Magnetresonantstomograafia

Ajalugu

Tuumamagnetresonantsi kui nähtust kirjeldas esimesena Isidor Isaac Rabi 1938. aastal, arendades edasi O. Sterni ja W. Gerlachi 1922. aastal tehtud pöördelise tähtsusega kvantmehaanilist katset, mis kujutas endast laetud osakeste juhtimist läbi heterogeense magnetvälja. I.I. Rabi sai avastuse eest 1944. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Rabi täheldas, et magnetilised aatomituumad nagu ¹H (prooton) ja 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. aastatel toimus valdkonnas hüppeline areng, mil nähtust kasutati laialdaselt erinevate orgaaniliste ühendite analüüsiks ja dokumenteerimiseks. 1971. aasta septembris leiutas P. C. Lauterbur H. Carri ühedimensioonilise TMR-i edasi arendades TMRT-d, mille teooria ja esimesed katsepildid avaldas ta 1973. aasta märtsis. Füüsik-matemaatik P. Mansfield aitas 1970. 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 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. 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.

Lihtsustatud seletus meditsiini valdkonnas

Kõigepealt tekib magnetresonantstomograafi magneti tekitatud tugevas püsimagnetväljas koe molekulide magnetmomenti omavate aatomituumade (tüüpiliselt vesinikutuumade) spinnide orientatsioonide tasakaaluolek, st vastavate aatomite magnetväljad orienteerivad end välise magnetväljaga samas sihis.
Seejärel rakendatakse püsimagnetväljaga risti olevas tasandis raadiosageduslikke impulsse, mis muudavad osa vesinikutuumade spinnide orientatsiooni ja toimub n-ö ergastus.
Ergastusimpulsside lõppedes relakseeruvad tuumade magnetmomentide suunad tagasi algsesse tasakaalulisse olekusse, mille käigus kiirgavad nad teatud raadiosagedusliku energiat, mida patsiendi ümber mähitud poolid registreerivad. Vastavaid signaale töötleb arvuti, mis genereerib teatud matemaatiliste algoritmide abil vastava koe detailse kujutise.
Kliinilises praktikas kasutatakse MRT-d patoloogilise koe (näiteks ajukasvaja) eristamiseks normaalsest koest.

Fourier' teisendusega TMR

Tänapäeval kasutatakse parema MRT-signaali saamiseks pidevkiirguse spektroskoopilise (CWS) meetodi asemel Fourier' teisendusega TMR-i (FT-TMR) meetodeid, mille põhimõtteks on tugevas magnetväljas (B₀) olevate aatomituumade perioodiline mõjutamine lühikeste raadiosageduslike impulssidega (1–10 μs), mis tekitavad esialgse magnetväljaga risti oleva lisamagnetvälja B₁. Viimase toimel orienteeruvad magnetmomenti omavad tuumad magnetväljas ümber (asustavad kõrgema(id) energiataseme(id)) ning pärast impulsi lõppemist lähevad tuumad teatud aja jooksul pretsesseerudes tagasi algolekusse (B₀ magnetväljaga samasse sihti) – tuumad relakseeruvad. Algolekusse naasmine tekitab vastaval Larmori sagedusel (ω = – γ B₀, kus γ on güromagnetiline suhe [Hz/T]) fluktueeruva magnetvälja, mis indutseerib ümbritsevas MRT-aparaadi mõõtemähises (poolis) ajas kahaneva amplituudiga pinge – vabainduktsioonsumbumise (ingl k. FID, free induction decay) – teisisõnu mõõdetakse B₁-ga samas suunas relakseerumise tulemusel toimuvat magnetvälja muutust ajas, mida kuvatakse pärast Fourier' teisendust TMR-i spektri sagedusteljel piigina.

1D MRT

TMRS puhul mõõdetakse kogu proovist saadud summaarset FID-d, millest saadakse Fourier' teisendusel resonantsi amplituudi ja sageduse (või keemilise nihke) spekter – need mõõtmised toimuvad tüüpiliselt võimalikult ideaalselt homogeenses magnetväljas.
(T)MRT puhul kasutatakse lisaks põhilisele magnetväljale B₀ täpselt kontrollitud lineaarseid magnetvälja gradiente erinevates tasandites. Larmori sageduse valemist ω = – γ B, kus B = B₀ + Bₗₒₖₐₐₗₙₑ (viimane komponent kirjeldab ruumilist lisamagnetvälja komponenti) selgub, et lineaarselt muutuvas magnetväljas muutub ruumiliselt ka vastava tuuma resonantssagedus. Nähtus võimaldab magnetvälja gradiendi täpsel kontrollimisel registreerida ja viia vastavusse ka ühte tüüpi aatomite asukohta ning hulka gradiendiväljas sõltuvalt nende resonantssagedusest – seda protsessi nimetatakse ka ühedimensiooniliseks ehk 1D MRT-ks.

Uuritava viilu valimine

Et uurida proovis vaid teatud tasandit ja koostada hiljem soovi korral erinevate tasandite TMR-piltidest 3D TMR-kujutist, tuleb esmalt teatud meetodite abil uuritav tasand valida. Tähistades z-teljega uuritavate tasanditega risti oleva telje, tuleb sarnaselt 1D MRT-ga rakendada mööda seda telge magnetvälja gradienti Gz-d, mis juhul muutub Larmori sagedus sõltuvaks z-koordinaadist:
ωRF(z₀) = γB₀ + γGzz₀,
kus alaindeks RF tähendab raadiosagedusliku impulsi sagedust, mida peaks teatud koha z₀ mõjutamiseks kasutama. Tasandil z = z₀ püsivad pöörlevas taustsüsteemis spinnid paigal, samal ajal kui suurematel ja väiksematel z väärtustel pöörlevad spinnid erineva kiirusega, kuna mõjutav RF-impulss ei täida nende kihtide jaoks resonantsitingimust.
Pöörlevas taustsüsteemis on viilu valikul seega oluline vaid z-telje suunaline magnetvälja gradiendi tugevus ja mõjutava RF-impulsi ribalaius: mida kitsam on RF-impulsi ribalaius ehk kasutatavate sageduste vahemik, seda õhem uuritav viil valitakse. Kasvava tugevusega magnetväljas tuleb sama tüüpi tuumadest koosneva viilu valimiseks kasutada üha kõrgemat ωRF-d.

3D MRT

Leidub palju mõõtmisskeeme, millel kõigil on omad eelised ja puudused, kuid kõik annavad lõpuks k-ruumi, kus iga punkt tähistab hallskaalas vastava konfiguratsiooni summaarse spinni väärtust. Pärast kahedimensioonilist k-ruumi Fourier' teisendust saab difraktsioonimustrit meenutavast ruumilise info pildist reaalse ruumi kuvand. Skaneerides 2D MRT-kuvandeid järjestikku asetsevate viilude jaoks, on võimalik saada ka 3D MRT-kuvand.