MR Cihazları Nasıl Çalışır? Manyetik Rezonans Görüntülemenin Fiziksel Temelleri Nelerdir?

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:

1. Bolluk: Vücut ağırlığımızın yaklaşık %60'ı sudur. Yağ dokumuz bile önemli miktarda hidrojen içermektedir.
2. 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 ($B_0$) içerisine girildiği zaman vücudumuzdaki milyarlarca hidrojen atomunun protonları, yani o küçük mıknatıslar artık rastgele yönlere bakar durumda değillerdir (Şekil 1). $B_0$ 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 $B_0$ yönünde, ki genellikle bu vücut uzun ekseni boyunca olur, net bir manyetizasyon vektörü ($M$) oluşturur. Protonlar artık dengededir ve $B_0$ etrafında bir topaç gibi presesyon hareketi yapmaktadırlar (Şekil 2).^[2]

MRI in Practice

Radiology Key

Protonların presesyon yapma hızı ya da frekansı, $B_0$'ın büyüklüğüne doğrudan bağlıdır. Bu durum Larmor Denklemi ile verilir:

$w=\gamma B_0$

Burada $w$ açısal presesyon frekansı (rad/s) ve $\gamma$ 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 ($f$) cinsinden de ifade edilebilir.

$f=(\gamma /2\pi )B_0$

Bir örnek vermek gerekirse, 1.5 T'lık bir MR cihazında protonların presesyon frekansı $f=(42.58\times 1.5)=63.87$ 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 $M$, $B_0$ alanından sapma yapar. Bu sapma açısı RF darbesinin büyüklüğü ve süresine bağlıdır. En yaygın olarak $M$'i $90°$veya $180°$döndürecek olan darbeler kullanılmaktadır.^[3]

RF darbesi kesildiğinde protonlar $B_0$ 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. $M$ vektörünün düşey bileşeni olan $M_z$'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 $M_{xy}$'nin sönmesine neden olur. Diğer bir deyişle RF darbesi sonrası oluşan $M_{xy}$ zamanla azalarak sıfıra döner. Burada tanımlanması gerekn T2 zamanı $M_{xy}$ vektörünün orijinal büyüklüğünün %37'sine düşmesi için geçen süredir. Farklı dokuların T2 zamanları da farklıdır.

Ek bir bilgi olarak gevşeme süreçleri üstel şekilde gerçekleşir. $t$, RF darbesinden sonra geçen zaman olmak üzere $M_z(t)=M_0(1-e^{-t/T1})$ ve $M_{xy}(t)=M_{xy,0}(e^{-t/T2})$ olarak verilir.

MRI Basics

Gevşeme sırasında dönen $M_{xy}$, 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 ($B_0$) ek olarak, cihazın içinde $x$, $y$, $z$ 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 $B_0$'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 $x$ ve $y$ gradiyentleri kullanılarak protonların sinyalinin frekansına ve fazına bulundukları konumun bilgisi kodlanır. $x$ eksenindeki gradiyent sinyalin frekansını ayarlarken, $y$ 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]

Farrely Chiropractic

UCSF

MR cihazlarında $B_0$'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.