Πως λειτουργεί η πυρηνική μαγνητική τομογραφία;

Συχνές ερωτήσεις 6-Μαϊου-2001

H πυρηνική μαγνητική τομογραφία (MRI), είναι μια μέθοδος ακριβούς απεικόνισης των εσωτερικών οργάνων του σώματος. Βασίζεται στην ικανότητα να δεσμεύεται το σήμα που εκπέμπουν οι πυρήνες του υδρογόνου, όταν βρεθούν μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο (περίπου χίλιες φορές μεγαλύτερο από αυτό της Γης).

Η πυρηνική μαγνητική τομογραφία (MRI) βασίζεται στην πυρηνική φυσική στο φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR).
Ως γνωστόν λόγω περιστροφής των πυρήνων με περιττό αριθμό πρωτονίων ή νετρονίων πχ ¹Η, ³¹Ρ, ²³Na, ¹³C  κλπ  συμπεριφέρονται σαν μικροί μαγνήτες με χαρακτηριστική μαγνητική ροπή. Στην φυσική τους κατάσταση περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους και η κατεύθυνση του άξονα κάθε μικρού μαγνήτη είναι τυχαία, με αποτέλεσμα η συνισταμένη μαγνητική ροπή να είναι μηδέν.

Όταν τότε ένας βιολογικός ιστός που περιέχει τέτοιους πυρήνες (με τυχαία μαγνητική ροπή) τοποθετηθεί σε εξωτερικό στατικό μαγνητικό πεδίο, το διάνυσμα της μαγνητικής του ροπής δεν παραμένει στατικό και ευθυγραμμισμένο με την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, αλλά περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του πεδίου αυτού με μια χαρακτηριστική κίνηση που λέγεται μετάπτωση.
Η συχνότητα μετάπτωσης, γνωστή σαν συχνότητα Larmor, είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου και διαφέρει από πυρήνα σε πυρήνα δηλαδή αποκτάει κβαντισμένες τιμές, συγκεκριμμένες γωνίες με τη φορά του μαγνητικού πεδίου. Σε αυτό το φαινόμενο η ταλάντωση της μαγνητικής ροπής ενός ατόμου, που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, συντονίζεται με άλλο υψίσυχνο μαγνητικό.    

Γνωρίζουμε ότι οι ιστοί είναι πλούσιοι σε νερό, άρα και σε υδρογόνο. Αν λοιπόν βρεθούν μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο τότε τα άτομα των υδρογόνων διεγείρονται και οι πυρήνες τους προσανατολίζονται σε κανονική διάταξη (όμοια με του μαγνητικού πεδίου - spin πάνω) ή σε αντίθετη κατάσταση με του μαγνητικού πεδίου (διεγερμένη κατάσταση - spin κάτω), ενώ πριν εισαχθούν στο μαγνητικό πεδίο, ο προσανατολισμός τους είναι τυχαίος. Ο πληθυσμός των πυρήνων σε θεμελιώδη κατάσταση είναι ελαφρά ανώτερος πχ 1.4 πυρήνες περισσότεροι ανά 1.000.000 πυρήνες από αυτούς σε διεγερμένη κατάσταση και από αυτήν την υπεροχή γίνεται η ανακατασκευή της εικόνας.

Η στάθμη με spin προς τα κάτω έχει την μεγαλύτερη ενέργεια και η διαφορά ενέργειας των δύο σταθμών (κάτι σαν υπέρλεπτη υφή) είναι ανάλογη με την ένταση Β του μαγνητικού πεδίου. Η μετάπτωση στη στάθμη μεγαλύτερης ενέργειας μπορεί να γίνει με τον γνωστό τρόπο της απορρόφησης ενός φωτονίου, με ενέργεια hf=ΔΕ, όπου ΔΕ=η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο σταθμών (με spin πάνω και spin κάτω).
Τα φωτόνια των ραδιοκυμάτων μέσα στην συσκευή αποκτούν αυτή την συχνότητα (συνήθως για τον πυρήνα του υδρογόνου). Η συχνότητα αυτή μεταπτώσεως είναι η "συχνότητα συντονισμού", και μόλις αυτό το φωτόνιο πέσει στον πυρήνα με spin πάνω, τότε μετατρέπεται ο πυρήνας με spin κάτω (για αυτό λέγεται και διεγερμένος).

Όταν οι πυρήνες απορροφούν την ενέργεια, επανακπέμπουν σήματα και επιστρέφουν στην κανονική τους κατάσταση. Τα σήματα αυτά που επανακπέμπουν εντοπίζονται από πηνία που συνήθως εκπέμπουν τις ραδιοσυχνότητες. 

Στην περίπτωση των πυρήνων υδρογόνου, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, με μορφή παλμού ραδιοσυχνοτήτων και με συχνότητα ίση με τη χαρακτηριστική συχνότητα μετάπτωσης των πυρήνων υδρογόνου, που σε ένα μαγνητικό πεδίο 1 Tesla (10.000 Gauss)  είναι 42,57 MHz, ασκεί πρόσθετη δύναμη στον πυρήνα που εκτελεί μεταπτωτική κίνηση.
Όταν δηλαδή η συχνότητα της εξωτερικής Η/Μ ακτινοβολίας συντονιστεί με τη συχνότητα μετάπτωσης ενός είδους πυρήνων, (εδώ συντονίζεται με τους πυρήνες υδρογόνου) ασκείται πάνω σε αυτούς πρόσθετη δύναμη (πέραν της δύναμης του στατικού εξωτερικού πεδίου) που αναγκάζει το διάνυσμα ολικής μαγνήτισης να αποκλίνει από την διεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, οπότε αρχίζει να περιστρέφεται με μεταπτωτική κίνηση. 

Μετά τη διέγερση αυτή (το τέλος του παλμού), τα άτομα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση εκπέμποντας ακτινοβολία. Την ακτινοβολία αυτή συλλαμβάνουν ειδικοί δέκτες και την στέλνουν με την μορφή ηλεκτρικών σημάτων σε έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή. Εκεί αφού επεξεργαστούν τα ηλεκτρικά σήματα, μετατρέπονται σε εικόνα.

Οι ιστοί απεικονίζονται με διαφορετικό τρόπο, γιατί είναι πλούσιοι σε νερό. Έτσι φαίνονται πιό ανοικτοί αυτοί που έχουν μεγαλύτερη συγκέντρωση σε νερό. Επίσης είναι γνωστό πως το σώμα μας περιέχει 75% νερό, ενώ η κατανομή του νερού και άλλων μικρών μορίων που είναι πλούσια σε υδρογόνο πχ λιπίδια αλλοιώνεται σε αρκετές παθολογικές καταστάσεις.

Η μαγνητική τομογραφία είναι καλύτερη από την αξονική, αφ'ενός γιατί δεν επιβαρύνεται ο οργανισμός με ακτινοβολίες και αφ'ετέρου γιατί η αναπαραγωγή εικόνων από τα σπλάχνα, μυς και άλλα όργανα είναι σαφώς καλύτερη.

Βιβλιογραφία: Η φυσική σήμερα (Ε.Οικονόμου) και Εκπαιδευτική Ελληνική Εγκυκλοπαίδεια.