BĐYOMEKANĐK VE DOKU MEKANĐĞĐ

Transkript

1 526 ĐÇINDEKĐLER 1) Görünür ışık ile görüntüleme (Endoskopi) 2) X-Işınları (Röntgen) Tomografi Bilgisayarlı Tomografi (BT) 3) Manyetik Rezonans Görüntüleme (MR) 4) Tek Foton Işımasının Bilgisayarlı Tomografisi (SPECT) 5) Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) 6) Biyomekanik ve Doku Mekaniği GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ, BĐYOMEKANĐK VE DOKU MEKANĐĞĐ Prof. Dr.

2 528 GĐRĐŞ: GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Prof. Dr. Asırlardan bu yana insanın iç yapısında nelerin olduğunun bilinmesi istenmiştir. Kapalı bir kutu durumda olan insanın iç organlarının anatomik, fizyolojik ve patolojik özelliklerinin belirlenmesi için bir çok çalışma yapılmıştır. Bugüne kadar yapılan çalışmaların sonunda ulaşılan noktada, bir yandan morfolojik ve fonksiyonel, bir yandan da makroskopik ve mikroskopik olarak iç yapıların görüntülenmesinde önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Bütün bu uğraşılarda temel hedef insana, özellikle hastaya mümkün olduğu kadar zarar vermeden ve onu rahatsız etmeden en kısa zamanda en fazla bilginin toplanması olmuştur. Ancak canlı organizmaya yapılan her uygulama sonucunda organizma ile dış çevre arasında enerji alış verişi olur ve çoğunlukla bundan organizma zarar görür. Amaç iç organların yapısı hakkında kaliteli ve hızlı bilgi toplarken, bu zararı en aza indirmektir. Bütün bu amaçlar için değişik görüntüleme yöntemleri geliştirilmiştir. Bir yöntemin bir diğer yönteme göre daha uygun yönleri olduğu gibi olumsuz tarafları da vardır. Bazısı canlı organizmaya zararlı etki yaparken kaliteli görüntü sağlamaktadır. Bazısı ise biyokimyasal izleyicilik yapabilirken görüntü kalitesi pekte iyi olmamaktadır. Bu durumda hangi yöntem bunların arasında en iyisidir gibi bir soru anlamını yitirmektedir. Çünkü hastanın durumu, görüntülenecek organın fizyolojik ve patolojik koşulları, hatta ekonomik koşullar, seçilecek görüntüleme yöntemini belirlemektedir. O halde genel olarak belirli bir görüntüleme yönteminin tüm sorunların teşhisinde en uygun yöntemdir şeklinde bir ifade geçerli olmamaktadır. Bu nedenle özellikleri farklı olan bir çok görüntüleme yöntemi tıp dünyasında, aynı anda kullanımda bulunmaktadır. Hekim bunlardan hangisinin uygun olacağına karar verecektir. Karar aşamasında hekimin elinde a) Hastaya en az zararı vermek b) Hızlı görüntü almak c) Kaliteli görüntü elde edebilmek d) Farklı yapı ve yoğunluktaki dokuları ayırt edebilmek e) Biyokimyasal izleyicilik yapabilmek f) Ekonomik olmak gibi çeşitli kriterler bulunmaktadır. Đşte bu noktada hekim, seçeceği görüntüleme yönteminin temel özelliklerini bilmek zorunda kalacaktır. Bu bölümün amacı çeşitli görüntüleme yöntemlerinin fiziksel ve biyofiziksel temel özelliklerinin tanıtılmasıdır. 1) GÖRÜNÜR IŞIK ĐLE GÖRÜNTÜLEME (ENDOSKOPĐ) Hekimin hastası ile karşılaştığında ilk gözlediği dış görünüştür. Burada hastanın duruşu, deri rengi, davranışı gibi faktörler dikkat çeker. Hastanın dış görünüşünden hekime akan bilgi, görünür ışık ile yani elektromanyetik spektrumun görünür ışık frekanslarının bulunduğu bölgeden olmaktadır. Ancak bu, yalnızca hastanın dış yüzeyinden gelen ışıktır. Đç bölgelerden bilgi alınması için ise bu bölgeler aydınlatılabilmeli ve yansıyan ışık dışarıya kayıpsız alınabilmelidir. Örneğin midenin iç yüzeyini görebilmek için özofagus boyunca bir boru ile mideye ışık indirilmeli ve mide yüzeyinden yansıyan ışık dışarıya çıkartılmalıdır. Fiber optik lifler bulunana kadar daracık kanallar boyunca ışığın yönlendirilmesi mümkün olamamıştır. Fiber optik liflerin yüksek optik kırma indisine sahip olmalarından dolayı ışık, lifin içinden dışarıya çıkmadan bir uçtan diğer uca tam yansımalarla iletilebilmiştir. Optikçe saydam bir ortamdan, başka optikçe saydam ortama geçen ışığın hızı değişir (örneğin havadan suya). Hızı değişen ışık bir noktadan bir başka noktaya en kısa zamanda ulaşabilmek için yönünü değiştirir yani kırılır. Eğer ışık optikçe az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçiyorsa, gelen ışığın normal (iki ortamı ayıran düzleme dik doğrultu) ile yaptığı açının ikinci ortama geçtiğinde küçülmesi (KIRILMA) şeklinde olur (Şekil 1.1).

3 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Gelen ışık α Ancak ışık optikçe çok yoğun ortamdan, az yoğun ortama geçerken gelme açısı büyüdükçe kırılma açısı da büyüdüğünden öyle bir kritik gelme açısı vardır ki, çok yoğun ortama geçen ışık 90 derece kırılır. Yani, ışık ikinci ortama tamamen geçemeden, ortamları ayıran yüzeyi yalayarak gider. Bu açıya geliş açısına SINIR AÇISI denir (Şekil 1.3). Kırılan ışık yüzeyi yalar Kırılan ışık Şekil 1.1: Optikçe az yoğun ortamdan (ör: hava) gelen ışık çok yoğun ortama (ör: cam veya su) geçtiğinde normale yaklaşarak kırılır (ß < α). ß Sınır açısı ile gelen ışık S Eğer ışık optikçe çok yoğun ortamdan, optikçe az yoğun ortama geçiyorsa, bu defa ışığın normalle yaptığı açı, optikçe az yoğun ortama geçtikten sonra büyür (Şekil 1.2). Şekil 1.3: Işık optikçe çok yoğun ortamdan az yoğun ortamdan, optikçe az yoğun ortama SINIR AÇISI (S) ile gelirse kırılan ışık iki ortamı ayıran yüzeyi yalayarak (ß =90 0 ) gider. Gelen ışık α Eğer ışığın gelme açısı, sınır açısından büyük olursa, ışık ikinci ortama geçmeden bu defa geldiği ortama, normalle aynı açıyı yaparak yansır ve geri döner. Buna TAM YANSIMA denir (Şekil 1.4). ß Kırılan ışık Sınır açısından büyük açı ile gelen ışım α = ß>S Tam yansımaya uğrayan ışık Şekil 1.2: Optikçe çok yoğun ortamdan (ör: su veya cam) az yoğun ortama (ör: hava) geçen ışık normalden uzaklaşarak kırılır (β>α). Şekil 1.4. Optikçe çok yoğun ortamdan az yoğun ortama gelen ışığın normalle yaptığı açı, sınır açısından büyükse ışık aynı ortama TAM YANSIMAya uğrar (s: sınır açısı).

4 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Tam yansıma olayında sınır açısını belirleyen etken, iki ortamın ışığı kırma indisleridir. Optikçe çok yoğun ortamın kırma indisi, az yoğun ortama oranla büyüdükçe sınır açısı da o kadar büyür. Örneğin camdan havaya geçiş için sınır açısı yaklaşık 42 derecedir. Bu açıdan daha büyük açılarda gelen ışınlar aynı ortama geri tam yansımaya uğrarlar. Đçinden ışığı iletmek istenen içi dolu ince cam silindir şeklindeki bir ortamın kırma indisini yeteri kadar büyük seçebilirse ışık bu silindirden dışarıya çıkabilecek açıyı bulamaz. Silindirin iç yüzeylerinde defalarca tam yansımaya uğrayarak bir ucundan diğerine ulaşır ve bu uçtan dışarıya çıkar (Şekil 1.5). Fiber optik liflerin kırma indisleri yeteri kadar büyüktür ve kolayca ince esnek cam silindir şekline getirilebilmektedir. Bu sayede fiber optik lifler endoskopi araçlarında kullanılabilmektedirler. Şekil 1.5: Fiber optik liflerin bir ucundan giren ışık, defalarca tam yansımaya uğrayarak diğer uçtan çok az kayıpla çıkar. Bir endoskopi aracının içinden geçerek vücut içinde kesme, dikme, parça alma, enjeksiyon yapabilme, sıvı verme veya sıvıyı geri emme gibi işlev görebilecek bir çok ek parça vardır (Şekil 1.6). Endoskopi araçlarının kullanımında en önemli iki unsur optik fiber liflerdir. Bunlar, a) Işığı hastanın iç bölgelerine gönderen ve bu bölgelerin aydınlanmasına yardımcı olan bir lif. b) Aydınlatılan iç organlardan yansıyarak gelen ışığı dışa, hekimin gözüne getiren lif. Bunların dışında amaca uygun olarak yapılacak işlemleri kolaylaştıran bazı ek parçalar vardır. c) Optik lifi istenen organa yönlendirip istenen bölgeye ulaşmasını sağlayan mekanik bir bölüm. d) Gereğinde bu organda yapılması gerekli cerrahi işlemler veya biyopsi alınabilmesi için uç kısma takılan cerrahi aletler. e) Işığı kontrol eden sistemler, mercek ve aynalardan oluşan optik sistemler. f) Görüntüyü gereğinde ekrana aktararak büyüten elektronik sistemler (Şekil 1.7). g) Bunların dışında uygulanacak cerrahi girişim (laparoskopi) için vücut dışından içeriye ikinci, üçüncü hatta dördüncü giriş kanalı açılarak buralardan ek araçlar sokularak uygulamalar kolaylaştırılabilir. Doku boşluklarına karbondioksit gibi gaz veya serum fizyolojik, ringer gibi sıvı enjekte edilerek şişirilir ve görüş alanları genişletilir. Şekil 1.6: Endoskopi sisteminde kullanılan cerrahi aletlerinden bazıları Endoskopi araçlarının adı kullanıldığı alana göre değişmektedir (Şekil 1.8). Ortopedide eklem cerrahisinde ARTROSKOPĐ (Şekil 1.9) Kadın doğumda ve jinekolojik ameliyatlarda HĐSTEROSKOPĐ, UTEROSKOPĐ, PELVĐSKOPĐ, AMNĐOSKOPĐ, FETOSKOPĐ Kulak Burun Boğazda SĐNOSKOPĐ, LARĐNGOSKOPĐ, NASOFARĐNGOSKOPĐ Gastroenterolojide GASTRODUEDONOSKOPĐ, KOLONOSKOPĐ ÖZOFAGOSKOPĐ, Ürolojide SĐSTOSKOPĐ, URETROSKOPĐ, NEFROSKOPĐ Akciğer hastalıklarında BRONKOSKOPĐ, TORAKOSKOPĐ Anesteziolojide LARĐNGO-TRAKEOSKOPĐ

5 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Şekil 1.8: Endoskopi ile yapılan bir artroskopi uygulamasında diz içi dokuların monitorde görüntülenmesi. Şekil 1.7: Tipik bir endoskopi cihazı. Bu gibi değişik adlar altında kullanılan endoskopi ve laparoskopide her geçen gün yeni gelişmeler görülmektedir. Şekil 1.9: Endoskopi ile görüntülenen bazı alanlar.

6 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Endoskopinin avantajlarını şöyle sıralayabiliriz a) Doğrudan görünür ışık ile doğal ve renkli görüntü sağlar. b) Hastaya zararlı ışın kullanmaz c) Uygulanması nispeten kolaydır. d) Gereğinde biyopsi alınabilir. e) Gereğinde cerrahi işlem olanakları vardır (laparoskopi). Katot ışın tüpü X-ışınları Işınları değişik oranda tutan model Fotoğraf plağı Ancak bazı olumsuz yönleri de vardır. a) Vücudun her yerine özellikle boşluğu olmayan yerlerine girilemez (beyin veya karaciğer içi gibi). b) Bir çok bölgeye giriş için lokal anestetik madde gereklidir. c) Dar bölgelerde dolaşım zorlanır ve etkilenir. d) Geniş alanlarda cerrahi girişim için yetersiz kalır. 2) X-IŞINLARI (Röntgen): Alman fizikçi Wilhelm Konrad Röntgen 1896 da katot ışın tüpü ile çalışmaları sırasında bu tüpten ne olduğunu açıklayamadığı ışınların çıktığını fark ederek bunları, bilinmeyen ışınlar (x-ışınları) olarak adlandırdı. Daha sonra bu ışınların, çok yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar olduğu anlaşılarak alman fizikçinin adı ile Röntgen ışınları olarak adlandırıldı. Bu ışınlar canlı organizmalarda yumuşak dokulardan geçebiliyor, kemik gibi yoğun dokularda kısmen tutuluyordu (Şekil 2.1). Ayrıca fotoğraf plağını etkileyebildiğinden insanın içyapısının görüntüsü film olarak elde edilebiliyordu. Şekil 2.1: Katot ışın tüpünden çıkan x-ışınları değişik yoğunluklardaki maddelerde değişik oranlarda tutulduğundan fotoğraf plağında değişik oranlarda negatif film izi bırakmaktadır. Günümüzde halen kullanılan Röntgen tüpleri aynı prensiple çalışmaktadır. Bu tüpün içinde eksi kutba (katot) bağlı tungsten malzemeden yapılmış flamanın ısıtılması sonucu serbest elektronlar açığa çıkar. Havası boşaltılmış olan (vakum) tüpün içinde bu flamanın karşısına artı elektrik kutbu (anot) konulursa katottan çıkan elektronlar anoda doğru hızlandırılarak çarptırılır (Şekil 2.2). Cam kılıf Vakum x-ışınları Tungsten disk Anot Flaman Katot Hızlandırılan Elektronlar Şekil 2.2: Katot ışın tüpünün şematik resmi.

7 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Elektronlar gibi elektrik yüklü parçacıklar duruyorlarsa çevrelerinde elektrik alan oluşturur. Elektrik yüklü parçacıklar sabit hızla hareket ederlerse manyetik alan, hızlanma yada yavaşlama gibi ivmeli hareket ederlerse elektromanyetik alan oluştururlar. Burada katottan anoda elektrik alanda hızlandırılmış elektronlar anottaki sert metal yüzeye çarptığında birden durur. Bu çok yüksek değerdeki negatif ivme sonucu yüksek frekanslı elektromanyetik alan ortaya çıkartır. Enerji açısından bakarsak, elektronun kazanmış olduğu kinetik enerji elektromanyetik ışın enerjisine dönmüş olur. ½ m.v 2 = h.f (m=elektronun kütlesi, v= elektronun anoda çarpma anındaki hızı, h=6, plank sabiti, f= x-ışınının frekansı) Elektromanyetik alan dağılımı (spektrumu) frekanslarına göre kozmik ışınlardan, radyoaktif ışımalardan, x-ışınları, ultraviyole ışınlarına, görünür ışıktan, kızılötesi ışınlar, mikro dalgalar, TV ve radyo dalgalarından birkaç Hertz lik titreşimlere kadar çok geniş bir alanı kaplar (Şekil 2.4). Enerjini bir kısmı ısıya dönüştüğünden elektronların çarptığı plaka ısınacak ve yıpranacaktır. Bunu önlemek için bu plaka döndürülerek elektronların farklı yerlere çarpması sağlanır. Ayrıca soğutularak ömrü uzatılmaya çalışılır. Burada anot katot arasındaki gerilim farkı (elektrik alan) arttırılıp azaltılarak elektronun hızı değiştirilebilir. Hızlı elektronun enerjisi yüksek olacağından negatif ivmesi fazla olacaktır. Böylece oluşturulacak x-ışınının frekansı artacaktır. Şiddet ve frekansına bağlı olarak x-ışının yoğun maddeye girişkenliği değiştiğinden fotoğraf plağındaki etkisi farklı olacaktır. Sonuçta film kalitesindeki aydınlık veya karanlık basit elektriksel bir düzenekle ayarlanabilmektedir. Ancak yüksek enerjisinden dolayı x-ışınlarının canlı doku üzerine zararlı etkisi vardır. Bunu açıklamak için önce elektromanyetik dalgaların yapılarını gözden geçirelim. Yukarıda belirtildiği gibi ivmeli hareket eden elektrik yükleri çevrelerine elektromanyetik alan yayarlar. Bu alanların hızları ışık hızına eşittir. Dalga boyları frekansları ile ters orantılıdır. Uzayda yayılırken elektrik alan (E) ve manyetik alan (H) bileşenleri birbirine dik olarak dalgalanır. Bu nedenle yayılma doğrultusuna dik yönde titreşen enine dalga yapısındadırlar (Şekil2.3). Şekil 2.3: Elektromanyetik alanların şematik yapıları. Şekil 2.4: Frekanslarına göre enine dalga yapıdaki elektromanyetik dalgaların şematik dağılımı. Görünür ışıktan daha yüksek frekanslı dalgaların (UV, x-ışınları, radyoaktif ışınlar, kozmik ışınların) enerjileri de yüksektir. E= h.f (Dalganın enerjisi= Planck sabiti X dalga frekansı) Frekansı ile orantılı olan bu enerji, bir hidrojen atomunun etrafındaki 13,1 ev enerji ile bağlı elektronunu bile kopartacak kadar yüksektir. Eksi yüklü elektronunu kaybeden atom yada bu atoma bağlı olan molekül, artı yüklü bir iyon olur. Bundan dolayı bu olaya iyonizasyon, bu tür ışımalara iyonizan ışıma denir. Elektronunu kaybeden atom ya da molekül kısa sürede bu eksiğini çevreden tamamlar. Ancak cansız yapılarda pekte önemli olmayan bu olay canlı organizmalarda istenmeyen moleküler, fiziksel ve kimyasal sonuçlar doğurur. Hücre bu iyonizan ışımaya maruz kalma sonucu işlevini yitirebilir, kansere varana kadar değişimler gösterebilir, ölebilir. Bu nedenle Röntgen gibi görünür ışıktan daha yüksek frekanslı elektromanyetik ışımalar canlılar özellikle insanlar için zararlı etki yapabilirler dolayısıyla kontrollü olarak kullanılmalıdır. Bu nedenlerle çok sık Röntgen çektirmek, hamilelerin Röntgen ışınlarına maruz kalmaları sakıncalıdır. Ayrıca anatomik görüntü kalitesinin düşük olmasının yanında Metabolik olayları izleme olanağı da yoktur.

8 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Ne var ki olumsuz bu etkinin yanı sıra Röntgenin birçok yararlı yanları vardır. Kısa sürede insan iç yapısını görüntüleyebilmesi, Bunu oldukça uygun fiyatla yapabilmesi, Röntgen cihazını kullanacak elemanlarının kolay ve çabuk eğitilebilmesi, Aletin kuruluşunun kolay ve ucuz oluşu, Đyi teşhis bilgisi vermesi, Tüm vücut görüntüleyebilmesi, Kontrast madde kullanımı ile yumuşak dokudan da iyi görüntü vermesi, yüzyıldan fazladır kullanımda kalmasının nedenlerindendir. Tomografi: Tomografi bir görüntüleme yöntemi değil, görüntüleme yöntemlerinde kullanılabilen bir tekniktir. Bu teknikte görüntülenecek dokuların belli bir kesitinin öne çıkması, dikkat çekmesi istenmektedir. Bir görüntüleme tekniğinde ulaşılabilen en üst seviyede kaliteden daha fazlası teknik olarak mümkün olmadığında, özellikle görüntülenecek belirli bir kesitin ön plana çıkması arzu edilmektedir. Bunun için bir kesitin netleştirilmesi yenine bu kesitin alt ve üstündeki kesitlerin netliğini bozulması, flulaştırılması esasına dayanır. Bilgisayarlı Tomografi-BT (Computerised Tomography-CT): J.N. Haunsfield 1972 Nisanında Đngiltere de radyoloji enstitüsünde ince zayıf x-ışını kullanarak bir kesiti tarama ve sintilasyon kamarasında sinyalleri okuyarak bilgisayarda değerlendirip çok net görüntüler almayı başarmıştır. Bu çalışmasıyla 1979 da Nobel ödülü aldı). Bilgisayarlı Tomografide kullanılan ince ve zayıf x-ışınlarının dokudan geçen, tutulan ve yansıyanları doku çevresine yerleştirilen detektörlerle taranır. Bu ölçümler bilgisayarda değerlendirilerek görüntü ekranda veya fotoğraf filminde elde edilir. Bu görüntüler tekrarlanarak yada başka kesitler için de görüntüler elde edilebilir. 3) MANYETĐK REZONANS GÖRÜNTÜLEME TEKNĐĞĐ (MR) Bu gün için manyetik alanın canlı organizmaya büyük çapta bir zararının olmadığı kabul edilmektedir. Eğer varsa bile bunun önemsenmeyecek düzeyde olduğu sanılmaktadır. Ancak yinede bu zararın hangi düzeyde olduğu halen araştırmacılar tarafından yoğunlukla incelenmektedir. Đşte yalnızca bu neden bile manyetik rezonans görüntüleme tekniğini diğer tekniklerin yanında tercih edilebilir duruma getirmiştir. Ayrıca çok kaliteli görüntü vermesi, hızlı ve hastayı hırpalamadan inceleme olanağının bulunması tüm dünyada MR tekniğinin sıklıkla kullanılmasına neden olmuştur. Tarihçe: Atom çekirdeğinin manyetik özellikleri 20. yüzyılın başlarında incelenmeye başlanmıştır larda Bloch ve Purcell çekirdeğinde tek sayıda nükleon bulunan atomların manyetik alandan etkilendiklerini bulmuşlardır ve manyetik alanda atom çekirdeklerinin spin eksenlerinin değiştiğini ortaya koymuşlardır. Bu çalışmaları kendilerine 1952 de Nobel ödülünü kazandırmıştır. Bu bilgi uzun süre yalnızca fizik alanında sıkışıp kalmıştır. Tomografinin ve bilgisayarların 1970 lerde hızlı gelişmesine bağlı olarak görüntüleme tekniğinde şaşırtıcı kalitede gelişmeler elde edilmeye başlandıktan sonra, bu çalışmaların etkileri tıp alanına da kaymıştır. Bu iki tekniği manyetik rezonans alanına uygulayan Lauter tarafından ilk ve net MR görüntüsü elde edilmiştir de Hawkes ve arkadaşları MRI ile ilk hastalık teşhisini yapmışlardır. Günümüzde Üç boyutlu görüntülerden, hareketli organların görüntülerine kadar hızlı ve kaliteli görüntüler alınmaktadır. Bu amaçla üstün nitelikli bir çok MR aleti piyasaları doldurmuş ve her gün yeni gelişme ile değişik firma birbirleri ile rekabete girmiştir. Bir Atomun Manyetik Özellikleri: Her atomun etrafında dolanan elektronun dört kuantum sayısı ile belirlenen bir konumu ve özelliği vardır. Bunlar; temel, orbital, manyetik ve spin kuantum sayılarıdır. Bir atomun çevresinde dört kuantum sayısı birbirinin aynı olan iki elektron bulunamaz. Her elektrik yüklü parçacık gibi elektronda bu hareketi sonucu çevresinde bir manyetik moment yaratır. Bunu içinden akım geçen halka şeklindeki telin merkezinde oluşan manyetik alan momentine benzetebiliriz (Şekil 3.1).

9 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Şekil 3.1: Hidrojen atomunun tek elektronunun ve içinden akım geçen bir tel halkanın merkezinde oluşan manyetik akı yoğunluğu. Atomun çekirdeğindeki nükleonlar da kendi çevrelerinde dönme (spin) hareketi yaparlar. Bu da benzer şekilde bir manyetik moment oluşturur (Tablo 3.1). Sabit Manyetik Alanda Nükleonlar: Canlı organizmada çok miktarda su bulunmaktadır. Suyu oluşturan elementlerden biri olan hidrojen çekirdekleri (ayrıca Na 23, P 31, C 13, O 17, F 19 ve benzeri tek sayıda nükleonu olan atomlar) jiromanyetik etkilerinden dolayı iyi bir manyetik moment kaynağıdır. Ancak, küçük birer mıknatıs olarak algılanabilecek bu hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) spin eksenleri çeşitli doğrultulara yönelmiştir (Şekil 3.3). Bunların oluşturduğu manyetik momentlerin bileşkesi yaklaşık sıfır olarak kabul edilebilir. Tablo 3, a: Nükleonların manyetik moment değerleri. Nötron Proton Manyetik Moment (Joule/Tesla) -9,66x ,41x10-26 Burada dikkat çekici bir nokta, elektriksel net yükü olmamasına rağmen nötronun da, spin hareketinden dolayı manyetik moment yaratmasıdır. Bunu nedeni nötronun iç yükünün, (yüzeye doğru negatif merkeze doğru pozitif) düzensiz dağılması ancak net yükünün sıfır olmasıdır. Her ne kadar bir atomdaki nükleonların spin eksenleri birbirlerinin etkisini ortadan kaldıracak şekilde olsa da tek sayıda nükleonu olan atomların toplam spinleri bir manyetik dipol oluşturmaktadır. Buna jiro-manyetik etki denir. Böylece tek sayıda nükleonu bulunan atomları küçük bir mıknatıs olarak algılayabiliriz (Şekil 3.2). B N B Şekil 3.3: Protonların değişik yönlere dağılmış manyetik alan dipol momentleri (vektörsel toplam=0) Tek sayıda nükleonu olan atomların (özellikle hidrojen) üzerine dışarıdan çok kuvvetli (2-5 Tesla) düzgün manyetik alan uygulandığında bunların spin eksenleri aynı doğrultuya gelmeye zorlanırlar. Zorlanan nükleonlar, manyetik alan doğrultusunda presesyon hareketi yapmaya devam ederek (Larmour frekansı. ile titreşerek) dizilirler. Bu hareketin frekansı Tesla başına yaklaşık 40 MHz dir. Yerin gravitasyonel alanında dönmekte olan bir topacın yalpalaması aynı türde bir dalgalanma gösterir (Şekil 3.4). S Şekil 3.2: Kendi ekseni etrafında dönmekte olan (spin) protonun ve çubuk mıknatısın oluşturduğu manyetik dipol moment. Şekil 3.4: Güçlü dış manyetik alanda kendi ekseni etrafında yalpalayarak dönmekte olan protonun oluşturduğu manyetik dipol momenti ve gravitasyonel alanda yalpalayarak dönen topacın oluşturduğu dönme momenti.

10 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Bu hareketi bir başka şekilde tanımlamaya çalışalım. Bir mıknatıs çubuğunu sürtünmesiz ortamda, ortasından asalım. Dışarıdan üzerine sabit bir manyetik alan uygulanırsa mıknatıs çubuğu manyetik alan doğrultusuna yönlenmeye çalışacaktır. Hızlanan pusula manyetik alan doğrultusunu geçip diğer tarafa aynı açı kadar sapacak ve tekrar manyetik alan doğrultusuna dönmeye zorlanacaktır. Bu olay sarkacın titreşimi gibi tekrarlayacaktır (Şekil 3.5). B Manyetik Rezonans: Rezonans ya da eş uyumlu titreşim, aynı frekansta salınım hareketi yapan iki sistemin birbirini etkilemesidir. Bunun en bilinen örneği, salıncakta sallanan birinin, her salınımda salıncağı tam salınım yönünde (aynı frekansta) iterek salıncağın genliğini arttırmasıdır. Güçlü dış manyetik alanda Larmour Frekansı ile presesyon hareketi yapmakta olan protonlara ek itme kuvveti sağlamak için, aynı frekansta bir radyofrekans dalgasını (Rf) yeterli bir süre gönderilirse, çekirdekler bu enerjiyi alırlar. Titreşimlerinin genlikleri artar, dönme eksenleri 90 hatta 180 dereceye kadar saptırılır (Şekil 3.6). g Şekil 3.5: Manyetik alan etkisindeyken ortasından asılan çubuk mıknatısın ve. gravitasyonel alanda basit sarkacın yaptığı salınım. Açısal sapmanın zamana göre fonksiyonu sinüs grafiği verecektir. Eğer ortam sürtünmeli ise grafik, sönümlü bir sinüs fonksiyonu olacaktır (grafik 3.1) (grafik 3.2). Şekil 3.6: Denge durumuna yakın Rf dalgası etkisi ile Rf dalgası etkisi salınım yapan proton (manyetik +z ekseninden ayrılıp 90 0 ile +z ekseninden dipol moment +z ekseni yönünde) saparak x-y düzleminde saparak z ekseninde salınım yapan proton. Salınım yapan proton. Grafik 3.1: Sürtünmesiz ortamda salınım hareketinin grafiği (sinüs dalgası) Şekil 3.2: Sürtünmeli ortamda salınım hareketinin sönümlü sinüs grafiği Sabit ve güçlü bir manyetik alanda bulunan hidrojen atomunun çekirdeğindeki protonlar, yukarıda tanımlanan mıknatıs çubuğunun hareketi gibi, ancak çizgisel değil dairesel bir yörünge izleyerek dönerler. Tek sayıda nükleonu olan atomların çekirdek manyetik dipol momentleri, güçlü manyetik alanda, z-ekseninde salınım yaparak +z yönünde manyetik etki ortaya çıkartmaktadırlar. Bu atomlar, titreşim frekanslarına eşit frekansta radyo vericisi (Rf) ile uyarıldıklarında, aldıkları enerji ile rezonansa gelirler. Zorlanan bu çekirdeklerin hepsinin birden manyetik dipol momentleri x-y düzlemine yatarlar (Şekil 3.7). Tüm çekirdeklerin manyetik dipol momentleri z-yönünde manyetik ölçüm göstermezken, x-y ekseninde manyetik alan ölçebilen bobinlerle, ölçülebilir bir manyetik moment gösterir.

11 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Şekil 3.7: Rf dalgası etkisi ile +z ekseninden 90 0 sapmış atom çekirdekleri. Eğer Rf sinyalleri yeteri kadar uzun ve şiddetli uygulanırsa çekirdeklerin manyetik dipol momentleri ters yöne dönerek (invers) sapabilir (Şekil 3.8). Şekil 3.9: 90 0 saptırılmış protonun manyetikdipol momenti, Rf dalgası kesildikten sonra sürtünmeler ile eski denge durumuna dönüyor dalga (FID).ve FID dalgası yayıyor. Grafik 3.3: Denge durumuna dönerken protonun yaydığı elektromanyetik Bu dalgalar vücudun çevresine konmuş bulunan alıcı bobinlerle detekte edilebilirler. Her çekirdeğin manyetik moment vektörünün değişimi çevreye konmuş olan bobinlerde Lenz kuralına göre küçük bir elektrik akımı oluşturur. Bunlar daha sonra bilgisayarlarda değerlendirilerek, tek sayıda protonlu atomların (çoğunlukla hidrojen atomları) konumları görüntüye çevrilir (Grafik 3.4) (Grafik3.5). Şekil 3.8. Rf dalgası etkisi ile +z ekseninden sapmış ve z ekseninde salınan atom çekirdekleri. Grafik 3.4: Tek protonun manyetik rezonans sinyali Grafik 3.5: Etil alkol (CH 3-CH 2-OH). hidrojenlerinin Manyetik rezonans sinyali. Yatay (transvers) pozisyona (90 0 ) veya ters (invers) pozisyona (180 0 ) geçmiş olan çekirdekler Rf dalgası kesildikten sonra sürtünmeler nedeniyle enerji kayıplarına uğrarlar. Bu nedenle yeniden eski önceki pozisyonlarına (dış manyetik alan doğrultusu) dönmeye başlarlar (Durulma olayı-relaksasyon fenomeni). Đşte bu sırada her biri çevreye bir elektromanyetik dalga yayarlar (Free Induction Decay-FID) (Şekil 3.9) (Grafik 3.3). Relaksasyon Türleri: Đki tür relaksasyon zamanı kullanılmaktadır. T1 (dikey) (Spin-Lattice relaksation): Rf dalgası ile zorlanmış ve dengeden uzaklaşmış olan çekirdeklerin manyetizasyon vektörünün dengeye dönüşü belirli bir süre alır. Her çekirdeğin dengeye dönüşü sırasında yaydığı elektromanyetik dalga bu çekirdeğin bulunduğu yer hakkında bilgi verir. Şimdi güçlü, sabit ve düzgün bir dış manyetik alanda bulunan protonlara yeterli sürede

12 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Rf dalgası uygulayalım. Protonlar aldıkları bu enerji ile 90 derece yatarak manyetizasyonlarını yatay duruma getirsinler. Düşey eksende toplam manyetizasyon sıfır olsun. Rf dalgasını kestikten sonra tüm çekirdekler sürtünmeler ve enerji kayıpları nedeniyle sabit manyetik alan doğrultusuna gelmeye başlayacaklar ve enerjilerini çevreye yayacaklardır. Relaksasyon düşey düzlemde oluşacak ve düşey eksende manyetizasyon artmaya başlayacaktır. çekirdeklerin %63'ünün eski orijinal pozisyonlarına dönerken enerjilerini elektromanyetik dalga olarak boşaltma zamanı dikey relaksasyon (Spin-Lattice relaksation) zamanı (T1) olarak adlandırılır (Grafik 3.6). Darbe Serileri: Tek sayıda nükleonu bulunan atomlardan yayılan elektromanyetik dalgalar (FID), üç parametrenin değişimine bağlı olarak bilgi verebilmektedir. Bunlar rezonansa giren çekirdeklerin yoğunluğu, T1 ve T2 zamanlarıdır. Ancak bu parametrelerin ölçülmesinde değişik teknikler kullanılmaktadır. Rf dalgaları (puls), manyetik rezonansı ölçülecek yapının özelliklerine göre, belirli seriler halinde gönderilir. Bu serilerde çekirdekleri 90 veya 180 derece saptıracak Rf darbeleri kullanılır. Elde edilmek istenen görüntünün özelliklerine bağlı olarak 128 veya 256 kez darbe serisi kullanılır. a) 90 0 Darbeler (Saturation Recovery-SR): Rf dalgaları, çekirdekleri 90 0 saptıracak darbeler şeklinde seçilir. Peş peşe Rf darbeler belirli aralıklarla gönderilir (Şekil 3.7). Darbeyi alan her çekirdeğin manyetik dipol momenti, yatay pozisyona geçer ve Rf in kesildiği aralarda FID sinyali yayarak başlangıç konumlarına dönmeye (Recovery) başlar. Grafik 3.6: Dikey manyetik dipol momentin zamanla değişimi (Spin lattice relaksation T1) Grafik 3.7: 90 0 Rf darbelerinin tekrarlanması Sıvılarda moleküllerin hareket etmesi kolay olduğundan T1 zamanı küçük, katı dokularda ise büyüktür. T2 (yatay) (Spin-Spin relaksation): Yine sabit ve güçlü bir dış manyetik alanda, rf dalgası ile zorlanmış ve 90 derece saptırılmış çekirdekleri ele alalım. Ancak bu defa moleküller sıvılarda olduğu gibi gevşek değil sıkı bağlı olsunlar. Bu durumdaki bazı atomlar enerjilerini önce elektromanyetik dalga olarak çevreye yayamadan, hemen yakınlarında bulunan bir başka atoma aktarırlar. Burada relaksasyon yatay düzlemde oluşur. Kısa bir süre sonra çekirdeklerin tek tek manyetizasyonları farklı doğrultularda olacaktır. Bu durumda çekirdeklerin tek tek manyetizasyonları sıfıra ulaşmadan bu dağınık manyetizasyonların vektörel toplamı sıfıra ulaşacaktır. Tüm canlı yapılarda tahmin edilebileceği gibi T2 zamanı T1 zamanından daha kısadır. Ancak bunun pato-fizyolojik önemi henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Ayrıca katı ve yumuşak dokularda T2, sıvı ortamlarda T1 daha önemlidir. Bu dönüş zamanları, T1 zamanı hakkında bilgi verir. Her peş peşe gelen darbe ile sistem denge ve doyuma ulaşır (Saturation). Değişik T1 zamanı olan çekirdeklerin manyetizasyonları (manyetik alan dipol momentinin) farklı olacaktır. Kısa T1 zamanı olan çekirdekler uzun olanına göre daha çabuk dengeye ulaşmaktadır. Birbirine yakın konumda ve farklı T1 zamanları olan biyolojik dokular (yumuşak doku ve sıvı gibi) bu nedenle birbirinden farklı sinyaller verecektir (Grafik 3.8).

13 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ M z M 0 KısaT1 Uzun T1 t Grafik 3.8: Uzun ve kısa T1 zamanı olan dokuların dikey manyetizasyonları Darbelerin tekrarlama aralıkları kısaltılarak, yumuşak dokular ve bunları çevreleyen sıvı yapılar arasındaki kontrast arttırır, daha iyi görüntü netliği sağlanabilir. b) ve 90 0 darbeler (invesion recovery IR): Bu teknikte önce sonra 90 0 derecelik darbeler, belirli aralıklarla dokuya gönderilir (Grafik3.9). Grafik 3.10: Uzun ve kısa T1 zamanı olan dokuların dikey manyetizasyonları Darbeler arasındaki zamanlar değiştirilerek SR tekniğinden daha hassas kontrast farklılıkları ve daha net görüntüler alınabilir. c) 90 0 ve darbeler (Spin-Echo SE) Dış ve güçlü manyetik alan yönünde dizilmiş çekirdeklere, önce 90 0 Rf dalgası gönderildiğinde yatay pozisyona geçerler. Molekülleri sıkı bağlı çekirdekler birbirleri ile enerji alış verişi yaptıkları zaman, daha dış manyetik alan doğrultusuna dönemeden manyetizasyonları farklı yönlere döner. Toplam manyetizasyon hızla sıfıra ulaşır. Ancak çekirdekler yinede yatay pozisyondadırlar ve tek tek manyetizasyonları sıfır değildir. Bu durumdaki çekirdeklere derecelik darbe uygulandığında bu defa çekirdekler yatay pozisyonda, ancak bulundukları yön tam tersine doğru yönlenirler (Grafik 3.11). Grafik 3.9: ve 90 0 Rf darbelerinin tekrarlanması Đlk darbe ile çekirdekler sabit dış manyetik alanın tam ters pozisyonuna (Inversion) FID sinyali yayarak dönerler. Çekirdeklerin manyetizasyonu sabit manyetik alan doğrultusuna dönerken (Recovery) 90 derecelik bir darbe daha gönderilir. Bu defa yatay pozisyona itilen çekirdekler yine FID sinyali yayarlar. Manyetizayonun ve T1 sürelerinin ölçümü ile çekirdeklerin konumları hakkında bilgi toplanır. Bu sinyaller, kısa ve uzun T1 zamanı olan çekirdeklerde yine farklı olacaktır (Grafik 3.10). Grafik 3.11: Rf darbelerinin 90 0 ve aralıklarla tekrarlanması

14 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Burada lik darbeden sonra birbirleri ile etkileşen çekirdeklerin spinlerinin bir yankısı (Echo) alabiliriz. Peş peşe gelen her 90 0 ve darbe serileriyle, T2 zamanları ve gittikçe denge durumuna yaklaşan manyetizasyonların yankıları hakkında bilgi alınabilir (Grafik 3.12). Şekil 3.10: Sabit manyetik alanın ve sabit manyetik alan ile birlikte gradyent manyetik alanın uzaysal dağılımı Grafik 3.12: Spin eko darbe serisi. Katı yapılarda sıkı bağı yumuşak dokularda olduğu gibi çekirdeklerin özellikleri (T2) bu yöntemle belirlenebilir ve yumuşak dokularla sınırları arasıda kontrast farkları ortaya çıkartılabilir. Görüntü Eldesi: Şimdi, taranacak hacim içindeki sabit manyetik alan değeri, her kesitte farklı şiddette olmaktadır. Uygulanan Rf dalgası hangi kesitteki manyetik alan değerine uygunsa o kesitteki protonlar rezonansa gireceklerdir. Dolayısıyla o kesitteki protonlar manyetik alan yönünden sapacak ve FID yayacaklardır. Doğrusal değişim gösteren bu ek manyetik alan bobinleri gradyent bobinleri olarak adlandırılmaktadır. Her üç boyuta birer adet gradyent bobini konarak, istenen her açıda iki veya üç boyutlu görüntü alınabilme olanağı sağlamaktadır. Sinyallerin Değerlendirilmesi: Şimdi katı bir yapı içine gömülmüş farklı şekillerde su bulunan bir cisim alalım (Şekil 3.11). Sabit manyetik alanda dizilmiş çekirdeklere Larmor frekansında Rf dalgası gönderildiğinde belirli bir hacim içindeki tüm protonlar aynı FID sinyalini gönderirler. Eğer yalnızca belirli bir kesit altındaki protonların titreşmelerini istersek bu kesit içindeki çekirdekleri diğerlerinden farklı bir manyetik alan içine koymamız gerekecektir. Bu tarzda kesit görüntü alma sorununu 1973 de Lauterbur yeni bir teknikle çözmüştür. Kartezyen (dik x-y-z) koordinat sistemine göre bir doğrultuda sabit manyetik alana ek olarak ancak uzaklıkla düzgün azalan bir manyetik alan daha uygulanır (Şekil 3.10). Şekil 3.11: Katı yapı içindeki iki su blokundan alınan sinyaller. Gradyent manyetik alanın olmadığı zaman su örnekleri tek frekansta FID yayacaklardır. Gradyent alanın olduğu durumda ise, iki su örneği farklı şiddetlerde Rf dalgasına cevap verecek, dolayısıyla farklı sinyallerde FID

15 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ yayacaklardır. Đki cisimden gelen, farklı frekanstaki sinyallerin karışımı bir arada detekte edilecektir (Grafik 3.13). Grafik 3.13: Gradyent manyetik alan yokken ve varken FID sinyalleri. Đki hatta üç boyutlu anatomik çok net görüntü elde edilebilmektedir. Hareketli organların (kalp ve akciğer gibi) görüntüleri alınmaya başlanmıştır. Hidrojen çekirdeklerinin dışında sodyum, fosfor oksijen gibi diğer tek sayıda nükleonu bulunan atomların FID sinyalleri bugün için zayıf kalmaktadır. Ancak bunların ayırt edilmesi için çalışmalar yapılmaktadır. Böylece organizmadaki metabolik olaylar hakkında bilgi toplanabilmesi mümkün olabilecektir. Daha hızlı ve daha ince kesitlerden görüntü alınabilmesi için yoğun çabalar harcanmaktadır. Organizmada çok fazla miktarda su ve dolayısıyla hidrojen çekirdeği yani proton oluşundan dolayı MR yumuşak dokuları çok iyi ayırt edebilir. Girişim yapmış farklı frekanstaki sinyaller Fourier analizi ile ayrıştırılabilir (Grafik 3.14). Grafik 3.14: Gradyent manyetik alan yokken ve varken FID sinyallerinin Fourier transformları. Uzaysal dağılım gösteren değişik frekansların analizi, bilgisayarlar yardımı ile matematiksel olarak, Fourier transformu sonucu çözümlenip görüntüye çevrilir. Sonuç: MRI tekniği 1970'lerden bu yana gelişmektedir. Daha da gelişme göstereceği beklenmektedir. Ancak onunda avantajları olduğu gibi zayıf yönleri vardır. Bunları genel olarak sıralarsak; 1) Hastanın pozisyonu değiştirilmeden üç boyutta görüntü alınabilir. 2) Yumuşak dokular birbirinden çok iyi ayırt edilebilir. 3) Zararlı ışın kullanmaz. 4) Kemiğe yakın yapıları çok iyi ayırt edebilir. 5) Verileri değişik oranlarda karıştırarak değişik görüntüler elde edebilir. 6) Kemik ve kalsifikasyonları ve taze kanı o kadar iyi seçemez. 7) Yorumlanması verilerin farklı oranlarda değerlendirilmesi yüzünden zordur. Uzman gerektirir. 8) Hastanın uzun süren inceleme süresince hiç hareket etmemesi gerektiğinden, bilincini yitirmiş hastalarda çok zordur. Ancak son yıllarda daha hızlı görüntü alan sistemlerle bu sorun neredeyse aşılmıştır. 9) Vücut içinde manyetik alandan etkilenebilen metal protez veya cisim olan hastalarda manyetik alan uygulanması mümkün değildir. 10) Hareketli alanlarda (kalp gibi) görüntü almak zordur. 11) Pahalı ve kısmen zahmetlidir. Uzman ekipman gerektirir. 12) Biyolojik ve biyokimyasal izleyiciliği bugün için zayıftır.

16 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ ) TEK FOTON IŞIMASININ BILGISAYARLI TOMOGRAFISI (Single Photon Emission Computerized Tomography - SPECT) Genel Yapısı: Đster doğal olsun, ister yapay olarak üretilmiş olsun, her radyoaktif element alfa, beta, gama ışımaları gibi iyonizan ışıma yapabilir. Bu ışımaların canlı hücreler üzerine zararlı etkilerinin bilinmektedir. Buna rağmen bu radyoaktif elementler kontrollü olarak teşhis ve tedavide kullanılmaktadır. Tedavi amacıyla, istenmeyen doku ya da hücrelerin yok edilmesi için bazı radyoaktif elementler kullanılabilir. Teşhis için ise nispeten zayıf radyoaktif elementlerin yaydığı ışımaların ölçülmesi amaçlanır. Vücut içinden dışa alınan her türlü sinyal, iç yapılar hakkında bir bilgi verdiğinden, vücuda gönderilen radyoaktif elementin içeriden yaydığı ışımaların dışarıdan ölçülmesi bu görüntülemenin esasını oluşturmaktadır. Basit sintigrafik ölçümlerde, uygun bir radyoaktif element yine uygun bir moleküle bağlanır. Böylece hazırlanmış olan radyofarmasötik damar yolundan vücuda verilir. Yeterli bir süre beklendikten sonra, radyoaktif elementin bağlanmış olduğu molekül vücutta kendisine özgü kritik organda toplanır ve bu organdan ışıma yapar. Örneğin; tiroidin işlevini görüntüleyebilmek için tiroitte metabolize olan iyot kullanılır. Radyoaktif I 131 damar yolundan verilince tiroitte yoğun şekilde toplanır ve buradan ışıma yapar. Boyun hizasına, tiroit önüne konan bir radyoaktif sayıcı, tiroitteki ışımaları sayarak haritalandırılır. Işımanın zayıf veya şiddetli olduğu bölgeler belirlenerek sağlıklı veya patolojik yapıların yerleri belirlenir. Bu sistem basit sintigrafik ölçümdür. Bu sistem bir kademe geliştirilerek, bilgisayarlı tomografide olduğu gibi, çok sayıda detektör vücut etrafında döndürülerek vücuttan gelen radyoaktif sinyaller elde edilir. Bu sinyaller bilgisayarda birleştirilerek organın değişik kesitlerinin görüntüsü ekrana çizdirilir. Böylece SPECT elde edilir. Bu kavram tek foton ışıması yapan radyoaktif elementlerin ışımalarının bilgisayarlı tomografisi sözcüklerinin Đngilizce karşılığının baş harflerinden ortaya çıkmıştır. frekansında bir foton çıkartır. Çıkan ışık fotonu bir metal yüzeye elektrik alanda çekilip hızlandırılarak çarptırılır. Buraya çarpan elektron ise foto elektrik etki ile metal yüzeyinden elektron kopmasına neden olur. Elektron kopartılan metal yüzeyin karşısına konan ikinci bir metal yüzeye doğru ikinci elektrik alanda hızlandırılan elektron yeterli enerji kazandırılarak bu defa birden fazla elektron kopartır. Yine bu elektronlar üçüncü metal yüzeye elektrik alanda hızlandırılarak çarptırılıp her bir elektronun birkaç elektron kopartması sağlanır. Bu işlem defalarca tekrarlanarak her seferinde daha fazla elektron kopartılarak bir elektron yığını oluşturulur. Yani, başlangıçta gama ışını kristalden ışık fotonu kopartır, ışık fotonu ilk metal yüzeyinden fotoelektrik etki ile bir elektron kopartır, bu elektron 2. metalden birden fazla elektron kopartır, her elektron 3. metalden birden fazla elektron kopartır, 4., 5. ve diğer metal yüzeylerden (dinodlar) artan sayıda elektronlar kopartılarak bir elektron çığı oluşturulur. Sonuçta gama ışını kristale çarpınca fototüp çıkışından bir elektron akımcığı, yanı bir puls elde edilir. Elde edilen elektriksel pulslar sayılarak radyoaktif kaynaktan kaç gama ışınının geldiği anlaşılmış olur (Şekil 1.1). Sintilasyon sayıcılarında olduğu gibi görüntülenecek organın vücut dışında, yüzeyine yakın bu kez tek fototüp değil çok sayıda fototüp (çoğu zaman 64 adet) yan yana dizilir (Şekil 1.2). Her fototüplerin önüne saçılmış gama ışınlarının girmemesi için kolimatörler konur. Yalnızca dik yönde gelen gama ışınları fototüplerde elektrik sinyallerine çevrilir. Her sinyal bilgisayara kaydedilir. Yeterli süre sinyal kaydedildikten sonra fototüpün bulunduğu blok vücut etrafında dar bir açı kadar çevrilir ve sinyaller tekrar kaydedilir. Bu çevirme işlemi, örneğin 45 er derecelik açılarla tüm vücut etrafında 360 derece tamamlanıncaya kadar devam edilir. Elde edilen bilgisayar kayıtlarından organın değişik kesitlerdeki görüntüleri ekrana veya fotoğraf plağına aktarılır. Gelecekte tekrar kullanmak üzere dijital olarak saklanır. Sinyallerin Yakalanması ve Değerlendirilmesi: SPECT de sinyallerin toplanması için foton çoğaltıcı tüpler (Photon Multiplier Tubes-PMT) kullanılır. Radyoaktif elementten çıkan yüksek enerjili fotonlar Tl ile zenginleştirilmiş NaI kristaline çarptığında buradan bir görünür ışık

17 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Şekil 4.2: 64 adet fototüpün yan yana dizildiği sinyal toplayıcı sistem. Özellikleri: SPECT değişik organlar için değişik radyoaktif maddeler kullanılarak yapılabilir. Anatomik görüntüsü çok önemli olmasa da biyokimyasal izleyiciliği, fizyolojik ve patolojik yapıların ayırt edilmesi açısından tercih edilmektedir. Sistemin işleyişinde en önemli olumsuz durum radyoaktif maddelerin kullanılmasıdır. Radyoaktif maddelerin iyonizan etkisi nedeniyle hastalar ve sistemi kullanan kişilerde dikkatli olunması gereklidir. Bu radyoaktif maddelerin elde edilmesi, radyofarmasötiklerin hazırlanması zahmetli ve pahalıdır. Ayrıca atık maddelerin yine radyoaktif olması sorun oluşturmaktadır. Tümüyle sistemin kuruluşu, işleyişi ve atıkların yok edilmesi zahmetli, pahalıdır ve uzman ekip gerektirir. 5) POZĐTRON EMĐSYON TOMOGRAFĐSĐ (PET) Genel Yapısı: Şekil 4.1: Fototüplerin şematik yapıları ve değişik fototüplerin resimleri. Günümüzde bildiğimiz PET prensiplerinin temeli Phelps, Hoffman ve arkadaşlarının 1974 lerin sonlarında insan çalışmaları için 48 NaI(Tl) detektörden oluşan altıgen (hekzagonal) PET III'ü geliştirmeleri ile başlar. Bu görüntüleme sisteminde kısa yarılanma süresi olan ve pozitron ışıması yapan radyoaktif elementler kullanılmaktadır. Bunlarla yapılmış radyofarmasötiklerle SPECT dekine benzer şekilde damar yolundan verilerek radyoaktif elementlerin yaptığı ışımalar yarıiletken detektörlerle saptanarak bilgisayarlarda değerlendirilmekte ve görüntüye çevrilmektedir. Đlk zamanlar yalnızca iki adet Anger tipi kameranın vücut etrafında 180 derece döndürülüp ışımaları

18 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ yakalayarak çalışan bu sistem, daha sonra iki ay şeklinde dizilmiş yarıiletken detektörler, altıgen şeklinde dizilmiş ve son olarak tam daire şeklinde dizili detektörlerle çalışacak tarzda işlemektedir. Son zamanlarda bilgisayarlı tomografi (BT) ile birleştirilerek özellikle metastazların belirlenmesinde çok yararlı hale gelmiştir. Çekirdeklerinde proton ( 1 p -1 ) fazlası veya nötron ( 1 n 0 ) eksikliği olan elementler dengesiz haldedir. Bu dengesizliği gidermek için, element bir protonunu nötrona dönüştürür. Ancak bu durumda, çekirdekte kütle dengesinin korumasına rağmen, bir (+) elektrik yükü fazlalığı ortaya çıkar. Bunu ortadan kaldırmak için element çekirdekten bir pozitron (β +1 ) atarak elektriksel dengeyi de sağlar. Ayrıca enerji dengesi için bir adet nötrino (ν) dışarı atılır. 1n 0 1p -1 + β +1 + ν Çekirdekteki nötron protona dönüştükten sonra dışarı atılan nötrino uzaklaşır. Ancak pozitron madde değil, antimadde parçacığı olduğundan, çevresinde bulunan madde parçacığı olan bir elektronla (e -1 )birleşerek enerjiye dönüşür (Annihilasyon-yok olma). β +1 + e -1 γ + γ Açığa çıkan enerji kütle enerji eşdeğerliğine göre 511 kev enerjili bir çift gama (γ) ışıması (yüksek enerjili yüksek frekanslı elektromanyetik yapıda foton) olur. Kütle, momentum, elektrik yükü ve enerji korunumu açısından tam denge oluşması için bu çift gama ışını tam zıt yönlü hareket ederler. Elektron ve pozitron çifti başlangıçta sıfır momentuma sahip olduğundan iki gama ışını 180 derece açı ile ters yönlere doğru giderler. Bu iki foton zıt yönlerde konan detektörlerle neredeyse aynı anda (nano saniyeler seviyesinde) yakalandığında radyoaktif elementin bulunduğu yer hakkında bilgi elde edilmiş olur. Đki fotonun hareket doğrultusuna yanıtın doğrultusu (Line Of Responce-LOR) denir. açısından avantajlıdır ancak üretilmeleri için özel tesisler gereklidir (Tablo 5.1). Başlangıçta nükleer santrallerde elde edildiğinden çok pahalıya mal olmaktaydı. Ya nükleer tıp merkezi bulunan hastaneler nükleer santral yanında, ya da nükleer santrallere yakın hastaneler bulunması gerekirdi. Ancak son zamanlarda küçük çaplı hızlandırıcılar ile daha uygun koşullar ve fiyatlarla üretilmeleri mümkün olmaktadır ve elde edilen radyoaktif maddeler hastanelerin nükleer tıp merkezlerine saatler içinde taşınabilir hale gelmiştir. Bunlardan florun 2 saate yakın yarı ömrü olması nedeniyle diğerlerine göre avantajlıdır. Tablo 5.1: PET'de kullanılan radyoaktif elementler ve yarılanma süreleri. Element Oksijen 15 Azot 13 Flor 18 Karbon 11 Yarı ömür 124 saniye 9,97 dakika 110 dakika 20,3 dakika Glikoz tümörlerde diğer normal dokulara göre daha yoğun şekilde harcanmaktadır. Glikoza bağlı flor ile elde edilen radyofarmasötik, metastazların görüntülenmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Damar yolundan verilen radyofarmasötik, tümör dokularda harcanırken yapısındaki radyoaktif flor pozitron ışıması yapar. Elektronla birleşen pozitronun bir çift gama ışımasına dönüşmesiyle PET deki detektörler çıkan çift gama ışımalarını yakalayarak ışımanın doğrultularını (LOR) elde eder. Bu sayede organizmadaki tümör odaklarının yerleri dışarıdan belirlenmiş olur. Bu gün sıklıkla ikincil tümör odaklarının belirlenmesinde kullanılan bu sistem daha bir çok başka amaçla da kullanılmaktadır (Tablo 5.b). Uygulama Alanları: PET de kullanılan radyoaktif elementler organik yapıda bulunan oksijen ( 15 O), azot ( 13 N), flor ( 18 F), karbon ( 11 C) gibi atomlardır ve yapay olarak hızlandırıcılarda üretilir. Bunların yarı ömürlerinin kısa olmaları, verdikleri zarar

19 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Tablo 5.2: PET'de kullanılan radyofarmasötikler ve kullanma alanları. Radyoaktif element Radyofarmasötik Kullanma alanı 18 F Fluoro Deoxy Glucose (FDG) Glikoz metabolizması, tümör ve metastaz belirlenmesi. Toplam PET uygulamalarının yaklaşık % 90 ı. 15 O O 2 SSS oksijen kullanımı ve metabolizma 15 O CO SSS kan hacmi, kalp kan hacmi 15 O H 2O SSS kan akımı, kalp kan akımı 13 N NH 3 Kalp kan akımı 11 C n-butanol SSS kan akımı 11 C palmitate Kalp metabolizması 11 C acetate Kalp metabolizması 11 C glucose SSS glikoz metabolizması 11 C N Dopamin reseptör bağlanması 18 F spiperone Dopamin reseptör bağlanması Şekil 5.1: PET'de kullanılan yarıiletken kristal ve fototüpün yapısı. Tasarımı: PET'in işleyişinde temel prensip çift ışımanın doğrultusunun (LOR) belirlenmesi ve bilgisayarda değerlendirmesi esasına dayanır. Bunun için önce ışımaların yakalanması gerekir. Işımalar yüksek frekanslı fotonlar olduğundan, sintilasyon sayıcılarında olduğu gibi fototüpler kullanılır. Ancak son yıllarda sintilasyon sayıcılarında olduğu gibi fototüplerde NaI(Tl) yerine Si, Ge, CdTe, HgI, CdZnTe, GaAs, CdSe, InP, Bi2Se3, AlSb gibi yarı iletkenlerden yararlanılır. Bunlar her fototüpe bir kristal değil dört fototüpe bir kristal gelecek şekilde yerleştirilir. Ayrıca bu kristal 8X8 ağ şeklinde çizilerek 64 adet kristal şeklinde şekillendirir (Şekil 2.1). Kristaller ve fototüplerden oluşturulan çok sayıda radyasyon sayıcısı halka şeklinde dizilir (Şekil 2.2). Bunların elde edeceği sinyaller bilgisayar sistemine aktarılarak 3 boyutlu görüntüye çevrilir (Şekil 2.3). Şekil 5.2: Çok sayıda sayıcının halka şeklinde dizilmesi ile oluşturulan PET. Şekil 5.3: Siemens Biograph- 6 model HI-RES, PET-CT 144 adet blok kristalin 13x13 parçaya bölünmesi ile elde edilen adet LSO kristalden oluşmaktadır.

20 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Sinyallerin Yakalanması ve Değerlendirilmesi: Radyofarmasötik damar yolundan vücuda verilip yeterli bir süre beklenir. Bu sürede istenen dokuda toplanan maddeye bağlı radyoaktif elementten çıkan pozitronlar, elektron ile birleşerek çift foton ışıması yapar. Halka şeklinde dizilmiş detektörlerden bir çifti bu fotonları yakalayarak ışının hangi doğrultudan (LOR) geldiğini belirler (Şekil 5.4). 2. Ayrıca Compton saçılmalarına bağlı enerji seviyelerinde farklılıkları gidermek gelen fotonların 511 kev enerjinin çevresinde kev'luk dilimde bir pencerede değerlendirilir. 3. Gelen sinyaller gerçek foton çifti yerine (gerçek çakışma) aynı zaman diliminde farklı radyoaktif elementlerden gelen fotonların iki detektöre çarpmasından oluşabilir (istenmeyen, görüntü kalitesini bozan olaylar) çakışmalar. Bunların oluşturacağı LOR değerleri yanılgılara neden olabilir. Bunlarında çıkartılması gerekir. Đstenmeyen ve görüntü kalitesini bozan olaylar, a) Tekli Çakışma (Single Coincidence) (Şekil 5.5). b) Rastlantısal Çakışma (Random Coincidence) (Şekil 5.6). c) Çoklu Çakışma (Multiple Coincidence) (Şekil 5.7). 5.8). d) Saçılmış Çakışma (Scatter Coincidence) şeklinde ortaya çıkar (Şekil e) Gerçek olmayan LOR Şekil 5.4. Pozitron, elektron çiftinin yok olması (annihilasyon) ile ortaya çıkan zıt yönlü çift foton detektörlerin bir çifti tarafından aynı zaman aralığında yakalandığında, oluşan bu sinyaller bilgisayar tarafından yanıtın doğrultusu (LOR) olarak değerlendirilir. Sinyallerin değerlendirilmesi ve görüntüye çevrilmesinde bazı engeller oluşabilir. Şekil 5.5. Tekli çakışma, iki yok olma foton çiftinden birer tanesinin dokuda tutulması, yalnızca diğer ikisinin detektörler tarafından algılanmasına bağlı LOR'un yanlış değerlendirilmesinden ortaya çıkar. 1. Bunlardan biri bu çift sinyalin aynı zaman diliminde (8-12 ns) yakalanmamasıdır. Eğer tek sinyal veya aynı zaman diliminin dışında gelen sinyaller olursa bunlar değerlendirilmez.

21 GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMLERĐ Şekil 5.6: Rastlantısal çakışma, iki yok olma olayı aynı zaman diliminde oluşmasında görülür. Dört fotondan ikisi, detektörlerden tarafından aynı zaman aralığında yakalanır, diğer ikisi çok kısa zaman sonra geldiğinden yanlış gibi algılanır. Şekil 5.8: Saçılmadan kaynaklanan çakışma, bir yok olma olayında oluşan fotonlardan birinin hasta içinde Compton saçılmasına uğraması ile ortaya çıkar. Đki fotondan birinin gitmesi gereken detektör yerine başka bir detektöre yönelmesi ile sistem yanlış bir LOR oluşturmaktadır. Görüntüde yanlış sayımlara neden olur. PET/BT (PET/CT) Şekil 5.7: Çoklu çakışma, rastlantısal çakışmaya benzer. Đki yok olma olayında bir çift fotondan yalnızca biri biraz geciktiğinde ortaya çıkar. Farklılığı, çakışmanın zaman penceresinde iki yok olma olayından 3 tane fotonun detekte edilmesidir. Hangi iki fotonun aynı yok olma olayından kaynaklandığı ayırt edilemediği için bu olaylar ret edilir. PET in yukarıda sayılan hataları görüntüde bozulmalara neden olmaktadır. Ayrıca yalnızca radyoaktif maddeleri görüntülediğinden anatomik yapıları net gösterememektedir. Metabolik izleyiciliğinin çok iyi olması nedeniyle önemi büyüktür ancak anatomik izleyiciliği iyi değildir. Bu nedenle son yıllarda PET sisteminin bilgisayarı ile birlikte çalışan Bilgisayarlı Tomografi (BT) (Computed Tomography-CT) cihazı birlikte üretilmektedir. Böylece metabolik olguların yeri BT nin anatomik görüntüsü üzerine bilgisayarda işlenerek net olarak görülebilir hale getirilmektedir. Örneğin bir tümörün hem büyüklüğü hem de hangi organın neresinde olduğu görüntülenebilmektedir (Şekil 5.9), (Şekil 5.10). PET'in BT ile birleştirilmesinin önemli bir özelliği de PET'deki zayıflamaların düzeltmesidir (Attenuation Correction).