Nükleer manyetik rezonans (NMR) nedir?

Çizim: Murat Eyüboğlu

Günümüzde analitik kimyadan tıbbi görüntülemeye kadar birçok alanda maddenin özelliklerini araştırmak için kullanılan bir teknolojinin çıkış noktası olan Nükleer Manyetik Rezonans (NMR), güçlü bir manyetik alan etkisi altındaki “NMR aktif” olarak nitelendirilen atomların çekirdeklerinin dışarıdan uygulanan, kısaca radyo frekans (RF) enerjisi diye anılan RF bandındaki elektromanyetik ışıma enerjisi ile etkileşimidir. NMR ismindeki “nükleer” sözcüğü, tekniğin nükleer bir radyasyon içerdiğini değil, atomun çekirdeği ile olan ilgiyi vurguluyor. Bu yazıda, NMR olgusunu kavramsal olarak açıklayacağım.

Periyodik tabloda yer alan elementlerin %70’den fazlasının NMR aktif bir izotopu olmasına karşın, NMR spektroskopisinde, insan vücudunda da yer alan hidrojen (1H), karbon 13 (13C), oksijen 17 (17O), sodyum 23 (23Na), nitrojen 15 (15N) ve fosfor 31 (31P) sıklıkla kullanılır.[1]Brevard C., Granger P. (1981), Handbook of High Resolution Multinuclear NMR, p. 229, Ed. Young D.A. Seigler D.S., Wiley.

NMR ilk olarak, Hollandalı fizikçi Cornelius J. Gorter (1907-1980) tarafından 1936 yılında, zaman içinde değişen manyetik alan etkisiyle atom çekirdeklerinin ana manyetik yönelimlerinin değiştirilebileceği hipotezi ile ortaya konuldu. Ancak, Gorter deney düzeneğinin yetersizliği nedeniyle hipotezinin doğruluğunu gösterememiştir.[2]Waals, JH van der (1996), “Gorter’s footprints on the trail that led to magnetic resonance,”Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance, 1; p. 677, Ed. D.M. Grant and RK Harris, … Devamı

1938 yılında, Isoidor Isaac Rabi (1898-1988) Columbia Üniversitesi’nde lityum klorür molekülünün manyetik özelliklerini araştırırken, NMR olgusunu gözlemledi.[3]Rabi II, Zacharias JR, Millman S, Kusch P (1938), “A new method of measuring nuclear magnetic moment,” Phys Rev., 53, p.318. Bu gelişmelerin ardından 1945 yılında, Stanford Üniversitesi’nde Felix Bloch (1905-1983) ve eşzamanlı olarak Massachusetts Institute of Technology’de Edward M. Purcell (1912-1997) yürütücülüğünde bağımsız iki araştırma gurubu yoğun maddede NMR olgusunun varlığını gösterdi.[4]Bloch F, Hansen WW, Packard M (1946), “Nuclear Induction,” Phys Rev., 69:127.[5]Bloch F, Hansen WW, Packard M (1946), “The nuclear induction experiment,” Phys Rev., 70: 474-485.[6]Purcell EM, Torrey HC, Pound RV (1946), “Resonance absorption by nuclear moments in a solid,” Phys Rev., 69: 37-38. Her NMR aktif elementin kendisine özgü bir rezonans frekansı olmasından hareketle standart bir spektroskobik analiz yöntemi olarak kullanılmaya başlandı. Buluşları için Rabi 1944, Bloch ve Purcell ise 1952’de Nobel Fizik Ödülü’ne değer görüldü.

Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) nedir?

NMR’ın gerçekleşmesi için öncelikle 0,2-0,5 Gauss şiddetinde olan dünyanın manyetik alanının en az birkaç bin katı şiddette statik bir manyetik alana, bunun yanı sıra ortama RF enerjisi uygulanabilecek bir kaynağa gereksinim duyulur.  Günümüzde, statik manyetik alan oluşturmak için süper iletken elektromıknatıslar kullanılıyor.

MHz frekans aralığındaki RF enerjisi ise görünür ışık ve X-ışınları gibi frekansı ve fazı ile tanımlanabilen elektromanyetik dalgalardır. Şekil 1’de görüldüğü gibi, RF işaretleri elektromanyetik spektrumun alçak frekans bandında, X-ışınları yüksek frekans bandında ve görünen ışığın frekansı bu iki elektromanyetik enerjinin arasındaki bölgede yer alır. Bir elektromanyetik ışımanın frekansı arttıkça, enerjisi artar, dalga boyu ise kısalır.

Şekil 1. Elektromanyetik spektrumda yer alan ışımaların dalga boyu ve frekansları. Bir elektromanyetik ışımanın frekansı arttıkça, enerjisi artar, dalga boyu ise kısalır. RF işaretleri elektromanyetik spektrumun alçak frekans bandında, X-ışınları ise daha yüksek frekans bandında yer alır. (Wikimedia Commons’dan alınıp Türkçeleştirildi)
NMR insan sağlığına zarar verir mi?

X-ışını gibi yüksek frekans bandındaki, dolayısıyla yüksek enerjili elektromanyetik ışımalar etkileşime girdiği atomlarının yapısını değiştirebilecek seviyede enerjiyi atomlara aktarabildiği için iyonlaştırıcı ışımalar olarak anılır. İyonlaştırıcı ışımaların canlı organizmaya olan zararları bilinmektedir.  NMR’da kullanılan RF enerjisi gibi mor ötesi ışınlardan daha düşük enerjiye sahip elektromanyetik ışımalar iyonlaştırıcı olmayıp, atomik yapıyı değiştirmedikleri için insan sağlığına bilinen bir zararı yoktur.

Atom çekirdeği ve güçlü manyetik alanın etkileşimi

Şekil 2. En basit yapıdaki element olan hidrojen (1H) atomu çekirdeğinde bir proton ve etrafında dolaşan bir elektrondan oluşur. Proton spin açısal momentumunun yanı sıra spin açısal momentumu ile orantılı bir manyetik momente (yeşil ok yönünde ya da tam tersi yönde) sahiptir. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

En basit yapıdaki element olan hidrojen (1H) atomu çekirdeğinde bir proton ve etrafında dolaşan bir elektrondan oluşur. NMR olgusunu incelerken, 1H atomunun elektronu ile ilgilenmeyecek, sadece çekirdeğindeki protonun davranışını ele alacağız.  “+” elektrik yüklü proton kendi ekseni etrafında spin (fırıl) hareketi olarak adlandırılan şekilde döner. Protonun spin hareketinden doğan iç açısal momentumu, spin açısal momentumu olarak adlandırılır. Protonun spin açısal momentumu kuantum mekaniği ile anlaşılabilen bir özelliktir. Spin açısal momentum vektörü sadece belli birimlerle ayrık değerler alır. Spin quantum sayısı ½ olan bir çekirdek sistemi bir dış manyetik alan içine yerleştirildiğinde, spin açısal momentum vektörünün gözlenebilen değeri belli birimlerle +1/2 (yukarı) ya da -1/2 (aşağı) olur. Elektrik yüklü her dönen nesne gibi proton da spin açısal momentumu ile orantılı bir manyetik momentuma sahiptir. Bu nedenle, protonları birer mikro mıknatıs olarak düşünebiliriz. Protonun spin açısal momentumu ile orantılı olarak manyetik momenti de, manyetik alan yönünde sadece yukarı veya aşağı yöndedir (Şekil 2’de yeşil ok yönünde ya da tersi yönde).

Şekil 3. Birçok 1H atomu bir arada olduğunda, farklı yönlerde birçok mikro mıknatısın varlığını düşünebiliriz. Dünyanın oldukça düşük şiddetteki manyetik alanının etkisi altında, uzayda rastgele yönlenmiş bu mikro mıknatıslar birbirlerini dengelediği için ortamda net bir mıknatıslanma gözlenmez. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Ortamda birçok 1H atomu olduğunda, farklı yönlerde birçok mikro mıknatısın varlığını düşünebiliriz (Şekil 3). Dünyanın oldukça düşük manyetik alanının etkisi altında, uzayda rastgele yönlenmiş bu mikro mıknatıslar birbirlerini dengelediği için ortamda net bir mıknatıslanma (manyetik alan) gözlenmez.

NMR ve vücudumuzdaki hidrojen

NMR aktif atomların bir kısmı vücudumuzda değişik oranlarda bulunur. Yetişkin insan vücudu %60 oranında su içerdiğinden ve su molekülünde her oksijene karşılık iki hidrojen atomu bulunduğundan, vücudumuzda çok sayıda hidrojen atomu bulunur. Dünyanın manyetik alanı altında, insan vücudundaki 1H protonlarının spin açısal momentleri ve manyetik alanları rastgele yönelimli olduğu için birbirlerini dengeleyerek, net bir manyetik alan oluşturamazlar.

Oysa, bir NMR veya Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) sisteminin dünyanın manyetik alanından on binlerce kat daha şiddetli olan manyetik alanında protonların mikro mıknatısları, büyük çoğunluğu güçlü manyetik alan ile aynı yönde, kalanlar ise ters yönde olmak üzere yönlenirler (Şekil 4 (a)). Klasik fizikten farklı olarak kuantum mekaniğinin gösterdiği şekilde spin açısal momenti ve manyetik moment (mikro mıknatıs) sadece bu iki yönde olabilir. Ortam sıcaklığı gibi faktörler nedeniyle bazı protonlar diğerlerinden biraz daha fazla enerjiye sahiptir. Yüksek enerjideki protonlar güçlü manyetik alana ters yönde, düşük enerjidekiler ise ana manyetik alanla aynı yönde hizalanır (Şekil 4(b)).

Şekil 4. (a) NMR veya MRG sisteminin manyetik alanı altında protonların mikro mıknatısları, büyük çoğunluğu güçlü manyetik alan ile aynı yönde, kalanlar ise ters yönde olmak üzere yönlenirler. (b) Ortam sıcaklığı gibi faktörler nedeniyle bazı protonlar diğerlerinden biraz daha fazla enerjiye sahiptirler. Yüksek enerjideki protonlar güçlü manyetik alana ters yönde, düşük enerjidekiler ise ana manyetik alanla aynı yönde hizalanır. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Bütün protonların manyetik alanları birbirine ekleneceği için güçlü manyetik alan ile aynı yönde, boyuna mıknatıslanma olarak adlandırılan toplam net bir mıknatıslanma elde edilir (Şekil 5).

Şekil 5. NMR veya MRG sisteminin manyetik alanı altındaki protonların manyetik alanları birbirine ekleneceği ve büyük çoğunluğu güçlü manyetik alan ile aynı yöne yönelmiş olduğu için güçlü manyetik alan (B0) ile aynı yönde, boyuna mıknatıslanma olarak adlandırılan şekilde mavi ok ile gösterilen toplam net bir mıknatıslanma elde edilir. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Düz bir zemin üzerinde döndürülen bir topacın kendi ekseni etrafında dönerken, yere dik olan yerçekimi kuvvetinin de etkisiyle aynı zamanda yerçekimi kuvveti ekseninin etrafında da dönmesi gibi, protonların spin açısal momentleri ve manyetik momentleri de ana manyetik alanın etrafında da dönmeye başlar (Şekil 6). Bu hareket, presesyon ya da devinme olayı olarak adlandırılır, devinmenin açısal hızı ise Larmor frekansı olarak anılır.

Şekil 6. (a) Düz bir zemin üzerinde döndürülen bir topacın kendi ekseni etrafında dönerken, yere dik olan yerçekimi kuvvetinin de etkisiyle aynı zamanda, yerçekimi kuvveti ekseninin etrafında da dönmesi gibi, (b) Protonların spin açısal momentleri ve manyetik momentleri de ana manyetik alanın etrafında dönerler. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

NMR aktif elementlerin devinme olayının elemente özgü frekansı (f) güçlü ana manyetik alanın şiddeti (B0) ile doğru orantılı olup, bu oran her elemente özel jiromanyetik sabiti ($\gamma$) ile $f=\gamma . B_0$ formülüyle belirlenir. Larmor frekansı NMR spektroskopide, bir maddede bulunan elementlerin ayırt edilmesini sağlar. 1H atomunun Larmor frekansının 42,58 MHz/Tesla olması, 1 Tesla şiddetinde manyetik alanda 1H atomlarının deviniminin 42,58 MHz de olduğunu gösterir.

Şekil 7. Yüksek enerji seviyesindeki protonlar ile düşük enerji seviyesindeki protonların sayıları eşitlendiği zaman net boyuna mıknatıslanma sıfıra düşer.(Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Yüksek enerji seviyesindeki protonlar ile düşük enerji seviyesindeki protonların sayıları eşitlendiği zaman net boyuna mıknatıslanma sıfıra düşer (Şekil 7).

Aynı zamanda ana manyetik alan etrafındaki devinimlerini sürdüren protonlar RF enerjisinin etkisiyle bir araya gelerek eş fazda dönerler. Böylelikle, net mıknatıslanmanın yatay bileşeni bütün protonların mıknatıslanmasının eklenmesiyle artar (Şekil 8(a)). RF enerjisi uygulanarak yatay düzlemde oluşan mıknatıslanma enine mıknatıslanma olarak anılır. Bunu boyuna mıknatıslanmanın RF enerjisi ile 90 derece yatırılması olarak düşünebiliriz (Şekil 8(b)).

Şekil 8. (a) Ana manyetik alan etrafındaki devinimlerini sürdüren protonlar RF enerjisinin etkisiyle bir araya gelerek eş fazda dönmeye başlar. Böylelikle, net mıknatıslanmanın yatay bileşeni bütün protonların mıknatıslanmasının eklenmesiyle artarak yatay düzlemde enine bir mıknatıslanma oluşturur. (b) Bunu boyuna mıknatıslanmanın RF enerjisi ile 90 derece yatırılması olarak düşünebiliriz. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Ana manyetik alan ekseni etrafındaki dönme hareketini sürdüren net enine mıknatıslanmayı yatay düzlemde dönen bir mıknatıs olarak düşünebiliriz.  Dönen bu mıknatıs zamanla değişen bir manyetik alan oluşturur. Bu değişen manyetik alan yatay düzleme dik olarak yerleştireceğimiz, RF sargısına, aynı bir jeneratörün rotorunda oluşturulan döner manyetik alanın jeneratörün sargılarına akım indükleyerek çıkışında elektrik akımı oluşturulması gibi akım indükler. İndüklenen akım ölçmek istediğimiz enine mıknatıslanmanın şiddeti ile ilişkili işarettir.

RF enerjisi kaldırılınca ne olur?

Şekil 9. RF enerjisini kaldırınca, ilk olarak Larmor frekansında devinimlerine devam eden, pozitif yüklü protonlar birbirlerini iterek zamanla birbirlerinden uzaklaşırlar. Protonların birbiriyle etkileşiminden kaynaklanan bu sürece protonların T2 gevşemesi denilir. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Uygulanan RF enerjisini kaldırınca, ilk olarak Larmor frekansında dönmeye devam eden, pozitif yüklü protonlar birbirlerini iterek zamanla birbirlerinden uzaklaşır (Şekil 9). Bunun sonucunda, yatay düzlemde oluşan net enine mıknatıslanma hızla azalarak ortadan kalkar. Protonların birbiriyle etkileşiminden kaynaklanan bu sürece protonların T2 gevşemesi denilir. Bu gevşeme ile net bir enerji transferi gerçekleşmez.

Daha sonra, yüksek enerjili protonlar soğurdukları RF enerjisini geri vererek başlangıçtaki konumlarına döner. Yüksek enerji seviyesindeki protonlar denge durumundaki düşük enerji seviyesine geri döndükçe, uzamsal mıknatıslanma yeniden büyür. Bu olay, T1 gevşemesi olarak adlandırılır.

Ölçülen işaret hangi bilgiyi içeriyor?

Vücudumuzdaki 1H atomuna ait protonların bazıları serbest akan su molekülleriyle, diğer 1H protonları protein ve yağın yapısal veya enerji depolayan molekülleriyle bağlı sabit konumda olduklarından, T1 ve T2 gevşemesi sürelerinde moleküler yapıya özgü farklılıklar vardır.

Protonların bulundukları çevreye bağlı olan T1 ve T2 gevşeme süreleri, ilgili atomların içinde bulundukları moleküler yapıların algılanmasına olanak sunar.

Buradan hareketle, T1 ve T2 gevşeme sürelerinin ölçülen işaretteki etkisini baskınlaştırmak için RF enerjisi aralıklarla tekrarlanarak darbe dizisi olarak uygulanır. Bir darbe dizisinde,

    • tekrarlama süresi, TR (repetition time),
    • RF enerjisinin kaldırılmasını takiben yatay mıknatıslanmanın oluşturduğu RF sargısıyla algıladığımız işaret, yankı (echo) işareti,
    • RF darbesinin gönderildiği an ile yankı işaretinin en yüksek olduğu an arasındaki süre de TE (time of echo)

olarak tanımlanır.

Bir darbe dizisinde, Şekil 10’da görüldüğü gibi

    • TR süresi uzun seçilerek, TR boyunca T1 etkisi azaltılır,
    • TE süresi uzun seçilerek, protonların birbirinden uzaklaşmasına izin verilirse,

T2 gevşemesindeki farklılıkların algıladığımız yankı işaretindeki etkisi artırılır, böylece T2 ağırlıklı bir ölçüm elde edilebilir.

Öte yandan, darbe dizisinde,

    • TR süresi kısa seçilerek, TR boyunca T1 gevşemesinin etkisi öne çıkarılır,
    • TE süresi kısa seçilerek, T2 etkileri en aza indirilirse,

ağırlıklı olarak T1 etkisinden kaynaklanan bir yankı sinyali elde edilebilir (Şekil 10).

Şekil 10. Bir NMR darbe dizisinde TR ve TE sürelerine bağlı olarak, ölçtüğümüz yankı işaretindeki T1 (mor renk ile gösterilen bölge) , T2 (mavi renk ile gösterilen bölge) sürelerinin veya proton yoğunluğunun (kırmızı renk ile gösterilen bölge) etkisi öne çıkarılarak sırasıyla T1, T2 veya proton yoğunluğu ağırlıklı ölçüm yapılabilir. (Görsel: Murat Eyüboğlu CC-BY)

Yine Şekil 10’da görüldüğü gibi uzun TR ve kısa TE sürelerine sahip bir darbe dizisi seçildiğinde ise ortamdaki protonların mutlak sayısı (yoğunluğu) ağırlıklı bir yankı işareti algılanır.

Böylelikle, TR ve TE sürelerini ne kadar kısa veya uzun seçtiğimize bağlı olarak, NMR ve MRG sistemleri ile ölçtüğümüz yankı işaretindeki T1, T2 sürelerinin veya proton yoğunluğunun etkisi öne çıkarılarak ölçüm yapılabilir ve maddenin moleküler yapısına yönelik bilgi edinilebilir.

NMR ile tümör algılamak

Mart 1971’de Science dergisinde “nükleer manyetik rezonansla tümör tespiti” başlıklı makalesinde Dr. Raymond Damadian tümör dokularında T1 ve T2 sürelerinin normal dokulardan farklı olduğunu gösterdi.[7]Damadian R (1971) “Tumor detection by nuclear magnetic resonance,” Science, 171, 1151-3. Damadian’ın amacı bir insanı içine yerleştirebilecek kadar büyük bir mıknatısla, tüm vücut NMR’ı yaparak insan vücudunda T1 ve T2 tümör işareti arayarak vücudun herhangi bir yerindeki kötü huylu tümör oluşumunun NMR spektroskopi ile yakalamaktı. Damadian tümörün yerini gösterecek görüntülemeyi düşünmemişti. Tümör detektörü olarak öngörülen bu yaklaşım klinik uygulamaya girmedi. Ancak, T1 ve T2 değerlerinin sağlıklı ve hastalıklı dokular arasında farklı olmasına yapılan vurgu günümüz manyetik rezonans görüntüleme (MRG) yaklaşımları için çok değerli bir başlangıç noktası oluşturdu. MRG, konum bilgisinin de NMR sinyaline kodlanmasıyla gerçekleştirildi.[8]Lauterbur PC (1973) “Image formation by induced local intractions: Examples employing nuclearmagnetic resonance,” Nature, 242, 190-191.

Murat Eyüboğlu
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü


Bu yazı 14.06.2021 tarihinde güncellenmiştir.


Creative Commons LisansıBu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


Notlar/Kaynaklar

Notlar/Kaynaklar
1 Brevard C., Granger P. (1981), Handbook of High Resolution Multinuclear NMR, p. 229, Ed. Young D.A. Seigler D.S., Wiley.
2 Waals, JH van der (1996), “Gorter’s footprints on the trail that led to magnetic resonance,”Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance, 1; p. 677, Ed. D.M. Grant and RK Harris, Wiley.
3 Rabi II, Zacharias JR, Millman S, Kusch P (1938), “A new method of measuring nuclear magnetic moment,” Phys Rev., 53, p.318.
4 Bloch F, Hansen WW, Packard M (1946), “Nuclear Induction,” Phys Rev., 69:127.
5 Bloch F, Hansen WW, Packard M (1946), “The nuclear induction experiment,” Phys Rev., 70: 474-485.
6 Purcell EM, Torrey HC, Pound RV (1946), “Resonance absorption by nuclear moments in a solid,” Phys Rev., 69: 37-38.
7 Damadian R (1971) “Tumor detection by nuclear magnetic resonance,” Science, 171, 1151-3.
8 Lauterbur PC (1973) “Image formation by induced local intractions: Examples employing nuclearmagnetic resonance,” Nature, 242, 190-191.