Magnetresonanstomografi

Det indre av et menneskehode visualisert med en animasjon bygd opp av snittbilder tatt ved hjelp av magnetresonanstomografi.

Foto: Dwayne Reed, Stony Brook University Hospital i USA, 2007

Magnetresonanstomografi (MR, iblant forkortet MRI fra engelsk magnetic resonance imaging) er en teknikk for å fremstille bilder av kroppsvev hos mennesker eller dyr. Teknologien er utledet fra prinsippet om atomers spesifikke egensvingetid og hvordan disse oppfører seg når de utsettes for radiobølger mens de er plassert i et kraftig magnetfelt. Konsentrasjonen av enkelte grunnstoffer (f.eks. hydrogen eller karbon-13) eller molekyler (f.eks. fett eller vann) kan fremstilles som signaltetthet, som satt i et bilde vil kunne brukes til å visualisere vevsstrukturer og organer. Størst kontrast ses gjerne ikke mellom hardt vev og bløtt vev som i røntgen, men snarere mellom fettvev eller fettholdige organer (f.eks. sentralnervesystemet) og mer vannholdig vev (for eksempel blod, muskler og sener). Metodologien er spesielt anvendbar for visualisering av bløtdelsstrukturer og nervesystemet.

MR er den vanligst brukte betegnelsen for magnetresonanstomografi på norsk. MR kan imidlertid omfatte alle de følgende teknikkene:

• NMR – Nukleærmagnetresonans. Den opprinnelige metoden, brukt til strukturanalyse av molekyler i fysikk og kjemi.
• MRI - Magnetresonanstomografi. Teknikk brukt i medisin for å ta snitt-bilder av deler av kroppen. Oppfunnet i 1973.
• MRS – Magnetresonansspektroskopi. Brukt på mennesker for å måle mengden av ulike stoffer i vev.
• fMRI – Funksjonell MRI. En teknikk for å måle funksjoner i hjernen. Måler endring i blodgjennomstrømning, egentlig oksygeniseringen av blodet som trengs til metabolske prosesser under presynaptisk reopptak.

MR-maskinens historie i Norge

Den første MR-maskinen i Norge ble installert ved Sentralsykehuset i Rogaland i 1986 og fulgte etter en innsamlingsaksjon. Rikshospitalet, Radiumhospitalet og St. Olavs hospital fikk installert sine første MR-maskiner i 1987. Den kraftigste MR-maskinen i Norge per 2022 er en Siemens MAGNETOM Terra System av typen 7T MR som er installert ved St. Olavs hospital, der den også disponeres av NTNU til nasjonal infrastruktur innen nevrovitenskapelig forskning. Maskinen kostet omkring 100 millioner NOK og ble operativ i desember 2019.

MRI-prinsippet

Magnetic

3 Tesla magnettomograf.

Hvert eneste proton i kroppen spinner rundt sin egen akse, og siden alle protoner er elektrisk ladet, danner de samtidig hvert sitt lille magnetfelt (spin quantum). Hydrogenkjernen ¹H (protonet) er det stoffet som produserer det kraftigste signalet av alle stabile atomkjerner.

I magnettomografen blir kroppen utsatt for et kraftig eksternt magnetfelt, B₀. (B₀ kan for eksempel være 1, 1½, 2 eller 3 Tesla og mer). Dette ytre magnetfeltet påvirker alle de små protonmagnetene i kroppen, og får dem til å gjøre presesjonsbevegelser (i tillegg til opprinnelig spinn).

Alle presesjonsbevegelser er stabile og protonmagnetene preseserer rundt det kraftige magnetfeltet B₀, enten ved å vende hver sin nordpol i relativt samme retning som det eksterne magnetfeltet, eller ved å vende sin nordpol i stikk motsatt retning.

Etter noen få millisekund vil det alltid oppstå et lite overskudd protonmagneter med samme orientering som B₀-nordpolen (Nordpolene til protonmagnetene vender samme vei som nordpolen til det eksterne magnetfeltet). Overskuddet danner en vektor som kalles «Net Magnetisation Vector» (M₀). Men alle presesjonsbevegelsene er ute av fase med hverandre (slingrer ukoordinert og tilfeldig til ulike sider), så det dannes ingen andre vektorer enn M₀.

B₀-vektoren er i seg selv uinteressant da den representerer et eksternt magnetfelt.

M₀-vektoren representerer objektet, men er i en fiksert situasjon som ikke kan skape noe bildeinformasjon.

Resonance

Presesjonsbevegelse.

For å få ut bildeinformasjon, sendes et radiosignal vertikalt inn på M₀. Frekvensen må være nøyaktig 42,56 MHz pr. 1 Tesla (10 000 Gauß). Da oppstår nemlig resonans. Vilkårene for resonans er uttrykt i Larmors ligning: $\ \omega _{0}=\gamma B_{0}$ (Der altså $\gamma$ er 42,56 MHz/Tesla, og B₀ er feltstyrken målt i Tesla).

Hvis resonansvilkårene blir oppfylt, og bare hvis, vil protonene absorbere energi fra radiosignalet og alle presesjonsbevegelsene vil bli synkronisert slik at de ”slingrer” til samme side samtidig og følger hverandre rundt i et 100% synkront bevegelsesmønster.

Dette kalles å ”gå i fase”, og straks dette skjer, skapes en vektor som roterer i det transverse planet med presesjonsbevegelsene. Siden dette tar noen få millisekund, virker det som om M₀-vektoren flipper over i det transverse planet (der radiosignalet projiseres inn).

Straks radiosignalet brytes, går presesjonsbevegelsene ut av fase igjen, og den transverse vektoren forsvinner. Det virker som om M₀-vektoren faller tilbake til utgangspunktet. Dette tilbakefallet er et ”fritt fall” og kalles «Free induction decay» (FID).

Mens dette skjer, gir protonmagnetene tilbake den energien de fikk av radiopulsen (den energien som fikk dem til å gå i fase). Energien som avgis, induserer strøm til en mottakercoil (dette er MR-signalet). Siden presesjonsbevegelsene bruker litt tid på å gå ut av fase, vil MR-signalet være vekslende positivt og negativt (jf. den roterende vektoren), og registreres som en bølge med gradvis minkende amplitude (FID).

Magnetvektoren M₀ som roterte et øyeblikk i det transverse planet, vender altså tilbake og blir på nytt parallell med B₀. Tiden dette tar kalles «relaxation times», og den (tiden) varierer en del avhengig av vevstype. Det er nettopp denne tidsvariasjonen som skaper bildekontraster.

Imaging

For å finne ut hvor ulike MR-signaler kommer fra, trengs tre par gradientspoler plassert i et xyz-koordinatsystem (3D). Disse spolene er elektromagneter, og mellom to slike kan feltstyrken B₀ økes litt til > B₀ ved den ene, og minskes litt til < B₀ ved den andre. Når denne graderingen gjøres, vil bare en smal skive mellom gradientcoilene få nøyaktig feltstyrken B₀.

Når radiosignalet sendes inn, vil resonans oppstå kun i den smale skiven som har nøyaktig feltstyrken B₀, og protonmagnetenes presesjonsbevegelser vil bare gå i fase der. Når radiosignalet slåes av, er det kun fra dette smale området at det induseres MR-signal til mottakercoilen.

Ved at det samme prinsipielle grep gjøres i 3 dimensjoner i koordinatsystemet, har man full kontroll over lokalisasjon av MR-signalet. Før MRI-rådata blir transformert til et vanlig MRI-bilde, blir de av fagfolk omtalt som k-space. I tradisjonell MRI blir k-space registrert linje for linje, en for hver radiopuls. Hvert datapunkt i det tredimensjonale koordinatsystemet kalles gjerne en voxel.

fMRI

fMRI data (gule og røde), dvs. signifikant aktiverte voxels fra EPI-bilder lagt over et strukturelt MRI-bilde.

Se hovedartikkel: Funksjonell magnetresonanstomografi

Ved Funksjonell Magnetresonanstomografi(fMRI) blir alle k-space linjene innsamlet kontinuerlig i løpet av en eneste radiopuls ved å benytte en kraftig frem og tilbakesvingende avlesingsgradient (spole), der k-space dekker hele hjernen i løpet av bare 100 millisekund. Når signaler fra hele hjernen på denne måten innsamles om og om igjen med små intervaller, er det ikke bare mulig å registrere funksjonelle hjerneaktiviteter som representerer mentale prosesser, men også hvor i hjernen disse foregår. Denne teknikken, sammen med elektofysiologiske ERP-studier (og i kombinasjon) har overtatt etter den tidligere lesjonsbaserte forskningen i jakten på å lokalisere kognitive, emosjonelle og andre mentale ressurser og prosesser. Eksperimentelle design gjør det mulig å splitte prosessene opp i spesifiserte delprosesser slik at hjernekartene fingraderes til større og større detaljrikdom. Man kan se endringer på under 1 sekund. Da 1 s er for lang latenstid for å observere mange funksjoner i hjernen, har man i det siste koblet MRI og fMRI med EEG for å få høy oppløsning både i tid og rom. Kombinasjonen av fMRI og elektrofysiologiske ERP-studier (EEG) drar spesifikt ut nytten av den romlige oppløsningen i fMRI og den tidsmessige oppløsningen til elektrofysiologiske målinger.

Kontrastmidler

MRI kan utføres med eller uten kontrastmidler. De fleste MR-kontrastmidler inneholder paramagnetiske eller superparamagnetiske metaller som gadolinium eller mangan, som påvirker de magnetiske egenskapene til kroppsvevene i forskjellig grad slik at kontrasten mellom ulike vev fremheves i MR-bildene. Særlig fremheves blodårer, og dette brukes bl.a. for å avbilde hjernens karnettverk. Også hjertets funksjon kan bedømmes. MR-undersøkelser som gjerne kan utføres uten kontrastmiddel er diagnose av belastningsbrudd i knokler eller brist i muskler og sener – skadetyper som ofte ikke kan identifiseres ved hjelp av røntgen.

Bruksområde

Sykdommer i hjernen og sentralnervesystemet kan kartlegges godt med MR-teknikk siden MR-signaler gir bedre avbildning av bløtdeler enn røntgenbaserte teknikker. Multippel sklerose (MS) og skiveutglidning (prolaps) er typiske sykdommer som fremstilles svært godt ved en MR-undersøkelse. I tillegg brukes MR mye på barn da MR ikke benytter seg av røntgenstråler. På denne måten beskytter man organer som er strålefølsomme hos denne pasientgruppen. Siden et MR-opptak kan ta opp til flere minutter, er det viktig at pasienten kan ligge helt stille under opptaket. Små barn kan trenge narkose når det skal gjøres MR-undersøkelse.

fMRI blir i all hovedsak brukt til hjernekartleggingsforskning (såkalte Brain Mapping Studier).

Kontraindikasjoner

Når en pasient blir henvist til en MR-undersøkelse må pasienten fylle ut en sjekkliste før undersøkelsen. Grunnen til dette er at enkelte pasienter ikke kan benytte seg av MR. Da MR er en maskin som benytter seg av et meget sterkt magnetfelt, kan en ikke ha operert inn magnetisk metall i kroppen. Pacemaker er strengt forbudt.

Stift – tenner, broer, tannregulering og spiral påvirkes ikke av undersøkelsen.

Klokke, minibankkort, mobiltelefon og smykker av magnetisk metall må også av. Gull- og sølvsmykker påvirkes ikke av magnetisme, men kan noen ganger være i veien.

Se også

• Computertomografi (CT), en variant av røntgenundersøkelse
• Kjernemagnetisk resonans (NMR), en fysikalsk-kjemisk teknikk

Eksterne lenker

• (en) Magnetic resonance imaging – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (en) Magnetic resonance imaging – galleri av bilder, video eller lyd på Commons
• e-MRI : interactive course about MRI physics (Flash player required)

Hvis man ønsker å lære mer om MR, finnes det en god bok på nettet.