Manyetik Rezonans Görüntüleme: Temel Bilgiler

SERBEST İNDÜKSİYON KAYBOLUŞU (Free Induction Decay), ALICI SARGI (Receiver Coil) & SİNYAL KAYDI

Sekil 5.3: Free induction decay (FIC) - elde edilen sinyalin tepe noktasi transverse manyetizasyon vektoru ucunun aliciya (receiver coil) en yakin oldugu; en dip noktasi ise alicidan en uzak oldugu konumu temsil etmektedir.

RELAKSASYON

Relaksasyon’un anlamı RF puls ile konum değiştiren protonların eski konumlarına (yani, “out-of-phase” konumuna; az bir fazlalıkla Bo’a paralel dizilen protonların fazla olduğu paralel ve anti-paralel konuma veya dokunun net manyetik vektörünün Bo ile paralel olduğu konuma) ulaşmalarıdır. Bunun için X-Y düzleminde dönmekte olan manyetik vektörün (Transvers manyetizasyon) ortadan kaybolması ve Bo ile paralel eski manyetik vektörün (Longitudinal manyetizasyon) tekrar oluşması gerekmektedir ve bu iki bölümde incelenir:

          a – Transvers Relaksasyon

          b – Longitudinal Relaksasyon

TRANSVERS RELAKSASYON

Transver relaksasyon ile X-Y düzleminde dönmekte olan manyetik vektörün (Transvers manyetizasyon) zaman ile azalması ve ortadan kaybolması ifade edilir. Şu ana kadar öğrendiklerimizi hatırlarsak; transvers manyetizasyonu oluşturan esas etken, RF puls etkisi ile protonların “in-phase” konumuna ulaşmalarıdır (“in-phase” protonların vektör uçlarının aynı anda salınım çemberlerinin aynı noktasında olmasıdır). Eğer RF pulsunun protonlar üzerine “in-phase” etkisi olmasa transvers manyetizasyon oluşmayacaktır. Dolayısıyla, protonların bu birlikteliğinin (in-phase) bozulması ile transvers manyetizasyon da ortadan kaybolacaktır.

“In-phase” konumunda salınım yapan protonlardan bazılarının daha hızlı, bazılarının daha yavaş salınım yapmaları nedeniyle, zaman içersinde protonlar arasındaki bu uyum (in-phase) kaybolmaktadır (Şekil 5.4). Sonuçta, protonlar arasındaki uyum bozulmakta (out-of-phase) ve transvers manyetizasyon ortadan kalkmaktadır. MRG’de bu noktanın anlaşılması çok önemli olduğundan, konuyu daha detaylı olarak incelersek; aslında dokuda paralel ve anti-paralel dizilim gösteren protonlar mevcuttur. RF pulse ile protonların oluşturduğu manyetik vektör uçları 90 derece dönmemektedir, sadece RF puls ile bazı protonlar paralel konumdan anti-paralele geçmekte ve önemli olarak protonların salınımları arasında uyum (in-phase) meydana gelmektedir. Ancak, Transvers manyetizasyon oluşmasının ardından, biraz sonra bahsedeceğimiz nedenler ile protonlar arasındaki bu uyum kaybolmakta (bazı protonların daha hızlı, bazılarının daha yavaş salınım yapmaları ile), bunun ile direkt ilişkili olarak da transvers manyetizasyon ortadan kalkmaktadır.

Sekil 5.4: Sekilde goruldugu gibi Transvers manyetizasyon protonlar "in-phase" konumundayken maksimum iken, zaman ile bazi protonlarin daha hizli, bazilarinin ise daha yavas olarak salinim yapmalari nedeniyle "in-phase" bozuldugu zaman transvers manyatizasyon da direk iliskili olarak azalmaktadir. Bu surec icersinde transvers manyatizasyonun protonlar ile birlikte dondugune dikkat ediniz.

FREE INDUCTION DECAY (FID) (Serbest indüksiyon kayboluşu)

Protonların “in-phase” konumundan “out-of-phase” konumuna geçmelerinin nedenleri nelerdir?.

Bunun iki tane önemli sebebi vardır:

En önemli sebebi kullanılan magnet gücü (Tesla)nün dokunun her noktasında tam olarak homojen olmamasıdır ve bunun da en büyük sebebi, daha ileride detaylı olarak bahsedeceğimiz, görüntü oluşturmak için gradiyent sargıların uygulanmak zorunda olmasıdır. Buna bağlı olarak, transvers manyetizasyon oluştuktan sonra bazı protonlar diğerlerine göre daha hızlı salınım göstermekte ve böylece de “in-phase” bozulmaktadır (salınım frekansının magnet gücü-Tesla ile direk ilişkili olduğunu hatırlayınız). Eğer bu magnet homojenitesi sağlanabilseydi (bu inhomojenitenin en büyük sebebi gradiyent sargıların uygulanmak zorunda olmasıdır; yani büyük bir oranda bu homojeniteyi aslında bilerek biz bozuyoruz), transvers manyetizasyon çok daha uzun süre ortamda kalacak; hatta küçük bir elektrik jeneratörü gibi davranabilecekti (belli frekanslarda dönmekte olan transvers manyetizasyonun yanına alıcı sargı konulduğunda elektrik akımı oluşturduğunu hatırlayınız).

Protonların frekansları arasında uyumun bozulmasının (out-of-phase) bir diğer sebebi (bizim MRG’de özellikle ilgilendiğimiz nokta burasıdır) ise; “mikroskobik manyetik çevre” dir. Mikroskobik manyetik çevre inhomojenitesinin sebebi nedir?. Kitabın ilk bölümünde bahsedildiği gibi, dokuda bulunan bazı nükleus partikülleri spin hareketi yaparak kendi çevrelerinde küçük manyetik alanlar oluşturmaktadırlar. Fakat bu atomlar ile de çok farklı ilişkiler içersindedirler; dolayısıyla oluşturulan bu manyetik alanlar dokunun her noktasında aynı olmayacaktır. Moleküller hareket ile mikroskobik çevrenin hızla değişmesi, paramanyetik etkiler ve daha ileride bahsedilecek olan kimyasal şifte (chemical shift) neden olan farklı kimyasal çevreler dokuda mikroskobik manyetik çevre inhomojenitesi ile sonuçlanır.

Sonuçta FID nedeni olarak karşımıza iki önemli sebep çıkmaktadır:

1. Güçlü manyetik alanın (magnetin) homojen olmaması (bunun en büyük sebebi daha ileride detaylı olarak anlatılacak olan gradiyent sargı sistemlerinin, görüntü oluşturmak için kullanılmak zorunda olmasıdır)

2. Doku içindeki mikroskobik manyetik çevre farklılıkları

Bu nedenlerden dolayı protonlar arasındaki “in-phase” kısa sürede bozulmaktadır; bunun anlamı bizim için sinyal kaydının bitmesidir.

Elde ettiğimiz FID sinyali (alıcı sargıdaki elektrik akımı) ne kadar sürmektedir?

Bu sinyal yukarıda bahsettiğimiz nedenlerden dolayı milisaniyeler içinde kaybolmaktadır; ve magnet inhomojeniteleri ve mikroskobik manyetik çevre farklılıklarının neden olduğu bu transvers relaksasyon zamanına T2* (T2 star) denmektedir. Aşağıdaki denklem bize, belli bir andaki (t) transvers manyetizasyon miktarını vermektedir:

M transvers = Mo transvers x e^{-t / T2*} (M transvers: herhangi bir zamandaki (t) transvers manyetizasyon; t: RF puls kesildikten sonraki zaman; Mo transvers: ilk anda oluşan transvers manyetizasyon miktarı; e: 2,7)

Eğer T2*(T2 star) = T ise;

M(T2*) = Mo transvers x 1/2.7 = 0,37 Mo transvers

bunun anlamı; T2* kadar zaman geçtiğinde ilk transvers manyetizasyonun % 63 kadarı kaybolur, % 37 kadarı kalır; ve her T2* zamanında transvers manyetizasyon bu hızla kaybolmaya devam eder.

T2 STAR (T2*) , SPIN-EKO (Spin-echo) , T2

T2* ile T2 arasındaki fark nedir?.

Eğer magnetimizin neden olduğu inhomojenite minimale indirilebilirse, transvers manyetizasyonu oluşturan protonlar arasındaki “in-phase”in bozulması (de-phase), sadece mikroskobik manyetik çevre inhomojenitesine bağlı olarak meydana gelecektir. Magnetin inhomojenitesine bağlı olmayıp, sadece mikroskobik manyetik çevre inhomojenitesine bağlı olarak meydana gelen bu transvers relaksasyon ise T2 ile tanımlanmaktadır (veya Spin-eko relaksasyon), T2* hem magnet (Bo) inhomojenitesi, hem de mikroskobik manyetik çevreye bağlı olmakla birlikte, T2 sadece mikroskobik manyetik çevreye bağlı olarak oluşmaktadır.

Tam olarak homojen bir magnete sahip olamayacağımıza göre, magnetin neden olduğu bu inhomojenite nasıl ortadan kaldırılacak?.

Bu amaçla, 180 derece RF puls kullanılmaktadır (ve 90 derece RF puls sonrası 180 derece RF pulsun kullanıldığı bu yönteme veya sekansa “Spin-eko sekansı” denmektedir). 180º RF pulsun protonlar üzerine olan etkisi protonların bulunduğu konum veya ortamda transvers manyetizasyon mevcut olup olmamasına bağlı olarak değişmektedir. Örneğin 90º RF puls öncesi 180º derece RF puls uygulanır ise (bunu ileride “Inversion Recovery sekansı” olarak göreceğiz); ortamda mevcut longitudial manyetizasyon 180 derece dönmektedir; yani manyetik vektör ucu Z aksisinin pozitif kısmından negatif kısmına dönmektedir. Ancak bu 180º RF puls 90º  RF puls sonrası uygulanır ise, etkisi daha farklı olarak ortaya çıkar (Şekil 5.5); 180 derece RF puls etkisi ile protonlar arasındaki “de-phase”, sistemin tam ters dönmesi ile yavaş salınım göstermekte olan protonlar hızlı salınım gösteren protonların önüne geçeceğinden protonlar arasındaki “in-phase” tekrar elde edilmektedir. Bunun bizim için anlamı tekrar sinyal elde edilmesidir ve bu tekrar elde edilen sinyale “Spin-eko” denir (böylece MRG’de konvansiyonel sekans olan Spin-eko isminin nereden geldiğini öğrenmiş oluyoruz). Burada dikkat edilmesi gereken nokta, 90º RF puls ile 180º RF puls uygulaması arasındaki zaman ile 180º RF puls ile sinyal elde edildiği an arasındaki zamanın aynı olduğudur. Çünkü 180º RF puls ile sistemi bir anda ters çevirdiğimize göre, 90º RF puls ile 180º RF puls arasında ne kadar süre geçti ise, protonlar yine aynı sürede in-phase konumuna ulaşacaklardır. İşte, bu sürenin toplamına “Echo time (TE)” denmektedir.

Sekil 5.5: RF puls ile transvers manyetizasyon olustuktan sonra protonlar arasindaki uyum (in-phase) bozulmaya baslamaktadir (de-phase). Belli bir sureden sonra 180º RF pul uygulandiginda protonlarin konumlari tam ters olarak cevrilmektedir (buna ayna goruntusu diyebiliriz). 180º RF puls ile hizli salinim gosteren protonlarin bir an icin geride kaldigina dikkat ediniz. Ancak 90º RF puls ile 180º RF puls arasindaki kadar zaman sonra hizli, bununla birlikte 180º RF pulse nedeni ile geride kalmis protonlar yavas salinim gostermekte olan protonlara yestismekte ve eko-sinyal elde edilmektedir.

(90º RF puls) – (180º RF puls) = (180º RF puls) – (eko sinyal)

                 TE / 2                                       TE / 2

90º RF puls sonrası 180º RF uygulaması ile elde ettiğimiz eko-sinyalin amplitütü nedir?.

180º RF puls sonrası yeni elde ettiğimiz bu sinyalin (eko-sinyal) amplitütü ilk elde ettiğimiz sinyale göre daha düşük olmaktadır. Bunun nedeni, daha önce bahsettiğimiz gibi mikroskobik manyetik çevre değişikliklerine (veya inhomojenitesine) bağlıdır; ve önemle üzerinde durulması gereken nokta, ilk sinyal ile dokuların karakteristik özelliklerini (mikroskobik manyetik çevrelerini) tam olarak değerlendiremediğimiz halde, her doku için elde edeceğimiz ikinci sinyal amplitütü farklı olacağından dolayı, bunun ile dokuları birbirlerinden ayırabilmekteyiz. 180º RF puls ile eko-sinyal elde edildikten sonra, aynı 90º RF puls sonrası gibi, protonlar maruz kaldıkları her iki inhomojenite nedeniyle yine frekans uyumlarını kaybedecekler (de-phase) ve sinyal ortadan kaybolacaktır. Doğal olarak, eğer 180º RF puls sonrası belli aralıklarla yeni 180º RF pulslar uygularsak, her seferinde yeni eko-sinyaller elde edebiliriz ve her seferinde elde edeceğimiz yeni sinyal, mikroskobik manyetik çevre inhomojenitelerine bağlı olarak bir önceki eko-sinyal amplitütünden daha küçük amplitütde olacaktır (Şekil 5.6.).  

	Sekil 5.6: Sekilde goruldugu gibi; 90º RF pulsundan sonra sinyal hizli bicimde kaybolmaktadir (T2*). 90º RF puls sonrasi (TE/2 kadar zaman sonra) 180º RF puls uyguladigimizda yine TE/2 kadar zaman sonra daha dusuk amplitutde yeni bir sinyal elde edilmektedir (90 RF puls ile sinyal elde edildigi an arasindaki sure TE'dir). 180º RF puls sonrasi yeni 180º RF pulslar uyguladigimizda gittikce azalan amplitutlerde yeni eko sinyaller elde edilebilmektedir. Iste zaman icerisinde sadece mikrsokobik manyetik cevre farkliliklarina bagli olarak eko-sinyal amplitutunun azalmasi ile T2 egrisi ortaya cikmaktadir. T2 egrisinin veya yeni elde edilen bu sinyal amplitutlerinin her doku icin farkli olacagina dikkat ediniz.

LONGİTUDİNAL RELAKSASYON (T1)

Şu ana kadar sadece 90º RF puls ile oluşturulan transvers manyetizasyon’un relaksasyonundan bahsettik. Transvers manyetizasyon oluşturmak için 90º RF puls uyguladığımızda ortamda mevcut longitudinal manyetizasyon tamamen ortadan kalkmaktadır. Şimdi biraz geriye giderek, longitudinal manyetizasyonu oluşturan nedenleri hatırlarsak; dokuyu (protonları) magnet içine koyduğumuzda protonlar magnet vektörüne paralel ve anti-paralel olmak üzere dizililrler ve magnet gücü ile direk orantılı olarak salınım (precession) hareketine başlarlar. Bo’a paralel dizilim gösteren protonların sayıları, anti-paralel dizilenlere göre çok az fazla olduğundan dokunun net manyetik vektörü (longitudinal manyetizasyon) Bo ile paralel olmaktadır. Longitudinal manyetizasyonu ortadan kaldıran neden ise, RF puls ile bazı  protonların paralelden anti-paralele (yüksek enerji seviyesine) geçişleri ve protonların “in-phase” konumuna ulaşmalıdırlar. Dolayısıyla, RF puls ile ortadan kaybolan longitudinal manyetizasyonun tekrar oluşması için anti-paralele geçmiş olan protonların eski konumlarına (düşük enerji seviyesine) geri dönmeleri gerekmektedir (Şekil 5.7). Protonlar yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçerlerken ortama enerji verirler; ve bu olay “lattice” olarak bilinir (Longitudinal relaksasyona Spin-Lattice relaksasyon da denmektedir).

Şekil 5.7’den de anlaşıldığı gibi, ortamda bir süre hem transvers, hem de longitudinal manyetizasyon olacaktır. Dolayısıyla bu süreç boyunca dokunun net manyetik vektörü, salınım frekansında Bo çevresinde dönecek ve gittikçe Bo’ya yaklaşacaktır (Şekil 5.8).

Sekil 5.7: Sekilde goruldugu gibi, 90 RF puls ile longitudinal manyetizasyon tamamen ortadan kaybolmakta ve longitudinal manyetizasyon ile ayni amplitutde transvers manyetizasyon olusmaktadir. Transvers manyetizasyon olustuktan sonra, ayni anda hem transvers, hem de longitudinal relaksasyon baslamaktadir. Belli bir sure sonra bu sefer de transvers manyetizasyonun tamamen ortamdan kaybolduguna dikkat ediniz.

konez
		Sekil 5.8: Net manyetik vektor salinim frekansi ile uyumlu olarak Bo cevresinde donmekte ve gittikce Bo aksisine yaklasmaktadir.

Sekil 5.9: T1 ve T2 relaksasyon egrileri - Her iki relaksasyonun ayni zamanda basladigina; bunun ile birlikte transvers relaksasyonun daha kisa surede tamamlandigina, buna karsin longitudinal relaksasyonun daha uzun surede tamamlandigina dikkat ediniz.

Magnet gücü (Tesla) longitudinal relaksasyon zamanına nasıl etkiler?

Yüksek Tesla değerli cihazlarda, protonların salınım frekansları yüksek olduğu gibi, longitudinal relaksasyon da uzun sürmektedir. Bunun aksi olarak, düşük Tesla değerli cihazlarda salınım frekansı düşüktür, buna bağlı olarak enerji transferi daha kolay ve T1 kısa olmaktadır (tablo 5.1’de 0.5 T için verilen değerlerin genelde 1 T için verilen değerlerden daha kısa olduğuna dikkat ediniz).

Daha ileride MRG’de kontrast maddeler başlığı altında detaylı olarak tartışılacak olan kontrast maddelerin relaksasyon zamanlarına olan genel etkisi ise, bu maddelerin relaksasyon sürelerini kısaltmasıdır.

T1 AĞIRLIKLI, T2 AĞIRLIKLI ve PROTON DANSİTE GÖRÜNTÜLER

MRG’de görüntüler 3 farklı karakter taşımaktadır; başka bir deyişle MRG’de görüntü oluşturmak için dokuların 3 farklı özelliğinden faydalanabiliriz:  

a-       Proton miktarlarındaki farklılıktan

b-      Dokuların T2 sürelerinin farklılığından

c-       Dokuların T1 sürelerinin farklılığından

		Sekil 5.10: BOS ve beyin dokusu icin T1 ve T2 egrileri.

	Sekil 5.11 a ve b

	Sekil 5.12: Farkli iki dokuya (A ve B) 90 RF puls gonderildikten sonra ikinci 90 RF puls uygulandiginda dokulardan birinde (B) longitudinal relaksasyon tamamlanmamis ise bu dokudan elde edilecek ikinci transvers manyetizasyon amplitutu kucuk olacaktir.

Şekil 5.12’de longitudinal relaksasyon süreleri (T1) farklı iki doku izlenmektedir (A dokusu ve B dokusu). Longitudinal relaksasyon süreleri farklı bu iki dokuya 90º RF puls gönderdiğimizde her iki dokuda da aynı amplitütde transvers manyetizasyonlar elde edilmektedir (bu iki dokunun proton yoğunluklarının farklı olması halinde, farklı amplitütde transvers manyetizasyonlar elde edilmesi gerektiğine dikkat ediniz). Şekilde görüldüğü gibi ikinci RF pulse uygulandığı anda A dokusunda longitudinal relaksasyon tamamlanmış olduğu halde B dokusunda henüz longitudinal manyetizasyon tamamlanmamış olduğundan, ikinci RF puls uygulaması ile elde edilecek transvers manyetizasyon A dokusunda daha büyük olacaktır (RF puls ile elde edilecek olan transvers manyetizasyon amplitütünü dokuda mevcut longitudinal manyetizasyonun belirlediğini hatırlayınız; eğer dokuda daha düşük amplitütde longitudinal manyetizasyon var ise daha düşük amplitütde transvers manyetizasyon elde edilmektedir). Dolayısıyla ilk RF puls sonrası elde edilen sinyalde iki doku arasında fark yok iken, ikinci RF puls ile elde edeceğimiz sinyal amplitütleri arasında fark olacaktır. İşte bu yöntemi kullanarak (ikinci RF puls ile elde edilen sinyal ile) elde edeceğimiz görüntüler T1 ağırlıklı olacaktır (çünkü dokuların T1 sürelerinin farklı olmasından faydalanmaktayız) (Resim 5.1). İkinci RF puls daha geç uygulanırsa her iki dokuda da longitdinal manyetizasyonlar tamamlanmış olacağından, ikinci RF puls ile her iki dokudan da aynı amplitütde sinyal elde ederiz ve görüntümüz T1 ağırlıklı olmaz. Ancak her dokuda proton yoğunluğu aynı olmadığından dolayı; örnekde verdiğimiz dokulardaki gibi longitudinal manyetizasyon amplitütleri aynı olmayacaktır; dolayısıyla bu sefer elde edeceğimiz sinyal dokuların proton yoğunluklarına göre değişecektir ve bu yöntem ile elde edeceğimiz görüntü “Proton dansite” ağırlıklı görüntü olacaktır (Resim 5.2).

Resimler 5.1, 5.2 ve 5.3

T1 ağırlıklı  görüntü Proton dansite  T2 ağırlıklı görüntü

T2 ağırlıklı görüntü nasıl elde edilmektedir?.

Bunun için Spin-eko sekansından faydalanmamız gerekiyor (Şekil 5.11 b).

Spin-eko sekansında 90º RF pulsdan TE /2 kadar zaman sonra, 180º RF puls kullanılmaktadır. Daha önce detaylı olarak açıkladığımız gibi, 180º RF puls ile TE /2 kadar zaman sonra protonlar arasında tekrar “in-phase” elde edilmekte ve 90º RF puls ile elde ettiğimiz sinyalden daha düşük amplitütde eko-sinyal elde edilmektedir. Elde edeceğimiz eko-sinyalin amplitütü 90º RF puls ile elde edilenden daha düşüktür. Ancak, elde olunan sinyalin amplitütü dokuların transvers relaksasyon sürelerine bağlı olarak değişiklikler göstermektedir. İşte bu farktan yararlanarak elde edeceğimiz görüntü “T2 ağırlıklı” görüntü olacaktır (Resim 5.3).

Bununla birlikte dokuların T2 sürelerinin farklı olmasından faydalanarak görüntü elde edilmek istendiğinde TE süresinin uzun olması gerekmektedir. Çünkü, ancak TE süresi belli bir uzunlukta olunca dokular arasındaki transvers relaksasyon sürelerinde ki farklılık belirginleşmektedir. Eğer TE süresi kısa olursa, bu fark belirgin olmayacak ve elde edeceğimiz görüntü gerçek T’ ağırlıklı olmayacaktır. Eğer TE belirgin şekilde uzun tutulursa, bu durumda görüntünün T2 ağırlığı çok artacaktır, bu şekilde elde edilen görüntülere “heavily T2 image” (güçlü T2 görüntüsü) denmektedir.

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