Magneettikuvauksen suomenkielinen lyhenne on MK. MRI tulee taas englannin kielisestä sanoista Magnetic Resonance Imaging.
MK-laitteen toimintaperiaalte
Magneettikuvaus kuuluu lääketieteelliseen kuvantamismenetelmään, jonka toiminta perustuu ydinmagnaattiseen resonanssiin, NMR, englanniksi Nuclear Magnetic Resonance ja tässä menetelmässä mitataan vety-ytimen magneettikentässä emittoimaa radiotaajuista signaalia. Magneettikuvaus on yksi merkittävimmistä NMR-sovelluksista.
Ydinmagneettinen resonanssi on ilmiö, jossa magneettikentässä oleva atomin ydin absorptoi sekä emmittoi sähkömagneettista säteilyä siten, että säteilyn absorptointi ja emmittointi tapahtuu sillä taajuudella, joka riippuu atomien magneettisista ominaisuuksista ja siitä magneettikentästä jossa ne ovat.
Parhaimman tulokset saadaan runsaasti vetyä sisältävien kudosten kuvaamisessa, kuten rasvaa ja vettä sisältävät pehmytkudokset sekä luuydin. Eli kohossa olevat vetyatomit reagoivat laitteen magneettikentässä (1).
Resonanssi-ilmiön yhteydessä puhutaan myös resonanssiehdosta. Tämä tarkoittaa, että magneettikentässä olevaan atomiytimeen kohdistuu radiotaajuinen magneettikenttä, joka synnyttää resonanssi-ilmiön. Nämä ilmiöt ovat keskenään vuorovaikutuksessa, kun RF-kentän taajuuden ν ja ytimen kohdalla vaikuttavan magneettikentän voimakkuuden B0 välillä toteutuu ehto:
missä γ on atomiytimelle ominainen gyromagneettinen suhde.
Tavallisen vetyatomin ytimen gyromagneettinen suhde on γ = 2π 42,58 MHz/T eli yhden teslan ja magneettikentässä vedyn ydinmagneettinen resonanssitaajuus on noin 42,58 MHz, hieman riippuen vety-ytimen kemiallisesta ympäristöstä (2).
B0 voidaan tehdä kolmella menetelmällä; kestomagneetit, resistiiviset sähkömagneetit ja suprajohtavat sähkömagneetit (3).
Magneettikuvauslaite kaaviokuvana on esitettynä kuvassa 1
Kuva 1. magneettikuvauslaitteen kaaviokuva (3).
Kuvassa 2 on piirrettynä periaatteellinen rakenne ja B0-kentän suunnista.
Kuva 2. Magneettikuvauslaitteen periaatteellinen rakenne ja B0-kentän suunta (3).
Kuvassa magneettikentän kenttäviivat ovat suljettuja ympyröitä. Kenttäviivojen suunta kulkee etelänavalta (S) pohjoisnavalle (N) ja magneettivuon tiheys kuvaa sitä, kuinka paljon kenttäviivoja kulkee tietyn pinnan läpi, yksikkö on Tesla (T).
MK-laitteissa käytetään yleensä 0.2 - 3 T magneettikenttiä, mutta tutkimuskäytössä olevissa laitteissa magneettikenttä voi olla jopa 7 T. Staattisten magneettikenttien lisäksi MK-laitteissa syntyy RF- ja gradienttikenttiä. Gradienttikentät ovat suunnaltaan ja voimakkuudeltaan
nopeasti muuttuvia magneettikenttiä, joiden muutosnopeudet ovat tyypillisesti 1 - 3 T/s. RF-kenttää käytetään myös protonien virittämiseen ja käytetty taajuus riippuu MK-laitteen magneettikentän voimakkuudesta (4).
MK-laiteissa on RF-lähetin sekä RF-vastaanotin. RF-lähettimessä on taajuusgeneraattori, jonka taajuutta säädetään resonanssitaajuuden ympärillä ja resonanssitaajuinen signaali moduloidaan sinc-funktiolla. Moduloitu signaali viedään RF-tehovahvistimelle ja sieltä edelleen RF-lähetyskelalle (3). Sinc-funktio on paljon käytetty apufunktio signaalinkäsittelyssä (5).
RF-vastaanotin taas mittaa magnetoitumavektorin indusoimaa virtaa vastaanotinkelassa. Vastaanotettu RF-teho on kuitenkin vain noin yksi miljardisosa lähetystehosta. Vastaanotin- ja lähetinkelat voivat olla rakennettu samaan kelaan (pääkela) tai ne voivat olla erillisiä (pintakela).
Seuraavassa kuvassa 3 on esitettynä RF-vastaanottimen kaaviokuva.
Kuva 3. RF-vastaanottimen kaaviokuva (3).
Kuvassa 4 on MK-laitteen osista periaatekuva, kuinka ne sijoittuva ja miten potilas asetetaan laitteeseen kuvantamisen ajaksi.
Kuva 4. Mk laitteen periaatekuva (6).
Kuvassa 5 MK-laitteen toiminta ja osat ovat esitettynä lohkokaaviona.
Kuva 5. MK-laitteen osat ja toiminta ovat esitettynä lohkokaavioina (7). (An MRI block diagram (Courtesy of Texas Instruments))
Magneettikuvantamisen kuvanmuodostuksen periaate on melko monimutkainen ja tässä esityksessä siitä on vain pintapuolisesti. Lähteissä on enemmän tietoa laitteen toiminnasta.
Magneettikuvan laatuun vaikuttavat monet tekijät, kuten eri parametrit. Parametreja ovat kuva-alan tasaisuus, haamuartefaktit, signaalikohinasuhde ja sen tasaisuus kuva-alassa, geometrinen vääristymä, leikkeen paksuus, leiketason vääristymä, leikkeen sijainti, resoluutio, relaksaatioaikojen T1 ja T2 tarkkuus sekä kontrastikohinasuhteet (8).
Tässä lyhyesti vaiheita kuvan muodostuksesta.
- Leikkeenvalinta (Slice selection)
- Vaihekoodaus (Phase encoding)
- Luku (Readout)
- Näin valitaan 3-ulotteinen tilavuus, jossa kussakin tilavuusalkiossa eli vokselissa spinit pyörivät eri taajuuksilla (9).
Magneettikuvauksen vahvuudet ja ongelmat
Magneettikuvauksen vahvuuksia
- laitteet ovat herkkiä virtauksille, kuten verenkierto erottuu erinomaisesti
- kuvaustaso on säädettävissä elektronisesti
- laite ei synnytä ionisoivaa säteilyä
- pehmytkudoksien, kuten aivot, kuvaaminen erittäin hyvätasoista kuvien korkean resoluutiotason vuoksi.
Magneettikuvauksen ongelmia
- ennen kuvausta on selvitettävä potilaan kehossa olevat ferromagneettiset metallinkappaleet tai istutteet
- lähes kaikkien nykyisin käytössä olevien istutteiden kanssa voidaan kuitenkin mennä magneettikuvaukseen
- kuvausta ei saa tehdä potilaalle, jolla on sydämentahdistin tai defibrillaattori, koska tällaisten implanttien toiminta voi häiriintyä magneettikentän vaikutuksesta
- laitteen jäähdyttämiseen käytetään nestemäistä heliumia. Kun työskennellään nestemäisen heliumin läheisyydessä, työskentelyalueen tulisi olla hyvin ilmastoitu, koska heliumin hengittäminen voi aiheuttaa nopean tukehtumisen (10)
Magneettikuvauslaitteen jäähdyttämisessä käytetään heliumkaasua, jota on magneetissa nestemäisenä noin 1000 litraa. Helium laajenee kaasuuntuessaan 700 kertaiseksi ja syrjäyttää hapen nopeasto, minkä johdosta voi aiheutua tukehtumisvaara. Kaasuuntuessaan helium myös jäähdyttää voimakkaasti huoneen ilmaa ja saattaa synnyttää nestemäistä happea, joka on herkästi syttyvää. Magneettikuvaus huoneessa on oltava happianturi, joka hälyttää, mikäli happitaso pienenee liiaksi (11).
2001 on kirjattu FDA:n sivuilla, kun kuusi vuotias poika kuoli, kun happisäiliö työntyi rummun sisään tutkimuksen aikana. Tämän jälkeen on riskitekijöitä pyritty samaan minimoitua sekä kiinnitetty erityistä huomiota turvallisuuteen laitteita suunniteltaessa. On julkaistu erilaisia turvallisuusohjeita ja standardeja, joissa neuvotaan miten laite tulisi suunnitella ja sijoittaa, jotta käytöstä ei koidu vaarallisia tilanteita (12).
Magneettikuvauslaitteen sijoituksessa huomioon otettavat asiat
Laite tarvitsee sähkömagneettisesti häiriöttömän sekä tärinättömän tilan sekä ympäristössä on otettava huomioon laiteen hajakentän aiheuttamat häiriöt. Laitteet perinteisesti sijoitetaan rakennuksen pohjakerrokseen, koska sinne helpompi suunnitella luja perusta laitteelle. Lisäksi on huomioitava akustiikka, jäähdytys ja suojaus. Laite aiheuttaa melko suuren melutason sekä tarvitsee voimakasta jäähdytystä. Myös hajakenttien suojaus on tärkeää, mikä aiheuttaa lisäkustannuksia, mutta on välttämätön. Hajakentät voivat aiheuttaa esimerkiksi vanhanmalliseen sydäntahdistimeen toimintaongelmia.
Hajakentät vaikuttavat myös potilaaseen sekä henkilökuntaan, joten on huolellisesti mietittävät miten, esimerkiksi rautasängyssä tuotavien potilaiden logistiikka hoidetaan.
Laitteiden suunnitteluun löytyi erinomainen lähde Aalto -yliopiston luentovideoista Youtuben kautta (13).