Leer hoe nucleaire magnetische resonantie wordt gebruikt om in het menselijk lichaam te kijken wanneer een knieblessure opgelopen tijdens het sporten tot een MRI-scan leidt. We zullen ook onderzoeken hoe MRI werkt, de voor- en nadelen ervan, en hoe wetenschappelijke ontdekkingen de medische diagnose hebben beïnvloed.
Ik was aan het sporten toen de zool van mijn schoen in het gras bleef hangen en mijn knie mijn lichaam niet meer volgde. Er was even pijn, maar ik dacht er niet veel over na. De volgende dag zwol mijn knie op en kon ik mijn been niet buigen, maar de dokter vertelde me dat het een verstuiking was en dat ik een paar dagen moest rusten. Na twee dagen kompressen kon ik zonder veel moeite weer rennen, stoppen, zitten en opstaan. Tijdens intensieve trainingen had mijn knie echter soms het gevoel dat hij bezweek, en op die dagen zwol hij op. Ik nam een pauze en wachtte tot het beter werd, maar ik werd me er steeds meer van bewust dat het niet werkte. Uiteindelijk, na een jaar uitstellen, ging ik naar een dokter, die een MRI-scan (Magnetic Resonance Imaging) aanbeveelde.
Terwijl ik in de wachtkamer op mijn beurt wachtte, werd ik angstig en vroeg ik me af of er iets ernstig mis was met mijn knie. Zelfs toen de dokter mij de procedure uitlegde, kon ik niet anders dan denken dat het iets ernstigs zou kunnen zijn. Ik ging de onderzoekskamer binnen, deed mijn riem, horloge en andere metalen voorwerpen af en ging op de onderzoekstafel liggen met oordopjes in. Na 30 minuten op de lopende band te hebben gelegen in een claustrofobisch smalle, cirkelvormige gang, luisterend naar het luide bonzen van de machine was het schieten voltooid. De serie foto's die de dokter me daarna liet zien, leken op plakjes geperst vlees gemaakt van mijn been. Terwijl ik grijnsde bij de gedachte dat ik zo uit bot en vlees bestond, dat de machine mij beter kende dan ik mezelf, wees de dokter naar een wazige plek op het beeld en zei tegen mij.
“Je voorste kruisband is bijna verdwenen.”
Toen ik deze woorden hoorde, werd mijn hoofd wit. Als fervent atleet kwam dit nieuws als een schok. Hij legde de behandelmogelijkheden uit, maar ik dacht al in mijn hoofd dat ik misschien niet meer de sporten zou kunnen beoefenen die ik normaal leuk vind.
Het fenomeen nucleaire magnetische resonantie
Magnetische resonantiebeeldvormingsapparaten zoals deze stellen ons in staat diep in het lichaam te kijken, en ze spelen een belangrijke rol bij het opsporen van niet alleen inwendige verwondingen die niet veel symptomen veroorzaken, maar ook in de locatie en kwaadaardigheid van verschillende tumoren. Hoe is dit mogelijk? Het antwoord ligt in het fenomeen van nucleaire magnetische resonantie.
Materie bestaat uit atomen, die kunnen worden onderverdeeld in kernen en elektronen. De kern en de elektronen roteren elk en hebben een impulsmoment, dat we spin noemen. Net zoals er op de roterende aarde noord- en zuidpolen zijn, hebben kernen en elektronen met spin ook N- en S-polen, dus met een beetje overdrijving zouden we kunnen zeggen dat ons lichaam eigenlijk uit talloze magneten bestaat. Maar onze lichamen werken niet als magneten. De rotatieassen van de talloze atoomkernen en elektronenmagneten zijn in verschillende richtingen uitgelijnd, zodat de som van hun magnetische eigenschappen nul is. Alleen als er van buitenaf in een bepaalde richting een sterk magnetisch veld wordt aangelegd, draaien de rotatie-assen van de kernen en de elektronen in dezelfde richting, als een kompas. Maar zelfs na uitlijning wiebelt de rotatie-as met een bepaalde periodiciteit, zoals de as van een tol die rond een kegel draait naarmate de snelheid afneemt. Deze duizelingwekkende beweging van een ronddraaiend object terwijl het om zijn as draait, wordt precessie genoemd, en kan niet alleen worden waargenomen bij de rotatie van atoomkernen of elektronen, maar ook bij fysische verschijnselen variërend van tollen tot planeten.
Het is opmerkelijk dat de spinfrequentie (spinsnelheid) van een atoomkern in een magnetisch veld op unieke wijze wordt bepaald door de sterkte van het magnetische veld en het type atoom, en dat wanneer elektromagnetische golven met dezelfde frequentie als de spinfrequentie worden uitgezonden van buitenaf worden de elektromagnetische golven geabsorbeerd door het materiaal, waardoor een fenomeen ontstaat dat resonantie wordt genoemd.
In 1945 legde de Amerikaan Edward Purcell, die dit fenomeen ontdekte, de basis voor nucleaire magnetische resonantieanalyse, een experiment waarbij elektromagnetische golven van verschillende frequenties worden gebombardeerd met een monster dat in een magnetisch veld wordt geplaatst om de frequentie van de spin van het monster te bepalen en zo de atomen waaruit het is samengesteld, en kreeg in 1953 de Nobelprijs voor zijn werk. Vroege nucleaire magnetische resonantiemethoden waren echter te ongevoelig om te bepalen welke atomen zich in welke posities bevonden, wat hun veelzijdigheid beperkte. De Zwitserse chemicus Richard Ernst ontwikkelde nucleaire magnetische resonantieanalyse met hoge resolutie in twee en drie dimensies, wat de weg vrijmaakte voor de ontwikkeling van magnetische resonantiebeeldvormingsapparatuur (MRI). Voor zijn werk ontving Ernst in 1991 de Nobelprijs voor de Scheikunde.
Waterstofatomen en magnetische resonantiebeeldvorming
Waterstof is een geweldig atoom voor nucleaire magnetische resonantieanalyse. Met een atoomnummer van 1 heeft waterstof slechts één elektron, dat vaak niet helemaal zijn eigen elektron is vanwege covalente binding of ionisatie. Dit maakt het gemakkelijk om nucleaire magnetische resonantieanalyse toe te passen op de kern van een atoom, wat het voordeel heeft van een lage fout en een hoge gevoeligheid. Bovendien heeft het als lid van water (H20), dat 70% van ons lichaam uitmaakt, een breed verspreidingsbereik en een groot aantal.
Hoe verkrijgt een MRI-apparaat (Magnetic Resonance Imaging) informatie over de binnenkant van het menselijk lichaam uit waterstof? In de cirkelvormige passage van een apparaat voor magnetische resonantiebeeldvorming wordt het menselijk lichaam onderworpen aan een magnetisch veld van uniforme grootte, waardoor de waterstofatomen in het lichaam zich in de richting van het magnetische veld uitlijnen en een wasbeweging ondergaan. Niet alle delen van het lichaam ervaren echter hetzelfde niveau van uitlijning en reiniging.
In organen met een hoge waterconcentratie, zoals de hersenen, bevinden zich meer op één lijn gelegen waterstofkernen. Luchtige organen, zoals de longen, hebben daarentegen relatief minder uitgelijnde waterstofkernen. De verdeling van waterstofkernen in organen, maar ook in botten en ligamenten, kan worden veranderd door fysiek trauma. Er moet ook rekening worden gehouden met celspecifieke kenmerken. Een normale cel en een tumorcel hebben waarschijnlijk een verschillende verdeling van waterstofkernen.
Wanneer elektromagnetische golven het menselijk lichaam bombarderen in een uniform magnetisch veld, zal de hoeveelheid elektromagnetische golven die in de vorm van energie worden geabsorbeerd, variëren afhankelijk van het feit of het orgaan, skelet, ligament/pees of cel al dan niet ziek is. Magnetische resonantiebeeldvormingsapparaten gebruiken sensoren om de hoeveelheid energie te meten die wordt geabsorbeerd en vrijgegeven door verschillende delen van het lichaam. Op basis hiervan wordt een beeld gemaakt van de binnenkant van het lichaam.
Voor- en nadelen van magnetische resonantiebeeldvorming
Iedereen die ooit een röntgenfoto of computertomografie (CT)-scan in een ziekenhuis heeft gehad, heeft de waarschuwingen voor de stralingsgevarenzone voor de kamer geschilderd. Maar met magnetische resonantiebeeldvorming, waarbij gebruik wordt gemaakt van magnetische velden en elektromagnetische golven, hoeft u zich helemaal geen zorgen te maken over straling. In het bijzonder bevinden de elektromagnetische golven die worden gebruikt bij de nucleaire magnetische resonantieanalyse van waterstofkernen zich in het frequentiebereik van radiogolven (RF) die we gebruiken voor radio, televisie en mobiele telefoons.
De resultaten zijn ook uitstekend. Röntgenfoto's geven wazige informatie over een enkele dwarsdoorsnede, en computertomografie (CT) kan alleen dwarsdoorsnedebeelden maken, maar MRI geeft informatie in drie dimensies, zodat u in elke richting kunt snijden voor resultaten met een hoge resolutie. Het nadeel is dat de apparatuur duur en luidruchtig is en dat de patiënt lange tijd in een afgesloten ruimte moet verblijven. Patiënten met metalen materialen in het lichaam, zoals kunstmatige harten, mogen niet worden gefotografeerd vanwege de mogelijkheid van magnetische veldvervorming of elektromagnetische inductie.
Sinds het begin heeft magnetische resonantie beeldvorming ons in staat gesteld om in het lichaam te kijken en heeft het bijgedragen aan de vroege diagnose van vele ziekten. Zoals het gezegde luidt: je kunt op tien manieren door water kijken, maar je kunt niet door mensen heen kijken, en nu lijkt het gemakkelijker dan ooit om door mensen heen te kijken. Maar wat maakt het uit, magnetische resonantiebeeldvorming is waarschijnlijk een van de weinige menselijke uitvindingen waarbij alleen de goede mensen opvallen.
