Proton dan Medan Magnet MRI

Suatu momen magnetik proton tunggal sangat kecil dan tidak dapat dideteksi, sedangkan atom dalam jumlah miliaran dapat memberikan sinyal MRI yang dapat diukur. Umumnya, sejumlah besar atom hidrogen yang tidak terikat dalam air dan lemak yang tidak dibatasi oleh ikatan molekul dalam makromolekul kompleks dalam jaringan, memiliki orientasi proton yang tidak teratur (momen magnetik nuklir) karena energi panas.

Akibatnya, tidak ada magnetisasi yang dapat diamati. Namun, ketika ditempatkan di medan magnet statis yang kuat (B₀) gaya magnet menyebabkan proton sejajar dengan medan yang diterapkan secara paralel dan antiparalel pada dua tingkat energi diskrit.

Berikut adalah Gambar 1 orientasi acak proton, momen magnetik, dan orientasi proton yang teratur akibat medan magnet eksternal:

Gambar 1. (A) Orientasi acak proton dan momen magnetik serta (B) orientasi proton teratur akibat medan magnet eksternal (Thayalan, 2014).

Dengan demikian, proton didistribusikan dalam dua keadaan energi, yaitu pada tingkat energi rendah dan pada tingkat energi tinggi. Proton memiliki energi yang rendah akan sejajar dengan medan magnet eksternal dan spin ke arah atas (parallel). Proton yang memiliki energi tinggi memiliki arah yang oposisi terhadap medan magnet eksternal dan spin terjadi ke arah bawah (antiparallel).

Namun, yang terjadi adalah banyak proton yang ada pada keadaan energi rendah dikarenakan oleh energi panas. Semakin tinggi medan magnet yang diterapkan, maka semakin besar separasi energi yang terjadi, dan semakin besar pula proton dengan keadaan energi rendah. Berikut adalah Gambar 2 orientasi dan separasi proton pada medan magnet eksternal:

Gambar 2. Orientasi dan separasi proton pada medan magnet eksternal (Thayalan, 2014).

Jumlah banyaknya proton adalah sekitar 3 proton per satu juta pada kekuatan medan magnet 1.0 Tesla. Dalam volume voxel MRI tertentu, ada sekitar 10²¹ proton, menghasilkan 3 × 10¹⁵ lebih banyak proton (3 × 10^-6 × 1021 = 3 × 10¹⁵) dalam keadaan energi rendah yang menghasilkan momen magnetik dan sinyal MR yang dapat diamati. Berikut adalah Gambar 3 yang merupakan penjelasan mengenai medan kutub dan garis-garis medan magnet dipol:

Gambar 3. (A) Medan magnet memiliki dua kutub dengan garis-garis medan magnet yang muncul dari kutub utara (N), dan kembali ke kutub selatan (S), seperti digambarkan oleh magnet batang sederhana. (B) Sebuah kawat melingkar membawa arus listrik menghasilkan medan magnet dengan karakteristik yang mirip dengan magnet batang. Kekuatan medan magnet dan densitas medan bergantung pada amplitudo arus dan jumlah putaran koil (Bushberg, 2012).

Medan magnet dapat diinduksi oleh muatan yang bergerak dalam kumparan kawat. Arah medan magnet tergantung pada tanda dan arah muatan pada kumparan kawat, seperti yang dikenal dengan “kaidah tangan kanan” yaitu, ibu jari menunjukan arah gerakan arus listrik muatan positif (berlawanan dengan arah pergerakan elektron) dan jari lainya menunjukan arah medan magnet.

Lilitan kumparan kawat dengan jumlah lilitan yang banyak pada koil menyebabkan superimposisi medan magnet, sehingga menambah kekuatan total medan magnet di dalam koil yang diikuti dengan penurunan kekuatan medan magnet secara cepat dibagian luar koil. Amplitudo dari arus dalam koil menentukan besarnya total kekuatan medan magnet. Garis-garis medan magnet memanjang di luar bidang dan terkonsentrasi yang dikenal sebagai medan fringe.

Proton dan Medan Magnet MRI

Sumber:
Bushberg, Jerrold T., J. Anthony Seibert, Edwin M. Leidholdt, dan John M. Boone. 2012. The Essential Physics of Medical Imaging. Edisi Ketiga. Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia.

Thayalan, K. 2014. The Physics of Radiology and Imaging. Edisi Pertama. Jaypee Brothers Medical Publisher. New Delhi.