Kako funkcionira MRI (uređaji za magnetsku rezonanciju)?
MRI je kratica za magnetic resonance imaging, tj. stvaranje slike pomoću magnetske rezonancije. To je dijagnostička tehnika koja se koristi za stvaranje vrlo detaljnih slika unutrašnjosti ljudskog tijela, u svrhu otkrivanja bolesti ili medicinskih istraživanja.
Danas se koristi za dijagnozu tumora, abnormalnosti mozga, ozljeda leđne moždine, bolesti srca, jetre i drugih unutarnjih organa. Kao neinvazivna i bezbolna tehnika, MRI je ogroman korak naprijed u medicini.
MRI se temelji na nuklearnoj magnetskoj rezonanciji. Nuklearna znači da se odnosi na jezgre atoma (nukleuse), magnetska jer se odvija u magnetskom polju i rezonancija jer se iskorištava posebno svojstvo jezgara da apsorbiraju zračenje točno određene energije.
FIZIKA U POZADINI
Prvo da razjasnimo osnovne pojmove. Polje sile je dio prostora, takav da ako se određeni objekti nađu unutar njega, na te objekte će djelovati sila. Ti objekti mogu biti bilo što, što i samo stvara polje sile. Dakle, sila je rezultat interakcije dvaju polja. Ovdje govorimo o magnetskoj sili i magnetskom polju. Polje sile ima usmjerenje, koje se za magnetsko polje kreće od sjevernog magnetskog pola prema južnom ( za usporedbu, gravitacijsko polje također ima usmjerenje pa predmet bačen u zrak uvijek pada prema Zemljinoj površini).
Magnetsko polje stvara nabijena čestica u gibanju. Atomi i molekule sastoje se od nabijenih čestica – pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenih elektrona. Prema tome, jezgre i elektroni u gibanju stvarat će magnetska polja. Gibanje jezgara možemo zamisliti kao gibanje Zemlje – vrte se oko svoje osi i istovremeno oko neke vanjske točke. Ta se pojava naziva spin.
Normalno jezgre mogu rotirati u svim smjerovima pa i stvaraju magnetska polja koja su različito okrenuta. Međutim, kada ih smjestimo u jako vanjsko magnetsko polje, sve jezgre će se poredati tako da njihovo polje ide u istom smjeru s vanjskim (paralelno) ili u suprotnom smjeru (antiparalelno). Antiparalelan položaj zahtijeva više energije od paralelnog pa će ga manji broj jezgara moći poprimiti. Razlika u energiji između paralelnog i antiparalelnog položaja ovisi o jakosti vanjskog magnetskog polja – što je jače, razlika je veća. Slikovito rečeno, što je morska struja jača, to je zahtjevnije protiv nje plivati, i manji će broj plivača uopće pokušati.
Rezonancija se događa kada tako poredane atomske jezgre udarimo zrakom elektromagnetskog zračenja čija je energija točno jednaka razlici energija paralelnog i antiparalelnog stanja. Jezgre će tu energiju preuzeti i privremeno se okrenuti antiparalelno. Kad se elektromagnetska zraka isključi, jezgre se vrate u paralelan položaj i taj višak energije ponovno odašilju kao zračenje.
PRIMJENA
MRI uređaj se pojednostavljeno sastoji od magneta, izvora radiovalnog zračenja i detektora. Magnet proizvodi magnetsko polje jačine 0.5 – 3 tesla. U magnetsko polje smješta se osoba. Na dio tijela koji se snima odašilje se elektromagnetsko zračenje. Zračenje proizvodi jedna zavojnica kroz koju se pušta struja i ona emitira elektromagnetske pulseve.
Broj pulseva u sekundi zove se frekvencija, i ona u ovom slučaju pada u raspon koji se koristi za emitiranje radio signala, zato se često naziva radio frekvencijom. Mijenjanjem frekvencije mijenja se energija zračenja. Kad se pogodi prava energija, dolazi do rezonancije. Nakon nekog vremena, jezgre se vrate u normalan položaj. Zračenje koje one pritom odašilju hvata detektor i prevodi u signal. Signale obrađuje računalo i stvara sliku na ekranu koju liječnici mogu protumačiti.
Najčešće se snimaju jezgre vodika jer je to element koji je obilno zastupljen i u vodi i u masnom tkivu. Jezgrama vodika koje se nalaze u različitim tkivima zbog drugačijeg okruženja treba različito vrijeme da se vrate natrag u normalno stanje. Tako možemo razlikovati različita tkiva (masne i vodene dijelove tijela).
Mnoge se bolesti očituju povećanjem sadržaja vode pa se tako mogu uspješno detektirati. Postoje i posebne kemijske tvari koje su dobro vidljive na MRI-ju koje se mogu ubrizgati u točno određeni organ i tako ga istaknuti.
Uređaj ne može jednostavno skenirati cijelo tijelo odjednom, jer se na slici ne bi moglo razlučiti što je što. Zato se koristi dodatni trik. Dodatne zavojnice kroz koje se odašilje struja mogu prilagoditi vanjsko magnetsko polje, stvarajući gradijent. Drugim riječima, magnetsko polje bit će najjače na jednoj strani uređaja i postupno se smanjivati do druge strane.
Ako zamislimo ljudsko tijelo podijeljeno na kriške, to znači da će jezgre u svakoj kriški biti izložene malo drugačijim vrijednostima vanjskog magnetskog polja. Onda će i razlika energija paralelnog i antiparalelnog stanja biti malo drugačija, znači da će te jezgre reagirati na zračenje različite energije.
Jedna zraka će prema tome dati sliku samo jedne kriške tijela, gdje će jezgre primiti njezinu energiju, a kroz ostale će samo proći. Više zraka će učinkovito mapirati tijelo i pokazati točno mjesto abnormalnosti.
SIGURNOST
MRI je vrlo sigurna dijagnostička metoda jer koristi radiovalno zračenje, koje je i normalno prisutno posvuda oko nas i prolazi kroz tijelo ne oštećujući ga. Međutim, budući da se koriste magneti, metalni implantati u tijelu mogli bi se pomaknuti i izazvati štetu, a pacemakeri prestati raditi. Zato prije MRI skeniranja liječniku treba prijaviti svaki komad metala u tijelu, kako bi mogao procijeniti smije li se sken izvoditi ili ne. Uređaj također proizvodi buku pa je potrebna zaštita za uši.
Ovo je naravno pojednostavljeni opis iznimno složene fizike u pozadini ove tehnike. Postoje cijele knjige koje se bave ovom temom, tako da je u članku štošta izostavljeno. Jednostavno, ali detaljno objašnjenje s popratnim ilustracijama svakog koncepta može se naći na stranici How Equipment Works.
