Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah perangkat medis yang menggunakan medan magnet dan resonansi alami atom dalam tubuh untuk mendapatkan gambar jaringan manusia. Perangkat dasar pertama kali dikembangkan pada tahun 1945, dan teknologinya terus meningkat sejak saat itu. Dengan diperkenalkannya komputer bertenaga tinggi, MRI telah menjadi perangkat diagnostik yang penting. Ini non-invasif dan mampu mengambil gambar jaringan lunak dan keras, tidak seperti alat pencitraan medis lainnya. MRI terutama digunakan untuk memeriksa organ internal untuk kelainan seperti tumor atau ketidakseimbangan kimia.

Sejarah

Perkembangan magnetic resonance imaging (MRI) dimulai dengan penemuan resonansi magnetik nuklir (NMR) pada awal 1900-an. Pada saat ini, para ilmuwan baru mulai mengetahui struktur atom dan sifat cahaya tampak dan radiasi ultraviolet yang dipancarkan oleh zat tertentu. Sifat magnetik inti atom, yang merupakan dasar untuk NMR, ditunjukkan oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1924.

Perangkat NMR dasar pertama dikembangkan oleh I. I. Rabi pada tahun 1938. Perangkat ini mampu memberikan data yang berkaitan dengan sifat magnetik zat tertentu. Namun, itu menderita dua keterbatasan utama. Pertama, perangkat hanya dapat menganalisis bahan gas, dan kedua, hanya dapat memberikan pengukuran tidak langsung dari bahan ini. Keterbatasan ini diatasi pada tahun 1945, ketika dua kelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Felix Bloch dan Edward Purcell secara independen mengembangkan perangkat NMR yang ditingkatkan. Perangkat baru ini terbukti berguna bagi banyak peneliti, memungkinkan mereka mengumpulkan data pada berbagai jenis sistem. Setelah perbaikan teknologi lebih lanjut, para ilmuwan dapat menggunakan teknologi ini untuk menyelidiki jaringan biologis pada pertengahan 1960-an.

Penggunaan NMR dalam pengobatan segera menyusul. Eksperimen paling awal menunjukkan bahwa NMR dapat membedakan antara jaringan normal dan jaringan kanker. Eksperimen selanjutnya menunjukkan bahwa banyak jaringan tubuh yang berbeda dapat dibedakan dengan pemindaian NMR. Pada tahun 1973, metode pencitraan menggunakan data NMR dan perhitungan tomografi komputer dikembangkan. Ini memberikan gambar resonansi magnetik (MRI) pertama. Oleh karena itu, metode ini digunakan untuk memeriksa seekor tikus dan, sementara waktu pengujian yang diperlukan lebih dari satu jam, gambar organ-organ dalam tikus dihasilkan. Pencitraan manusia mengikuti beberapa tahun kemudian. Berbagai perbaikan teknologi telah dilakukan sejak itu untuk mengurangi waktu pemindaian yang diperlukan dan meningkatkan resolusi gambar. Perbaikan yang paling menonjol telah dibuat dalam aplikasi tiga dimensi dari MRI.

Latar Belakang

Tahap dasar pembacaan MRI sederhana. Pertama pasien ditempatkan dalam medan magnet konstan yang kuat dan dikelilingi oleh beberapa kumparan. Radiasi frekuensi radio (RF) kemudian diterapkan ke sistem, menyebabkan atom-atom tertentu di dalam pasien beresonansi. Ketika radiasi RF dimatikan, atom terus beresonansi. Akhirnya, atom yang beresonansi kembali ke keadaan alaminya dan, dengan melakukan itu, memancarkan radiasi frekuensi radio yang merupakan sinyal NMR. Sinyal tersebut kemudian diproses melalui komputer dan diubah menjadi gambar visual pasien.

Sinyal NMR yang dipancarkan dari sel-sel tubuh terutama diproduksi oleh proton sel. Gambar MR awal dibangun hanya berdasarkan konsentrasi proton dalam jaringan tertentu. Gambar-gambar ini, bagaimanapun, tidak memberikan resolusi yang baik. MRI menjadi jauh lebih berguna untuk membangun citra internal tubuh ketika sebuah fenomena yang dikenal sebagai waktu relaksasi, waktu yang dibutuhkan proton untuk memancarkan sinyalnya, dipertimbangkan. Di semua jaringan tubuh, ada dua jenis waktu relaksasi, T1 dan T2, yang dapat dideteksi. Jenis jaringan yang berbeda akan menunjukkan nilai T1 dan T2 yang berbeda. Misalnya, materi abu-abu di otak memiliki nilai T1 dan T2 yang berbeda dari darah. Dengan menggunakan ketiga variabel ini (kepadatan proton, nilai T1, dan T2), gambar yang sangat jelas dapat dibangun.

MRI paling banyak digunakan untuk membuat gambar otak manusia. Ini sangat berguna untuk area ini karena dapat membedakan antara jaringan lunak dan lesi. Selain informasi struktural, MRI memungkinkan pencitraan fungsional otak. Pencitraan fungsional dimungkinkan karena ketika suatu area otak aktif, aliran darah ke wilayah itu meningkat. Ketika pemindaian dilakukan dengan kecepatan yang cukup, sebenarnya, darah dapat terlihat bergerak melalui organ. Aplikasi lain untuk MRI adalah pencitraan kerangka otot. Cedera pada ligamen dan tulang rawan pada sendi lutut, pergelangan tangan, dan bahu dapat dengan mudah dilihat dengan MRI. Ini menghilangkan kebutuhan untuk operasi invasif tradisional. Penggunaan yang berkembang untuk MRI adalah melacak bahan kimia melalui tubuh. Dalam pemindaian ini sinyal NMR dari molekul seperti karbon 13 dan fosfor 31 diterima dan diinterpretasikan.

Bahan Baku

Bagian fungsi utama dari sistem MRI termasuk magnet eksternal, kumparan gradien, peralatan RF, dan komputer. Komponen lainnya termasuk pelindung RF, catu daya, probe NMR, unit tampilan, dan unit pendingin.

Magnet yang digunakan untuk menciptakan medan magnet eksternal yang konstan adalah bagian terbesar dari sistem MRI mana pun. Agar berguna, magnet harus mampu menghasilkan medan magnet yang stabil yang menembus seluruh volume, atau irisan, tubuh. Ada tiga jenis magnet yang tersedia. Magnet resistif terdiri dari pita aluminium tipis yang dibungkus dalam satu lingkaran. Ketika listrik dilakukan di sekitar loop, medan magnet dibuat tegak lurus terhadap loop. Dalam sistem MRI, empat magnet resistif ditempatkan tegak lurus satu sama lain untuk menghasilkan medan magnet yang konsisten. Saat listrik dikonduksikan di sekitar loop, resistansi loop menghasilkan panas, yang harus dihilangkan oleh sistem pendingin.

Magnet superkonduktor tidak memiliki masalah dan keterbatasan yang sama dari jenis magnet resistif. Magnet superkonduktor adalah magnet cincin, terbuat dari paduan niobium-titanium dalam matriks tembaga, yang didinginkan dengan helium cair dan nitrogen cair. Pada suhu rendah ini, hampir tidak ada hambatan, sehingga diperlukan tingkat listrik yang sangat rendah. Magnet ini lebih murah untuk dijalankan daripada jenis resistif, dan kekuatan medan yang lebih besar dapat dihasilkan. Jenis magnet lain yang digunakan adalah magnet permanen. Itu dibangun dari bahan feromagnetik, cukup besar, dan tidak memerlukan listrik untuk menjalankannya. Ini juga memberikan lebih banyak fleksibilitas dalam desain sistem MRI. Namun, stabilitas medan magnet yang dihasilkan magnet permanen dipertanyakan, dan ukuran serta beratnya mungkin menjadi penghalang. Sementara masing-masing jenis magnet yang berbeda ini dapat menghasilkan medan magnet dengan kekuatan yang bervariasi, kekuatan medan yang optimal belum ditemukan.

Untuk menyediakan metode decoding sinyal NMR yang diterima dari sampel, gradien medan magnet digunakan. Biasanya, tiga set kumparan gradien digunakan untuk menyediakan data di masing-masing dari tiga dimensi. Seperti magnet primer, kumparan ini terbuat dari loop konduktor yang menciptakan medan magnet. Dalam sistem MRI, mereka melilit silinder yang mengelilingi pasien.

Sistem RF memiliki berbagai peran dalam mesin MRI. Pertama, ia bertanggung jawab untuk mentransmisikan radiasi RF yang menginduksi atom untuk memancarkan sinyal. Selanjutnya, ia menerima sinyal yang dipancarkan dan memperkuatnya sehingga dapat dimanipulasi oleh komputer. Kumparan RF adalah bagian utama dari perangkat keras di RF sistem. Mereka dibangun untuk menciptakan medan magnet berosilasi. Bidang ini menginduksi atom di area tertentu untuk menyerap radiasi RF dan kemudian memancarkan sinyal. Selain mengirimkan sinyal RF, kumparan juga dapat menerima sinyal dari pasien. Tergantung pada jenis sistem MRI, baik kumparan RF pelana atau kumparan RF solenoid digunakan. Kumparan biasanya diposisikan di samping subjek dan dirancang agar sesuai dengan pasien. Untuk mengurangi interferensi RF, lembaran aluminium digunakan.

Tautan terakhir dalam sistem MRI adalah komputer, yang mengontrol sinyal yang dikirim dan memproses serta menyimpan sinyal yang diterima. Sebelum sinyal yang diterima dapat dianalisis oleh komputer, sinyal tersebut diterjemahkan melalui konverter analog-digital. Ketika komputer menerima sinyal, komputer melakukan berbagai algoritma rekonstruksi, membuat matriks angka yang sesuai untuk penyimpanan dan membangun tampilan visual menggunakan transformator Fourier.

Manufaktur
Proses

Komponen individu dari sistem MRI biasanya diproduksi secara terpisah dan kemudian dirakit menjadi unit besar. Unit-unit ini sangat berat, terkadang berbobot lebih dari 100 ton (102 metrik ton).

Magnet

• 1 Magnet yang paling sering digunakan dalam sistem MRI adalah elektromagnet superkonduktor. Ini dapat dibuat dengan menggunakan berbagai bahan, tetapi desain dasarnya melibatkan gulungan kawat konduktif, sistem pendingin, dan catu daya. Kumparan dibuat dengan membungkus kawat, dibangun dari filamen paduan titanium niobium yang tertanam dalam tembaga, dalam lingkaran besar. Untuk menciptakan medan magnet yang diperlukan, sejumlah kumparan digunakan. Dalam satu jenis sistem delapan kumparan digunakan, enam untuk menciptakan medan magnet primer dan dua untuk mengimbangi medan berlebih.
• 2 Kumparan direndam dalam bejana yang berisi helium cair. Ini mengurangi suhu ke tingkat yang membuat mereka superkonduktif. Untuk membantu menjaga suhu tetap stabil, bejana dikelilingi oleh dua bejana lagi yang berisi pendingin lain seperti nitrogen cair. Konstruksi ini kemudian digantung dengan batang tipis dalam wadah tertutup vakum. Catu daya dihubungkan ke kumparan magnet dan hanya digunakan ketika magnet perlu diberi energi. Magnet dipasang pada penyangga pasien, yaitu meja geser yang membawa pasien ke dalam medan magnet.

Kumparan gradien

• 3 Kumparan gradien adalah elektromagnet tipe resisten. Dalam sistem MRI, biasanya ada tiga set kumparan gradien. Setiap kumparan dibuat dengan menggulung strip tipis tembaga atau aluminium dalam pola tertentu. Kumparan diberi kekuatan dengan memasukkan epoksi ke dalam strukturnya. Ukuran gulungan ini menentukan lebar bukaan tempat pasien ditempatkan. Karena kumparan yang lebih kecil membutuhkan lebih sedikit energi, lebar ini harus cukup besar untuk mencegah klaustrofobia pada pasien tetapi cukup kecil untuk membutuhkan listrik dalam jumlah yang wajar. Kumparan gradien ini biasanya dilindungi untuk mencegah arus eddy yang mengganggu.

Sistem RF

• 4 Komponen elektronik sistem RF dapat disediakan oleh pemasok luar dan dirakit oleh pabrikan MRI. Komponen-komponen ini melekat pada kumparan RF, yang dibuat dengan desain yang bervariasi. Kumparan pemancar dan penerima terdiri dari jenis bahan yang sama dengan kumparan gradien. Mereka juga dibangun seperti magnet utama. Namun, mereka terdiri dari lingkaran bahan konduktor, seperti tembaga, yang dapat menciptakan medan magnet yang berosilasi. Salah satu jenis koil RF adalah koil permukaan, yang berbentuk lingkaran dan diterapkan langsung pada pasien. Jenis lainnya adalah koil pelana. Ini dapat dipasang langsung ke lubang magnet atau dibentuk menjadi kumparan sangkar burung dan ditempatkan tepat di dalam kumparan gradien. Setiap jenis kumparan dipasang pada sumber listrik.

Komputer

• 5 Komputer dipasok oleh produsen komputer dan dimodifikasi serta diprogram untuk digunakan dalam sistem MRI. Terlampir padanya adalah antarmuka pengguna, transformator Fourier, konverter sinyal, dan preamplifier. Perangkat layar dan printer laser juga disertakan.

Perakitan akhir

• 6 Masing-masing komponen MRI dirakit bersama dan ditempatkan ke dalam bingkai yang sesuai. Perakitan dapat dilakukan di pabrik atau di tempat, di mana sistem akan digunakan. Dalam kedua kasus, sifat magnet biasanya memerlukan tindakan pencegahan penanganan khusus, seperti mengangkutnya dalam kendaraan yang digantung di udara.

Kontrol Kualitas

Kualitas setiap sistem MRI yang diproduksi dipastikan dengan melakukan inspeksi visual dan listrik di seluruh proses produksi. Kinerja MRI diuji untuk memastikannya berfungsi dengan baik. Tes ini dilakukan di bawah kondisi lingkungan yang berbeda, seperti panas dan kelembaban yang berlebihan. Sebagian besar produsen menetapkan spesifikasi kualitas mereka sendiri untuk sistem MRI yang mereka hasilkan. Standar dan rekomendasi kinerja juga telah diusulkan oleh berbagai organisasi medis dan lembaga pemerintah.

Masa Depan

Fokus penelitian MRI saat ini adalah di bidang yang mencakup peningkatan resolusi pemindaian, pengurangan waktu pemindaian, dan peningkatan desain MRI. Metode untuk meningkatkan resolusi dan mengurangi waktu pemindaian melibatkan pengurangan rasio sinyal terhadap noise. Dalam sistem MRI, noise disebabkan oleh sinyal yang dihasilkan secara acak yang mengganggu sinyal yang diinginkan. Salah satu cara untuk menguranginya adalah dengan menggunakan kuat medan magnet yang tinggi. Desain yang ditingkatkan untuk sistem MRI juga akan membantu mengurangi gangguan ini dan mengurangi kebisingan yang terkait dengan elektromagnet. Di masa depan, pemindaian MRI waktu nyata harus tersedia.