Science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe MRI werkt

De afgrond in. Lester Lefkowitz/Photographer's Choice/Getty Images

Dr. Raymond Damadian, een arts en wetenschapper, heeft jarenlang gezwoegd om een ​​machine te ontwikkelen die op niet-invasieve wijze het lichaam kon scannen met behulp van magneten. Samen met enkele afgestudeerde studenten construeerde hij een supergeleidende magneet en maakte hij een spoel van antennedraden. Omdat niemand de eerste in dit apparaat wilde zijn, bood Damadian zich vrijwillig aan om de eerste patiënt te zijn.

Toen hij erin stapte, gebeurde er echter niets. Damadian zag dat hij jaren had verspild aan een mislukte uitvinding, maar een van zijn collega's opperde moedig dat hij misschien wel te groot was voor de machine. Een slanke afgestudeerde student bood zich vrijwillig aan om het eens te proberen, en op 3 juli 1977 werd het eerste MRI-onderzoek op een mens uitgevoerd. Het duurde bijna vijf uur om één beeld te produceren, en die originele machine, genaamd de 'Indomitable', is nu eigendom van het Smithsonian Institution.

In slechts enkele decennia zal het gebruik van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI ) scanners is enorm gegroeid. Artsen kunnen MRI-scans bestellen om multiple sclerose, hersentumoren, gescheurde ligamenten, peesontsteking, kanker en beroertes te helpen diagnosticeren, om er maar een paar te noemen. Een MRI-scan is de beste manier om in het menselijk lichaam te kijken zonder het open te snijden.

Dat kan voor u weinig troost zijn als u zich klaarmaakt voor een MRI-onderzoek. Je bent ontdaan van je sieraden en creditcards en hebt gedetailleerde vragen gesteld over alle metalen instrumenten die je in je hebt. Je wordt op een kleine plaat gelegd en in een gat geduwd dat nauwelijks groot genoeg lijkt voor een mens. Je wordt blootgesteld aan harde geluiden en je moet volkomen stil liggen, anders gaan ze dit weer met je doen. En elke minuut vraag je je af wat er met je lichaam gebeurt terwijl het in deze machine zit. Zou het werkelijk kunnen dat deze beproeving echt beter is dan een andere beeldvormingstechniek, zoals een röntgenfoto of een CAT-scan? Wat heeft Raymond Damadian bewerkstelligd?

Inhoud
  1. MRI-magneten:de belangrijkste spelers
  2. De andere onderdelen van een MRI-machine
  3. Waterstofatomen en magnetische momenten
  4. Wat gebeurt er nog meer tijdens een MRI-scan?
  5. MRI-afbeeldingen en hoe ze worden gemaakt
  6. MRI-veiligheidsproblemen

MRI-magneten:de belangrijkste spelers

De componenten van een MRI-systeem HowStuffWorks.com

MRI-scanners variëren in grootte en vorm, en sommige nieuwere modellen hebben een grotere mate van openheid aan de zijkanten. Toch is het basisontwerp hetzelfde en wordt de patiënt in een buis geduwd met een diameter van slechts ongeveer 24 inch (60 centimeter) [bron:Hornak]. Maar wat zit daar in?

Het grootste en belangrijkste onderdeel van een MRI-systeem is de magneet. Er loopt een horizontale buis – dezelfde waar de patiënt in gaat – die van voren naar achteren door de magneet loopt. Deze buis staat bekend als de boring . Maar dit is niet zomaar een magneet:we hebben hier te maken met een ongelooflijk sterk systeem, dat in staat is een groot, stabiel magnetisch veld te produceren.

De sterkte van een magneet in een MRI-systeem wordt beoordeeld met behulp van een meeteenheid die bekend staat als een tesla . Een andere maateenheid die vaak bij magneten wordt gebruikt, is de Gauss (1 tesla =10.000 Gauss). De magneten die tegenwoordig in MRI-systemen worden gebruikt, creëren een magnetisch veld van 1,5 tesla tot 7,0 tesla, oftewel 15.000 tot 70.000 gauss. Als je je realiseert dat het magnetische veld van de aarde 0,5 gauss meet, kun je zien hoe krachtig deze magneten zijn.

De meeste MRI-systemen gebruiken een supergeleidende magneet , dat bestaat uit vele spoelen of windingen van draad waardoor een stroom elektriciteit wordt geleid, waardoor een magnetisch veld van maximaal 2,0 tesla ontstaat. Het in stand houden van zo'n groot magnetisch veld vereist veel energie, wat wordt bereikt door supergeleiding , of het reduceren van de weerstand in de draden tot bijna nul. Om dit te doen, worden de draden voortdurend ondergedompeld in vloeibaar helium bij 452,4 graden onder nul Fahrenheit (269,1 onder nul graden Celsius) [bron:Coyne]. Deze kou wordt geïsoleerd door een vacuüm. Hoewel supergeleidende magneten duur zijn, zorgt het sterke magnetische veld voor beeldvorming van de hoogste kwaliteit, en supergeleiding zorgt ervoor dat het systeem economisch in gebruik is.

De andere onderdelen van een MRI-machine

Twee andere magneten worden in veel mindere mate gebruikt in MRI-systemen. Resistieve magneten lijken structureel op supergeleidende magneten, maar missen het vloeibare helium. Dit verschil betekent dat ze een enorme hoeveelheid elektriciteit nodig hebben, waardoor het onbetaalbaar wordt om boven een niveau van 0,3 tesla te werken. Permanente magneten hebben een constant magnetisch veld, maar ze zijn zo zwaar dat het moeilijk zou zijn om er een te construeren die een groot magnetisch veld zou kunnen ondersteunen.

Er zijn ook drie gradiëntmagneten in het MRI-apparaat. Deze magneten zijn veel minder sterk vergeleken met het magnetische hoofdveld; ze kunnen in sterkte variëren van 180 gauss tot 270 gauss. Terwijl de hoofdmagneet een intens, stabiel magnetisch veld rond de patiënt creëert, creëren de gradiëntmagneten een variabel veld, waardoor verschillende delen van het lichaam kunnen worden gescand.

Een ander onderdeel van het MRI-systeem bestaat uit een reeks spoelen die radiofrequentiegolven naar het lichaam van de patiënt zenden. Er zijn verschillende spoelen voor verschillende delen van het lichaam:knieën, schouders, polsen, hoofd, nek enzovoort. Deze spoelen volgen gewoonlijk de contouren van het lichaamsdeel dat wordt afgebeeld, of bevinden zich er tijdens het onderzoek op zijn minst heel dichtbij. Andere onderdelen van de machine zijn onder meer een zeer krachtig computersysteem en een patiëntentafel, die de patiënt in de boring schuift. Of de patiënt eerst naar het hoofd of de voeten gaat, wordt bepaald door welk deel van het lichaam moet worden onderzocht. Zodra het te scannen lichaamsdeel zich precies in het midden bevindt, oftewel isocentrum , van het magnetische veld kan de scan beginnen.

Wat gebeurt er tijdens een scan? Ontdek het volgende.

MRI-ontwikkelingen

MRI-machines evolueren zodat ze patiëntvriendelijker worden. Veel claustrofobische mensen kunnen bijvoorbeeld eenvoudigweg niet tegen de krappe grenzen, en de verveling is misschien niet geschikt voor zwaarlijvige mensen. Er zijn meer open scanners, die meer ruimte bieden, maar deze machines hebben zwakkere magnetische velden, waardoor het gemakkelijker kan zijn om abnormaal weefsel te missen. Er worden ook zeer kleine scanners ontwikkeld die specifieke lichaamsdelen in beeld kunnen brengen. Er worden ook andere vorderingen gemaakt op het gebied van MRI. Functionele MRI (fMRI ), bijvoorbeeld, maakt per seconde hersenkaarten van zenuwcelactiviteit en helpt onderzoekers beter te begrijpen hoe de hersenen werken. Magnetische resonantie-angiografie (MRA ) creëert beelden van stromend bloed, slagaders en aders in vrijwel elk deel van het lichaam.

Waterstofatomen en magnetische momenten

De stappen van een MRI © 2008 HowStuffWorks.com

Wanneer patiënten in een MRI-machine glijden, nemen ze de miljarden atomen mee waaruit het menselijk lichaam bestaat. Voor de doeleinden van een MRI-scan houden we ons alleen bezig met het waterstofatoom, dat overvloedig aanwezig is omdat het lichaam voor het grootste deel uit water en vet bestaat. Deze atomen draaien willekeurig, of precesseren , op hun as, als een kindertopje. Alle atomen gaan in verschillende richtingen, maar wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst, staan ​​de atomen op één lijn in de richting van het veld.

Deze waterstofatomen hebben een sterk magnetisch moment , wat betekent dat ze in een magnetisch veld in de richting van het veld staan. Omdat het magnetische veld recht door het midden van de machine loopt, staan ​​de waterstofprotonen zo op één lijn dat ze naar de voeten of het hoofd van de patiënt wijzen. Ongeveer de helft gaat beide kanten op, zodat de overgrote meerderheid van de protonen elkaar opheffen - dat wil zeggen:voor elk atoom dat in de richting van de voeten is opgesteld, staat er één in de richting van het hoofd. Slechts een paar protonen op elke miljoen worden niet geëlimineerd. Dit klinkt niet veel, maar alleen al het aantal waterstofatomen in het lichaam is voldoende om uiterst gedetailleerde beelden te creëren. Het zijn deze ongeëvenaarde atomen waar we ons nu zorgen over maken.

Wat gebeurt er nog meer tijdens een MRI-scan?

Vervolgens past de MRI-machine een radiofrequentiepuls (RF) toe dat is alleen specifiek voor waterstof. Het systeem stuurt de impuls naar het deel van het lichaam dat we willen onderzoeken. Wanneer de puls wordt toegepast, absorberen de ongeëvenaarde protonen de energie en draaien ze opnieuw in een andere richting. Dit is het 'resonantie'-gedeelte van MRI. De RF-puls dwingt ze om op een bepaalde frequentie en in een bepaalde richting te draaien. De specifieke resonantiefrequentie wordt de Larmour-frequentie genoemd en wordt berekend op basis van het specifieke weefsel dat wordt afgebeeld en de sterkte van het magnetische hoofdveld.

Ongeveer tegelijkertijd komen de drie gradiëntmagneten in actie. Ze zijn zo gerangschikt in de hoofdmagneet dat wanneer ze op een specifieke manier snel worden in- en uitgeschakeld, ze het magnetische hoofdveld op lokaal niveau veranderen. Wat dit betekent is dat we precies kunnen kiezen van welk gebied we een foto willen; dit gebied wordt het "plakje" genoemd. Denk aan een brood met plakjes zo dun als een paar millimeter - zo precies zijn de plakjes op MRI. Er kunnen in elke richting plakjes van elk deel van het lichaam worden genomen, waardoor artsen een enorm voordeel hebben ten opzichte van elke andere beeldvormingsmodaliteit. Dat betekent ook dat je niet hoeft te bewegen om de machine een beeld uit een andere richting te laten krijgen; de machine kan alles manipuleren met de gradiëntmagneten.

Maar de machine maakt tijdens een scan enorm veel lawaai, wat klinkt als een voortdurend snel gehamer. Dat komt doordat de stijgende elektrische stroom in de draden van de gradiëntmagneten wordt tegengewerkt door het magnetische hoofdveld. Hoe sterker het hoofdveld, hoe luider het gradiëntgeluid. In de meeste MRI-centra kun je een muziekspeler meenemen om het lawaai te overstemmen, en patiënten krijgen oordopjes.

Wanneer de RF-puls wordt uitgeschakeld, keren de waterstofprotonen langzaam terug naar hun natuurlijke uitlijning binnen het magnetische veld en geven ze de door de RF-pulsen geabsorbeerde energie vrij. Wanneer ze dit doen, geven ze een signaal af dat de spoelen oppikken en naar het computersysteem sturen. Maar hoe wordt dit signaal omgezet in een beeld dat iets betekent?

MRI-afbeeldingen en hoe ze worden gemaakt

Artsen onderzoeken de contrasten op een MRI-scan. Ron Levine/De Beeldbank/Getty Images

De MRI-scanner kan een heel klein punt in het lichaam van de patiënt onderscheiden en hem in essentie vragen:"Wat voor soort weefsel ben jij?" Het systeem gaat punt voor punt door het lichaam van de patiënt en bouwt een kaart van weefseltypen op. Vervolgens integreert het al deze informatie om 2D-afbeeldingen of 3D-modellen te creëren met een wiskundige formule die bekend staat als de Fourier-transformatie . De computer ontvangt het signaal van de draaiende protonen als wiskundige gegevens; de gegevens worden omgezet in een afbeelding. Dat is het ‘beeldvormende’ deel van MRI.

Het MRI-systeem maakt gebruik van injecteerbaar contrast of kleurstoffen, om het lokale magnetische veld in het onderzochte weefsel te veranderen. Normaal en abnormaal weefsel reageren verschillend op deze kleine verandering, waardoor we verschillende signalen krijgen. Deze signalen worden overgebracht naar de beelden; een MRI-systeem kan meer 250 grijstinten weergeven om het variërende weefsel weer te geven [bron:Coyne]. Met de beelden kunnen artsen verschillende soorten weefselafwijkingen beter visualiseren dan zonder het contrast. We weten dat wanneer we "A" doen, normaal weefsel eruit zal zien als "B". Als dat niet het geval is, kan er sprake zijn van een afwijking.

Een röntgenfoto is zeer effectief om artsen een gebroken bot te laten zien, maar als ze het zachte weefsel van een patiënt willen bekijken, inclusief organen, ligamenten en de bloedsomloop, dan zullen ze waarschijnlijk een MRI willen. En zoals we op de vorige pagina vermeldden, is een ander groot voordeel van MRI de mogelijkheid om beelden in elk vlak te maken. Computertomografie (CT) is bijvoorbeeld beperkt tot één vlak, het axiale vlak (in de brood-analogie zou het axiale vlak zijn hoe een brood normaal gesproken wordt gesneden). Een MRI-systeem kan zowel axiale als sagitale beelden maken (het brood in de lengte zijdelings doorsnijden) en coronaal (denk aan de lagen in een laagjescake) beelden, of een graad daar tussenin, zonder dat de patiënt ooit beweegt.

Maar voor deze hoogwaardige beelden kan de patiënt helemaal niet veel bewegen. MRI-scans vereisen dat patiënten 20 tot 90 minuten of langer stil blijven zitten. Zelfs een zeer kleine beweging van het te scannen onderdeel kan vervormde beelden veroorzaken die moeten worden herhaald. En er zijn hoge kosten verbonden aan dit soort kwaliteit; MRI-systemen zijn erg duur in aanschaf, en daarom zijn de onderzoeken ook erg duur.

Maar zijn er nog meer kosten? Hoe zit het met de veiligheid van de patiënt?

Zorgen over MRI-veiligheid

Deze patiënt kreeg toestemming om op te stijgen. Plush Studios/Blend-afbeeldingen/Getty Images

Misschien maak je je zorgen over de gevolgen op lange termijn als al je atomen door elkaar zitten, maar als je eenmaal uit het magnetische veld bent, keren je lichaam en de chemie terug naar normaal. Er zijn geen biologische gevaren voor de mens bekend als gevolg van blootstelling aan magnetische velden met de sterkte die tegenwoordig in de medische beeldvorming wordt gebruikt. Het feit dat MRI-systemen geen gebruik maken van ioniserende straling, zoals andere beeldvormende apparaten dat wel doen, is voor veel patiënten een troost, evenals het feit dat MRI-contrastmaterialen zeer weinig bijwerkingen hebben. De meeste faciliteiten geven er de voorkeur aan om zwangere vrouwen niet in beeld te brengen, vanwege het beperkte onderzoek naar de biologische effecten van magnetische velden op een zich ontwikkelende foetus. De beslissing om een ​​zwangere patiënte wel of niet te scannen wordt van geval tot geval genomen in overleg tussen de MRI-radioloog en de verloskundige van de patiënt.

De MRI-ruimte kan echter een zeer gevaarlijke plaats zijn als de strikte voorzorgsmaatregelen niet in acht worden genomen. Creditcards of iets anders met magnetische codering worden gewist. Metalen voorwerpen kunnen gevaarlijke projectielen worden als ze de scanruimte worden binnengebracht. Paperclips, pennen, sleutels, scharen, sieraden, stethoscopen en andere kleine voorwerpen kunnen bijvoorbeeld zonder waarschuwing uit de zakken en van het lichaam worden getrokken, waarna ze met zeer hoge snelheid naar de opening van de magneet vliegen.

P>

Grote objecten vormen ook een risico:dweilemmers, stofzuigers, infuuspalen, patiëntenbrancards, hartmonitors en talloze andere objecten zijn allemaal in de magnetische velden van de MRI getrokken. In 2001 werd een jonge jongen die een scan onderging gedood toen een zuurstoftank in de magnetische boring werd getrokken [bron:McNeil]. Op een keer vloog er een pistool uit de holster van een politieagent, waarbij de kracht ervoor zorgde dat het pistool afvuurde. Niemand raakte gewond.

Om de veiligheid te garanderen, moeten patiënten en ondersteunend personeel grondig worden gescreend op metalen voorwerpen voordat ze de scankamer betreden. Vaak hebben patiënten echter implantaten in zich, waardoor het voor hen zeer gevaarlijk is om in de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld te verkeren. Deze omvatten:

  • Metaalfragmenten in het oog, die zeer gevaarlijk zijn omdat het verplaatsen van deze fragmenten oogbeschadiging of blindheid kan veroorzaken
  • Pacemakers, die mogelijk defect raken tijdens een scan of zelfs in de buurt van de machine
  • Een aneurysma klemt vast in de hersenen, waardoor de slagader waarop ze waren geplaatst om te repareren zou kunnen scheuren als de magneet ze beweegt
  • Tandheelkundige implantaten, indien magnetisch

De meeste moderne chirurgische implantaten, inclusief nietjes, kunstmatige gewrichten en stents, zijn gemaakt van niet-magnetische materialen, en zelfs als dat niet het geval is, kunnen ze worden goedgekeurd voor scannen. Maar laat het uw arts weten, want sommige orthopedische hardware in het gebied van een scan kan vervormingen in het beeld veroorzaken.

Veel beantwoorde vragen

Wat is het verschil tussen MRI en CT-scan?
Het verschil tussen MRI en CT-scan is dat MRI magnetische golven gebruikt om afbeeldingen van het lichaam te produceren, terwijl CT-scan röntgenstralen gebruikt om afbeeldingen te produceren.

Veel meer informatie

Gerelateerde artikelen

  • Hoe fMRI werkt
  • Welke vrouwen moeten naast mammografieën ook MRI's krijgen?
  • Hoe hersenkartering werkt
  • Hoe CAT-scans werken
  • Hoe diepe hersenstimulatie werkt
  • Hoe echografie werkt
  • Hoe nucleaire geneeskunde werkt
  • Hoe röntgenstralen werken

Meer geweldige links

  • De basisprincipes van MRI
  • MRI-docent
  • Eenvoudig natuurkunde
  • Nationaal laboratorium voor hoge magnetische velden

Bronnen

  • Berman, Phyllis. "Hoe je het levend begraven gevoel kunt vermijden." Forbes. 28 februari 1994.
  • Coyne, Kristen Eliza. "MRI:een rondleiding." Nationaal laboratorium voor hoge magnetische velden. (6 augustus 2008)http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/
  • Damadian, Raymond V. "Het verhaal van MRI." Zaterdagavondpost. Mei/juni 1994.
  • Hornak, Joseph P. "De basisprincipes van MRI." 1996. (6 augustus 2008) http://www.cis.rit.edu/people/faculty/hornak
  • Kirby, David. "Patiënten omarmen nieuwe generatie beeldvormingsmachines." New York Times. 8 mei 2001. (6 augustus 2008)http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE0DE163BF93BA35756C0A9679C8B63
  • McNeil, Donald G. Jr. "M.R.I.'s sterke magneten genoemd bij ongelukken." New York Times. 19 augustus 2005. (6 augustus 2008)http://www.nytimes.com/2005/08/19/health/19magnet.html
  • Wakefield, Julie. "De 'ontembare' MRI." Smithsonisch. Juni 2000.
  • Woodward, Peggy. "MRI voor technologen." McGraw-Hill-professional. 2000. (6 augustus 2008)http://books.google.com/books?id=fR5u5u1hwFkC&printsec=frontcover



Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Namen van de Enzymen in de Mond & Esophagus
  2. Meten is weten:hoe lang is een krill en hoe zwaar is een poolkabeljauw?
  3. Een dieper begrip van de seksuele ontwikkeling van malariaparasieten ontsluit mogelijkheden om de verspreiding van ziekten te blokkeren
  4. Hoe u invasieve ratten en muizen thuis kunt bestrijden zonder de inheemse fauna te schaden
  5. De nadelen van Western Blotting
  6. De locatie van ribosomen in een cel
  7. Onderzoekers ontwikkelen een genetische aanpak voor plantenregeneratie zonder de toepassing van fytohormonen
  8. Bestaan ​​er nog grote onontdekte soorten?
  9. Een van 's werelds zeldzaamste walvissen waargenomen voor de kust van Californië

Wetenschap