Magneettikuvauksen fysiikka

Magneettikuvauksen fysiikka koskee magneettikuvaustekniikoiden fysikaalisia perusnäkökohtia ja magneettikuvauslaitteiden teknisiä näkökohtia. Magneettikuvaus on lääketieteellinen kuvantamistekniikka, jota käytetään pääasiassa radiologiassa ja ydinlääketieteessä kehon anatomian ja fysiologian tutkimiseen sekä patologisten sairauksien, kuten kasvainten, tulehdusten, neurologisten sairauksien, kuten aivohalvauksen, lihasten ja nivelten häiriöiden sekä sydämen ja verisuonten poikkeavuuksien havaitsemiseen. Kontrastiaineita voidaan ruiskuttaa suonensisäisesti tai niveleen kuvan parantamiseksi ja diagnoosin helpottamiseksi. Toisin kuin tietokonetomografiassa ja röntgenkuvauksessa, magneettikuvauksessa ei käytetä ionisoivaa säteilyä, joten se on turvallinen menetelmä, joka soveltuu diagnosointiin lapsilla ja toistuviin suorituksiin. Potilaille, joilla on tiettyjä ei-ferromagneettisia metalli-implantteja, sisäkorvaistutteita ja sydämentahdistimia, voidaan nykyään tehdä magneettikuvaus voimakkaiden magneettikenttien vaikutuksista huolimatta. Tämä ei koske vanhempia laitteita, ja terveydenhuollon ammattilaisille on annettava yksityiskohtaiset tiedot laitteen valmistajalta.
Tietyt atomiytimet pystyvät absorboimaan ja lähettämään radiotaajuusenergiaa, kun ne sijoitetaan ulkoiseen magneettikenttään. Kliinisessä ja tutkimuksellisessa magneettikuvauksessa käytetään useimmiten vetyatomeja tuottamaan havaittavaa radiotaajuussignaalia, jonka tutkittavan anatomian läheisyydessä olevat antennit vastaanottavat. Vetyatomeja on luonnostaan runsaasti ihmisissä ja muissa biologisissa organismeissa, erityisesti vedessä ja rasvassa. Tästä syystä useimmat magneettikuvaukset kartoittavat lähinnä veden ja rasvan sijainnin kehossa. Radioaaltopulssit kiihdyttävät ydinsäteilyn spin-energiamuunnosta, ja magneettikentän gradientit paikallistavat signaalin avaruudessa. Pulssisekvenssin parametreja vaihtelemalla kudosten välille voidaan luoda erilaisia kontrasteja kudoksissa olevien vetyatomien relaksaatio-ominaisuuksien perusteella.
Skannerin magneettikentässä (B0) protonien magneettiset momentit kohdistuvat joko samansuuntaisesti tai vastakkaisesti kentän suuntaan. Vaikka kullakin yksittäisellä protonilla voi olla vain toinen kahdesta suuntauksesta, protoneista koostuva kokoelma näyttää käyttäytyvän ikään kuin niillä voisi olla mikä tahansa suuntaus. Useimmat protonit suuntautuvat B0:n suuntaisesti, koska tämä on matalamman energian tila. Tämän jälkeen syötetään radiotaajuuspulssi, joka voi herättää protonit yhdensuuntaisesta suuntautumisesta vastakkaiseen suuntautumiseen, mutta vain jälkimmäisellä on merkitystä loppukeskustelun kannalta. Vastauksena voimaan, joka palauttaa protonit takaisin tasapainoiseen suuntautumiseensa, protonit käyvät läpi pyörivän liikkeen (prekessio), aivan kuten pyörivä pyörä painovoiman vaikutuksesta. Protonit palaavat matalan energian tilaan spin-ristikon relaksaatioprosessin avulla. Tämä näkyy magneettivirtana, joka tuottaa signaalia antavan muuttuvan jännitteen vastaanottokeloissa. Taajuus, jolla protoni tai protoniyhtymä resonoi vokselissa, riippuu paikallisen magneettikentän voimakkuudesta protonin tai protoniyhtymän ympärillä; voimakkaampi kenttä vastaa suurempaa energiaeroa ja korkeamman taajuuden fotoneja. Soveltamalla ylimääräisiä magneettikenttiä (gradientteja), jotka vaihtelevat lineaarisesti tilassa, voidaan valita tietyt kuvattavat viipaleet, ja kuva saadaan ottamalla 2D Fourier-muunnos signaalin spatiaalisista taajuuksista (k-avaruus). Gradienttikäämeissä kulkevaan virtaan kohdistuvan B0:n magneettisen Lorentz-voiman vuoksi gradienttikäämit pyrkivät liikkumaan ja tuottavat kovia koputusääniä, joiden vuoksi potilaat tarvitsevat kuulosuojaimia.