Pusulanın keşfi kadar önemli: manyetik rezonans görüntüleme ve fonksiyonel MRG
Nasıl ki dünyanın manyetik alanından yararlanan pusulanın 12. yüzyılda keşfi yeni kıtaların bulunmasını sağlayarak dünya tarihini değiştirmişse, su moleküllerinin içinde bulunan hidrojen atomunun manyetik alana verdiği tepkiyi ölçen manyetik rezonans görüntüleme de organlarımızın detaylı yapısını ve nasıl çalıştığını bulmamıza sağladığı büyük katkılarla tıbbın tarihini değiştirmiştir.
Manyetik rezonans görüntülemenin (MRG) kısa bir tarihi
Nikola Tesla (1856 – 1943), dönen manyetik alanı keşfetti. Bu fizikte temel bir keşiflerden biridir.
1956'da Tesla Birimi, Uluslararası Elektroteknik Komisyon-Eylem Komitesi tarafından Münih Rathaus'da ilan edildi. Tüm manyetik rezonans görüntüleme (MRG) makineleri "Tesla Birimleri" içinde kalibre edilmiştir. Bir manyetik alanın kuvveti Tesla veya Gauss birimlerinde ölçülür. Manyetik alan, yani mıknatıs ne kadar güçlü olursa, vücudun atomlarından çıkarılan radyo sinyallerinin gücü o kadar artar ve bu sayede MR görüntülerinin kalitesi de o kadar yüksek olur; ayrıca MR çekim hızı artar ve çekim süresi belirgin şekilde kısalır. 1.5 Tesla, 3 Tesla eMaR gibi terimleri birçoğumuz duymuş olabilir. MRG cihazının manyetik gücünü ifade etmektedir bu birimler.
• Düşük alanlı MRG = 0.2 Tesla altında
• Orta alan MRG = 0.2 ila 0.6 Tesla
• Yüksek alanlı MRG = 1.0 ila 1.5 Tesla
• Çok yüksek alanlı MRG = 3 ve 7 Tesla
Not: 12 Ekim 2017'de FDA, ilk kez olarak 7 Tesla MRG kullanımına onay vermiştir. Aşağıdaki şekilde 3 ve 7 Tesla MRG çözünürlük farkını görebilirsiniz.
New York, Columbia Üniversitesi'nde çalışan Profesör Isidor I. Rabi, 1937'de nükleer manyetik rezonans (NMR) olarak adlandırılan kuantum fenomenini gözlemledi. Atom çekirdeğinin, yeterince güçlü bir manyetik alana maruz bırakıldığında radyo dalgalarını emerek veya yayarak varlıklarını gösterdiğini anladı. Profesör Isidor I. Rabi, çalışmaları için Nobel Ödülü aldı.
Brooklyn'in Downstate Tıp Merkezi'nde çalışan doktor Raymond Damadian, kanserli dokudaki hidrojen sinyalinin sağlıklı dokudan farklı olduğunu keşfetti. Çünkü tümörler daha fazla su içermektedir. Daha fazla su daha fazla hidrojen atomu demektir. MRG makinesi kapatıldığında, kanserli doku, sağlıklı dokudan daha uzun süreli radyo dalgası yaymaktadır. MR görüntülemede kanserli ve normal dokunun birbirinden farklı görünmesinin altında yatan mekanizma budur.
New York Eyalet Üniversitesi'nde kimyager olan Paul Lauterbur, 1973'te ilk manyetik rezonans görüntüsünü üretti. İlk insan MR taraması ise 3 Temmuz 1977'de yapıldı.
MR nasıl çalışır?
Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG), nükleer manyetik rezonans ilkesini kullanarak insan vücudunun görüntüsünü oluşturan tıbbi bir tanı tekniğidir. İnsan vücudunun herhangi bir bölümünün herhangi bir açıdan ve yönden ince kesit görüntülerini oluşturabilir. Bunu vücudu güçlü bir elektromanyetik alana maruz bırakarak gerçekleştirir.
Nasıl ki bir pusulanın içindeki küçük mıknatıs çubuklar, dünyanın manyetik alanına göre yönünü değiştiriyorsa; vücudumuzda her hücremizin içinde yoğun miktarda bulunan su moleküllerinin içindeki hidrojen atomunun protonları da güçlü manyetik alanın etkisi ile küçük biyolojik mıknatıs çubuklar gibi davranır. Proton, temel manyetik özelliklere sahiptir.
MR görüntüsü 4 aşamada elde edilir:
1. Vücut, sabit bir manyetik alana yerleştirilerek, insan vücudunda kararlı bir manyetizma durumu yaratır.
2. Protonların yönünü belli bir düzende değiştirmek için MRG cihazı vücuda radyo dalgaları gönderir.
3. MRG cihazı radyo dalgalarını durdurur ve vücudun elektromanyetik iletimini kaydeder.
4. İletilen sinyal, bilgisayarlı tomografi ile vücudun iç görüntülerini oluşturmak için kullanılır.
Aşağıdaki şekilde, aynı kişiye ait bel bölgesinin klasik röntgen, bilgisayarlı tomografi ve MRG görüntülerini karşılaştırbilirsiniz
MR görüntüsü bir fotoğraf değildir. Aslında, insan vücudu tarafından yayılan radyo sinyallerinin bilgisayarlı bir haritası veya görüntüsüdür. Klasik bilgisayarlı tomografide radyasyon kullanılır, fakat MR, zararlı olmayan radyo dalgaları kullanır. MRG’de dikkat edilmesi gereken en önemli durum, dev bir mıknatısın içine girileceği için metal nesnelerin tarama alanının dışında bırakılmasıdır. Ayrıca kredi kartları gibi eşyalar da MR tarafından hasar görebilir, çünkü manyetik kodlar MRG mıknatısından etkilenebilir.
Manyetik Rezonans Görüntüleme, yumuşak dokunun (özellikle beyin, omurilik, karın bölgesi organları ve kas doku) görselleştirilmesi için tercih edilen prosedür olarak medikal görüntüleme pazarında güçlü bir tanı aracıdır. MRG endüstrisi yılda 2.000'in üzerinde cihaz üretim yapmaktadır.
Nörologlar, merkezi sinir sistemi (beyin ve omurilik) hastalıklarının doğru teşhisi için büyük oranda MRG'ye bağımlı olan tıp uzmanlık alanlarından biridir. MRG teknolojisine dayanan diğer tıbbi uzmanlık alanları beyin cerrahları ve ortopedi uzmanlarıdır. Ayrıca kanser tıbbında, özelikle beyin, karaciğer ve kemikte bulunan tümörlerin veya metastazların görüntülemesinde MRG, diğer görüntüleme yöntemlerinden daha üstündür.
MR ile görüntü işlemede son nokta: Fonksiyonel MRG (fMRG)
80’li yılların sonlarına doğru MRG, hastanelerde ve laboratuvarlarda kastan beyne çeşitli dokuların anatomik görüntülenmesinde standart haline geldi. Fakat MRG, organların sadece çok iyi bir anatomik görüntüsünü veriyordu, fonksiyonu hakkında bilgi vermiyordu. Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) gibi, dokuların fonksiyonları hakkında bilgi verme özelliğine sahip cihazlar ise kan dolaşımına madde enjekte edilmesini gerektiriyordu.
90’larda Seiji Ogawa ve arkadaşları MRG’yi; beyinde fizyolojik aktiviteyi açığa vuran ve nispeten ucuz olan bir görüntüleme biçimine dönüştüren, beyin ve davranış incelemesinde bir devrimi başlatan bir dizi buluş yayınladılar.
Ogawa ve arkadaşları yıllar önce yapılan gözlemler kaynaklanan 2 fizyolojik olaydan faydalandı. İlk olarak, Charles Roy ve Charles Sherrington, 1890'da beynin metabolik aktivitesinin beynin kan dolaşımı ile bağlantılı olabileceğini öne sürmüştü. Daha sonraki çalışmalarda daha hassas bir görüş ortaya çıkmıştır: Damar sistemi, artan nörolojik aktivitenin olduğu bölgelere oksijenli kan getirmek için daha hassas davranır. Yani beynin çalıştığı bölgeye daha fazla oksijen ulaştırmak için beyin damarları değişikliğe uğrar. İkincisi, Linus Pauling ve Charles Coryell 1936'da hemoglobinin oksijenli ve oksijensiz formlarında farklı manyetik özelliklere sahip olduklarını bildirmişlerdir. Bu iki düşünceden yola çıkan Ogawa ve arkadaşları, 90’larda yayımlanan üç makale ile fonksiyonel manyetik rezonansın organların aktivitesinin nasıl tespit edilebileceğini gösterdi.
Tüm vücudumuzda oksijen organlara, kırmızı kan hücreleri olan eritrositlerin içindeki hemoglobin proteini ile taşınır. Temiz kanda hemoglobinler oksijenli halde iken, kirli kanda hemoglobinlerin taşıdığı oksijen miktarı düşüktür ve kan hücrelerinin oksijen seviyelerine bağlı olarak fonksiyonel MRG’de farklı görüntü oluşmaktadır. Bu etkiye blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) kontrast denmektedir. Ogawa ve ekibi bu kontrastı ölçerlerse beyin aktivitelerini takip edebileceğini düşünüyordu ve fareler üzerinde yaptıkları deneyde, beynin aktif bölgelerinde su moleküllerinden gelen proton sinyalinin değiştiğini ve bunun da görüntülenebildiğini gösterdiler.
Bu çığır açan ilke kanıtından 2 yıl sonra, 3 bağımsız grup (Ogawa’nın ekibi dahil), neredeyse eş zamanlı olarak, insan beyninde BOLD kontrast değişikliklerini gösterdiler.
fMRG çekimi sırasında fotoğraf gösterilen kişide beynin okspital (arka) bölgesi aktif gözükürken, parmağını oynatması istendiğinde frontal lop ile parietal lobun birleşim yerindeki motor korteks (yan-üst bölge) aktif gözükür.
fMRG alanında dünyanın en önde gelen araştırmacılarından biri de İzmir Tire doğumlu Prof. Dr. Kâmil Uğurbil'dir. 27 yaşında profesör ünvanına layık görülen Kamil Uğurbil, halen ABD Minesota Üniversite'sinde yaklaşık 30 yıl önce kurduğu bölümün başındadır. Ülkemizde nörobilim toplantılarına da katılıp konferanslar veren Uğurbil, fMRG'nin günümüzde ulaştığı nokta hakkında bir konuşmasında şöyle demiştir: "MR makinesine giren bir kişiye bir ses dinletiliyor, diyelim ki kuş sesi. Bunun ne sesi olduğunu biz dışardan bilmiyoruz. Bizim bulduğumuz teknolojiyle içerideki kişinin ne duyduğunu beyinde ölçümlediğimiz değişimler sayesinde bire bir olmasa da çok büyük ölçüde anlayabiliyoruz. Benzer şekilde düşünce gücüyle çalışan robot elle felçli kişilerin temel ihtiyaçlarını karşılayabilmelerine olanak sağlıyoruz.”
Seiji Ogawa ve Kamil Uğurbil, fMRG alanında yaptıkları çalışmalarla, gelecekte Nobel Ödülü alabilecek isimler arasında gösterilmektedir.
BOLD kontrast görüntüleme, ya da yaygın kullanım adıyla fonksiyonel MRG, bilişsel nörobilimin temel dayanağı haline geldi. Beyin aktivitelerini oldukça yüksek çözünürlüklü ölçmek ulaşılabilir bir seçenek oldu. Çözünürlük aynı zamanda gelişmiş MRG donanımı, teknikleri ve analiz metotlarıyla geliştirildi. İnsanın görsel beyin fonksiyonlarının ayrıntılı bir şekilde tanımlanmasından, yüz tanıma, empati ve benlik bilinci (öz farkındalık) gibi yüksek bilişsel işlevlere katkısı olan fMRG tarafından ortaya konan olasılıklar nörobilim dünyasını büyülemeye devam etmektedir.
1. A Short History of the Magnetic Resonance Imaging (MRI).
teslasociety.com
2. Ogawa S, Menon RS, Kim SG, Ugurbil K.
On the characteristics of functional magnetic resonance imaging of the brain.
Annu Rev Biophys Biomol Struct. 1998.
3. Kâmil Uğurbil.
Development of functional imaging in the human brain (fMRI); the University of Minnesota experience.
Neuroimage. 2012.