Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is een medisch apparaat dat gebruik maakt van een magnetisch veld en de natuurlijke resonantie van atomen in het lichaam om beelden van menselijke weefsels te verkrijgen. Het basisapparaat werd voor het eerst ontwikkeld in 1945 en de technologie is sindsdien gestaag verbeterd. Met de introductie van krachtige computers is MRI een belangrijk diagnostisch apparaat geworden. Het is niet-invasief en kan foto's maken van zowel zachte als harde weefsels, in tegenstelling tot andere medische beeldvormingshulpmiddelen. MRI wordt voornamelijk gebruikt om de inwendige organen te onderzoeken op afwijkingen zoals tumoren of chemische onevenwichtigheden.

Geschiedenis

De ontwikkeling van magnetische resonantie beeldvorming (MRI) begon met ontdekkingen in nucleaire magnetische resonantie (NMR) in de vroege jaren 1900. Op dat moment waren wetenschappers net begonnen met het achterhalen van de structuur van het atoom en de aard van zichtbaar licht en ultraviolette straling die door bepaalde stoffen wordt uitgezonden. De magnetische eigenschappen van een atoomkern, die de basis vormt voor NMR, werden in 1924 aangetoond door Wolfgang Pauli.

Het eerste basis-NMR-apparaat werd in 1938 ontwikkeld door I.I. Rabi. Dit apparaat kon gegevens leveren met betrekking tot de magnetische eigenschappen van bepaalde stoffen. Het leed echter aan twee belangrijke beperkingen. Ten eerste kon het apparaat alleen gasvormige materialen analyseren en ten tweede kon het alleen indirecte metingen van deze materialen leveren. Deze beperkingen werden overwonnen in 1945, toen twee groepen wetenschappers onder leiding van Felix Bloch en Edward Purcell onafhankelijk van elkaar verbeterde NMR-apparaten ontwikkelden. Deze nieuwe apparaten bleken nuttig voor veel onderzoekers, waardoor ze gegevens konden verzamelen over veel verschillende soorten systemen. Na verdere technologische verbeteringen konden wetenschappers deze technologie halverwege de jaren zestig gebruiken om biologische weefsels te onderzoeken.

Het gebruik van NMR in de geneeskunde volgde al snel. De vroegste experimenten toonden aan dat NMR onderscheid kon maken tussen normaal en kankerweefsel. Latere experimenten toonden aan dat met NMR-scans veel verschillende lichaamsweefsels konden worden onderscheiden. In 1973 werd een beeldvormingsmethode ontwikkeld die gebruikmaakte van NMR-gegevens en computerberekeningen van tomografie. Het leverde het eerste magnetische resonantiebeeld (MRI) op. Deze methode werd vervolgens gebruikt om een ​​muis te onderzoeken en hoewel de testtijd meer dan een uur bedroeg, resulteerde een afbeelding van de inwendige organen van de muis. Menselijke beeldvorming volgde een paar jaar later. Sindsdien zijn er verschillende technologische verbeteringen aangebracht om de benodigde scantijd te verminderen en de resolutie van de afbeeldingen te verbeteren. De meest opvallende verbeteringen zijn aangebracht in de driedimensionale toepassing van MRI.

Achtergrond

De basisfasen van een MRI-lezing zijn eenvoudig. Eerst wordt de patiënt in een sterk constant magnetisch veld geplaatst en wordt omgeven door verschillende spoelen. Vervolgens wordt radiofrequente (RF) straling op het systeem toegepast, waardoor bepaalde atomen in de patiënt gaan resoneren. Wanneer de RF-straling is uitgeschakeld, blijven de atomen resoneren. Uiteindelijk keren de resonerende atomen terug naar hun natuurlijke staat en zenden daarbij een radiofrequente straling uit die een NMR-signaal is. Het signaal wordt vervolgens via een computer verwerkt en omgezet in een visueel beeld van de patiënt.

De NMR-signalen die door de lichaamscellen worden uitgezonden, worden voornamelijk geproduceerd door de protonen van de cellen. Vroege MR-beelden werden uitsluitend geconstrueerd op basis van de concentratie van protonen in een bepaald weefsel. Deze afbeeldingen gaven echter geen goede resolutie. MRI werd veel nuttiger voor het construeren van een intern beeld van het lichaam toen rekening werd gehouden met een fenomeen dat bekend staat als relaxatietijd, de tijd die de protonen nodig hebben om hun signaal uit te zenden. In alle lichaamsweefsels zijn er twee soorten relaxatietijden, T1 en T2, die kunnen worden gedetecteerd. Verschillende soorten weefsels zullen verschillende T1- en T2-waarden vertonen. Zo heeft de grijze stof in de hersenen een andere T1- en T2-waarde dan bloed. Met behulp van deze drie variabelen (protondichtheid, T1- en T2-waarde) kan een sterk opgelost beeld worden geconstrueerd.

MRI wordt het meest gebruikt voor het maken van afbeeldingen van het menselijk brein. Het is vooral nuttig voor dit gebied omdat het onderscheid kan maken tussen zacht weefsel en laesies. Naast structurele informatie maakt MRI functionele beeldvorming van de hersenen mogelijk. Functionele beeldvorming is mogelijk omdat wanneer een gebied van de hersenen actief is, de bloedtoevoer naar dat gebied toeneemt. Wanneer de scans met voldoende snelheid worden gemaakt, is in feite bloed door organen te zien bewegen. Een andere toepassing voor MRI is beeldvorming van het spierskelet. Verwondingen aan ligamenten en kraakbeen in de gewrichten van de knieën, polsen en schouder kunnen gemakkelijk worden gezien met MRI. Dit elimineert de noodzaak voor traditionele invasieve operaties. Een zich ontwikkelend gebruik voor MRI is het volgen van chemicaliën door het lichaam. In deze scans worden NMR-signalen van moleculen zoals koolstof 13 en fosfor 31 ontvangen en geïnterpreteerd.

Grondstoffen

De primaire functionerende onderdelen van een MRI-systeem omvatten een externe magneet, gradiëntspoelen, RF-apparatuur en een computer. Andere componenten zijn onder meer een RF-afscherming, een voeding, NMR-sonde, weergave-eenheid en een koeleenheid.

De magneet die wordt gebruikt om het constante externe magnetische veld te creëren, is het grootste onderdeel van elk MRI-systeem. Om bruikbaar te zijn, moet de magneet een stabiel magnetisch veld kunnen produceren dat door een bepaald volume of plakje van het lichaam dringt. Er zijn drie verschillende soorten magneten verkrijgbaar. Een resistieve magneet bestaat uit dunne aluminium banden die in een lus zijn gewikkeld. Wanneer er elektriciteit rond de lus wordt geleid, ontstaat er loodrecht op de lus een magnetisch veld. In een MRI-systeem worden vier resistieve magneten loodrecht op elkaar geplaatst om een ​​consistent magnetisch veld te produceren. Terwijl elektriciteit rond de lus wordt geleid, genereert de weerstand van de lus warmte, die moet worden afgevoerd door een koelsysteem.

Supergeleidende magneten hebben niet dezelfde problemen en beperkingen als het resistieve type magneet. Supergeleidende magneten zijn ringmagneten, gemaakt van een niobium-titaniumlegering in een kopermatrix, die onderkoeld zijn met vloeibaar helium en vloeibare stikstof. Bij deze lage temperaturen is er bijna geen weerstand, dus er is heel weinig elektriciteit nodig. Deze magneet is goedkoper in gebruik dan het resistieve type en er kunnen grotere veldsterkten worden gegenereerd. Het andere type magneet dat wordt gebruikt, is een permanente magneet. Het is gemaakt van een ferromagnetisch materiaal, is vrij groot en heeft geen elektriciteit nodig om te werken. Het biedt ook meer flexibiliteit bij het ontwerp van het MRI-systeem. De stabiliteit van het magnetische veld dat de permanente magneet genereert, is echter twijfelachtig, en de grootte en het gewicht ervan kunnen onbetaalbaar zijn. Hoewel elk van deze verschillende soorten magneten magnetische velden met variërende sterkte kan produceren, is er geen optimale veldsterkte ontdekt.

Om een ​​methode te verschaffen voor het decoderen van het NMR-signaal dat van een monster wordt ontvangen, worden magnetische veldgradiënten gebruikt. Gewoonlijk worden drie sets gradiëntspoelen gebruikt om gegevens in elk van de drie dimensies te verschaffen. Net als de primaire magneten zijn deze spoelen gemaakt van een geleidende lus die een magnetisch veld creëert. In het MRI-systeem worden ze om de cilinder gewikkeld die de patiënt omgeeft.

Het RF-systeem heeft verschillende rollen in een MRI-machine. Ten eerste is het verantwoordelijk voor het verzenden van de RF-straling die de atomen ertoe aanzet een signaal uit te zenden. Vervolgens ontvangt het het uitgezonden signaal en versterkt het zodat het door de computer kan worden gemanipuleerd. RF-spoelen zijn de belangrijkste onderdelen van de hardware in de RF systeem. Ze zijn geconstrueerd om een ​​oscillerend magnetisch veld te creëren. Dit veld induceert atomen in een bepaald gebied om RF-straling te absorberen en vervolgens een signaal uit te zenden. Naast het verzenden van het RF-signaal kunnen de spoelen ook het signaal van de patiënt ontvangen. Afhankelijk van het type MRI-systeem wordt ofwel een zadel-RF-spoel of een solenoïde RF-spoel gebruikt. De spoel wordt meestal naast het onderwerp geplaatst en is ontworpen om bij de patiënt te passen. Om RF-storingen te verminderen, wordt een aluminiumplaat gebruikt.

De laatste schakel in het MRI-systeem is een computer, die de verzonden signalen bestuurt en de ontvangen signalen verwerkt en opslaat. Voordat het ontvangen signaal door de computer kan worden geanalyseerd, wordt het vertaald via een analoog-digitaalomzetter. Wanneer de computer signalen ontvangt, voert deze verschillende reconstructie-algoritmen uit, waardoor een matrix van getallen wordt gecreëerd die geschikt is voor opslag en het bouwen van een visuele weergave met behulp van een Fourier-transformator.

Het fabricageproces

De afzonderlijke componenten van een MRI-systeem worden doorgaans afzonderlijk vervaardigd en vervolgens samengevoegd tot een grote eenheid. Deze eenheden zijn extreem zwaar, soms met een gewicht van meer dan 100 ton (102 ton).

Magneet

• 1 De meest gebruikte magneten in een MRI-systeem zijn supergeleidende elektromagneten. Deze kunnen met verschillende materialen worden gemaakt, maar het basisontwerp omvat een spoel van geleidende draad, een koelsysteem en een voeding. De spoelen zijn gemaakt door draad, opgebouwd uit filamenten van een niobium-titaniumlegering ingebed in koper, in een grote lus te wikkelen. Om het benodigde magnetische veld te creëren, wordt gebruik gemaakt van een aantal spoelen. In één type systeem worden acht spoelen gebruikt, zes om het primaire magnetische veld te creëren en twee om het overtollige veld te compenseren.
• 2 De spoelen worden ondergedompeld in een vat met vloeibaar helium. Dit verlaagt de temperatuur tot een niveau dat ze supergeleidend maakt. Om de temperatuur stabiel te houden, is het vat omgeven door nog twee vaten met andere koelvloeistoffen zoals vloeibare stikstof. Deze constructie wordt vervolgens met dunne staafjes opgehangen in een vacuüm gesealde container. Een voeding is aangesloten op de magneetspoelen en wordt alleen gebruikt wanneer de magneet moet worden bekrachtigd. De magneet is bevestigd aan de patiëntensteun, een schuiftafel die de patiënt in het magnetische veld brengt.

Gradiëntspoelen

• 3 De gradiëntspoelen zijn elektromagneten van het resistente type. In een MRI-systeem zijn er typisch drie sets gradiëntspoelen. Elke spoel wordt gemaakt door dunne stroken koper of aluminium in een specifiek patroon te wikkelen. De spoelen krijgen sterkte door een epoxy in hun structuur aan te brengen. De grootte van deze spoelen bepaalt de breedte van de opening waarin de patiënt wordt geplaatst. Aangezien een kleinere spoel minder energie vereist, moet deze breedte groot genoeg zijn om claustrofobie bij de patiënt te voorkomen, maar klein genoeg om een ​​redelijke hoeveelheid elektriciteit te vereisen. Deze gradiëntspoelen zijn typisch afgeschermd om storende wervelstromen te voorkomen.

RF-systeem

• 4 De elektronische componenten van het RF-systeem kunnen worden geleverd door externe leveranciers en worden geassembleerd door de MRI-fabrikant. Deze componenten zijn bevestigd aan de RF-spoelen, die met verschillende ontwerpen zijn gemaakt. De zender- en ontvangerspoelen zijn gemaakt van hetzelfde type materiaal als de gradiëntspoelen. Ze zijn ook geconstrueerd zoals de hoofdmagneet. Ze bestaan ​​echter uit een lus van geleidend materiaal, zoals koper, dat een oscillerend magnetisch veld kan creëren. Eén type RF-spoel is een oppervlaktespoel, die in een cirkel is gevormd en direct op de patiënt wordt aangebracht. Een ander type is de zadelspoel. Deze kunnen ofwel rechtstreeks in de magneetboring worden geplaatst of in een vogelkooispoel worden gevormd en net binnen de gradiëntspoelen worden geplaatst. Elk type spoel is aangesloten op een stroombron.

Computer

• 5 De computer wordt geleverd door computerfabrikanten en aangepast en geprogrammeerd voor gebruik in een MRI-systeem. Daaraan gekoppeld is de gebruikersinterface, de Fourier-transformator, de signaalomvormer en een voorversterker. Een weergaveapparaat en een laserprinter zijn ook inbegrepen.

Eindmontage

• 6 Elk van de componenten van de MRI wordt samengevoegd en in een geschikt frame geplaatst. De montage kan plaatsvinden in de fabriek of op locatie, waar het systeem zal worden gebruikt. In beide gevallen vereist de aard van de magneet typisch speciale voorzorgsmaatregelen, zoals het transport ervan in een luchtgeveerd voertuig.

Kwaliteitscontrole

De kwaliteit van elk MRI-systeem dat wordt vervaardigd, wordt gewaarborgd door visuele en elektrische inspecties tijdens het gehele productieproces. De prestaties van de MRI worden getest om er zeker van te zijn dat deze goed functioneert. Deze tests worden uitgevoerd onder verschillende omgevingsomstandigheden, zoals extreme hitte en vochtigheid. De meeste fabrikanten stellen hun eigen kwaliteitsspecificaties voor de MRI-systemen die ze produceren. Normen en prestatie-aanbevelingen zijn ook voorgesteld door verschillende medische organisaties en overheidsinstanties.

De Toekomst

De focus van het huidige MRI-onderzoek ligt op gebieden zoals het verbeteren van de scanresolutie, het verkorten van de scantijd en het verbeteren van het MRI-ontwerp. De methoden voor het verbeteren van de resolutie en het verminderen van de scantijd omvatten het verminderen van de signaal-ruisverhouding. In een MRI-systeem wordt ruis veroorzaakt door willekeurig gegenereerde signalen die interfereren met het betreffende signaal. Een methode om het te verminderen is door een hoge magnetische veldsterkte te gebruiken. Verbeterde ontwerpen voor MRI-systemen zullen ook helpen deze interferentie te verminderen en de ruis die gepaard gaat met elektromagneten te verminderen. In de toekomst zouden realtime MRI-scans beschikbaar moeten zijn.