Hoe werkt MRI (magnetic resonance imaging)?

MRI (ofwel “magnetic resonance imaging”) is een techniek die beeldvorming van het lichaam mogelijk maakt op basis van magnetisme. Verschillende soorten weefsels wijken van elkaar af met betrekking tot hun magnetische eigenschappen. Deze verschillen kunnen in beeld worden gebracht met MRI. Op deze manier worden gedetailleerde anatomische scans gemaakt.

Magnetiseren is de basis van MRI

Bepaalde atoomkernen in ons lichaam, zoals het waterstofatoom, werken als kleine magneetjes. Om te begrijpen hoe MRI hiervan gebruik maakt, zijn de volgende twee eigenschappen van belang. De atoomkernen draaien om een as in een tolbeweging, met een bepaalde frequentie en deze as heeft een bepaalde oriëntatie (figuur 1). Normaal gesproken is de oriëntatie van al die atoom-assen willekeurig, waardoor er geen netto magnetisatie is. We zijn dus geen wandelende magneet.

Wanneer we worden blootgesteld aan een sterk magnetisch veld, zoals in een MR scanner, dan zorgt de magnetische aantrekkingskracht ervoor dat de atoomkernen gelijkgericht worden, waardoor de netto oriëntatie parallel wordt aan het magnetische hoofdveld van de scanner (figuur 2). Op deze manier krijgen we “grip” op de atoomkernen. Het uiteindelijke doel van de MRI techniek is het opvangen van een signaal van de atoomkernen, zodat we dit kunnen vertalen naar een afbeelding. Hiertoe moet aan het volgende worden voldaan: de atomen moeten een signaal produceren dat te onderscheiden is van het magnetische hoofdveld en de oorsprong van dit signaal moet kunnen worden gelokaliseerd.

Transverse magnetisatie
De eerste voorwaarde betreft de oriëntatie van de atoom-assen. Zolang de deze parallel aan het magnetische hoofdveld zijn georiënteerd, is hun magnetisatie niet meetbaar. Er moet voor worden gezorgd dat de magnetisatie van de atoomkernen gekanteld wordt. Hiertoe wordt een tweede magnetisch veld gebruikt, dat haaks georiënteerd is op het magnetische hoofdveld (figuur 3).

Selectieve excitatie
Om aan de tweede voorwaarde (de lokalisatie) te voldoen, maakt men gebruik van een “frequentiegradiënt”. Deze gradiënt zorgt ervoor dat de magnetische veldsterkte langs de hoofdas van de scanner varieert. Ieder plekje langs de hoofdas (ook wel z-as genoemd) heeft daardoor een eigen, specifieke magnetische sterkte. Zoals eerder vermeld, heeft iedere atoomkern een bepaalde frequentie waarmee het ronddraait. Deze frequentie hangt af van de magnetische veldsterkte. Vandaar dat langs de hoofdas van de scanner ook de frequentie van de atoomdraaiing varieert. Dit maakt het mogelijk om één specifieke locatie langs de hoofdas van de scanner te selecteren (zie pijl in figuur 4). Door de transverse magnetisatie aan te brengen met een bepaalde frequentie, worden alleen de atoomkernen met precies diezelfde frequentie in het transverse vlak gebracht. Van deze atomen vangen we een signaal op, waarvan we de herkomst kunnen achterhalen (immers, we weten welke locatie langs de hoofdas overeenstemt met een bepaalde frequentie).

Frequentie- en fasecodering
Echter, het kunnen aanwijzen van de locatie op één as is niet voldoende om een afbeelding te kunnen herleiden. Stel je voor dat je in een MR scanner ligt. De hoofdas van de scanner stemt overeen met de lengteas van je lichaam. Een specifieke positie op de deze as omvat een “plak” uit je lichaam (een dwarsdoorsnede). Hoewel we weten dat opgevangen signalen afkomstig zijn uit deze plak, is het nog onbekend aan welke locaties binnen die plak de signalen toegeschreven moeten worden. We kunnen dus nog geen afbeelding genereren van de inhoud van de plak. Om dit mogelijk te maken, moeten we een tweedimensionaal assenstelsel (x,y) definiëren dat alle punten van de plak omvat (figuur 5).

Er wordt nóg een gradiënt aangebracht, ditmaal langs één van de assen die het oppervlak van de plak vormen (bijvoorbeeld de x-as). Als gevolg hiervan ontstaat er weer een variatie in frequenties, die voor de posities langs deze as coderen. Om nu tevens een codering in de andere as (in dit geval de y-as) te bewerkstelligen, wordt een korte puls gebruikt waarin opnieuw een gradiënt wordt aangebracht, maar nu langs de y-as. Dit zorgt ervoor dat, gedurende een korte periode, sommige atoomkernen sneller draaien en andere langzamer. Het resultaat is dat er na afloop van de puls een variatie is in fase (de positie op de cirkelbeweging) as functie van de y-as. De combinatie van deze coderingen maakt het mogelijk dat we ieder signaal (dat een bepaalde frequentie en fase heeft) kunnen herleiden tot een precieze locatie in de geselecteerde plak.

Het signaal
De veranderingen in het magnetisch moment van de atomen wekken elektrische stroompjes op in de MR scanner, die kunnen worden geregistreerd. De scanner vangt een signaal op dat een combinatie is van verschillende frequenties, fasen en intensiteiten. Wat veroorzaakt het verschil in intensiteit?
Na afloop van de puls die een locatie op de z-as selecteert, is er geen transverse extern magnetisch veld meer. De geëxciteerde atomen keren dan ook terug naar een oriëntatie die parallel is aan het magnetische hoofdveld. Dit is een proces dat met een bepaalde snelheid plaatsvindt, welke verschilt per weefseltype. Als op een zeker moment het signaal wordt gemeten, zal waterrijk weefsel minder van de transverse magnetisatie hebben verloren dan vetrijk weefsel, waardoor de intensiteit vanuit het eerstgenoemde weefseltype hoger zal zijn. De intensiteit wordt vertaald naar een grijstint, waardoor de verschillende weefsels duidelijk af te leiden zijn uit de afbeelding.

Toepassingen van MRI

MRI scans maken het mogelijk om tweedimensionale doorsneden van het lichaam te meten. Door meerdere scans achter elkaar te maken, kan een driedimensionaal beeld van een orgaan worden geconstrueerd. Op deze manier kan bijvoorbeeld een tumor in beeld worden gebracht. Anatomische MRI scans worden tevens gebruikt om in kaart te brengen welke hersenregionen te lijden hebben onder neurodegeneratieve ziekten, zoals Alzheimer, of bijvoorbeeld om te onderzoeken welke structurele veranderingen er optreden in de hersenen als gevolg van geheugentraining.
Naast het maken van anatomische scans, kent MRI tevens een bijzondere toepassing voor hersenonderzoek. Wanneer bepaalde regionen van de hersenen actief zijn, veranderen de magnetische eigenschappen. Ook dit kan in beeld worden gebracht met behulp van MRI. We spreken dan van functionele MRI (fMRI). Deze toepassing heeft veel kennis opgeleverd over de werking van onze hersenen.