagisticii nucleare convenţionale(14). Pe lângă acurateţea superioară, un avantaj notabil este că nu necesită administrare de substanţă de contrast.

Imagistica prin rezonanţă magnetică nucleară a devenit o metodă indispensabilă în diagnosticarea, tratarea şi urmărirea evolutivă a multor patologii complexe din sfere medicale diverse, însă odată cu evoluţia şi cercetarea şi a celorlalte ramuri ale spectrului vast, ce presupune manipularea undelor de radiofrecvenţă la nivel molecular, este necesară luarea lor în considerare în implicarea în procesul clinic sau chiar chirurgical de interpretare a bolilor. Relaxometria, spectroscopia, respectiv difuziometria RMN şi-au dovedit de-a lungul anilor potenţialul imagistic la nivel molecular şi reprezintă în esenţă o oportunitate mai profundă şi detaliată de a aborda patologii sau sisteme anatomice precum cele exemplificate anterior, cercetarea prin intermediul acestor concepte reprezentând o posibilă inovaţie în screeningul şi abordarea principalelor boli ale secolului XXI.  

 

Conflict of interests: The authors declare no con­flict of interests.

Bibliografie

  1. Rachel W Chan, Justin YC Lau, Wilfred W Lam, Angus Z Lau, Magnetic Resonance Imaging, Editor(s): Roger Narayan, Encyclopedia of Biomedical Engineering, Elsevier, 2019, pp. 574-587.
  2. Becker ED. A brief history of nuclear magnetic resonance. Analytical Chemistry. 1993;65(6):295A-302A.
  3. Yousaf T, Dervenoulas G, Politis M. Advances in MRI Methodology. International Review of Neurobiology. 2018;141:31-76.
  4. Chen LW, Wang ST, Huang CC, Tu YF, Tsai YS. T2 Relaxometry MRI Predicts Cerebral Palsy in Preterm Infants. American Journal of Neuroradiology. 2018;39(3):563-568.
  5. Filip P, Vojtíšek L, Baláž M, Mangia S, Michaeli S, Šumec R, Bareš M. Differential diagnosis of tremor syndromes using MRI relaxometry. Parkinsonism & Related Disorders. 2020;81:190-193.
  6. Lee H, Baek SY, Kim EJ, Huh GY, Lee JH, Cho H. MRI T2 and T2* relaxometry to visualize neuromelanin in the dorsal substantia nigra pars compacta. Neuroimage. 2020 May 1;211:116625.
  7. Port JD. Magnetic Resonance Spectroscopy for Psychiatry. Neuroimaging Clinics of North America. 2020;30(1):25-33.
  8. Jothi J, Vanisree AJ, Krishnaswamy R. Metabolic variations among low grade and high grade gliomas – profiling by 1H NMR spectroscopy. Journal of Proteome Research. 2020;19(6):2483-90.
  9. Pathania A, Rawat A, Dahiya SS, Dhanda S, Barnwal RP, Baishya B, Sandhir R. 1H NMR based Metabolic Signatures in Liver and Brain in Rat Model of Hepatic Encephalopathy. Journal of Proteome Research. 2020;19(9):3668-79.
  10. Ardelean I. Rezonanţa Magnetică Nucleară pentru ingineri. U.T. Press, Cluj-Napoca, 2013.
  11. Karampinos DC, Ruschke S, Dieckmeyer M, Diefenbach M, Franz D, Gersing AS, et al. Quantitative MRI and spectroscopy of bone marrow. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 2017;47(2):332-353.
  12. Jeurissen B, Descoteaux M, Mori S, Leemans A. Diffusion MRI fiber tractography of the brain. NMR in Biomedicine. 2019 Apr;32(4):e3785.
  13. Partridge SC, Zhang Z, Newitt DC, Gibbs JE, Chenevert TL, et al. Diffusion-weighted MRI Findings Predict Pathologic Response in Neoadjuvant Treatment of Breast Cancer: The ACRIN 6698 Multicenter Trial. Radiology. 2018 Dec;289(3):618-627.
  14. Li X, Sun C, Mao R, Huang S, Zhang Z, Yang X, et al. Diffusion-weighted MRI Enables to Accurately Grade Inflammatory Activity in Patients of Ileocolonic Crohn’s Disease. Inflammatory Bowel Diseases. 2017;23(2):244-253.