Slikanje z magnetno resonanco

Slikanje z magnetno resonanco je tehnika, s katero lahko prostorsko odvisnost obnašanja atomskih jeder v magnetnem polju prikažemo kot dvodimenzionalno sliko. Uveljavila se je kot neinvazivna medicinska diagnostična tehnika, pa tudi kot metoda, s katero lahko v geologiji določamo prepustnost kamnin za ogljikovodike. Za slikanje z magnetno resonanco se pogosto uporablja kratica MRI, ki izhaja iz angleškega izraza Magnetic resonance imaging. Uporablja se tudi kratica MRT, ki prav tako izhaja iz angleškega izraza Magnetic Resonance Tomography. Za odkritje slikanja z jedrsko magnetno resonanco in izboljšavo postopka sta Paul Lauterbur in sir Peter Mansfield leta 2003 prejela Nobelovo nagrado za medicino in fiziologijo.

Princip delovanja

Slika glave, posneta z jedrsko magnetno resonanco

Za slikanje uporabljamo jedrsko magnetno resonanco, torej pojav, da magnetni momenti atomskih jeder v zunanjem magnetnem polju precesirajo okrog smeri zunanjega magnetnega polja. Frekvenca precesije, znana tudi kot Larmorjeva frekvenca, je premo sorazmerna gostoti zunanjega magnetnega polja:

\omega =\gamma B_{0}\!\,.

Pri tem je γ giromagnetno razmerje, odvisno od vrste jeder. Paul Lauterbur je leta 1972 prišel na zamisel, kako pojav uporabiti za slikanje: z dodatno tuljavo poskrbimo, da se gostota magnetnega polja s krajem spreminja (rečemo tudi, da polju dodamo gradient G),

B_{z}=B_{0}+Gx

Tedaj je od kraja (koordinate x) linearno odvisna tudi precesijska frekvenca jeder:

\nu (x)={\frac {1}{2\pi }}\gamma (B_{0}+Gx)

Shematičen prikaz slikanja z jedrsko magnetno resonanco

Če jedra vzbujamo z izbrano frekvenco, bomo vzbudili in posledično dobili signal le od tistih jeder, ki ležijo na pravi oddaljenosti x. Tako bi lahko s postopnim spreminjanjem vzbujevalne frekvence prečesali celoten vzorec in ugotovili, kolikšen del signala izvira iz posameznega pasu vzorca. Tak postopek je načeloma izvedljiv, vendar dolgotrajen. Peter Mansfield je sredi sedemdesetih let 20. stoletja prišel na zamisel, kako postopek slikanja bistveno skrajšati: s signalom, v katerem so enakomerno zastopane vse frekvence, naenkrat vzbudimo ves vzorec. Jedra se seveda odzovejo s karakteristično frekvenco, odvisno od razdalje x, in kot odgovor v tuljavi detektiramo signal, sestavljen iz množice frekvenc. Iz tega signala lahko z matematičnim postopkom, imenovanim Fourierova transformacija, izračunamo, kolikšen delež signala pripada posamezni frekvenci, od tod pa tudi, koliko signala izvira iz katerega pasu. Fourierovo transformacijo se da hitro izvesti z računalnikom.

Z enim gradientom lahko razdelimo ravnino le na pasove. Da dobimo porazdelitev po ravnini, je treba postopek ponoviti še v drugih smereh: ravnino znova razrežemo na pasove, vendar v drugi smeri. Za vsako smer posnamemo signal spinskega odmeva in s Fourierovo transformacijo izračunamo porazdelitev signala v izbrani smeri.

Shematičen prikaz rekonstrukcije signala pri slikanju z jedrsko magnetno resonanco

Iz posnetih projekcij računalnik sestavi ravninsko porazdelitev signala - sliko rezine vzorca. Metodi pravimo rekonstrukcija iz projekcij. Pri posamezni projekciji vemo, iz katerega pasu izvira signal, ne pa tudi, iz katerega dela pasu. Zato vrednost pripišemo kar celotnemu pasu. Postopek ponovimo s signalom, posnetim v drugi smeri, in vrednosti prištejemo vrednostim, dobljenim v prvotni smeri. Postopek ponavljamo za vse smeri, v katerih smo izmerili projekcije. Pasovi posameznih projekcij se križajo, zato na mestih, ki predstavljajo dele vzorca z močnim signalom, vsota prispevkov naraste bolj kot drugod. Seštevanje projekcij se da hitro izvesti z računalnikom.

Animacija slikanja možganov od vrha do dna

Bibliografija

Ian L. Pykett (1. maj 1982). »NMR Imaging in Medicine« (PDF). Scientific American. 246 (5): 78–88. doi:10.1038/scientificamerican0582-78. Arhivirano iz prvotnega spletišča (PDF) dne 10. marca 2016. Pridobljeno 21. julija 2016.
Simon, Merrill; Mattson, James S (1996). The pioneers of NMR and magnetic resonance in medicine: The story of MRI. Ramat Gan, Israel: Bar-Ilan University Press. ISBN 0-9619243-1-4.
Haacke, E Mark; Brown, Robert F; Thompson, Michael; Venkatesan, Ramesh (1999). Magnetic resonance imaging: Physical principles and sequence design. New York: J. Wiley & Sons. ISBN 0-471-35128-8.
Lee SC; Kim K; Kim J; Lee S; Han Yi J; Kim SW; Ha KS; Cheong C (Junij 2001). »One micrometer resolution NMR microscopy«. J. Magn. Reson. 150 (2): 207–13. Bibcode:2001JMagR.150..207L. doi:10.1006/jmre.2001.2319. PMID 11384182.
P Mansfield (1982). NMR Imaging in Biomedicine: Supplement 2 Advances in Magnetic Resonance. Elsevier. ISBN 9780323154062.
Eiichi Fukushima (1989). NMR in Biomedicine: The Physical Basis. Springer Science & Business Media. ISBN 9780883186091.
Bernhard Blümich; Winfried Kuhn (1992). Magnetic Resonance Microscopy: Methods and Applications in Materials Science, Agriculture and Biomedicine. Wiley. ISBN 9783527284030.
Blümer, Peter (1998). Blümler, Peter; Blümich, Bernhard; Botto, Robert E.; Fukushima, Eiichi (ur.). Spatially Resolved Magnetic Resonance: Methods, Materials, Medicine, Biology, Rheology, Geology, Ecology, Hardware. Wiley-VCH. ISBN 9783527296378.
Zhi-Pei Liang; Paul C. Lauterbur (1999). Principles of Magnetic Resonance Imaging: A Signal Processing Perspective. Wiley. ISBN 9780780347236.
Franz Schmitt; Michael K. Stehling; Robert Turner (1998). Echo-Planar Imaging: Theory, Technique and Application. Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783540631941.
Vadim Kuperman (2000). Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Applications. Academic Press. ISBN 9780080535708.
Bernhard Blümich (2000). NMR Imaging of Materials. Clarendon Press. ISBN 9780198506836.
Jianming Jin (1998). Electromagnetic Analysis and Design in Magnetic Resonance Imaging. CRC Press. ISBN 9780849396939.
Imad Akil Farhat; P. S. Belton; Graham Alan Webb (2007). Magnetic Resonance in Food Science: From Molecules to Man. Royal Society of Chemistry. ISBN 9780854043408.

Glej tudi

Računalniška tomografija

Zunanje povezave

Tadej Mali, Kako pogledati v človeško telo, ne da bi ga razrezali?, Kvarkadabra, 2000