Tietotekniikan osasto LUONNONTIETEET TIETOYHTEISKUNNASSA Magneettikuvantaminen Tuulia Salo 0276697
SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO 1 2. MAGNETTIKUVANTAMISEN HISTORIAA 1 3. MITEN MAGNEETTIKUVAT SYNTYVÄT? 2 3.1 Ydinmagneetit 2 3.2 Magneettinen resonanssi 3 4. MUUTAMIA MRI:N KÄYTTÖALUEITA 4 4.1 fmri, toiminnallinen magneettikuvaus 5 4.2 Tapaus shakki, äly vai kokemus? 7 4.3.Alzheimerin tauti ja MRI 8 4.4 Magneettikuvaus epilepsiassa 8 5. TURVALLISUUS 9 6. TULEVAISUUS 10
1. JOHDANTO Magnetic Resonance Imaging (MRI) on pääasiassa lääketieteessä käytetty kuvantamismenetelmä. Arkikielessä MRI:tä kutsutaan yksinkertaisesti magneettikuvaukseksi. Se perustuu ydinmagneettiseen resonanssi-ilmiöön, jonka avulla pyritään selvittämään molekyylien rakenteita. Magneettikuvauksen alkuaikoina MRI:stä käytettiinkin nimitystä NMRI, mutta 1970 luvulla N kirjaimesta ja nuclear sanasta luovuttiin markkinointi syistä, (Joutsenvaara & Remes, 2004 Magneettikuvantaminen MRI, s. 3) koska niistä saatu mielikuva viittasi ydinaseisiin ja ydinvoimaloihin, joissa tapahtuu vaarallisia hiukkasia tuottavia ydinreaktioita. NMR perustuu atomin ytimen magneettisiin ominaisuuksiin. NMR, Nuclear Magnetic Resonance, eli ydinmagneettisessa resonanssissa on kyse magneettisten, spinimpulssimomentin eli spinin omaavien atomien ydinten ja magneettikentän välisestä vuorovaikutuksesta. Tämä menetelmä antaa mahdollisuuden tutkia aineen kaikkia olomuotoja, muilla spektroskooppisilla menetelmillä ei niin voida tehdä. (Ruohonen Jyrki Termotrooppisten nestekiteiden tutkimuksia käyttäen 129Xe NMR-spektroskopiaa sekä hyperpolaroidun ksenonin tuottaminen, s. 7) 2. MAGNETTIKUVANTAMISEN HISTORIAA Fyysikot Felix Bloch ja Edward Purchell löysivät NMR-ilmiön vuonna 1946.( Collins Mikael el al.2002, MRI laitetekniikka, s. 3) He saivat Nobel palkinnon oivalluksestaan vuonna 1952. Näistä ajoista lähtien, aina 1970 luvulle sakka, NMR:ää kehitettiin ja käytettiin fysikaalisissa ja kemiallisissa molekyylianalyyseissa. Raymond Damadian tutkimuksissa selvisi, että normaalin kudoksen ja kasvaimen magneettiset relaksaatioajat erosivat toisistaan. Havainnon seurauksena alettiin pohtia ilmiön käyttämistä sairauksien diagnosoimiseen. Ensimmäinen magneettikuvaus oli vuonna 1973, jolloin Paul Lauterbur esitteli koeputkinäytteestä otettua magneettikuvaa.( Joutsenvaara & Remes, 2004 Magneettikuvantaminen MRI, s. 3) Vuonna 1977 kuvattiin ensimmäisen kerran
kokonainen ihmisruumis, silloin yhden kuvan tuottamiseen meni useita minuutteja. Kymmenen vuotta myöhemmin kuvausaika oli enää muutamia sekunteja, joten se soveltui yleiseen kliiniseen käyttöön. Lääkärit Suomessa ovat jo varhaisvaiheista asti olleet mukana magneettikuvauksen kehityksessä. Ensimmäinen MRI-kuvantamislaite hankittiin Turkuun vuonna 1987. Aluksi sillä tutkittiin aivoja, selkäydintä ja niveliä, mutta pian aloitettiin sydämen ja suurien verisuonien tutkimukset. Sydämen ja verisuonien magneettikuvaamista kehitetään edelleen intensiivisesti. 3 MITEN MAGNEETTIKUVAT SYNTYVÄT? Ihmisen kehosta noin 70 % on vettä. ja vety on osana vesimolekyylia, mikä vuoksi käytännön magneettikuvaus perustuu kudoksissa olevien vetyatomien eli protonien sekä magneettikentän vuorovaikutukseen. Magneettikuvauksessa käytetään hyväksi voimakasta magneettikenttää sekä matalaenergistä radiotaajuista sähkömagneettista säteilyä, joiden avulla kuva muodostetaan. 3.1 Ydinmagneetit Valtaosa magnetismista on elektronien aiheuttamaa. Monien atomien muun muassa vety atomien ytimet ovat heikosti magneettisia, jolloin tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää magneettikuvauksissa. Vetyatomien ytimet ovat useimmiten pelkkiä protoneja, joiden halkaisija on femttometri, 10-15. Protonien magnetismi syntyy siitä, kun ne pyörivät akselinsa ympäri kuin pienet hyrrät, kuvio 1. Näin syntyvä kenttä on melko mitätön ja niiden magneettikenttien suunnat ovat satunnaiset, joten nettomagnetismi on nolla, kuvio 2, mutta kun pyörivät protonit pannaan voimakkaaseen magneettikenttään, tilanne muuttuu. 2
Kuva 1 Kuvio 1 Protonit pyörivät akselinsa ympäri Kuvio 2 Magneettikentät satunaisia Kuvio 3 Pikkumagneetit kentän suuntaisia Kun kuvattava on MRI magneetin vaikutuksessa, protonien pikkumagneetit yrittävät asettua kentän suuntaisiksi tai kentän vastaisesti, riippuen siitä onko spinin omaavilla ytimillä korkea tai matala energiatila, kuvio 3. (Jukka Jauhiainen OAMK Tekniikan yksikkö, 2001 Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin, s. 6)Kentän suuntaan osoittavien protonimagneettien määrä on hieman suurempi kuin vastakkaiseen suuntaan olevien määrä. Näin kentässä on hienoinen nettoylimagnetoituminen. Poikkeama ei ole suuri, mutta kuitenkin sitä on tarpeeksi, jotta MRI menetelmällä sitä voidaan kuvata. (Livingston James, 1997, Käyttövoima Magneettien luonnollinen magia, s. 209) 3.2 Magneettinen resonanssi Kuvio 4 näyttää miten atomien netttomagnetoituminen on asettunut ennen kuin radiotaajuinen ulkoinen magneettikenttä on johdettu kuvattavalle alueelle. Nettoydinmagnetoituminen on likimain samansuuntainen kuin staattinen kenttä, mutta se prekessioi,( Lehtovuori Viivi 2005 Magneettinen resonanssi, s. 8) eli vaappuu säännöllisellä tavalla. Nettomagnetisoitumisen prekession nopeus riippuu yksittäisten protonien magneettisuudesta ja ulkoisen kentän voimakkuudesta. Yhden Teslan kentässä protoni prekessioi 42,57 MHz radiotaajuudella. Lyhyen radiotaajuisen kentän jälkeen nettoydinmagnetoituminen kääntyy kohtisuoraan ulkoista magneettikenttää vasten, kuvio 5. Kun radiotaajuinen kenttä lakkaa vaikuttamasta, protonien magneettinen suunta kääntyy nopeasti takaisin alkuperäiseen asentoonsa ja spinsysteemi palautuu aiempaan tasapainotilaansa. Tähän siirtymään kuluvaa aikaa kutsutaan 3
relaksaatioajaksi. Palautusliike indusoi samalla näytteen ympärillä olevaan kelaan heikon sähköjännitteen, joka voidaan vahvistaa ja havaita. Tätä NMR-signaalia kutsutaan FIDiksi (Free Induction Signal). (Ingman Petri NMR nuclear magnetic resonance, s.1)kuviossa 6 nähdään radiotaajuiseen käämiin indusoitunut virran muoto. (Lehtovuori Viivi 2005 Magneettinen resonanssi, s. 51) Staattinen kenttä Staattinen kenttä Kuvio 4 Kuvio 5 Kuvio 6 Magneettikuvauksessa kerätään nopeasti suuri määrä tietoa, joka käsitellään digitaalisen signaalikäsittelyin, ennen Fourier-muunnosta, kehon eri kohdat lähettävät eri taajuisia sini-muotoisia signaaleja, jotka summautuvat toisiinsa.. Alkuperäinen MR signaali, värähtelee ajan mukaan ja Fourier muunnoksella selvittää mitä taajuuksia tietyissä signaaleissa on. Lopulta siitä saadaan muodostettua silmin nähtävä kuva. 4. MUUTAMIA MRI:N KÄYTTÖALUEITA Magneettikuvausta voidaan käyttää lähes kaikkien kehonosien kuvaamiseen. Sisäelimet: sydän, maksa, munuaiset ja lantion alueen rakenteet näkyvät magneettikuvauksen hyvän pehmytosaerittelykyvyn vuoksi erinomaisesti. Erityisesti se sopii selkärangan, selkäytimen ja välilevyjen tutkimiseen. Nivelten kulumavikojen aiheuttamat muutokset, sekä kaularankaperäiset hartia- niska, ja käsioireet ovat hyviä magneettikuvauskohteita. Magneettiangiografialla eli verisuonikuvauksella korvataan osa niistä röntgenkuvista, joissa tarvittaisiin varjoaineiden käyttöä.( Kaila Kai Neurobiologia Silta fysiikasta 4
psykologiaan http://www.tsv.fi/ttapaht/986/sisalto.html 23.10.2005) Verisuonet näkyvät magneettikivassa, koska magneettikuvaus pystyy havaitsemaan veren virtauksen. Verisuonikuvauksessa nähdään muun muassa aivo- ja kaulasuonten ahtaumat, pullistumat ja verisunten epämuodostumat. Magneettispektroskopia menetelmällä voidaan tutkia sydänlihaksen paikallista aineenvaihduntaa. Kuvio7 Aivojen alueen verisuonia kuvattu magneettikuvauksella Eniten magneettikuvausta käytetään kuitenkin aivojen tutkimuksessa. Tällä menetelmällä saadaan yksityiskohtaisempia kuvia aivoista kuin millään muulla kuvantamismenetelmällä. Se soveltuu kaikkien aivoperäisten oireiden ja sairauksien tutkimiseen 4.1 fmri, toiminnallinen magneettikuvaus fmri (functional Magnetic Resonence Imaging), toiminnallinen magneettikuvaus on kehittynyt viimeisen vuosikymmenen aikana yhdeksi tehokkaimmista aivojen toiminnan kuvastamismenetelmistä. Se perustuu veren happipitoisuuden muutoksin (Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD)( Tietoyhteys 1/2005, s. 21) eli happi kertyy aivojen kiihtyneelle toiminnan alueelle. 5
Kuvio 8 Yllä olevassa kuvasarjassa kuvio 8, on havaittavissa kuinka aivojen aktivoituessa niiden hapenkulutus kasvaa ja fmr kuvauksella voidaan havaita aivojen aktiiviset alueet. (Laine Matti, 2003 Kliininen neuropsykologia, s. 36-38) Kliinisellä puolella fmri:tä voidaan hyödyntää muun muassa aivohalvauksen, epilepsian ja aivokasvainten tutkimisessa. Magneettikuvauksen tarkkuuden lisäksi sen etuna on, että monenlaisia tutkimuksia voidaan suorittaa ilman leikkauksia. Toiminnallisen magneettikuvauksen signaali perustuu paikallisen verenkierron muutoksiin, ja ne taas perustuvat hermostollisen aktiivisuuden muutoksiin. Vielä ei varmuudella tiedetä, kuinka hermoston toiminta, verenkierron muutokset ja BOLD (Veren happipitoisuudesta riippuva vastaavuus) liittyvät toisiinsa. Toiminnallinen magneettikuvaus avaavat uudenlaisen ikkunan aivojen hermostollisen toiminnan tarkasteluun. fmri tekniikassa hyödynnetään veren magneettisten ominaisuuksien muutoksia hemoglobiinin happipitoisuuden mukaan. Koska aivokudoksen hapenkulutus muuttuu sen aktiivisuusasteen kanssa, voidaan fmrimenetelmällä havaita aktiiviset eli runsaasti happea käyttävät aivoalueet. Tämä menetelmällä on mahdollistanut myös terveiden aivojen toiminnan seuraamisen reaaliaikaisesti 6
Aivotutkimuksen merkillisimpiä piirteitä on se, että tutkija ja tutkimuskohde ovat yksi ja sama. Neurobiologien piirissä usein toistettuun ajatukseen lienee helppo yhtyä: me emme voi ymmärtää maailmaa ellemme ymmärrä aivojemme toimintaa, sanoo Kai Kaila, akatemiaprofessori Helsingin yliopiston Biotieteiden laitokselta. Kuvio 9 Matalakenttäisellä magneettikuvauslaitteella otettuja magneettikuvia ihmisen päästä. (Haataja el al. 2002, Laskennallinen tuotekehitys Suunnittelun uusi ulottuvuus, s. 71) 4.2 Tapaus shakki, äly vai kokemus? Aivojen toimintaa kuvattiin shakkiongelmien ratkaisun aikana. Aivoja magneettikuvauksella tutkittaessa todettiin, että muistialueet aktivoituivat enemmän kuin laskeminen ja analysointiin tarvittavat alueet. Tästä tehtiin johtopäätös, että shakkipelissä ratkaisee enemmän kokemus kuin älykkyys. Tätä tutkittiin myös leikkimielisesti Helsingissä Shakin päivänä tammikuussa, jolloin älykköjen, älykkyysosamäärä 132 tai enemmän, joukkoa verrattiin kokeneiden pelaajien joukkoon, testin tuloksena oli - niukasti kokeneiden voitto.( http://www.aivoviikko.fi/shakki.htm 23.10.2005) 7
4.3.Alzheimerin tauti ja MRI Magneettiresonanssikuvauksella saadaan tarkkaa tietoa aivojen anatomiasta mittaamalla magneettikentän ja aivokudoksen vety-ytimien välisistä vuorovaikutuksista. Kuvat esitetään tavallisesti tasomaisina leikekuvina, joista voidaan tarvittaessa erottaa vaikkapa verisuonet tai aivot, käyttämällä jälkikäsittelyä. Kuvista voidaan myös muodostaa kolmiulotteisia kuvia, sekä matemaattisia malleja. Jälkikäsitellyistä magneettikuvista laskettu kolmiulotteinen yksittäisiä kuva animaatioita, joissa edetään ihon pinnalta aivojen rakenteeseen. Kuvio 4 kurkistus kallon sisälle. Kuvan on tehnyt HYKSin Radiologian klinikan 1,5 teslan MRI-kuvauslaitteella saaduista leikekuvista DI Eero Salli. Vaalea piste osoittaa MEG-paikannustulosta. (Ilmoniemi Risto Aivojen rakenne ja toiminta http://www.biomag.hus.fi/braincourse/l1.html 23.10.2005) 4.4 Magneettikuvaus epilepsiassa Epilepsiadiagnostiikassa magneettikuvaus on osoittautunut tarkaksi ja monipuoliseksi tutkimusmenetelmäksi Sillä voidaan tehdä sellaisia huomioita, jotka jäävät näkymättä muilla menetelmillä. (http://www.puijonmagneetti.fi/artikkeli/mrepilepsia.htm) Neurokuvantamisella on tarkoitus löytää sellainen rakenteellinen poikkeavuus, joka todennäköisesti aiheuttaa epileptisen kohtauksen Magneettikuvaus on käytännössä 8
syrjäyttänyt tietokonekonetomografian epilepsiapotilaiden aivojen kuvausmenetelmänä, koska se on osoittautunut selvästi herkempi menetelmä vaurioiden diagnosoinnissa. Magneettikuvauksella voidaan tutkia aivojen sekä normaalia että patologista toimintaa. Tähän soveltuu erityisen hyvin magneettikenttien mittaamiseen perustuva Megmenetelmä. Se antaa mahdollisuuden laskea aika tarkasti, missä mitattu sähköinen toiminta sijaitsee. Se voi olla vaikka jonkin yksinkertaisen näkö- tai kuulohavainnon aikaansaama aivotoiminta näkö- tai kuuloaivokuorella. Lähde saattaa olla myös jonkin sairauden aiheuttama, esimerkiksi epilepsia tai poikkeuksellisen voimakas sähköinen toiminta aivoissa. Sähköisen toiminnan lähde voidaan paikantaa myös EEGmittauksilla, mutta paikannusongelma on merkittävästi monimutkaisempi EEG:n avulla, kuin MEG:llä tehtynä. Magneettikenttä läpäisee kallon ja päänahan helposti ja muuttamattomana. Biomagneettisten tutkimusmenetelmien MEG ja MKG tärkeimpiä sovelluksia ovat epilepsiakeskusten ja sydämen rytmihäiriöiden paikantaminen. Näiden leikkaushoidon onnistumiselle on välttämätöntä paikallistaa viallinen paikka millimetrin tarkkuudella. Jos paikannus on virheellinen, sen seurauksena aivoleikkauksessa saatetaan vahingoittaa tervettä, aivotoiminnolle keskeistä aivoaluetta ja potilas voi vammautua. Lähteen paikannuksen tarkkuusvaatimus luo ongelmasta haasteen, sekä matemaattiselle mallintamiselle ja myös ongelman numeeriselle ratkaisemiselle. Potilaan aivojen muoto saadaan selville magneettikuvauksella. 5. TURVALLISUUS Nykyisin ei ole vielä tiedossa, että magneettikentällä olisi haitallisia vaikutuksia ihmisen elimistölle, joten se on tämänhetkisen käsityksen mukaan huomattavasti turvallisempi tutkimusmuoto kuin tietokonetomografia tai PET eli positroniemissiotomografia, jossa tutkittavan verenkiertoon ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta jonka kulkeutumista seurataan kameralla. Magneettikuvauslaitteessa on 9
ärsytyskynnyksen ylittäviä pientaajuisia kenttiä, sekä suuri staattinen magneettikenttä, jolle käytännössä voi altistua.. Lisäksi magneettikuvauslaitteen aiheuttama radiotaajuinen altistus on huomattavan suuri. Ei ole olemassa kiistatonta todistusaineistoa siitä miten pitkäaikainen voimakas magneettikenttä vaikuttaa biologisesti. Lyhytaikaisista vaikutuksista voi mainita mm kudosten lämpeneminen, mutta ne ovat ohimeneviä, eikä niistä aiheudu kuvattavalle haittaa. Muusta ytimiin liittyvistä ilmiöistä poiketen tähän ei liity ionisoivaa säteilyä, joten MRI ei ole tiettävästi terveydelle vaarallista. Nykyisillä kuvauslaitteilla. Kuvattaessa staattisen magneettikentän suurin vuontiheys on tyyypillisesti1,5 teslaa. eikä sitä ei pidetä lyhytaikaisessa altistuksessa terveydelle haitallisena.( Servomaa, Parviainen, 2001 Säteilyturvallisuus ja laatu röntgendiagnostiikassa, s.13) 6. TULEVAISUUS MRI on edelleenkin nuori ja jatkuvasti kehittyvä tieteen ala, mistä osoituksena ovat 2003 Paul C. Lauterbur ja Sir Peter Mansfieldille myönnetyt lääketieteen Nobel palkinnot heidät panoksestaan MRI:n kehittymisessä.( Joutsenvaara & Remes, 2004 Magneettikuvantaminen MRI, s. 3) 2003 maailmassa oli noin 10 000 MRI kuvausyksikköä ja arviolta 75 miljoonaa magneettikuvaa otetaan joka vuosi. Magneettitutkimus on korvaamassa vanhoja menetelmiä, kuten diagnostisia verisuonten varjoaineröntgenkuvauksia, verisuonten kuvantamista tehosteaineen avulla sekä sappija virtsatiekuvauksia. Magneettikuvauksen kehittäminen siis jatkuu ja sen mahdollisuudet kasvavat. Lähitulevaisuudessa odotetaan, että magneetti-,tietokonetomografia- ja ultraäänilaitteita kehitetään ja niiden sovellutukset lisääntyvät. Kuvantamistoiminnan kehitys vaatii lähivuosina investointeja, mutta siitä saadaan säästöjä jo muutamassa vuodessa. (Impakti 4/2001 radiologian teemanumero, s 4) 10
Lähteet: Collins Mikael el al.2002, MRI laitetekniikka Haataja el al. 2002, Laskennallinen tuotekehitys Suunnittelun uusi ulottuvuus s. 70-78 Ilmoniemi Risto Aivojen rakenne ja toiminta http://www.biomag.hus.fi/braincourse/l1.html 23.10.2005 Impakti 4/2001 radiologian teemanumero, s 4 Ingman Petri NMR nuclear magnetic resonance http://users.utu.fi/pingman/icentre/nmrintro.pdf 23.10.2005 Jauhiainen Jukka OAMK Tekniikan yksikkö, 2001 Suppea johdatus magneettikuvauksen perusteisiin, s. 6, 17 Joutsenvaara & Remes, 2004 Magneettikuvantaminen MRI,s. 3-10 Kaila Kai Neurobiologia Silta fysiikasta psykologiaan http://www.tsv.fi/ttapaht/986/sisalto.html 23.10.2005 Laine Matti, 2003 Kliininen neuropsykologia Lehtovuori Viivi 2005 Magneettinen resonanssi, s 8, 51 Livingston James, 1997, Käyttövoima Magneettien luonnollinen magia s 209. Ruohonen Jyrki Termotrooppisten nestekiteiden tutkimuksia käyttäen 129Xe NMRspektroskopiaa sekä hyperpolaroidun ksenonin tuottaminen, s 7 Servomaa, Parviainen, 2001 Säteilyturvallisuus ja laatu röntgendiagnostiikassa, s. 13 Tietoyhteys 1/2005, s 21 http://www.aivoviikko.fi/shakki.htm 23.10.2005 http://www.puijonmagneetti.fi/artikkeli/mrepilepsia.htm 11