Bagaimana MRI Bekerja

Oct 25 2010

Pemindaian MRI adalah cara terbaik untuk melihat bagian dalam tubuh manusia tanpa memotongnya, tetapi itu mungkin sedikit menghibur Anda ketika Anda bersiap-siap untuk ujian. Berbaring diam di atas lempengan kecil di lubang sempit, Anda mungkin bertanya-tanya apa yang terjadi pada tubuh Anda.

Lester Lefkowitz/Pilihan Fotografer/ Getty Images
Into the jurang.

Dr. Raymond Damadian, seorang dokter dan ilmuwan, bekerja keras selama bertahun-tahun untuk mencoba menghasilkan mesin yang dapat memindai tubuh secara non-invasif dengan menggunakan magnet. Bersama dengan beberapa mahasiswa pascasarjana, ia membuat magnet superkonduktor dan membuat gulungan kabel antena. Karena tidak ada yang ingin menjadi yang pertama dalam alat ini, Damadian mengajukan diri untuk menjadi pasien pertama.

Namun, ketika dia naik, tidak ada yang terjadi. Damadian sedang melihat tahun-tahun yang terbuang untuk penemuan yang gagal, tetapi salah satu rekannya dengan berani menyarankan bahwa dia mungkin terlalu besar untuk mesin itu. Seorang mahasiswa pascasarjana yang langsing mengajukan diri untuk mencobanya, dan pada tanggal 3 Juli 1977, ujian MRI pertama dilakukan pada seorang manusia. Butuh waktu hampir lima jam untuk menghasilkan satu gambar, dan mesin asli itu, yang diberi nama "Indomitable", sekarang dimiliki oleh Smithsonian Institution.

Hanya dalam beberapa dekade, penggunaan pemindai magnetic resonance imaging ( MRI ) telah berkembang pesat. Dokter dapat memesan pemindaian MRI untuk membantu mendiagnosis multiple sclerosis, tumor otak, ligamen robek, tendonitis, kanker dan stroke , untuk menyebutkan beberapa saja. Pemindaian MRI adalah cara terbaik untuk melihat bagian dalam tubuh manusia tanpa memotongnya.

Belajarlah lagi

Kuis MRI
Bagaimana Sinar-X Bekerja
Bagaimana fMRI Bekerja

Itu mungkin sedikit menghibur Anda ketika Anda bersiap-siap untuk ujian MRI. Anda kehilangan perhiasan dan kartu kredit Anda dan mengajukan pertanyaan rinci tentang semua instrumen logam yang mungkin Anda miliki di dalam diri Anda. Anda diletakkan di atas lempengan kecil dan didorong ke dalam lubang yang tampaknya tidak cukup besar untuk seseorang. Anda menjadi sasaran suara keras, dan Anda harus berbaring diam, atau mereka akan melakukan ini lagi kepada Anda. Dan setiap menit, Anda pasti bertanya-tanya apa yang terjadi pada tubuh Anda saat berada di mesin ini. Mungkinkah cobaan ini benar-benar lebih baik daripada teknik pencitraan lain, seperti X-ray atau CAT scan ? Apa yang dilakukan Raymond Damadian?

Isi

Magnet MRI: Pemain Utama
Bagian Lain dari Mesin MRI
Atom Hidrogen dan Momen Magnetik
Apa Lagi yang Terjadi dalam Pemindaian MRI?
Gambar MRI dan Cara Pembuatannya
Masalah Keamanan MRI

Magnet MRI: Pemain Utama

.com
Komponen sistem MRI

Pemindai MRI bervariasi dalam ukuran dan bentuk, dan beberapa model yang lebih baru memiliki tingkat keterbukaan yang lebih besar di sekitar sisinya. Namun, desain dasarnya sama, dan pasien didorong ke dalam tabung yang berdiameter hanya sekitar 24 inci (60 sentimeter) [sumber: Hornak ]. Tapi apa yang ada di sana?

The biggest and most important component of an MRI system is the magnet. There is a horizontal tube -- the same one the patient enters -- running through the magnet from front to back. This tube is known as the bore. But this isn't just any magnet -- we're dealing with an incredibly strong system here, one capable of producing a large, stable magnetic field.

The strength of a magnet in an MRI system is rated using a unit of measure known as a tesla. Another unit of measure commonly used with magnets is the gauss (1 tesla = 10,000 gauss). The magnets in use today in MRI systems create a magnetic field of 0.5-tesla to 2.0-tesla, or 5,000 to 20,000 gauss. When you realize that the Earth's magnetic field measures 0.5 gauss, you can see how powerful these magnets are.

Most MRI systems use a superconducting magnet, which consists of many coils or windings of wire through which a current of electricity is passed, creating a magnetic field of up to 2.0 tesla. Maintaining such a large magnetic field requires a good deal of energy, which is accomplished by superconductivity, or reducing the resistance in the wires to almost zero. To do this, the wires are continually bathed in liquid helium at 452.4 degrees below zero Fahrenheit (269.1 below zero degrees Celsius) [source: Coyne]. This cold is insulated by a vacuum. While superconductive magnets are expensive, the strong magnetic field allows for the highest-quality imaging, and superconductivity keeps the system economical to operate.

The Other Parts of an MRI Machine

MRI Developments

MRI machines are evolving so that they're more patient-friendly. For example, many claustrophobic people simply can't stand the cramped confines, and the bore may not accommodate obese people. There are more open scanners, which allow for greater space, but these machines have weaker magnetic fields, meaning it may be easier to miss abnormal tissue. Very small scanners for imaging specific body parts are also being developed.

Other advancements are being made in the field of MRI. Functional MRI (fMRI), for example, creates brain maps of nerve cell activity second by second and is helping researchers better understand how the brain works. Magnetic resonance angiography (MRA) creates images of flowing blood, arteries and veins in virtually any part of the body.

Two other magnets are used in MRI systems to a much lesser extent. Resistive magnets are structurally like superconducting magnets, but they lack the liquid helium. This difference means they require a huge amount of electricity, making it prohibitively expensive to operate above a 0.3 tesla level. Permanent magnets have a constant magnetic field, but they're so heavy that it would be difficult to construct one that could sustain a large magnetic field.

There are also three gradient magnets inside the MRI machine. These magnets are much lower strength compared to the main magnetic field; they may range in strength from 180 gauss to 270 gauss. While the main magnet creates an intense, stable magnetic field around the patient, the gradient magnets create a variable field, which allows different parts of the body to be scanned.

Another part of the MRI system is a set of coils that transmit radiofrequency waves into the patient's body. There are different coils for different parts of the body: knees, shoulders, wrists, heads, necks and so on. These coils usually conform to the contour of the body part being imaged, or at least reside very close to it during the exam. Other parts of the machine include a very powerful computer system and a patient table, which slides the patient into the bore. Whether the patient goes in head or feet first is determined by what part of the body needs examining. Once the body part to be scanned is in the exact center, or isocenter, of the magnetic field, the scan can begin.

What goes on during a scan? Find out on the next page.

Hydrogen Atoms and Magnetic Moments

Ketika pasien meluncur ke mesin MRI, mereka membawa serta miliaran atom yang membentuk tubuh manusia . Untuk keperluan pemindaian MRI, kami hanya memperhatikan atom hidrogen, yang berlimpah karena tubuh sebagian besar terdiri dari air dan lemak . Atom-atom ini berputar secara acak, atau berpresisi , pada porosnya, seperti atasan anak-anak. Semua atom bergerak ke berbagai arah, tetapi ketika ditempatkan dalam medan magnet, atom-atom berbaris ke arah medan.

Atom hidrogen ini memiliki momen magnet yang kuat , yang berarti bahwa dalam medan magnet, mereka berbaris ke arah medan. Karena medan magnet mengalir lurus ke tengah mesin, proton hidrogen berbaris sehingga mengarah ke kaki atau kepala pasien. Sekitar setengahnya berjalan satu arah, sehingga sebagian besar proton saling meniadakan -- yaitu, untuk setiap atom yang berbaris ke arah kaki, satu atom berbaris ke arah kepala. Hanya beberapa proton dari setiap satu juta tidak dibatalkan. Kedengarannya tidak banyak, tetapi jumlah atom hidrogen dalam tubuh sudah cukup untuk membuat gambar yang sangat detail. Atom-atom tak tertandingi inilah yang menjadi perhatian kita sekarang.

Apa Lagi yang Terjadi dalam Pemindaian MRI?

Selanjutnya, mesin MRI menerapkan pulsa frekuensi radio (RF) yang khusus hanya untuk hidrogen. Sistem mengarahkan denyut nadi ke area tubuh yang ingin kita periksa. Ketika pulsa diterapkan, proton yang tak tertandingi menyerap energi dan berputar lagi ke arah yang berbeda. Ini adalah bagian "resonansi" dari MRI. Pulsa RF memaksa mereka berputar pada frekuensi tertentu, ke arah tertentu. Frekuensi spesifik resonansi disebut frekuensi Larmour dan dihitung berdasarkan jaringan tertentu yang dicitrakan dan kekuatan medan magnet utama.

Pada waktu yang hampir bersamaan, tiga magnet gradien mulai beraksi. Mereka diatur sedemikian rupa di dalam magnet utama sehingga ketika mereka dihidupkan dan dimatikan dengan cepat dengan cara tertentu, mereka mengubah medan magnet utama pada tingkat lokal. Artinya, kita dapat memilih dengan tepat area mana yang kita inginkan gambarnya; daerah ini disebut sebagai "irisan". Bayangkan sepotong roti dengan irisan setipis beberapa milimeter -- irisan di MRI setepat itu. Irisan dapat diambil dari bagian tubuh mana pun ke segala arah, memberi dokter keuntungan besar dibandingkan modalitas pencitraan lainnya. Itu juga berarti Anda tidak perlu menggerakkan mesin untuk mendapatkan gambar dari arah yang berbeda -- mesin dapat memanipulasi semuanya dengan magnet gradien.

Tetapi mesin mengeluarkan suara yang sangat bising selama pemindaian, yang terdengar seperti palu cepat yang terus-menerus. Itu karena arus listrik yang naik di kabel magnet gradien ditentang oleh medan magnet utama. Semakin kuat medan utama, semakin keras suara gradien. Di sebagian besar pusat MRI, Anda dapat membawa pemutar musik untuk meredam keributan, dan pasien diberi penutup telinga.

Ketika pulsa RF dimatikan, proton hidrogen perlahan-lahan kembali ke keselarasan alaminya di dalam medan magnet dan melepaskan energi yang diserap dari pulsa RF. Ketika mereka melakukan ini, mereka mengeluarkan sinyal bahwa kumparan mengambil dan mengirim ke sistem komputer. Tapi bagaimana sinyal ini diubah menjadi gambar yang berarti apa-apa?

Gambar MRI dan Cara Pembuatannya

Ron Levine/The Image Bank/ Getty Images
Dokter memeriksa kontras pada pemindaian MRI.

Pemindai MRI dapat memilih titik yang sangat kecil di dalam tubuh pasien dan menanyakannya, pada dasarnya, "Jenis jaringan apakah Anda?" Sistem melewati tubuh pasien poin demi poin, membangun peta jenis jaringan. Kemudian mengintegrasikan semua informasi ini untuk membuat gambar 2-D atau model 3-D dengan rumus matematika yang dikenal sebagai transformasi Fourier . Komputer menerima sinyal dari proton yang berputar sebagai data matematika; data diubah menjadi gambar. Itulah bagian "pencitraan" dari MRI.

The MRI system uses injectable contrast, or dyes, to alter the local magnetic field in the tissue being examined. Normal and abnormal tissue respond differently to this slight alteration, giving us differing signals. These signals are transferred to the images; an MRI system can display more 250 shades of gray to depict the varying tissue [source: Coyne]. The images allow doctors to visualize different types of tissue abnormalities better than they could without the contrast. We know that when we do "A," normal tissue will look like "B" -- if it doesn't, there might be an abnormality.

An X-ray is very effective for showing doctors a broken bone, but if they want a look at a patient's soft tissue, including organs, ligaments and the circulatory system, then they'll likely want an MRI. And, as we mentioned on the last page, another major advantage of MRI is its ability to image in any plane. Computer tomography (CT), for example, is limited to one plane, the axial plane (in the loaf-of-bread analogy, the axial plane would be how a loaf of bread is normally sliced). An MRI system can create axial images as well as sagitall (slicing the bread side-to-side lengthwise) and coronal (think of the layers in a layer cake) images, or any degree in between, without the patient ever moving.

But for these high-quality images, the patient can't move very much at all. MRI scans require patients to hold still for 20 to 90 minutes or more. Even very slight movement of the part being scanned can cause distorted images that will have to be repeated. And there's a high cost to this kind of quality; MRI systems are very expensive to purchase, and therefore the exams are also very expensive.

But are there any other costs? What about the patient's safety?

MRI Safety Concerns

Plush Studios/Blend Images/Getty Images
This patient was cleared for take-off.

Maybe you're concerned about the long-term impact of having all your atoms mixed about, but once you're out of the magnetic field, your body and its chemistry return to normal. There are no known biological hazards to humans from being exposed to magnetic fields of the strength used in medical imaging today. The fact that MRI systems don’t use ionizing radiation, as other imaging devices do, is a comfort to many patients, as is the fact that MRI contrast materials have a very low incidence of side effects. Most facilities prefer not to image pregnant women, due to limited research of the biological effects of magnetic fields on a developing fetus. The decision of whether or not to scan a pregnant patient is made on a case-by-case basis with consultation between the MRI radiologist and the patient's obstetrician.

Namun, rangkaian MRI bisa menjadi tempat yang sangat berbahaya jika tindakan pencegahan yang ketat tidak diperhatikan. Kartu kredit atau apa pun dengan pengkodean magnetik akan dihapus. Benda logam bisa menjadi proyektil berbahaya jika dibawa ke ruang pemindaian. Misalnya, penjepit kertas, pena, kunci, gunting, perhiasan, stetoskop, dan benda kecil lainnya dapat ditarik keluar dari saku dan keluar dari tubuh tanpa peringatan, pada titik mana mereka terbang menuju bukaan magnet dengan kecepatan sangat tinggi.

Benda besar juga menimbulkan risiko -- ember pel, penyedot debu, tiang infus, tandu pasien, monitor jantung, dan benda lain yang tak terhitung jumlahnya semuanya telah ditarik ke dalam medan magnet MRI. Pada tahun 2001, seorang anak laki-laki yang menjalani pemindaian tewas ketika tangki oksigen ditarik ke lubang magnet [sumber: McNeil]. Suatu kali, pistol terbang keluar dari sarung seorang polisi, kekuatan menyebabkan pistol untuk menembak. Tidak ada yang terluka.

Untuk memastikan keamanan, pasien dan staf pendukung harus disaring secara menyeluruh untuk benda logam sebelum memasuki ruang pemindaian. Seringkali, bagaimanapun, pasien memiliki implan di dalam mereka yang membuatnya sangat berbahaya bagi mereka untuk berada di hadapan medan magnet yang kuat. Ini termasuk:

Fragmen logam di mata, yang sangat berbahaya karena memindahkan fragmen ini dapat menyebabkan kerusakan mata atau kebutaan
Alat pacu jantung, yang mungkin tidak berfungsi selama pemindaian atau bahkan di dekat mesin
Klip aneurisma di otak , yang dapat merobek arteri tempat mereka ditempatkan untuk diperbaiki jika magnet menggerakkannya
Implan gigi, jika bersifat magnetis

Sebagian besar implan bedah modern, termasuk staples, sambungan buatan, dan stent terbuat dari bahan non-magnetik, dan bahkan jika tidak, mungkin disetujui untuk pemindaian. Tetapi beri tahu dokter Anda, karena beberapa perangkat keras ortopedi di area pemindaian dapat menyebabkan distorsi pada gambar.