Review Artikel
Lauterbur, Paul Christian. 1973. Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance.
|
Pembentukan Citra oleh Interaksi Lokal yang Diinduksi: Contoh-contoh yang Menggunakan Nuclear Magnetic Resonance.
|
Citra suatu objek dapat didefinisikan sebagai representasi distribusi spasial grafis dari satu atau lebih sifatnya. Pembentukan citra biasanya mensyaratkan bahwa suatu objek harus berinteraksi dengan materi atau bidang radiasi yang dicirikan oleh panjang gelombang yang sebanding atau lebih kecil dari fitur terkecilnya untuk kemudian dibedakan, sehingga wilayah interaksi dapat dibatasi dan citra dapat dihasilkan.
Batasan pada panjang gelombang bidang ini dapat dihilangkan, dan pembentukan citra kelas baru dihasilkan, dengan memanfaatkan interaksi lokal yang diinduksi. Dengan adanya bidang kedua yang membatasi interaksi objek dengan bidang pertama ke wilayah terbatas, resolusi menjadi tidak bergantung pada panjang gelombang, dan sebagai gantinya merupakan fungsi dari rasio lebar normal interaksi terhadap pergeseran yang dihasilkan oleh gradien di medan kedua. Karena interaksi dapat dianggap sebagai penggabungan dua bidang oleh objek, Paul C. Lauterbur mengusulkan bahwa pembentukan citra dengan teknik ini dikenal sebagai zeugmatografi, dari bahasa Yunani ζευγµα (“zeugma”), dengan arti “yang digunakan untuk bergabung”.
Sifat dari teknik ini dapat diperjelas dengan menjelaskan dua contoh sederhana. Nuclear Magneric Resonance (NMR) Zeugmatography dilakukan dengan frekuensi 60 MHz (5 m) dan sesuai dengan gradien magnetik statis untuk resonansi proton sekitar 700 Hz cm-1. Objek test penelitian terdiri dari dua buah kapiler berdinding kaca tipis dengan diameter bagian dalam sebesar 1 mm H2O yang ditempelkan pada dinding bagian dalam tabung kaca (deuterium oksida atau air berat yaitu air yang hanya terdiri dari deuterium atau hidrogen ber-isotop 2 atau disebut juga dengan istilah hidrogen berat (2H) dan oksigen, tidak seperti air pada umumnya yang memiliki hidrogen ber-isotop 1 atau disebut dengan protium (1H)) berdiameter bagian dalam sebesar 4,2 mm. Pada percobaan pertama, kedua kapiler tersebut mengandung air murni. Lebar garis resonansi proton, dengan tidak adanya medan gradien transversal, adalah sekitar 5 Hz.
Dengan asumsi kekuatan sinyal adalah homogen di seluruh wilayah dalam koil transmitter-receiver, sinyal yang berada di depan medan gradien mewakili proyeksi satu dimensi (1D) dari bahan H2O objek, terintegrasi di atas bidang tegak lurus dengan arah gradien, sebagai fungsi dari koordinat gradien (Gambar 1).
Gambar 1. Hubungan antara benda tiga dimensi, proyeksi dua dimensinya di sepanjang sumbu Y, dan empat proyeksi 1D pada interval 45° di bidang XZ. Panah menunjukkan arah gradien.
Salah satu metode untuk menghasilkan citra proyeksi dua dimensi (2D) dari objek, seperti yang ditunjukkan oleh bahan H2O sebelumnya, adalah dengan menggabungkan beberapa proyeksi yang diperoleh dengan memutar objek pada sumbu tegak lurus terhadap arah gradien (atau, seperti pada Gambar. 1, memutar gradien mengelilingi objek), menggunakan salah satu metode yang ada untuk melakukan rekonstruksi objek dari proyeksi tersebut.
Gambar 2. Zeugmatogram nuclear magnetic resonance proton dari objek yang dijelaskan dalam teks, menggunakan empat orientasi relatif objek dan gradien seperti yang digambarkan pada Gambar. 1.
Gambar. 2 dihasilkan oleh algoritma yang mirip dengan algoritma Gordon dan Herman, diterapkan pada empat proyeksi, diberi jarak seperti pada Gambar. 1, sehingga dapat membuat matriks citra 20 × 20. Representasi yang ditampilkan dihasilkan oleh bayangan dalam kontur diinterpolasi antara titik-titik matriks, dan dengan jelas menggambarkan lokasi dan dimensi dari dua area H2O. Pada percobaan kedua, satu kapiler mengandung H2O murni, dan yang lainnya mengandung larutan MnSO4 sebanyak 0,19 mM dalam larutan H2O-nya. Pada daya radiofrekuensi rendah (sekitar 0,2 mgauss) kedua kapiler memberikan citra yang hampir identik dalam zeugmatogram (Gambar. 3).
Gambar 3. Zeugmatogram nuclear magnetic resonance proton dari objek yang terdiri dari waktu relaksasi yang berbeda pada daya radiofrekuensi rendah (0,2 mgauss).
Pada tingkat daya yang lebih tinggi (sekitar 1,6 mgauss), sampel air murni memberikan sinyal yang jauh lebih tersaturasi daripada sampel yang waktu relaksasi T spin-lattice-nya telah dipersingkat dengan penambahan paramagnetik ion Mn2+ (mangan). Pada sampel air murni, citra zeugmatografinya menghilang pada tingkat kontur (Gambar. 4).
Gambar 4. Zeugmatogram nuclear magnetic resonance proton dari objek yang terdiri dari waktu relaksasi yang berbeda pada daya radiofrekuensi tinggi (1,6 mgauss).
Daerah sampel dengan T1 yang panjang dapat secara selektif ditekan (Gambar. 5) dengan membangun sebuah perbedaan zeugmatogram dari sinyal yang diambil pada kekuatan radiofrekuensi yang berbeda.
Gambar 5. Zeugmatogram nuclear magnetic resonance proton dari objek yang terdiri dari waktu relaksasi yang berbeda antara kondisi yang ditunjukan pada Gambar 3 dan 4.
Penerapan teknik ini mungkin dapat dilakukan untuk mempelajari berbagai objek yang tidak homogen, tidak harus dibatasi ukurannya pada yang biasanya dipelajari dengan magnetic resonance spectroscopy. Eksperimen yang diuraikan di atas, menunjukkan kemampuan teknik ini untuk menghasilkan citra distribusi isotop stabil, seperti H dan D, di dalam suatu objek. Dalam percobaan kedua, intensitas relatif pada pembentukan citra dibuat bergantung pada waktu relaksasi relatif. Variasi dalam kandungan air dan waktu relaksasi proton di antara jaringan biologis harus ada untuk mampu menghasilkan sinyal, dengan medan gradien yang lebih besar dibandingkan dengan ketidakhomogenan magnet internal. Pembentukan citra zeugmatografi dari resonansi air yang cukup tajam dari organisme, secara selektif menggambarkan berbagai struktur dan jaringan lunak. Sebuah aplikasi yang mungkin menjadi perhatian saat ini adalah studi in vivo suatu tumor malignant, yang telah terbukti memberikan sinyal dari inti proton magnetic resonance dengan waktu relaksasi spin-lattice air yang lebih lama daripada yang ada di jaringan normal pada jaringan tersebut.
Prinsip dasar zeugmatografi dapat digunakan dalam banyak cara berbeda, menggunakan teknik pemindaian, seperti yang dijelaskan di atas, atau metode transien. Variasi pada percobaan, yang akan dijelaskan nanti, memungkinkan mengenai pembuatan citra dua atau tiga dimensi yang menampilkan komposisi kimia, koefisien difusi dan sifat lain dari objek yang dapat diukur dengan teknik spectroscopy. Meskipun aplikasi yang menggunakan nuclear magnetic resonance dalam sistem cair atau cair sederhana menarik karena kemudahannya terhadap medan gradien yang cukup besar untuk menggeser resonansi sempit dengan banyak lebar garis dapat dihasilkan, zeugmatografi NMR dari benda padat, zeugmatografi resonansi spin elektron, dan eksperimen serupa di bagian spektrum lainnya seharusnya dapat dilakukan. Teknik zugmatografi harus menemukan banyak aplikasi yang berguna dalam studi tentang struktur internal, keadaan, dan komposisi objek mikroskopis.
Departemen Kimia,
State University of New York di Stony Brook,
Stony Brook, New York 11790
Diterima pada 30 Oktober 1972, direvisi pada 8 Januari 1973.
Daftar Pustaka
- Bracewell, R. N., and Riddle, A. C., J., 150, 427 (1967).
- Vainshtein, B. K., Soviet Physics-Crystallography, 15, 781 (1971).
- Ramachandran, G. N., and Lakshminarayan, A. V., US Nat. Acad. Sci., 68, 2236 (1971).
- Gordon, R., and Herman, G. T., Assoc. Comput. Mach., 14, 759 (1971).
- Klug, A., and Crowther, R. A., Nature, 238, 435 (1972).
- Weisman, I. D., Bennet, L. H., Maxwell, Sr., L. R., Woods, M. W., and Burk., Science, 178, 1288 (1972).
