Manyetik Rezonans Görüntüleme: Temel Bilgiler

ATOM VE MAGNET

Magnet MNG cihazının ana elemanı olup, bir yönü olan (Güney [S] – Kuzey [S]) çok güçlü manyetik alan oluşturur. Magnetin oluşturduğu güçlü manyetik alanın yönü Bo ile gösterilir. Şu ana kadar bahsettiğimiz, spin hareketi yapan, buna bağlı olarak bir manyetik vektörü olan; ancak bu manyetik vektörlerin düzensiz yönlerde olduğu protonları, güçlü manyetik alana (yani magnet içine) koyacak olursak nasıl davranırlar?. Protonları (yeni incelemek istediğimiz dokuyu) güçlü manyetik alan (Magnet) içine koyacak olursak; güçlü manyetik alan bu küçük atomik magnetleri düşük veya yüksek enerji seviyelerine ulaştırır; bunun anlamı protonların bir bölümü magnet vektörüne paralel dizilim gösterirken, bir bölümü anti-paralel dizilim gösterir (Şekil 4.1).   Şekil 4.1: Doku magnet içine konduğunda düzensiz olan manyetik atomik vektörler, paralel ve anti-paralel olmak üzere düzene girmektedirler.  Magnet vektörüne paralel dizilen protonlar için düşük enerji seviyesinden; antiparalel dizilim gösterenler için ise yüksek enerji seviyesinden bahsedilir. Anlamanın daha kolay olması bakımından şöyle düşünülebilir; güçlü manyetik vektöre uygun hareket etmek daha kolay bir iştir (dolayısıyla paralel dizilim gösteren protonlar düşük enerji seviyesindedirler); buna karşın, güçlü manyetik vektöre ters hareket etmek daha zor bir iştir (dolayısıyla anti-paralel dizilim gösteren protonlar yüksek enerji seviyesindedirler).

Güçlü manyetik alan vektörüne paralel ve anti-paralel dizilim gösteren protonların sayıları birbirleri eşit değildir. Paralel (düşük enerji seviyesindeki) dizilen protonların sayıları, anti-paralel (yüksek enerji seviyesindeki) protonlara göre daha fazladır (yukarıda bahsedildiği gibi, güçlü manyetik vektöre paralel davranmak daha kolay bir iş olduğundan, paralel dizilim gösteren protonların sayıları daha fazla olmaktadır). Bununa birlikte, bu fark sanıldığı gibi fazla olmayıp, manyetik alanımızının (magnetion) gücüne (Bo) bağlı olarak da değişmektedir [5](Tablo 4.1). Magnet gücü arttıkça paralel dizilen protonların oranı da artmaktadır.  

İşte bu paralel dizilim lehine olan ufak fark ile dokunun net manyetik vektörü oluşmakta ve biz bundan MR görüntüsü elde etmekteyiz (Şekil 4.2). Verilen tabloda (Tablo 4.1) magnetin Tesla gücü ile değişen ve paralel dizilen protonlar lehine olan bu fark çok az olmakla birlikte, vücudumuzda oldukça çok sayıda proton olduğu düşünülürse paralel dizilen protonların oluşturduğu bu fark yine çok fazladır. Bu arada önemli bir şey daha öğrenmiş oluyoruz; gücü yüksek magnetlerde paralel dizilim gösteren protonların oranı daha fazladır; buna bağlı olarak daha güçlü sinyal elde edilir. Buna karşın düşük manyetik güçlü cihazlarda bu fark daha az olduğundan daha zayif sinyal elde edilmektedir (konu ileride detaylı olarak tartışılacaktır).

Şekil 4.2: Güçlü manyetik vektöre (Bo) paralel dizilim gösteren protonların sayıları, anti-paralel dizilim gösteren protonlara göre çok az fazladır ve bu dokunun net manyetik vektörünü oluşturmaktadır. Bu fark milyonlarda bir iki gibi çok az oranlardadır.

MAGNETİN MANYETİK VEKTÖRÜ (Bo)

İleride magnetlerin yapıları (hardware bölümünde) detaylı olarak açıklanacaktır; ancak konunun daha kolay anlaşılabilmesi bakımından burada biraz bilgi vermek uygun olacaktır. Bu gün için dünyada en çok kullanılan magnet tipleri superkondüktiv (superconductive) magnet ve permanent magnet’lerdir; bunların haricinde rezistiv (resistive) magnet ve hibrid (hybrid) magnet tipleri de mevcuttur [6, 13, 14]. Permanent magnetlerde manyetik alan sabit (herkesin yakından tanıdığı mıknatısda olduğu gibi) olup, manyetik alan için herhangi bir enerjiye gereksinme göstermezler. Buna karşın superkondüktiv ve rezistiv magnetlerde manyetik alan oluşturmak için elektrik enerjisinden faydalanılmaktadır (elektromagnet). Yapılarındaki bazı farklılıklara bağlı olarak oluşturabilecekleri manyetik alanın limitleri vardır ve bugün için en kuvvetli manyetik alan oluşturabilen magnet tipi superkondüktiv magnettir. Bunlarda manyetik alan oluşturma mekanizmaları farklı olduğu gibi, manyetik vektör yönlerinde de farlılıklar vardır (Şekil 4.3).  

Şekil 4.3: Permanent magnetlerde manyetik vektör üst-alt aksisinde iken, süperkondüktiv magnetlerde manyetik vektörün yönü MRI masasına paraleldir.

SALINIM HAREKETİ (PRECESSION) VE LARMOR DENKLEMİ

Aslında şekil 4.2’ye dikkatle bakacak olursanız protonların oluşturduğu manyetik vektörler güçlü manyetik alan (Magnet) vektörüne tam paralel veya anti-paralel değildir. Bunun nedeni güçlü manyetik alanın protonlar üzerine ikinci bir etkisi olan salınım (precession) hareketi yaptırmasıdır (İlk etkisi protonları paralel ve anti-paralel olarak düzene sokmasıdır). Tek bir porotonu ele alacak olursak; proton kendi etrafında dönmekle birlikte, Bo vektörü çevresinde de topaçın salınma hareketine benzer şekilde hareket yapmaktadır (Şekil 4.4) ve Bo çevresinde belli bir çemberde olan bu harekete “salınım (precession) hareketi” denmektedir.

Şekil 4.4: Proton kendi etrafında dönmekle birlikte Bo çevresinde de salınım hareketi (precession) yapmaktadır.

Proton Bo çevresinde bu salınım hareketini ne kadar hızla yapmaktadır?.

Buna cevap MRG’nin temeli olan “Larmor denklemi” ile verilebilir:  

Larmor denklemindeki γ (gyromanyetik sabite) değeri her atom çeşidi için aynı olmayıp, vücudumuzda bulunan atom çeşitleri arasında farklılıklar göstermektedir [8] (Tablo 4.2).  

Larmor denkleminden kolaylıkla anlaşılabildiği gibi; salınım frekansı gyromanyetik sabite bağlı olduğu gibi, magnetimizin gücü ile de doğrudan ilişkilidir; veya başka bir ifade ile magnet gücünü değiştirdiğimiz zaman bu frekans da doğru orantılı olarak değişmektedir. Bunu rakamlarla değerlendirecek olursak; hidrojen atomu için gyromanyetik sabite: 4257 Hz/gauss; dolayısıyla kullandığımız magnet 0,5 Tesla gücünde ise (1 Tesla=10.000 gauss) 4257x5000=21.285.000 Hz olarak bulunur (salınım frekansı). Aynı hidrojen atomu için kullandığımız magnet 1,5 Tesla’ya çıkarsa bu değer 4257x15.000=63.855.000 Hz’e yükselmektedir (Protonun Bo çevresine ne kadar hızlı biçimde döndüğüne dikkat ediniz).

Magnet içine koyduğumuz dokunun durumunu özetleyecek olursak; magnet içine konan dokudaki protonlar güçlü manyetik alan etkisi ile paralel ve anti-paralel olarak dizilim göstermekte; paralel dizilim gösteren protonların sayıları, anti-paralel dizilim gösteren protonlara göre çok az da olsa fazlalık göstermekte ve bu fazlalık dokunun net manyetik vektörünü oluşturmaktadır. Güçlü manyetik alan vektörüne paralel olarak ortaya çıkan dokunun bu net manyetik vektörüne LONGİTUDİNAL MANYETİZASYON denmektedir. Buna ek olarak protonlar güçlü manyetik alan etkisi ile salınım hareketine başlamaktadır; ve bu salınım hareketinin frekansı atomun gyromanyetik sabite ve magnet gücü ile direk olarak ilişkilidir (Larmor denklemi) (Dokuda hidrojen dışında daha bir çok atom olduğunu ve bu atomlardan C13, P31, Na23 vs. gibi manyetik vektörleri olan atomların güçlü manyetik alan etkisi ile paralel ve antiparalel dizilim göstereceğine ve farklı frekanslarda olsa da tüm atomların salınım hareketine başlayacaklarına dikkat ediniz).

Magnetin güçlü manyetik etkisi ile protonlar salınım hareketine başlamaktadır; bununla birlikte, protonların güçlü manyetik alan etkisi altında yaptıkları bu salınım hareketi belli bir düzen göstermez; başka bir ifade ile, protonların bu hareketi birbirleri ile uyumlu değildir (aynı anda vektör uçları salınım çemberinin değişik noktalarındadır). İşte, protonların salınım frekanslarının belli bir düzen göstermediği bu konuma “OUT-OF-PHASE” denmektedir (Şekil 4.5). Aslında longitudinal manyetizasyonun oluşması (Bo’a paralel) protonların out-of-phase konumu ile ilişkilidir (Eğer protonların bu hareketinde belli bir uyum olursa, dokunun net manyetik vektörü BO’a paralel olmayacaktır veya protonlar arası oluşacak uyum ile Bo’dan sapacaktır, çünkü protonlar Bo çevresinde salınım hareketi yapmaktadırlar). Sonuç olarak şunu söyleyebiliriz; dokuda bulunan atomlar, güçlü manyetik alan etkisi ile paralel ve anti-paralel olarak dizilirler; ve Bo çevresinde salınım (Precession) hareketine başlarlar. Farklı atomlar farklı salınım frekansları gösterdiği gibi, bu harekette atomlar arasında uyum yoktur (out-of-phase) ve buna bağlı olarak Bo’a paralel longitudinal manyetizasyon oluşur.

Şekil 4.5: Paralel ve anti-parelel dizilen protonların salınım hareketleri belirli bir düzen göstermez (out-of-phase). Protonların vektor uclarının salınım çemberinin değişik noktalarında olduğuna dikkat ediniz.

Şekil 4.5’deki salınım hareketi yapmakta olan protonları şekil 4.6’daki gibi canlandırırsak; karşılıklı paralel ve anti-paralel dizilen protolar birbirlerinin manyetik vektörlerini nötralize etmektedirler; ancak fazlalık olarak paralel dizilen protonlar nötralize olmadıklarından ve protonların manyetik vektör uçlarının tek noktada olmayıp, salınım çemberinin değişik noktalarında bulunmasından dolayı, dokunun net manyetik vektörünün magnet manyetik vektörü ile (Bo) tam paralel olacağı daha kolay anlaşılabilir (Şekil 4.6 a-b).

Anlatımın daha kolay olması bakımından bundan böyle koordinat sistemi kullanılacaktır. Bo yönü koordinat sisteminde Z aksisi, diğer iki yön ise X ve Y aksisleri olarak gösterilmektedir (X ve Y aksisleri değişebilir) (Şekil 4.6).  

Şekil 4.6: Şekilde görüldügü gibi, karşılıklı gelen paralel ve anti-paralel dizilimli protonlar birbirlerinin etkilerini nötralize etmektedirler. Ancak paralel dizilen bazı protonların, anti-paralelde karşılığı olmadığından, bu protonların manyetik vektörleri nötralize olmazlar ve bunların aynı  frekansda, ancak birbirlerinden bağımsız biçimde salınım göstermeleri, dokunun net manyetik vektörünün Bo ile paralel olmasına neden olmaktadır (Longitudinal manyetization)

REZONANS VE RF PULS (Resonance, RF pulse)

Güçlü manyetik alan (magnet) içine konan dokuda oluşan net manyetik vektör, daha önce açıklandığı gibi Bo vektörüne paraleldir (Şekil 4.5-6). Bu durumda, dokunun net manyetik vektöründen faydalanarak dokudan sinyal elde etmemiz için RADYO DALGASI kullanmamız gerekmektedir. İşte, radyo dalgası kullandığımızda, salınım hareketi yapmakta olan bazı protonların radyo dalgasından enerjiyi absorbe edip konum değiştirmeleri ve bir süre sonra yine aynı protonların absorbe ettikleri enerjiyi ortama vererek eski konumlarına geri dönmelerine REZONANS denmektedir.

Radyo dalgasının özellikleri nelerdir?

Radyo dalgası amplitütü ve frekansı olan elektromanyetik bir dalgadır (Şekil 4.7). Elektromanyetik dalgada frekans artırılırsa dalga uizunluğu azalır, buna karşın ernerjisi artar, dolayısıyla elektromanyetik dalganın enerjisini frekansını değiştirerek artırabilir veya azaltabiliriz [10]. Radyo dalgası elektromanyetik dalgalar içinde düşük enerjilidir. Elektromanyetik spektrum tablo 4.3’de sunulmuştur.  

Şekil 4.7: Radyo dalgası - amplitütü ve frekansı olan elektromanyetik bir dalgadır. Frekansı artırılırsa dalga uzunluğu azalır ve enerjisi artar.

1
Tablo 4.3: X-ray penceresi ve NMR penceresi olmak uzere insan vucudundan gecebilen 2 spektrum vardir. Bunun haricindeki elektromanyetik dalgalara karsi insan vucudu opaktir. Standart radyo yayinlarinin NMR penceresi icinde yer aldigina dikkat ediniz.

Elektromanyetik spektrum tablosunda belirtildiği gibi, insan vücudundan geçebilen çeşitli pencereler vardır (Elektromagnetic spectrum window) (Röntgen ışını penceresi, NMR penceresi gibi); bunlar haricinde elektromanyetik dalgalar için ise insan vücudu opaktır. İşte, MRG’de biz NMR penceresinden faydalanarak radyo dalgası ile protonlarımızı etkileyebiliyoruz (önemli olarak, normal radyo yayınları da bu pencere içinde yer alır. Bu konu daha ileride hardware başlığı altında detaylı olarak tartışılacaktır).

MRG’de radyo dalgası uygulaması devamlı olmayıp, belli sürede ve belli güçde demetler halinde uygulanmaktadır; bu nedenle uygulamaya RF PULS (RF pulse) denmektedir.

Magnet içine koyduğumuz ve net manyetik vektörü olan dokuya radyo dalgası (RF puls) uyguladığımızda ne olmaktadır?.

Uyguladığımız radyo dalgasının önemli 2 etkisi vardır:

1.     Protona enerji transferi olur; buna bağlı olarak düşük enerji seviyesindeki bazı prontolar yüksek enerji seviyesine ulaşır     (bunun anlamı; bazı protonlar paralel konumdan anti-paralel konuma yer değiştirirler).

2.     Aynı frekansda ancak düzensiz biçimde salınım hareketi (out-of-phase) yapan protonlar “IN-PHASE” konumuna ulaşırlar      (bunun anlamı ise; protonların vektör uçlarının aynı anda, salınım çemberinin aynı noktasında olmasıdır) (Şekil 4.8).

Şekil 4.8: Hastaya RF puls gönderdigimizde, bu RF puls etkisi ile daha önce magnet vektörüne paralel dizilim gösteren bazı protonlar anti-paralel şekle geçmektedir. Aynı zamanda yine RF puls etkisi ile protonlar arasında "in-phase" olusmaktadır; bunun anlamı protonların vektor uçlarının aynı anda salınım çemberinin aynı noktasında olmasıdır. Burada esas dikkat edilmesi gereken nokta; daha önce dokunun net manyetik vektörü Bo vektörüne paralel iken (Longitidunal Manyetizasyon), RF puls uygulamasından sonra (bu örnek icin) net manyetik vektör 90 derece yön degiştirmektedir. işte bu yeni oluşan manyetik vektöre TRANSVERS MANYETIZASYON denmektedir. Protonlar "in-phase" konumunda salınım hareketine devam ettiklerine göre, dokuda yeni olusmuş bu manyetik vektör (transvers manyetizasyon) artik X-Y düzleminde dönmektedir. Longitudinal manyetizasyon amplitütü ile, X-Y düzleminde dönmekte olan yeni olusmuş bu transvers manyetizasyon amplitütlerinin aynı olduguna dikkat ediniz. Sonuç olarak 90 ºRF puls uygulaması ile sadece manyetik vektör yön degiştirmektedir.

Bazı protonların radyo dalgası (RF puls) enerjisini absorbe edip paralel konumdan anti-paralel konuma geçişi ve bir süre sonra absorbe ettikleri bu enerjiyi salarak eski konumlarına geri dönmeleri için (rezonans), protonun salınım frekansı ile radyo dalgası frekansının  aynı olması gerekmektedir; aksi taktirde RF puls ile protonlar arasında enerji transferi gerçekleşmez. İşte bu özellik ile, farklı frekanslarda RF puls kullanılarak farklı atomları etkileyebilir veya bu sayede sadece hidrojen atomlarını etkileyebiliriz. Rezonansı açıklamada genellikle diapozon örneği kullanılmaktadır. Bir ortamda ferkansları farklı olan çok sayıda diapozon olduğunu kabul edersek (A, B, C, D… diapozonları) ve eğer bu ortama titreşim halinde ve frekansı B diapozonu ile aynı olan diapozon ile girersek ortamdaki diapozonlardan sadece B diapozonu titreşmeye başlayacak, diğerleri etkilenmeyecektir. Bunun anlamı, B diapozonuna enerji transferi olmuştur (Şekil. 4.9).

Şekil. 4.9: Diapozon deneyi

HİDROJEN; YA DİĞER ATOMLAR?

Güçlü manyetik alan (magnet) içine konulan dokuda en fazla miktarda hidrojen atomu olmakla birlikte; bunun yanında karbon, fosfor, sodyum, azot vs gibi değişik ve çok miktarlarda atomlar mevcuttur (bunun haricinde, vücutta çok büyük oranlarda bulunan hidrojen atomu da çok değişik kimyasal ilişkiler içindedir –kimyasal şift başlı-ğı altında bu konu detaylı olarak tartışılacaktır).

Şu ana kadar uyguladığımız işlemler sırasında hidrojen haricindeki atomlara ne oluyor?

Doku magnet içine konduğunda, hidrojen gibi nükleer manyetizmaya neden olan atomlar da hidrojen atomu gibi paralel ve anti-paralel olarak dizilirler; ancak Larmor denklemini hatırlayacak olursanız; salınım frekansı gyromanyetik sabite ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Dolayısıyla her atom çeşidi için salınım (precession) frekansı farklıdır. Biraz önce bahsettiğimiz RF pulsunun protonları etkilemesi (enerji transferi) için RF puls frekansının protonun salınım frekansı ile aynı olması gerekmektedir. RF puls ile proton arasındaki enerji değişimi ancak her ikiside aynı frekansda olunca mümkün olmaktadır. Bu nedenle farklı frekanslarda salınım hareketi yapan hidrojen dışındaki diğer atomlar uyguladığımız RF pulsundan etkilenmemektedir.

Hidrojen haricindeki atomlardan faydalanılarak MR görüntüsü oluşturulamaz mı?.  

İstediğimiz atomdan olmasa bile nükleusunda uygun sayıda proton bulunan, buna bağlı olarak nükleer manyetizma nedeni olan atomlardan (C13, Na23, P31) gibi MR görüntüsü elde edilebilmektedir. Ancak bunlar ile görüntü oluşturulmak istenildiğinde, bu atomların gyromanyetik sabitelerine uygun RF puls uygulanması gerekecektir (bildiğiniz gibi bu atomların salınım frekansları hidrojenden farklıdır ve RF pulsunun etkili olabilmesi için, yani enerji transferi için, salınım frekansı ile aynı frekansda olması gerekmektedir). Bununla birlikte, kitabın ilk kısmında da belirtildiği gibi, hidrojen vücutta çok miktarlarda (yaklaşık olarak tüm vücuttaki atomların % 80’i hidrojen atomudur) ve yaygın olarak bulunduğundan, ayrıca MR sensitivitesi en yüksek olan atom hidrojen atomu olduğundan (en güçlü sinyal edilen atom olduğundan) [8] (Tablo 4.2), bu iş için en uygun atom hidrojen atomudur.

Aslında hidrojen atomu dışındaki atomlar ile görüntü oluşturulması konusunda birçok merkezde araştırmalar sürmektedir; diğer atomlar ile oluşturulan görüntüler hidrojen atomu ile oluşturulan görüntülerden farklı bilgiler vermekle birlikte, bugüne kadar klinik kullanıma uygun kalitede görüntü elde edilememiştir. Bununla birlikte gelecekte çok daha faydalı klinik görüntüler elde edilmesi umulmaktadır.

Sonuç olarak; bizim uyguladığımız RF pulse ile sadece hidrojen protonları etkilenmekte, buna bağlı olarak da bazı paralel dizilmiş protonlar anti-paralele geçmekte ve protonlar arasında in-phase konumu elde edilmektedir. Buna karşın hidrojen dışındaki protonlar bu RF pulsundan etkilenmemektedir.

FLİP ANGLE (FA) (Sapma Açısı)

Biraz önce örnekte verdiğimiz gibi, RF puls sadece dokunun manyetik vektörünü 90 derece çevirmek için mi kullanılır?. İleriki konularda çokça değineceğimiz gibi inceleme tekniğimize bağlı olarak bu açı 0 ile 180 derece arasında ayarlanabilmektedir. Bu açı (dokunun net manyetik vektöründeki sapma açısı) “Flip angle” (sapma açısı) olarak bilinir ve RF pulsun uygulama süresine ve amplitütüne bağlı olarak değişir, yani bu parametreleri değiştirdiğimiz zaman farklı açılar elde edebilmekteyiz. Bundan sonra RF puls ile oluşturulan sapma açısı (flip angle), RF puls ile birlikte belirtilecektir (90ºRF puls, 180ºRF puls gibi).

Ana sayfa   I    Bir Önceki Bölüm   I    Bir Sonraki  Bölüm   I    iletisim   I    www.birthmarks.us