MERSİN ÜNİVERSİTESİ FEN-EDEBİYAT FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ FİZİK ve TEKNOLOJİK GELİŞMELER DERSİ KONU MANYETİK REZONANS GÖRÜNTÜLEME MR CIHAZI SPİN KAVRAMI ve SÜPER İLETKENLER MEHMET FEVZİ BALIKÇI 07102007
Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) Elektrik ve manyetizm konusunda bilimsel çalışmalar 18.yüzyılın sonlarına doğru başladı. Bu alanda çalışmalar yapan önemli ilk isimler:amphere, Bohr, Coulomb, Curie, Faraday, Gauss, Hertz ve Tesla dır. İlk defa 1939 yılında Dr. İsador Rabi ve arkadaşları MRG yi gözlediler. Türkiye de ilk defa 1989 yılında İzmir de Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesinde kullanılmaya başlanmıştır. MRG NİN ÖZELLİKLERİ Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG), canlıların iç yapısını görüntüleme amacıyla daha çok tıpta kullanılan bir yöntemdir. Dokudaki hidrojen atomlarının yoğunluklarına ve hareketlerine göre görüntü oluşturur. MR da radyasyon kullanılmaz, onun yerine manyetik alanla vücuttaki hidrojen atomlarının çekirdeklerindeki proton uyarılır. MR cihazında dünyanın manyetik alan gücünün yaklaşık 20 bin katı bir manyetik alan kullanılır. MR cihazları 0.2 Tesla ile 3 Tesla arasında manyetik alan gücüne sahip cihazlardan oluşmaktadır. MR görüntülemenin, canlı organizma üzerinde şu ana kadar kanıtlanmış herhangi bir zararı yoktur. Çünkü MR; manyetik kuvvet ve radyo dalgaları yardımıyla vücut doku ve organlarını görüntüleyen bir yöntemdir.
MRG İN YAPISI Bir MR cihazının en önemli parçası sabit (dış) manyetik alanı oluşturan mıknatısıdır.manyetik güç birimi Tesla yada gauss ile ifade edilir.(tesla=10000 gauss) MRG cihazındaki mıknatısın gücü görüntü netliğini, elde olunan bilgi oranını ve inceleme süresini doğrudan etkilemektedir. MR incelemesi gerekli güvenlik önlemleri alındığı taktirde hastaya herhangi bir risk oluşturmaz. MR CİHAZININ BİLEŞENLERİ Manyetik rezonans cihazını incelediğimizde cihazın 3 ana kısımdan oluştuğunu görürüz. Bu kısımlar; 1. Magnet 2. Kabinetler 3. Görüntü İşlem ve Operatör Bilgisayarları. Magnetler amaç düzgün ve görüntü alabilecek bir sabit manyetik alan yaratmaktır. Oluşturulan bu manyetik alanın içerisine hasta sokulur ve görüntü alımı için RF sinyalleri uygulanır. Magnet MR cihazının en önemli bileşenidir. Manyetik alanın en kolay yaratılabileceği yöntem mıknatıslardır. Kabinetler, görüntü bilgisayarı ile magnet veri akışı için arayüzü oluşturur. Kabinetlerde, MR cihazına güç sağlayan kaynaklar ve onların kontrol kartları, RF kartları ve beslemeleri bulunur.
Görüntü İşlem ve Operatör Bilgisayarları MR cihazının ürettiği verileri görünür ve elle tutulur hale getiren parçalardır. Bu bilgisayarlar bir tür sinyal işleyicisi olarak çalışır ve gelen bu sinyalleri yorumlar. Yukarıda magnetin merkezden uzaklaştıkça azalan manyetik alan güçleri görülmektedir. Magnet çevresinde olan ve magnetten uzaklaştıkça azalan manyetik güç bizim için iki nedenle önemlidir. 1. Magnetin etki alanında bulunan pek çok cihaz bundan etkilenmektedir. 2. Çevrede bulunan pek çok cihaz da MR sisteminin çalışmasını etkileyebilmektedir. Örneğin 3 Gauss luk etki sınırında olan asansör, MR sistemini etkileyebilmektedir. MR CİHAZININ ÇALIŞMA PRENSİBİ İnsan vucudunun %55-60 kadarı sudur. Suyun içindeki hidrojen molekülündeki (H 2 ) iki hidrojen atomunun her birinde bir proton birde elektron bulunduğuna göre insan vucudunda çok sayıda proton vardır ve bir o kadar da elektron vardır. Biz sadece protonlarla ilgileneceğiz. Çünkü MRG protonların titreşimi üzerine kuruludur. Protonlar, yani H+ iyonları normal ortamlarda kendi eksenlerinde spin (titreşim) hareketi yaparlar. Protonların manyetik dipol momentleri dışarıdan uygulanan manyetik alan nedeniyle MRG de her proton farklı hızlarda döner. Yani her proton farklı bir frekansta presesyon hareketi yapar.
Yapılan bu presesyon hareketi MRG için farklı görüntü sinyalleri alınabilmesi için istenilen bir durumdur. MR ÇEKME Raylı bir masa ile tarama cihazının içine kaydırılır. Tarayıcı cihaz oldukça gürültülü çalışır, bu yüzden tetkik sırasında rahatsız olmamanız için kulaklarınıza kulaklık çalınarak müzik çalınır. Hastanın tamamıyle hareketsiz yatması görüntülerin berrak elde edilebilmesi acısından çok önemlidir. Ses dışında hasta inceleme esnasında herhangi bir şey hissetmez. Manyetik rezonans yani MR ın şimdiye kadar gözlemlenmiş herhangi bir zararı bulunmamaktadır. Buna gebeler de dahildir; ama yine de organ gelişiminin gerçekleştiği ilk üç ayda MR çekimi önerilmez. Metal etkileşimi olan, vücudunda mıknatıs ya da metal protez taşıyan, kalp pili kullananların MR cihazına girmeleri sakıncalı kabul edilir (hayati tehlike doğurabilir). Manyetik rezonans görüntüleme süresi, inceleme yapılan bölgeye göre 15 dk. ile 75 dk. arasında sürebilir.
MRG NİN KULLANIM ALANLARI Günümüzde MR özellikle yumuşak dokuları görüntülemede kullanılır. Merkezi sinir sistemi, Beyin ve omurilik hastalıklarının teşhisinde, Sporcu yaralanmalarında, Kas iskelet sistemi, özellikle menisküs, Bel fıtığı gibi rahatsızlıkların tespitinde sıkça kullanılmaktadır. SÜPERİLETKENLİK ve MR CİHAZI Süperiletkenlik, bazı elementlerin ve alaşımların belirli bir sıcaklık (kritik sıcaklık) altına soğutulduklarında akımı direnç göstermeksizin iletmesidir. Malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra yakın değerlerde olur. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulanmadan ve enerji kaybetmeden bir akım oluşturmak mümkün olabilmektedir. Süperiletkenlerin diğer bir özellikleri ise içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diyamanyetiklik özelliği göstererek dışarı itmeleridir. Diyamanyetiklik, ters manyetik yönelme olarak ifade edilebilir. Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir. İnsan vücudunun yaklaşık %70'nin su olduğu düşünülürse MR cihazının temel çalışma prensibi de işte bu durumdan yararlanma esasına dayanmaktadır. Maddenin süperiletken olması için çok ciddi derecede soğutulması gerekiyor. Nerdeyse mutlak sıfıra(-273) kadar soğutulmaya çalılşılıyor. Süperiletken için bildiğimiz soğutucular kullanılmıyor. Çünkü soğutucular o kadar soğutamıyor. Onun yerine sıvı azot, helyum ya da karbondioksit kullanılıyor.
Vakum tarafindan çevrelenen kriyojenler tarafindan çok düşük ısı değerleri elde edilerek süperkondüktiv tellerde direnç oluşması önlenmektedir. Süperkondüktiv magnetler ile diğer magnet tiplerinden daha güçlü manyetik alan elde edilebilmektedir. Ancak, bu magnetlerin de bazı önemli problemleri vardır; süperkondüktiv magnetlerin özelliği ancak sıvı helyum derecelerinde çalışabilmesidir. (-250 : -300 o C) Ancak bu sayede tellerden yüksek elektrik akımları geçirilerek yüksek Tesla değerleri elde edilir. MRG NİN TEMEL FİZİĞİ MRG nin fizik prensiplerini öğrenebilmek için öncelikli olarak atom çekirdeğinin temel yapısını bilmemiz gerekir. Atom çekirdeğinin temel yapısını,proton ve nötron adı verilen nükleonlar oluşturmaktadır. Proton ve nötronlar kendi eksenleri etrafında devamlı olarak bir dönüş hareketi göstermektedir.bu dönüş hareketine spin hareket adı verilmektedir. Bu dönüş hareketi sayesinde nükleonlar,çevrelerinde doğal bir manyetik alan yaratırlar. Sadece tek sayıda nükleonu bulunan çekirdeklerde doğal manyatizasyon yada bir başka deyişle manyetik dipol hareketi bulunmaktadır. Eğer çekirdekte çift nükleon birden varsa bunlar birbirlerinin spin hareketlerini yok ederler ve buna bağlı olarakta doğal manyetizasyon olmaz. İşte rezonans etkisini oluşturulmasında altta yatan temel kavram budur. Bu özelliğe sahip hidrojen,karbon,sodyum,ve fosfor atomları doğada bulunmaktadır.
Bunlardan hidrojen atomu tek bir protondan ibaret çekirdek yapısı ile en güçlü manyetik dipol hareketine sahip olması, su ve yağda daha yoğun olmak üzere biyolojik dokularda yaygın olarak bulunması nedenleri ile MRG de sinyal kaynağı olarak tercih edilmektedir. Çekirdeklerin dipolleri,güçlü bir manyetik alan içine yerleştirildiklerinde manyetik alana paralel ve antiparalel şekilde dizilirler. Manyetik alana paralel dizilim gösteren protonların sayısı,antiparalel dizilim gösterenlere göre biraz daha fazla olduğundan manyetik alana paralel net bir vektörel manyetizasyon ortaya çıkar. Protonlar manyetik alanda paralel ve antiparalel şekilde dizilirken; bir yandan kendi etraflarındaki spin hareketini sürdürür,bir yandanda içine yerleştirdikleri manyetik alanın gücü ile orantılı olarak değişen salınım hareketi gösterirler. Dış manyetik alan gücü ne kadar yüksekse protonların salınım hızı da o kadar oranda yüksek olacaktır. MRG MANTIĞI 1. Dışarıdan uygulanan manyetik alan süperiletken bobin sistemleri tarafından sağlanır. 2. MRG cıhazı hastanın görüntü alınacak bölgesine odaklanarak taranır. 3. Bu taramada her protonun dönme frekansı ile belirli bir sinyal alınır. 4. Her noktadan alınan sinyaller elektronik ve bilgisayar teknolojisinin yardımı ile görüntü oluşturacak şekilde ekrana aktarır.