Veiligheidsaspecten van 'magnetic resonance imaging'

Nu duidelijk wordt dat het aantal ‘magnetic resonance imaging’(MRI, kernspinresonantietomografie)-scanners in Nederland in de nabije toekomst aanzienlijk zal toenemen, lijkt het zinvol een bespreking te wijden aan de veiligheidsaspecten van deze techniek. Bij artsen, patiënten en medewerkers die te maken hebben met MRI-onderzoek bestaat vaak weinig duidelijkheid over mogelijke gevaren van deze methode, wat kan leiden tot onnodige onrust en bezorgdheid. In de internationale literatuur is al veel aandacht besteed aan de bestudering van mogelijke biologische effecten van MRI.1-6

In het algemeen kan men stellen dat bij de op dit moment gebruikte MRI-methoden tot nu toe geen schadelijke effecten van magnetische of radiofrequente velden zijn gebleken. Bij gebruik van de huidige scanners is de veiligheid door de fabrikant gegarandeerd. De fabrikanten houden zich aan de normen zoals die zijn geformuleerd door de Amerikaanse ‘Food and Drug Administration’ (FDA) en de Britse ‘National Radiological Protection Board’ (NRPB).12 De gestelde normen zijn gebaseerd op waargenomen effecten van (elektro)magnetische velden die bij zeer hoge veldsterkten kunnen optreden.

In dit overzicht zullen daarom achtereenvolgens de mogelijke biologische effecten van magnetische en elektromagnetische velden aan de orde komen. Verder wordt aandacht besteed aan de mogelijkheden tot ‘patiëntbewaking’ tijdens het onderzoek en aan contraïndicaties voor het MRI-onderzoek.

Biologische effecten van (elektro)magnetische velden

Bij de beschrijving van eventuele biologische effecten van MRI moet men rekening houden met drie veldtypen die tijdens het scannen aanwezig zijn: (a) het statische magnetisch veld, (b) het wisselende magnetische veld en (c) de radiogolven ofwel het radiofrequente veld.

De sterkte van het magnetische veld wordt uitgedrukt in de eenheid tesla (T), soms wordt nog de oude eenheid gauss (G) gebruikt: 1 T = 10.000 G. Bij het wisselende magnetische veld is de snelheid van verandering belangrijk, deze wordt uitgedrukt in tesla per seconde (Ts). Bij de beschrijving van effecten van radiogolven moet rekening gehouden worden met de frequentie daarvan, die in hertz (Hz) wordt opgegeven en vooral met het energetische vermogen dat in het lichaam van de patiënt terechtkomt (watt(W)kg).

Statisch magnetisch veld

Bij MRI wordt een statisch magnetisch veld toegepast om de kern'spins‘ te magnetiseren, waardoor uiteindelijk een afbeelding van deze magnetisatie gemaakt kan worden. Voor het maximaal te gebruiken statische magnetische veld in MRI-apparatuur geldt een richtlijn van 2,5 T. In de praktijk worden velden van 0,02 tot 2 T toegepast. Statische magnetische velden kunnen in principe een aantal biologische effecten hebben. Zo zouden bijvoorbeeld bloedcellen al bij magnetische velden van minder dan 1 T de richting van het magnetische veld kunnen aannemen (door diamagnetische krachten); dit effect speelt echter geen rol omdat de altijd aanwezige thermische beweging overheerst.

Zowel versnelling als vertraging van embryo-ontwikkeling is beschreven bij chronische blootstelling van proefdieren aan magnetische velden. Voor zover dit effect bestaat, is het klein en onduidelijk. Er zijn geen aanwijzingen dat statische magnetische velden mutagene effecten hebben.

Een steeds waargenomen effect van het statische magnetische veld bij MRI is een abnormale T-top in het elektrocardiogram (ECG). Dit wordt veroorzaakt door het zogenaamde magneto-hemodynamisch effect: vooral het bloed in de aortaboog kan beschouwd worden als een fluctuerende stroom bewegende geladen deeltjes; in een magnetisch veld veroorzaakt dit een inductiespanning die in het op de huid gemeten ECG tot uiting komt. De ECG-verandering is geen gevolg van functieverandering van het hart. Buiten de magneet neemt het ECG dadelijk weer zijn oude vorm aan. In theorie oefent het magnetische veld een kracht uit op stromend bloed, deze krachtwerking is echter zeer gering en pas meetbaar bij velden boven 5 T.

Bij zeer hoge veldsterkten (vanaf 20 T) kan reductie van zenuwgeleiding optreden ten gevolge van kracht die op elektrische stroom wordt uitgeoefend. Ook is bij deze veldsterkten een conformatieverandering (d.w.z. vervorming van het molecule) van enzymen mogelijk, wat aanleiding zou kunnen geven tot verstoring van stofwisselingsprocessen.

Een in de praktijk belangrijker effect van het statische magnetische veld is de op ferromagnetische metalen implantaten uitgeoefende kracht.7 In aanwezigheid van een magnetisch veld is steeds een kracht- en draaimoment op metalen delen aanwezig. Deze is afhankelijk van de vorm, het gewicht en vooral het materiaal van het implantaat.

– Orthopedische implantaten (bijv. in heup, knie of wervelkolom) vormen bij MRI geen probleem, wel kunnen ze beeldartefacten veroorzaken, maar deze zijn minder storend dan de artefacten die ze op CT-scans veroorzaken.

– Gemakkelijk bewegende metalen delen vormen een gevaar bij MRI. Vaatclips in de hersenen kunnen, afhankelijk van het materiaal waaruit ze bestaan, gevaarlijk zijn. Het magnetische veld zou deze clips kunnen verplaatsen of verdraaien. Eventuele beweging van operatieclips in andere delen van het lichaam is in het algemeen niet gevaarlijk. Metaalsplinters in het lichaam kunnen gaan bewegen en daarbij bloedingen veroorzaken.

– Kunstkleppen (althans typen van na 1964) geven geen probleem.7 Er wordt in moderne kunstkleppen zo weinig ferromagnetisch materiaal verwerkt dat de kracht die het magnetische veld erop uitoefent veel kleiner is dan de door het hart veroorzaakte krachten.

– Geïmplanteerde gehoorprothesen kunnen bewegende gedeelten bevatten die onder invloed van het magnetische veld beschadigd worden.

– Elektromechanische implantaten (bijv. pacemaker, neurostimulator, insulinepomp) vormen een contraïndicatie voor MRI. Voor pacemakerdragers wordt in het algemeen gesteld dat zij niet aan velden boven 0,5 mT (5 G) mogen worden blootgesteld.

Wisselend magnetisch veld

Tijdens het maken van MRI-opnamen wordt gebruik gemaakt van zogenaamde gradiëntvelden om de magnetisatie van de kernspins in het af te beelden doorsnedevlak zichtbaar te maken. Het aan- en uitschakelen van deze noodzakelijke gradiëntvelden veroorzaakt een wisselend magnetisch veld, hetgeen een elektrische stroom kan induceren. De snelheid van veldverandering (dBdt, waarin B = magnetische veldsterkte, t = tijd) is afhankelijk van de veldsterkte en de schakeltijd. Hoewel (of misschien juist omdat) de effecten van wisselende magneetvelden niet duidelijk zijn, gelden voor de maximaal toegestane veldverandering verschillende richtlijnen: dBdt

Wat zijn nu de mogelijke biologische effecten van wisselende magnetische velden? De effecten van deze veldveranderingen zijn afhankelijk van de inductiestroomdichtheid (aangegeven in micro-ampère (µA) cm²). De sterkte van de geïnduceerde stroom is afhankelijk van de factor dBdt en van de afmetingen van het lichaam. In de literatuur is beschreven dat personen die snelle wisselingen van een magnetisch veld ondergaan lichtflitsen (fosfenen) kunnen waarnemen. De verklaring van dit effect is niet geheel duidelijk. Volgens sommige auteurs ontstaat het door stimulatie van de nervus opticus, anderen achten het richteffect op kegeltjes in het netvlies verantwoordelijk voor dit verschijnsel, dat zich kan voordoen bij een stroomdichtheid van 0,1 µAcm², die wordt ontwikkeld bij dBdt = 2-5 Ts. Bij de huidige toepassingen van MRI treden deze fosfenen niet op.

De inductiestromen kunnen ook effect hebben op de werking van een pacemaker, die dus ook door het wisselende magnetische veld een contraïndicatie voor MRI vormt. De bij MRI optredende inductiestromen zijn zeer zwak. Zo treedt bij MRI, wanneer men de huidige richtlijnen in acht neemt, geen activering van spieren en zenuwen op (dit zou kunnen voorkomen bij een stroomdichtheid van meer dan 3 µAcm²).

Er is een aantal biologische effecten bekend dat kan voorkomen ten gevolge van relatief sterke inductiestromen.

– Er zijn veranderingen in celgroei beschreven: bevordering van botgroei door inductiestromen (10 µAcm²) wordt in de heelkunde gebruikt als elektrostimulatiemethode bij botbreuken. Het feit dat botbreuken onder invloed van wisselende velden sneller herstellen is algemeen aanvaard, over de oorzaak ervan is nog geen eenstemmigheid, sommigen menen dat alleen al het aanbrengen van de stimulator de genezing bevordert door betere fixatie van de breuk.

– Atrium- of ventrikelfibrilleren is mogelijk bij hoge stroomdichtheden van 100 tot 1000 µAcm² (bij dBdt > 50 Ts). Ter vergelijking: de fysiologische stroomdichtheid in het hart is 100 tot 1000 µAcm²; bij elektroshocktherapie worden stroomdichtheden van 3000 µAcm² toegepast.

Experimenteel werd geen effect van wisselende magneetvelden tot 1000 Acm² waargenomen op serumspiegels van diverse ionen (Na, K, etc.), het bloedbeeld, de lichaamstemperatuur, hormoonconcentraties of neurologische grootheden.

Uit dierproeven bestaan geen aanwijzingen dat de bij MRI toegepaste wisselende magnetische velden mutagene of carcinogene effecten zouden hebben.

Radiofrequent veld

Het radiofrequente (RF-)veld, in het dagelijks spraakgebruik vaak ‘radiogolven’ genoemd, wordt bij MRI gebruikt om de atoomkernen in een hogere energetische toestand te brengen, dit wordt kernspinexcitatie genoemd. Vervolgens keren de kernen terug in hun evenwichtstoestand onder het uitzenden van radiogolven waaruit dan het MRI-beeld kan worden opgebouwd. Zowel thermische als non-thermische effecten van RF-velden zijn voorstelbaar.

Thermische effecten

Het RF-veld heeft een elektrische en een magnetische component. De magnetische component van het veld zorgt voor kernspinexcitatie. De steeds aanwezige elektrische component kan opwarming veroorzaken. Door interactie van de elektrische RF-component met de elektrische dipool van het watermolecule wordt de beweging van deze moleculen versneld, d.w.z. er treedt opwarming op.

De grootte van het opwarmingseffect is o.a. afhankelijk van de weefselgeleidbaarheid, de frequentie van de gebruikte radiogolven en de afmetingen van het lichaam. De bij MRI gebruikte frequentie (megahertz, MHz) is te laag voor een efficiënte opwarming van het water in de weefsels. Ter vergelijking: de magnetronoven gebruikt radiogolven met een circa 100-1000 maal zo hoge frequentie (gigahertz, GHz) als die welke bij MRI toegepast wordt. Toch kunnen bij MRI in principe thermische effecten optreden.

Voor het vermogen (energie per seconde) dat aan de patiënt wordt toegevoerd zijn richtlijnen vastgelegd. Om opwarming te voorkomen, moet dit vermogen, de zogenaamde specifieke absorptie (‘specific absorption rate’), beperkt blijven tot maximaal 0,4 Wkg op het gehele lichaam of maximaal 5 Wkg op gedeelten van het lichaam. Toepassing van deze richtlijn moet voorkomen dat er plaatselijke temperatuurstijgingen van meer dan 1°C zouden kunnen ontstaan. Het lichaam kan relatief grote hoeveelheden warmte vrij gemakkelijk afvoeren. Ter vergelijking: de menselijke energieproduktie in rust bedraagt gemiddeld 1,3Wkg (basaal metabolisme). Bij inspanning kan deze energieproduktie verdrievoudigen zonder dat de lichaamstemperatuur afwijkt van haar constante waarde. De hierboven genoemde richtlijnen voor MRI zijn dan ook vrij ‘conservatief’ vastgesteld.

Tijdens het opnemen van MRI-beelden wordt gewoonlijk gewerkt met 0,001-0,1 Wkg: optreden van lokale opwarming (‘hot spots’) daarbij wordt uitgesloten geacht. Ter vergelijking: bij diathermie en hyperthermie worden vermogens van 75 tot 200 Wkg toegepast. Bij gebruik van MRI-scanners werd wel een geringe (0,3°C) niet significante, temperatuurstijging bij proefpersonen waargenomen. In een recent experiment werd een vermogen van 3 Wkg gebruikt, gedurende 20 minuten bij 1,5 T; hierbij werd een gemiddelde verhoging van de rectaal gemeten lichaamstemperatuur van 0,33°C waargenomen, terwijl de huidtemperatuur met gemiddeld 0,47°C toenam.8 Bij patiënten met metalen implantaten zijn geen schadelijke effecten van warmte gerapporteerd.

Experimenteel zijn er effecten bekend die kunnen ontstaan door RF-opwarming: celbeschadiging kan vanaf 10 Wkg optreden, cataract van het oog kan voorkomen bij een energieabsorptie van 100 Wkg. In de literatuur zijn gedragsveranderingen bij proefdieren beschreven bij vermogens van 4 Wkg over het hele lichaam.

Een punt dat de aandacht verdient, is dat bij hogere RF-frequentie het thermische effect met het kwadraat van de frequentie toeneemt. Bij MRI is de gebruikte RF-frequentie recht evenredig met de magnetische veldsterkte. Bij veldsterkten beneden 1 T vormt opwarming geen probleem. Bij veldsterkten boven 1T zou bij bepaalde afbeeldingsmethoden opwarming kunnen voorkomen. In de commerciële MRI-apparatuur zorgt een automatische beveiliging ervoor dat deze situatie zich niet kan voordoen. Het apparaat meet het gebruikte vermogen en zal sommige (theoretisch mogelijke) scanmethoden weigeren uit te voeren wanneer hierbij de veilige limiet overschreden wordt.

Non-thermische effecten

Hierover bestaat bij RF-velden in de literatuur grote onduidelijkheid.9 Zo is er melding gemaakt van verlaging van de bloed-hersenbarrière ten gevolge van een mogelijke verandering van het intracellulaire kaliumtransport. Er zijn allerlei tegenstrijdige berichten over de non-thermische effecten. Het meten van deze effecten is vaak zo gecompliceerd dat een uitgevoerd onderzoek dermate gemakkelijk bekritiseerd kan worden dat de resultaten twijfelachtig worden. Tot nu toe werden geen RF-effecten waargenomen op diverse serumwaarden, chromosoomstructuur, foetus en personeel dat werkt met MRI-aparatuur. Uit dierproeven is niet gebleken dat de bij MRI gebruikte RF-velden mutagene of carcinogene effecten zouden hebben.

De werking van pacemakers, insulinepompen en neurostimulatoren kan verstoord worden door het RF-veld doordat relaisschakelingen geactiveerd kunnen worden door de RF-puls.

Magnetische aantrekkingskracht op metalen voorwerpen

Het grootste gevaar van MRI tot nu toe is de krachtwerking van het magnetische veld op losse metalen voorwerpen. In de scannerruimte kunnen een grote aantrekkingskracht en een draaimoment uitgeoefend worden op ferromagnetische metalen voorwerpen. De figuur laat zien dat de aantrekkingskracht onevenredig sterk toeneemt in de directe omgeving van de magneet. De maximale kracht heerst ongeveer bij de ingang van de scanneropening. De uitgeoefende kracht is afhankelijk van het gewicht; het draaimoment is bovendien afhankelijk van de vorm van het voorwerp. Roestvrij stalen voorwerpen zijn niet magnetisch, veel andere metalen voorwerpen worden sterk aangetrokken, kleine voorwerpen kunnen tot 60 kmuur versneld worden en dus schade aan de patiënt of de apparatuur toebrengen. Daarom is het van belang bij patiënten en personeel bijzonder streng te letten op de aanwezigheid van alle mogelijke metalen voorwerpen, zoals: balpennen, zakmessen, sleutels, munten, haarspelden, kettingen, magneetkaartjes, scharen, infuusstandaard, insulinepomp, neurostimulator, pacemaker, semafoons, piepers, stethoscopen(!). Het consequent gebruiken van een metaaldetector is een goede gewoonte om metalen voorwerpen bij patiënten op te sporen.

Verder moet ook bij het gebruik van anesthesievoorzieningen (meetapparatuur, intubators, etc.) terdege rekening gehouden worden met de kracht die hierop wordt uitgeoefend. Deze apparatuur moet zoveel mogelijk uit niet-magnetische onderdelen samengesteld zijn.10

PatiËntbewaking en contraÏndicaties

Patiëntbewaking bij MRI kan gebeuren met een tv-camera, intercom, ECG-monitor, ademhalingsmonitor, en door meting van uitgeademde lucht (bij anesthesie). Al deze apparatuur moet aangepast zijn aan het sterke magnetische veld; standaardapparatuur is niet zonder meer te gebruiken. Tevens verdient het aanbeveling in de scannerruimte een zuurstofmeter te plaatsen die waarschuwt bij eventuele lekkage van helium of stikstof uit de magneet, waardoor het zuurstofgehalte van de lucht zou kunnen dalen.

Contraïndicaties

Zoals in het voorafgaande reeds aan de orde is gekomen gelden bij MRI een aantal contraïndicaties. Patiënten van wie bekend is dat zij een van de volgende onderwerpen bij zich dragen moeten van MRI-onderzoek uitgesloten worden: pacemaker, vaatclips (hersenen), metaalsplinter (oog, hersenen), neurostimulator, inwendige gehoorprothese.

Claustrofobie kan het onderzoek soms onmogelijk maken. Ook zwangerschap in het eerste trimester wordt in de literatuur als een (relatieve) contraïndicatie genoemd.

Conclusie

We kunnen stellen dat de mogelijke biologische effecten van de bij MRI gebruikte velden zeer klein of zelfs afwezig zijn en, voor zover tot nu toe bekend is, geen gevaar opleveren voor patiënt en personeel. De aanwezigheid van losse metalen voorwerpen bij patiënten en personeel vormt een reëel gevaar, waaraan voortdurend aandacht besteed zal moeten worden.