Magnetresonantstomograafia

Meditsiiniline magnetresonantstomograaf

Magnetresonantstomograafia (MRT) (inglise keeles magnetic resonance imaging; lühend MRI) on peamiselt tuntud kui meetod kujutiste tekitamiseks elusate organismide läbipaistmatute elundite sisemusest ning vee hulga kindlakstegemiseks geoloogilistes struktuurides. Seetõttu kasutatakse meetodit põhiliselt eluskudede patoloogiliste või füsioloogiliste muutuste visualiseerimiseks ning selleks, et hinnata näiteks kivimite läbilaskvust süsivesinike suhtes. Laialdasemas kasutuses on võimalik uurida muidki aineid, mis sisaldavad teatud magnetmomenti omavaid aatomeid.

Magnetresonantsspektroskoopia annab kudedest tunduvalt detailsema pildi kui röntgenograafia.

Ajalugu

Tuumamagnetresonantsi kui nähtust kirjeldas esmakordselt Isidor Isaac Rabi 1938. aastal, arendades edasi O.Sterni ja W.Gerlachi poolt 1922. aastal läbi viidud pöördelise tähtsusega kvantmehaanilist katset, mis kujutas endast laetud osakeste juhtimist läbi heterogeense magnetvälja. I.I.Rabi sai avastuse eest 1944. aastal füüsika Nobeli preemia. Rabi täheldas, et magnetilised aatomituumad nagu 1H (prooton) ning 31P (fosfor) suudavad neelata raadiosageduslikku energiat, kui need tuumad asuvad magnetväljas ning tuumasid mõjutav sagedus on valitud spetsiifiliselt konkreetsetet tüüpi aatomituumasid silmas pidades. See avastus pani aluse omaette uurimismeetodile – tuumamagnetresonantsile – mille abil on võimalik tuumasid mõjutava elektromagnetilise sageduse varieerimisega uurida erinevaid aatomituumasid ning lausa erinevaid ühendeid, mille koostises uurimise all olevad aatomituumad paiknevad. 1950-ndatel aastatel toimus valdkonnas hüppeline areng, mil nähtust kasutati laialdaselt erinevate orgaaniliste ühendite analüüsiks ning dokumenteerimiseks. 1971. aasta septembris leiutas P. C. Lauterbur H.Carri ühedimensionaalset TMR-i edasi arendades TMRT, mille teooria ning esimesed katsepildid avaldas ta 1973. aasta märtsis. Füüsik-matemaatik P.Mansfield aitas 1970-ndate aastate lõpus välja arendada matemaatilise tehnika, mille abil muutus TMRT hulga kiiremaks. Esimene uuring elava inimese peal viidi läbi 1977. aastal, esimene kasvaja tuvastati MRT abil 1980. aastal. Tuumamagnetresonantsspektroskoopiat, mis põhineb osaliselt sarnasel metoodikal ja on ajalooliselt magnetresonantstomograafia meetodite aluseks, kasutatakse laialdaselt ainete struktuuri uurimiseks. Selle meetodi arendamise eest sai šveitslane Richard Ernst 1991 Nobeli füüsikaauhinna ja šveitslane Kurt Wüthrich 2002 Nobeli keemiaauhinna.

1960. aastatel tekkisid ideed uue meetodi kasutamiseks meditsiinis. Aastal 1977 tehti esimene MRT-pilt inimkehast. Tuumamagnetresonantsspektroskoopiast eraldus omaette valdkonnana magnetresonantstomograafia.

2003. aasta lõpu seisuga oli maailmas kasutusel umbes 22 000 MRT-aparaati. Aastal 2003 tehti maailmas umbes 60 miljonit MRT-uuringut. Ühe uuringu maksumus on umbes 500 eurot, nii et uuringuid tehti umbes 30 miljardi euro eest.

Lihtsustatud seletus

Kõigepealt tekib magnetresonantstomograafi magneti tekitatud tugevas püsimagnetväljas koe molekulide aatomituumade spinnide orintatsioonide tasakaaluolek. Siis rakendatakse püsimagnetväljaga risti olevas tasandis raadiosagedusega impulsse, mis muudavad osa vesinikutuumade spinnide orientatsiooni ja toimub nn. ergastus. Siis lõpetatakse ergastusimpulsside andmine ja tuumad relakseeruvad tagasi algsesse tasakaalulisse olekusse, mille käigus kiirgavad nad aga raadiosagedusliku energiat, mida võtavad vastu patsiendi ümber mähitud poolid. Need signaalid registreeritakse ning andmeid töötleb arvuti, mis genereerib koe kujutise. Nõnda saab uuritavast koest detailse nähtava kujutise. Kliinilises praktikas kasutatakse MRT-d patoloogilise koe (näiteks ajukasvaja) eristamiseks normaalsest koest.

Tuuma spinn

Kõik nukleonid, nii prootonid kui ka neutronid, millest aatomite tuumad koosnevad, omavad analoogselt elektronidega sisemist spinni ehk sisemist spinn(impulss)momenti, mida saab iseloomustada spinnkvantarvuga s. Spinn on osakeste sisemine omadus, mis tekitab neis magnetmomendi, luues füüsikalise aluse TMR kasutamisele ainete uurimiseks. Sarnaselt kvantiseeritud orbitaalse impulsimomendiga, mille amplituudi kirjeldab orbitaalkvantarv ja suunda magnetkvantarv, on spinnilgi suunaga seotud vabadusaste. Spinni suunda või täpsemalt spinni projektsiooni z-telje suunal saab matemaatiliselt kirjeldada järgneva seosega: sz = ћ ms , kus sz on spinni projektsioon vabalt valitud z-teljele [J*s], ћ on taandatud Plancki konstant [J*s] ning ms teisane spinnkvantarv, mis võib võtta väärtuseid -s, -(s-1), -(s-2), ... , s-2, s-1, s. Antud seos väljendab asjaolu, et spinni suund on igal suunal ühtmoodi kvantiseeritud. Prootonid ja neutronid nagu elektronidki omavad fermionidele omast pooltäisarvulist spinnkvantarvu 1/2, mistõttu nende spinn saab omada väärtust +1/2 või -1/2 (taandatud Plancki konstanti). Siit saab teha esimese järlduse 1H aatomi tuuma kohta, kuna see koosneb vaid ühest prootonist: selle aatomi tuuma spinnkvantarv on 1/2. Kõrge tundlikkuse ja laialdase esinemise tõttu orgaanilistes ühendites on 1H aatomi tuum üks TMRT kasutatavamaid aatomituumasid. Rohkematest nukleonidest koosnevate aatomituumade koguspinnkvantarvu S leidmine toimib lihtsa liitmisoperatsiooni kohaselt, misjuhul võrdub see tema nukleonide individuaalsete spinnide summaga. Samas tuleb arvestada sellega, et nii prootonitel kui ka neutronitel on kalduvus moodustada vastasspinnilisi paare, milles spinnid teineteist tühistavad, seega on taoliste paaride (prooton(+1/2)-prooton(-1/2) ning neutron(+1/2)-neutron(-1/2) paarid) koguspinn null. Seega kui aatomi tuum koosneb paarisarvulisest hulgast prootonitest ja paarisarvulisest hulgast neutronitest, on tuuma koguspinn null ning tuuma magnetmomendi puudumise tõttu ei saa antud aatomituuma TMR meetodit kasutades uurida. Paardumata prootonid ja neutronid panustavad tuuma koguspinnile, moodustades aatomituumasid, mille spinnkvantarv võib olla 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 või 9/2. Erandjuhtudel võib aatomituuma spinnkvantarv olla võrdne ühega, kui aatomituum koosneb paarituarvulisest hulgast prootonist ja neutronist, kuna nende prootoni-neutroni spinnide paralleelsus vastab energia miinimumile. Eelnevatest võimalikest spinnkvantarvudest võib tõdeda, et vastassuunaliste spinnide paardumist ei toimu iga tuumaga, mistõttu ei pea aatomituuma koguspinn olema ilmtingimata minimaalseim võimalik väärtus pärast paardumist, vaid võib ka omada nii kõrget spinnkvantarvu nagu nt. 11/2.

Näidiskuvandid

• 
  Röntgenpilt käest. Selgelt on näha luud, kuid pehmed koed (lihased, kõõlused) on hägused.
• 
  MRT pilt põlvest. Selgelt on eristatavad ka pehmed koed.
• 
  MRT pilt peast

Tüüpilised kasutatavad lühendid

• CWS – Continuous Wave Spectroscopy (Pideva kiirguse spektroskoopia)

• DFFT – Discrete 'Fast Fourier Transform (Diskreetne kiire Fourier' teisendus)

• FID – Free Induction Decay (Vaba induktsiooni sumbumine/hääbumine)

• FOV – Field Of View (Vaateväli)

• FT-NMR – Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance (Fourier'teisendusega TMR)

• FT-TMR – Fourier' teisendusega tuumamagnetresonants

• MRI – Magnetic Resonance Imaging (Magnetresonants-kuvamine)

• MRT – Magnetic Resonance Tomography /'Magnetresonantstomograafia

• NMR – Nuclear Magnetic Resonance (Tuumamagnetresonants)

• NMRI – Nuclear Magnetic Resonance Imaging'(Tuumamagnetresonants-kuvamine)

• NMRT – Nuclear Magnetic Resonance Tomography'(Tuumamagnetresonantstomograafia)

• RF – Radio Frequency (raadiosagedus(lik))

• TE – Time of Echo (kajaregistreerimisaeg)

• TMR – Tuumamagnetresonants

• TMRS – Tuumamagnetresonantsspektroskoopia
• TMRT – Tuumamagnetresonantstomograafia (samaväärne MRI, MRT, NMRI ja

NMRT-ga)

• TR – Time of Repetition (Impulssmeetodi RF kordavusaeg)

Vaata ka

• Funktsionaalne magnetresonantstomograafia