Icon up Overzicht

Medische toepassing: MRI

Onderwerp: Atoomfysica, Biofysica (vwo), Elektrische stroom, Elektrisch veld en magnetisch veld, Elektromagnetisch spectrum, Ioniserende straling, radioactiviteit, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Licht, Menselijk lichaam (havo), Optica (licht en lenzen) (havo), Quantumwereld, Trilling en golf

MRI staat voor magnetic resonance imaging. Zoals de naam ons al duidelijk maakt, kun je met MRI afbeeldingen maken met behulp van magnetische resonantie. Deze afbeeldingen kunnen van verschillende delen van het lichaam gemaakt worden, bijvoorbeeld de hersenen of de longen. Er hoeft dus niet in het lichaam gesneden te worden. Dat is belangrijk bij deze methode. De MRI wordt bijvoorbeeld gebruikt om kankercellen op te sporen. De techniek van de MRI is gebaseerd op de eigenschap van een deeltje in de kern (nucleus) van het waterstofatoom. Een proton is namelijk gevoelig voor magnetische velden.

De MRI heeft raakvlakken met het thema supergeleiding: Themapagina supergeleiding.

Omdat bij onderzoek van weefsel in bepaalde gevallen gebruik wordt gemaak van radioactieve contrastvloeistof is ook een bezoek aan de themapagina kernfysica/radioactiviteit zinvol.

Jij bestaat voor 63% uit waterstofatoom

Het menselijk lichaam bestaat voor het grootste gedeelte uit vet en water. Vet- en watermoleculen bevatten waterstofatomen. Jouw lichaam bestaat ongeveer voor 63% uit waterstofatomen. Omdat het waterstofatoom alleen een proton in de kern heeft zitten, is dit atoom bijzonder geschikt om te bekijken met de MRI-techniek.

Hierboven is een MRI-scan van het menselijk hoofd te zien.

De MRI nader bekeken

Waaruit bestaat een MRI-scanner dan precies? Hij bestaat voor een groot deel uit een aantal spoelen. De buitenste spoel is een gelijkspanningsspoel (DC-spoel). Deze spoel zorgt ervoor dat er een sterk homogeen magnetisch veld in het apparaat heerst. Om dit sterke veld (1,5 T is gangbaar) te ontwikkelen is een groot elektrisch vermogen nodig. De DC-spoelen worden daarom op een temperatuur van 4K gehouden, zodat ze supergeleidend zijn.

Het meten zelf gebeurt door een andere spoel. Dit is een RF spoel die met een frequentie aangestuurd wordt in het gebied van de radiofrequentie (grofweg tussen de 15 MHz en de 80 MHz).

Een gangbare opstelling van een MRI. Bron: Physics for scientists and engineers, Prentice Hall Int.

Een MRI-scanner heeft ten slotte nog een aantal shielding-spoelen. Door deze spoelen loopt de stroom in de andere richting. De shieldingspoelen hebben een speciaal doel. In verband met veiligheid compenseren ze het magneetveld dat buiten het apparaat opgewekt wordt.

Theorie van de MRI

Hoe worden nu de beelden met een MRI-scanner gemaakt? Plaatsen waar veel waterstofatomen voorkomen geven op de foto een afwijkend beeld. We leggen uit hoe een MRI-scanner die waterstofatomen kan detecteren.

Protonen kunnen beïnvloed worden door magnetische velden. Net als de magneetnaald van een kompas richt een proton zich naar een magnetisch veld. Waterstofatomen hebben in de kern slechts één proton en komen in het hele lichaam voor. Dat maakt waterstof zo geschikt voor de MRI. De protonen zullen zich door hun magnetische eigenschappen richten naar een extern magnetisch veld. Deze toestand wordt "spin up" genoemd. Zie figuur 1.

Figuur 3. Een proton richt zich naar een magneetveld. Het bevindt zich in de laagste energietoestand 'Spin up'

Onder invloed van fotonen - uitgezonden door de RF-spoel met radiofrequentie - kan deze energietoestand veranderen. Opgewekt door de RF-spoel kan een foton het proton naar de Spin down toestand brengen. Dit wordt de resonantiefrequentie genoemd. De frequentie waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de grootte van het magneetveld en van het atoom waar het proton deel van uitmaakt. Zie figuur 4.

Figuur 4. Onder invloed van een invallend foton richt het proton zich tegen het veld. Het bevindt zich dan in de hogere energietoestand 'Spin down'.

Als je de stroom door de RF-spoel uitzet, zullen de protonen weer terugvallen naar hun oude toestand. Bij dit terugvallen komt de opgenomen energie in vorm van "dipool"-straling vrij. Ook de energietoestanden van deze dipoolstraling blijken gekwantiseerd, net als de energietoestanden van de elektronen in het model van Bohr. Dus geldt dat de vrijgekomen energie gelijk is aan: ΔE=hf. Zie figuur 3.

Figuur 5. Het RF-veld is uitgeschakeld en er vallen geen fotonen meer in. Het proton zal vanzelf weer terugvallen naar de laagste energietoestand. Daarbij wordt een foton uitgezonden. Deze straling wordt 'dipoolstraling' genoemd

Detectie en beeldvorming

De frequentie waarbij de protonen beïnvloed kunnen worden, hangt af van de sterkte van het magneetveld. Met een extra spoel (gradiëntspoel) kan de sterkte van het magneetveld lokaal beïnvloed worden. Men kan vervolgens vaststellen waar de dipoolstraling vandaan komt. De uitgezonden dipoolstraling wordt opgevangen op detectoren. Met behulp van een computer wordt het signaal van de detectoren omgezet in een plaatje (zowel tweedimensionale als driedimensionale plaatjes zijn mogelijk).

Om nog betere beelden te verkrijgen, kun je ook contrastvloeistoffen/gassen toevoegen. Je kunt namelijk met behulp van de vloeistof lokaal het magnetisch veld veranderen. Verschillende soorten weefsels zullen hierdoor een ander signaal geven. Een voorbeeld van zo’n contrastvloeistof is 129Xenon, waarmee opvallend duidelijke beelden kunnen worden gemaakt van longen en bloedvaten.