MR Cihazları Nasıl Çalışır? Manyetik Rezonans Görüntülemenin Fiziksel Temelleri Nelerdir?
Health Imaging
Bu Makalede Neler Öğreneceksiniz?
- Explain magnetic resonance imaging (MRI) uses strong magnetic fields and radio waves to produce detailed images of soft tissues without harmful radiation or surgery.
- Highlight hydrogen atoms, abundant due to body water content, act as tiny magnets aligning under MRI's strong magnetic fields to generate images.
- State MRI machines typically operate at magnetic field strengths of 1.5 to 3 Tesla, significantly stronger than Earth's magnetic field or household magnets.
Manyetik rezonans görüntüleme (MRG), vücudun içinin açık ameliyat veya zararlı radyasyon kullanılmadan detaylı bir şekilde görüntülenebilmesini sağlayan bir teknolojidir. Bu görüntüleme işlemi de MR cihazları olarak tabir ettiğimiz tıbbi cihazlar ile gerçekleşir.
MR cihazlarında X-ışınlarının aksine güçlü manyetik alanlar ve radyo dalgaları kullanılarak kemiklerin ardındaki yumuşak dokular, beynin karmaşık yapısı, eklemlerdeki en küçük yırtılmalar dahi yüksek detayla ortaya çıkarılır. Cihazın çalışma prensibi ise atom çekirdeklerinin dinamiği ve kuantum fiziği ile ilgilidir.
MRG'nin başrol oyuncusu, vücudumuda en bol bulunan molekül olan su ve dolayısıyla onun içerdiği hidrojen atomlarının çekirdekleridir. "Peki neden hidrojen?" sorusunun cevabı ise iki madde ile verilebilir:
- Bolluk: Vücut ağırlığımızın yaklaşık %60'ı sudur. Yağ dokumuz bile önemli miktarda hidrojen içermektedir.
- Manyetik Özellik: Dönen bir yük gibi davranan hidrojen çekirdeği (tek protondan oluşur), tıpkı çok küçük bir çubuk mıknatıs gibi küçük bir manyetik alan oluşturur. Elbette normal şartlarda bu küçük "mıknatıslar" vücutta tamamen rastgele yönlere dağılmış durumdadır ve net bir manyetik alan oluşturmazlar.
MR cihazına girdiğimiz zaman çok büyük bir manyetik alan ile karşılaşırız. Bu manyetik alanın yoğunluğu genellikle 1.5 Tesla (T) veya 3 T civarındadır. Ancak bazı cihazlarda 7 T ve üzerindeki büyüklüklerde de manyetik alan elde edilebilmektedir.[1] Burada belirtmek gerekir ki Dünya'nın manyetik alanı 0.00005 T (50 mikrotesla) ve bir buzdolabı mıknatısının manyetik alanı yaklaşık 0.01 T yoğunluğundadır.
Bu büyük ve sabit manyetik alanın (B0⃗\vec{B_0}) içerisine girildiği zaman vücudumuzdaki milyarlarca hidrojen atomunun protonları, yani o küçük mıknatıslar artık rastgele yönlere bakar durumda değillerdir (Şekil 1). B0⃗\vec{B_0} alanı ile aynı (paralel) veya zıt yönde yönelmişlerdir. Paralel durumdaki protonlar paralel olmayanlara göre biraz daha düşük enerji seviyesindedir. Paralel protonların sayısı paralel olmayanlardan çok küçük oranda daha fazladır. Bu küçük fark B0⃗\vec{B_0} yönünde, ki genellikle bu vücut uzun ekseni boyunca olur, net bir manyetizasyon vektörü (M⃗\vec{M}) oluşturur. Protonlar artık dengededir ve B0⃗\vec{B_0} etrafında bir topaç gibi presesyon hareketi yapmaktadırlar (Şekil 2).[2]
Protonların presesyon yapma hızı ya da frekansı, B0⃗\vec{B_0}'ın büyüklüğüne doğrudan bağlıdır. Bu durum Larmor Denklemi ile verilir:
w=γB0\Large w=\gamma B_0
Burada ww açısal presesyon frekansı (rad/s) ve γ\gamma her atom çekirdeği için sabit bir değer olan jiro manyetik sabitidir (hidrojen atomunun protonu için yaklaşık 42.58 MHz/T). Tabii ki buradaki açısal frekans, direk frekans (ff) cinsinden de ifade edilebilir.
f=(γ/2π)B0\Large f=(\gamma / 2 \pi) B_0
Bir örnek vermek gerekirse, 1.5 T'lık bir MR cihazında protonların presesyon frekansı f=(42.58×1.5)=63.87f=(42.58 \times 1.5)=63.87 MHz olarak bulunur. Bu değer FM radyo bandına çok yakın bir frekans değeridir (64 MHz). İşte bu kritik frekans MRG'nin kalbidir. Görüntülemek için kullanılacak enerjiyi protonlara aktarmak için tam bu frekansta radyo dalgaları gönderilmesi gerekir.
MR cihazı tam Larmor frekansında kısa süreli bir radyo frekans (RF) darbesi gönderir. RF darbesinin frekansı protonların presesyon frekansına (Larmor frekansı) tam olarak eşit olduğunda ise rezonans olayı gerçekleşir. Bu, salıncakta sallanan bir çocuğu tam doğru zamanda ve doğru kuvvet ile itmek gibidir. RF enerjisi protonlar tarafından emilir ve enerji emilimi sonucu manyetizasyon vektörü M⃗\vec{M}, B0⃗\vec{B_0} alanından sapma yapar. Bu sapma açısı RF darbesinin büyüklüğü ve süresine bağlıdır. En yaygın olarak M⃗\vec{M}'i 90°90\degreeveya 180°180\degreedöndürecek olan darbeler kullanılmaktadır.[3]
Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.
Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.
Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.
RF darbesi kesildiğinde protonlar B0⃗\vec{B_0} yönündeki denge konumlarına dönmeye başlarlar. Bu sürece gevşeme (relaksasyon) denir. Uzunlama ve enine gevşeme şeklinde iki ana bileşeni vardır.
- Uzunlamasına Gevşeme: Burada protonlar emdikleri enerjiyi ısı şeklinde çevrelerindeki atomlara ve yağ, su, protein moleküllerine aktarırlar. M⃗\vec{M} vektörünün düşey bileşeni olan Mz⃗\vec{M_z}'nin orjinal büyüklüğünün %63'üne düşmesi için geçen süre T1 zamanı olarak adlandırılır. Yağ, su, kas ve patolojik dokuların T1 zamanları farklıdır. Bu farklılık, T1 ağırlıklı görüntülerdeki doku ayırt edilebilirliğinin yani kontrastın ana kaynağıdır.
- Enine Gevşeme: Protonların kendi aralarındaki küçük manyetik alan farklılıkları presesyon hızlarında ve fazlarında değişikliklere yol açar. Bu da yatay düzlemdeki senkronize hareketin bozulmasına ve yatay düzlemdeki manyetizasyon vektörü bileşeni olan Mxy⃗\vec{M_{xy}}'nin sönmesine neden olur. Diğer bir deyişle RF darbesi sonrası oluşan Mxy⃗\vec{M_{xy}} zamanla azalarak sıfıra döner. Burada tanımlanması gerekn T2 zamanı Mxy⃗\vec{M_{xy}} vektörünün orijinal büyüklüğünün %37'sine düşmesi için geçen süredir. Farklı dokuların T2 zamanları da farklıdır.
Ek bir bilgi olarak gevşeme süreçleri üstel şekilde gerçekleşir. tt, RF darbesinden sonra geçen zaman olmak üzere Mz(t)=M0(1−e−t/T1)M_{z}(t)=M_{0}(1-e^{-t/T1}) ve Mxy(t)=Mxy,0(e−t/T2)M_{xy}(t)=M_{xy,0}(e^{-t/T2}) olarak verilir.
Gevşeme sırasında dönen Mxy⃗\vec{M_{xy}}, Faraday Yasası gereği alıcı RF bobini içinde bir elektrik akımı indükler. İndüklenen akımdan gelen sinyalin gücü ve zaman içindeki davranışı doğrudan protonların bulunduğu dokunun T1 ve T2 özelliklerine bağlıdır.[4]
Yukarıdaki işleyiş vücuttaki tüm hidrojen protonlarının toplu sinyalini verir. Ancak bir görüntü elde edilebilmesi için sinyalin tam olarak vücudun hangi noktasından geldiğinin bilinmesi gerekir. İşte burada gradiyent manyetik alanlar devreye girer. Ana manyetik alana (B0⃗\vec{B_0}) ek olarak, cihazın içinde xx, yy, zz eksenleri boyunca çalışan özel bobinler vardır. Bu bobinler, ana manyetik alanın şiddetini doğrusal olarak uzaysal konuma göre değiştirir. Örneğin, baştan ayağa doğru gittikçe manyetik alan şiddeti artar veya azalır. Larmor frekansı B0⃗\vec{B_0}'a bağlı olduğu için, gradiyent uygulandığında vücudun farklı yerlerindeki protonların presesyon frekansı farklı olur. RF darbesi sadece belirli bir frekans aralığındaki protonları uyaracak şekilde gönderilir. Seçilen dilim içinde xx ve yy gradiyentleri kullanılarak protonların sinyalinin frekansına ve fazına bulundukları konumun bilgisi kodlanır. xx eksenindeki gradiyent sinyalin frekansını ayarlarken, yy eksenindeki gradiyent ise fazını ayarlar ve böylece görüntü oluşturmanın zemini hazırlanmış olur.
Alıcı bobinde toplanan sinyal zamanın bir fonksiyonudur ve tüm vücuttan gelen, konuma bağlı frekans ve faz farklılıklarıyla kodlanmış karmaşık bir veridir. Bu ham sinyale k-uzayı verisi denir. MRG'de 2 boyutlu Fourier dönüşümü (2D-FT) kullanılarak k-uzayındaki bu karmaşık veri bizim anlayabileceğimiz bir görüntüye dönüştürülür. Görüntüleme parametreleri değiştirilerek de görüntünün kontrastının hangi fiziksel özelliği daha çok öne çıkardığı kontrol edilebilir.[2]
MR cihazlarında B0⃗\vec{B_0}'ı oluşturan bobinler genellikle süperiletken malzemeden yapılır. Bunlar sıvı helyum ile soğutularak mutlak sıfıra (-273°C) yakın sıcaklıklarda elektrik dirençlerini kaybederler. Böylece bir kez enerji verildikten sonra ihmal edilebilir bir enerji kaybıyla akım dolanır ve sabit bir manyetik alan oluşur. Elbette bu büyük manyetik alanın etkileri ciddiye alınmalıdır. Demir, nikel, kobalt içeren ferromanyetik metaller büyük bir kuvvetle mıknatısa doğru çekilir. Ayrıca kalp pili gibi elektronik cihazlar bozulabilir. Bu nedenle MR cihazlarının bulundukları odalara metal ve elektronik eşya sokulmaz ve hastalar titizlikle aranır. Bununla birlikte RF enerjisi dokularda ısınmaya neden olabilir. Özellikle metalik implantlar veya büyük dövmelerde lokal ısınma riskleri de vardır.
MR cihazlarında hızla açılıp kapanan gradiyentler (bobin) de tokmak sesine benzer yüksek sesler çıkarır ve bunların da nadiren karıncalanma hissine yol açabildikleri söylenmektedir. Ancak en önemlisi, MR cihazları iyonlaştırıcı radyasyon (X-ışını, gamma ışını) kullanmaz. Temel fiziksel süreci atom çekirdeklerinin manyetik özellikleri ve radyo dalgaları olduğu için güvenli bir yöntem olarak değerlendirilmektedir.
Evrim Ağacı'nda tek bir hedefimiz var: Bilimsel gerçekleri en doğru, tarafsız ve kolay anlaşılır şekilde Türkiye'ye ulaştırmak. Ancak tahmin edebileceğiniz gibi Türkiye'de bilim anlatmak hiç kolay bir iş değil; hele ki bir yandan ekonomik bir hayatta kalma mücadelesi verirken...
O nedenle sizin desteklerinize ihtiyacımız var. Eğer yazılarımızı okuyanların %1'i bize bütçesinin elverdiği kadar destek olmayı seçseydi, bir daha tek bir reklam göstermeden Evrim Ağacı'nın bütün bilim iletişimi faaliyetlerini sürdürebilirdik. Bir düşünün: sadece %1'i...
O %1'i inşa etmemize yardım eder misiniz? Evrim Ağacı Premium üyesi olarak, ekibimizin size ve Türkiye'ye bilimi daha etkili ve profesyonel bir şekilde ulaştırmamızı mümkün kılmış olacaksınız. Ayrıca size olan minnetimizin bir ifadesi olarak, çok sayıda ayrıcalığa erişim sağlayacaksınız.
Makalelerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu makalemizle ilgili merak ettiğin bir şey mi var? Buraya tıklayarak sorabilirsin.
Soru & Cevap Platformuna Git-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
- ^ M. H. Khan, et al. (2022). Short- And Long-Term Effects Of 3.5–23.0 Tesla Ultra-High Magnetic Fields On Mice Behaviour. European Radiology, sf: 5596-5605. doi: 10.1007/s00330-022-08677-8. | Arşiv Bağlantısı
- ^ a b B. M. Dale, et al. (2015). Mri: Basic Principles And Applications.
- ^ U. Katscher, et al. (2006). Parallel Rf Transmission In Mri. Wiley, sf: 393-400. doi: 10.1002/nbm.1049. | Arşiv Bağlantısı
- ^ N. Boulant. (2009). T1 And T2 Effects During Radio-Frequency Pulses In Spoiled Gradient Echo Sequences. Elsevier BV, sf: 213-218. doi: 10.1016/j.jmr.2008.12.023. | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 26/08/2025 11:05:11 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/21169
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.
