Razotkrivanje misterija organizma: kako funkcionira MRI?

• MRI (Magnetna rezonancija) koristi snažne magnete i radio talase za generiranje detaljnih slika unutrašnjih struktura tijela. 
• Kada je osoba smještena unutar MRI aparata, magneti stvaraju homogeno magnetsko polje oko nje, koje usmjerava atome vodika u tijelu da se usaglase sa magnetskim poljem. 
• Kada se primjenjuju radio talasi, atomi vodika emitiraju energiju koja se detektuje i koju obrađuje kompjuter, omogućavajući stvaranje detaljnih slika unutrašnjih organa i tkiva tijela.

Nevjerovatna snaga naučnih otkrića leži u mogućnosti prodiranja u nepoznate i neistražene teritorije, obasjavajući ono što nam se prividno čini nevidljivim. Magnetna rezonanca (MRI) predstavlja most prema onom nevidljivom, otkrivajući nam tajne unutrašnjosti ljudskog tijela. 

MRI (eng. magnetic resonance imaging) predstavlja tehnologiju zahvaljujući kojoj se stvaraju slike unutrašnjosti organizma. Pomažu liječnicima u dijagnozama različitih bolesti kao što su tumori, abnormalnosti mozga, srca i drugih organa. Iza svega toga krije se moć jednog fizikalnog fenomena, a to je nuklearna magnetna rezonancija. 

Ali, što to tačno čini MRI tako efikasnim i kako funkcionira nuklearna magnetna rezonancija?

Najjednostavnije bi bilo reći da je uređaj za MRI jedan veliki magnet. Svaki magnet, koji se sastoji od dva pola, u prirodi oko sebe stvara magnetno polje. Kada kažemo “polje”, u kontekstu fizike mislimo na prostor u kojem kada se nalazi neko tijelo počne djelovati na njega sila. U našem slučaju govorimo o sili magnetnog polja i magnetnom polju. 

Šta je to magnetno polje?

Vizuelno možemo to polje predstaviti zatvorenim linijama koje izvan magneta izlaze iz sjevernog magnetnog pola, a ulaze u južni magnetni pol. Kako gotovo sve fizikalne veličine u fizici imaju svoje mjerne jedinice, tako ni magnetno polje nije izuzetak tome. 

Osnovna mjerna jedinica je Tesla (oznaka: T). Mi i planetu Zemlju možemo gledati kao magnet s dva magnetna pola – sjeverni i južni. Jačina magnetnog polja Zemlje iznosi približno 0,00006 T. Usporedbe radi, u medicinskim istraživačkim klinikama se koriste magneti jačine od 1,5 do 3 T, omogućujući preciznost i detaljnost u dijagnostičkim postupcima. 

Iduće pitanje koje dolazi prirodnim tokom bilo bi kako nastaje magnetno polje? Ako gledamo same osnove, ne ulazeći previše duboko u priču, atomi se sastoje od jezgre (u kojoj se nalaze protoni – pozitivno nabijene čestice i neutroni – neutralne čestice) i elektronskog oblaka (u kojem se nalaze negativno nabijene čestice – elektroni).

Eksperimentalno je dokazano da kretanjem nabijenih čestica (npr. elektrona ili protona) dolazi do formiranja magnetnog polja. No, pored toga što bi se naša promatrana nabijena čestica kretala, ona će biti poput planete Zemlje koja osim što se kreće oko Sunca, rotira i oko svoje ose. Tako se i čestica prilikom kretanja u odnosu na neku vanjsku tačku kreće i oko svoje ose. Ova osobina čestica se naziva spin, koja ima važnu ulogu u radu MRI.

U normalnim vanjskim uslovima jezgra atoma može da rotira u posve različitim smjerovima, a samim tim bi i nastala magnetna polja bila različito orijentirana. To se mijenja ako atome postavimo u nekom vanjskom magnetnom polju. Tada će se svi atomi posložiti tako da njihovo magnetno polje bude u istom smjeru sa vanjskim (paralelno) ili bude u suprotnom smjeru (antiparalelno). U prirodi ćemo se češće susresti s paralelnom raspodjelom jer bi okretanje u suprotnom smjeru zahtjevalo veće ulaganje energije.

Ta razlika u energetskom stanju je slična razlici između hodanja po ravnom terenu i penjanja uzbrdo. Kao što je hodanje uzbrdo zahtjevnije od hodanja po ravnom tlu, tako i postizanje antiparalelnog položaja u vanjskom magnetnom polju zahtjeva dodatan napor jezgri atoma. Što je jače vanjsko magnetno polje (strmina brda), to je razlika u energetskom stanju veća.

Jezgre vodika ključne

Kao rezultat MRI dijagnosticiranja, dobijaju se slike unutrašnjosti tijela na osnovu koje stručnjaci dolaze do određenih zaključaka. Razlog zbog kojeg smo u mogućnosti dobiti taj konačni produkt je ustvari jedan fenomen u fizici, a to je nuklearna magnetska rezonancija. Bit ove rezonancije leži u sposobnosti jezgri atoma, posebice vodika, da apsorbiraju elektromagnetno zračenje određene energije. 

Kada se atomske jezgre postave u vanjsko magnetno polje, događa se rezonancija kada ih pogode primjerice radiovalovi čija energija odgovara razlici energija paralelnog i antiparalelnog položaja. U tom trenutku, jezgre privremeno preuzimaju tu energiju, okrećući se u antiparalelan položaj. No ključna karakteristika leži u tome da, nakon isključivanja elektromagnetske zrake, jezgre se vraćaju u paralelan položaj pri čemu emituju višak apsorbirane energije. 

Ovaj proces nam omogućuje da precizno mapiramo raspored jezgri u tijelu i na taj način onda nastaju detaljne slike iz kojih se mogu dobiti informacije o unutrašnjim strukturama organa i tkiva.

Kako se se sva ta fizika zapravo koristi u MRI dijagnostici? 

MRI uređaj je sastavljen od mnogo različitih oblika magneta, izvora radiotalasnog zračenja i detektora. Magneti stvaraju magnetno polje unutar kojeg se smješta pacijent. Na ciljani dio tijela se usmjerava radiotalasno zračenje. Podešavanjem frekvencije zračenja se teži postići rezonancija s atomima vodika u tijelu pacijenta (nalazimo ih najviše u vodi, mastima, tkivima organizma), odnosno jezgre atoma vodika koji privremeno mijenjaju svoje položaje. 

Nakon isključenja zračenja, atomi se vraćaju u prvobitne položaje prilikom čega emituju zračenje koje detektor prikuplja. Računar zatim obrađuje ove signale i pretvara ih u detaljne slike koje liječnici koriste za uspostavljanje dijagnoza.

Da li je MRI siguran?

Unatoč impresivnoj dijagnostičkoj moći, mnoge je strah ove tehnike, prvenstveno zbog upotrebe zračenja. Stoga je bitno naglasiti da je MRI posve siguran. Radiotalasno zračenje koje se koristi prisutno je inače svakodnevno svuda oko nas i prolazi kroz ljudsko tijelo bez ikakvih štetnih posljedica.

Važno je razumjeti da radiotalasno zračenje pripada elektromagnetnom spektru koji obuhvaća različite vrste elektromagnetnih valova, raspoređene prema njihovim frekvencijama i energijama. Radiotalasno zračenje, koje se koristi u MRI, nalazi se u najnižem dijelu elektromagnetskog spektra. Takvi valovi imaju nisku energiju i stoga nisu štetni za stanice živih bića, a ne postoji rizik od promjene genetskog materijala. Za razliku od UV zračenja, koje se nalazi u višim dijelovima spektra, pa može dovesti do negativnih posljedica na živim organizmima. Stoga je upotreba radiotalasnog zračenja potpuno sigurna u medicinske svrhe.

Ova tehnologija koristi niske razine energije radiotalasnog zračenja kako bi omogućila dobivanje detaljnih slika unutrašnjosti tijela. Pacijenti su izloženi vrlo malim dozama tokom dijagnostičkog postupka, čime se osigurava sigurnost i bezopasnost. Zaključno, iako je riječ o zračenju, razumijevanje svojstava elektromagnetnog spektra pomaže nam shvatiti da je radiotalasno zračenje potpuno sigurno.

MRI i metal

Jedino na što je potrebno obratiti pažnju prilikom pristupanja MRI dijagnostici jeste da se svi metalni materijali s tijela sklone ili zaštite, pošto je rad uređaja baziran na magnetu. Na taj način se izbjegavaju moguće štete.

Jedan od ključnih razloga zabrane metala je njegova interakcija s magnetskim poljem. To polje je toliko snažno da može privući metalne predmete poput alata, nakita ili medicinskih implantata s iznenađujuće jakom silom. To privlačenje može rezultirati ozbiljnim ozljedama ili oštećenjima, jer bi metalni predmeti bili silom usmjereni prema središtu magneta. Osim toga, metalni predmeti mogu stvarati problem interferencije s radiotalasima koji se koriste tokom snimanja. To može dovesti do gubitka kvalitete slika ili čak izobličenja podataka, smanjujući učinkovitost dijagnostičkog postupka.

Značajan rizik koji proizlazi iz prisustva metala odnosi se i na mogućnost pregrijavanja. Tokom skeniranja, promjene magnetnog polja mogu izazvati indukciju struja u metalnim predmetima unutar tijela. Kao što smo već rekli, kretanje električnih naboja, odnosno promjena električnog polja dovodi do nastajanja magnetnog polja, pa tako možemo imati i obrnutu situaciju. To dovodi, u konačnici, do neželjenog zagrijavanja zbog indukovanja struje u metalima, što može prouzročiti ozbiljne posljedice kod metalnih implantata.

Stoga, važno je slijediti smjernice i osigurati da su svi metalni predmeti uklonjeni ili zaštićeni prilikom pristupa MRI, čime se čuva sigurnost i integritet dijagnostičkog postupka.

Istorija MRI tehnologije

Kratka istorija MRI tehnologije također nam pomaže shvatiti koliko daleko smo stigli od njenih početaka. Razvoj MRI započeo je u sredini 20. stoljeća kada su naučnici eksperimentirali s nuklearnom magnetskom rezonancijom. Prvi koraci tih istraživanja bili su usmjereni prema ispitivanju svojstava jezgri atoma u magnetskom polju. Ključni korak za to dogodio se 1946. godine kada su Felix Bloch i Edward Purcell, neovisno jedan od drugog, razvili osnovne principe magnetske rezonancije, za što su kasnije dobili i Nobelovu nagradu. Njihovo otkriće otvorilo je mnoga vrata ka novim tehnologijama. 

Tako su se otvorila i vrata za primjenu fizike magnetne rezonancije u medicini. Ta ideja se razvijala tokom 1970-ih godina. Kroz naredna desetljeća, naučnici i inženjeri radili su na poboljšanju tehnologije i osmišljavanju prvih MRI uređaja. Prva klinička slika nastala magnetnom rezonancijom snimljena je 1977. godine, a od tada se ova tehnologija neprestano usavršavala.

Do sredine 1980-ih, MRI je postala veoma pristupačna dijagnostička tehnologija u medicini. Ubrzo nakon toga, razvili su se snažniji i učinkovitiji magneti poboljšavajući kvalitetu slika i skraćujući vrijeme snimanja. Danas, MRI se koristi za otkrivanje i dijagnosticiranje raznih medicinskih stanja, pružajući liječnicima dublji uvid u unutrašnjost ljudskog tijela.

Zahvaljujući MRI, medicina je zasigurno makar jedan korak ispred, pružajući nam jasne slike unutrašnjosti tijela i omogućujući nam da istražimo ono što nam je nekada bilo nevidljivo i skriveno. Ova tehnologija, iza koje leže različiti principi fizike, nije samo alat za dijagnostiku, već je i izvor inspiracije za daljnja naučna otkrića, obećavajući nam i otvarajući mnoga vrata koja vode ka većem razumijevanju ljudskog zdravlja.

 

Autorica: Lara Pačak