BAB II Tinjauan Pustaka
2.1Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik penggambaran penampang tubuh berdasarkan prinsip resonansi magnetik inti atom hidrogen. Tehnik penggambaran MRI relatif komplek karena gambaran yang dihasilkan tergantung pada banyak parameter. Alat tersebut memiliki kemampuan membuat gambaran potongan coronal, sagital, aksial dan oblik tanpa banyak memanipulasi tubuh pasien. Bila pemilihan parameternya tepat, kualitas gambaran detil tubuh manusia akan tampak jelas, sehingga anatomi dan patologi jaringan tubuh dapat dievaluasi secara teliti. Magnetic Resonance Imaging yang disingkat dengan MRI adalah suatu alat diagnostik mutahir untuk memeriksa dan mendeteksi tubuh dengan menggunakan medan magnet dan gelombang frekuensi radio, tanpa operasi, penggunaan sinar X ataupun bahan radioaktif. Hasil pemeriksaan MRI adalah berupa rekaman gambar potongan penampang tubuh/organ manusia dengan menggunakan medan magnet berkekuatan antara 0,064 – 1,5 tesla (1 tesla = 1000 Gauss) dan resonansi getaran terhadap inti atom hidrogen. Beberapa faktor kelebihan yang dimilikinya, terutama kemampuannya membuat potongan koronal, sagital, aksial dan oblik tanpa banyak memanipulasi posisi tubuh pasien sehingga sangat sesuai untuk diagnostik jaringan lunak.
2.2 Komponen MRI
Komputer pada MRI merupakan otak dan komponen utama yang digunakan untuk memproses sinyal, menyimpan data dan menampilkan gambar yang dihasilkan. Selain sistem computer, komponen utama pada perangkat MRI adalah: magnet utama, koil gradient X, Y, dan Z, koil pemancar dan penerima radiofrekuensi, serta sistem akuisisi data dalam komputer.
Gambar 2.1 Beberapa perangkat keras dari mesin MRI
2.2.1 Magnet Utama
Magnet utama dipakai untuk membangkitkan medan magnet berkekuatan besar yang mampu menginduksi jaringan tubuh sehingga menimbulkan magnetisasi.
2.2.2 Koil Gradien
Koil gradien dipakai untuk membangkitkan medan magnet gradien yang berfungsi untuk menentukan irisan, pengkodean frekuensi, dan pengkodean fase. Terdapat tiga medan yang saling tegak lurus, yaitu bidang x, y, dan z. Peranannya akan saling bergantian berkaitan dengan potongan yang dipilih yaitu aksial, sagital atau coronal. Gradien ini digunakan untuk memvariasikan medan pada pusat magnet yang terdapat tiga medan yang saling tegak lurus antara ketiganya (x,y,z).
Pada gambar dibawah ini dapat dilihat komponen dari koil gradient yang ada pada mesin MRI diamana Kumparan gradien dibagi 3, yaitu :
Gambar 2.2 Skema koil ��, ��, dan ��
2.2.3 Koil Radio Frekuensi
Koil radio frekuensi (RF Coil) terdiri dari 2 yaitu koil pemancar dan koil penerima. Koil pemancar berfungsi untuk memancarkan gelombang radio pada inti yang terlokalisir sehingga terjadi eksitasi, sedangkan koil penerima berfungsi untuk menerima sinyal output setelah proses eksitasi terjadi. Koil RF dirancang untuk sedekat mungkin dengan obyek agar sinyal yang diterima memiliki amplitudo besar. Beberapa jenis koil RF diantaranya :
a. Koil Volume (Volume Coil)
Volume coils dapat digunakan secara eksklusif sebagai coils penerima atau kombinasi coils mengirim / menerima. Volume coils ditandai dengan kualitas sinyal homogen. Tipe lain dari coil volume kumparan tubuh, yang merupakan bagian integral dari sebuah scanner MR dan biasanya terletak di dalam lubang magnet itu sendiri.
b. Koil Permukaan (Surface Coil) c. Koil Linier
2.2.4 Sistem Komputer
Sistem komputer bertugas sebagai pengendali dari sebagian besar peralatan MRI. Dengan kemampuan perangkat lunak yang besar, komputer mampu melakukan tugas-tugas multi (multi tasking), diantaranya adalah operator input, pemilihan slice, kontrol sistem gradien, kontrol sinyal RF dan lain-lain. Komputer juga berfungsi untuk mengolah sinyal hingga menjadi citra MRI yang dapat dilihat pada layar monitor, disimpan ke dalam disk atau CD, atau bisa langsung dicetak.
2.3Proses Pembentukan Citra Pada MRI 2.3.1 Spin Proton
Magnetic resonance (MR) pencitraan menggunakan sinyal dari inti atom hidrogen (H) untuk membuat citra. Sebuah atom hidrogen terdiri dari inti yang mengandung satu proton dan elektron tunggal mengorbit inti (seperti terlihat pada Gambar. 2.3). Proton memiliki muatan positif dan elektron muatan negatif, atom hidrogen secara keseluruhan adalah netral.
Gambar 2.3 Spin pada inti dari atom H
Ini berarti bahwa proton berputar sekitar porosnya seperti gasing berputar. Proton tersebut memiliki dua sifat penting yaitu Sebagai massa berputar (m), proton memiliki momentum sudut dan berputar untuk mempertahankan orientasi spasial sumbu rotasi (seperti terlihat pada Gambar 2.4a.). Sebagai massa berputar dengan muatan listrik, sebagai tambahan proton memiliki momen magnetic dan berperilaku seperti magnet kecil. Oleh karena itu, proton dipengaruhi oleh medan magnet eksternal dan gelombang elektromagnetik (seperti terlihat pada Gambar. 2.4b).
Gambar 2.4a. momentum sudut proton
Gambar. 2.4b. proton memiliki momen magnetic
Gambar 2.5 Inti hydrogen arahnya random
Namun apabila ditempatkan dalam suatu medan magnet yang kuat, moment magnetic inti-inti atom akan menyesuaikan arah dengan medan magnet (seperti terlihat pada Gambar 2.6).
Gambar 2.6 inti-inti atom H yang parallel dan anti parallel
Faktor-faktor yang mempengaruhi penyesuaian inti-inti atom hidrogen terhadap medan magnet eksternal adalah kuat lemahnya medan magnet dan energi inti atom, yakni bila energi lebih lemah tidak cukup kuat untuk berlawanan dengan medan magnet (�0), dan bila energi tinggi maka akan
2.3.2 Presesi
Tiap-tiap spin inti hidrogen membentuk Net Magnetisation Vector (NMV) (seperti terlihat pada Gambar 2.8) pada sumbu atau porosnya. Pengaruh dari medan magnet eksternal (�0) akan menghasilkan spin sekunder atau gerakan NMV mengelilingi �0. Spin sekunder ini disebut precession (seperti terlihat pada Gambar 2.7), dan menyebabkan magnetik moment bergerak secara circular mengelilingi �0. Jalur sirkulasi pergerakan itu disebut precessional path dan kecepatan gerakan NMV mengelilingi �0 disebut frekuensi presesi. Satuan frekuensinya MHz, dimana 1 Hz = 1 putaran per-detik. Kecepatan atau frekuensi presesi proton atom hydrogen tergantung pada kuat magnet eksternal yang diberikan pada jaringan. Semakin kuat medan semakin cepat presesi proton dan frekuensi presesi yang tergantung pada kuat medan magnetik disebut dengan frekuensi Larmor yang mengikuti persamaan :
�0=�0 · �0 (1)
Dimana:
�0 adalah frekuensi Larmor dalam megahertz (MHz) �0 rasio gyromagnetic (MHz/T)
�0 kekuatan medan magnet eksternal dalam satuan tesla (T)
Gambar 2.7 Proses dari Presesi atom Hydrogen
Gambar 2.8 Ilustrasi dari Net Magnetisasi Vector (NMV)
2.3.3 Resonansi
Gambar 2.9 pemberian Radiofrekuensi pada atom Hidrogen
Pulsa Radio Frekuensi yang dipancarkan harus mempunyai frekuensi tertentu untuk dapat berperan dalam proses transisi energi pada atom, dan harus disesuaikan dengan kekuatan medan magnet eksternal (lihat Table 2.1).
Table 2.1 Karakteristik Atom
Isotope Symbol Spin Quantum Number
Gyro Magnetic Ratio (MHz/T)
Hydrogen H1 1/2 42,6
Carbon C13 1/2 10,7
Oxygen O17 5/2 5,8
Fluorine F19 1/2 40,0
Sodium Na23 3/2 11,3
Magnesium Mg25 5/2 2,6
Phosphorus P31 1/2 17,2
Sulphur S33 3/2 3,3
Iron Fe57 1/2 1,4
Besar nilai magnetisasi dari obyek atau jaringan yang berada dalam medan magnet eksternal merupakan hubungan linier yaitu semakin besar nilai medan magnet eksternalnya maka akan semakin besar nilai magnetisasinya, setelah pemberian sinyal Radiofrekuensi maka atom hydrogen akan memancarkan energi berupa sinyal dimana sinyal ini diterima oleh koil Radio Frekuensi Receiver, diamana sinyal ini disebut sinyal MR (magnetic
2.3.4 MR Signal
Akibat resonansi NMV yang mengalami inphase pada bidang transversal. Hukum Faraday menyatakan jika receiver koil ditempatkan pada area medan magnet yang bergerak misalnya NMV yang mengalami presesi pada bidang transversal tadi akan dihasilkan voltage dalam receiver koil. Oleh karena itu NMV yang bergerak menghasilkan medan magnet yang berfluktuasi dalam koil. Saat NMV berpresesi sesuai frekuensi Larmor pada bidang transversal, maka akan terjadi voltage. Voltage ini merupakan MR signal. Frekuensi dari signal adalah sama dengan frekuensi Larmor, besar kecilnya sinyal tergantung pada banyaknya magnetisasi dalam bidang transversal. Bila masih banyak NMV, akan menimbulkan sinyal yang kuat dan tampak terang pada gambar, bila NMV lemah akan sedikit menimbulkan sinyal dan akan tampak gelap pada citra MRI.
Pada saat terjadi magnetisasi transversal maka terjadi pula keadaan in phase pada bidang transversal sehingga akan terjadi induksi dari medan magnet terhadap koil penerima yang akan tercatat sebagai sinyal. Kuat dan lemahnya magnetisasi pada bidang transversal ini akan berpengaruh pada kekuatan signal MR dan berpengaruh pada intensitas gelap dan terang pada citra MRI. Bila signal MR kuat maka akan memberikan gambaran citra yang terang atau Hiperintens, sedangkan apabila signal MRI lemah akan memberikan citra MRI gelap atau Hipointens. Bila pulsa RF dihentikan, moment magnetik pada bidang transversal yang dalam keadaan Inphase akan mengalami Dephase kembali sehingga magnetisasi pada bidang transversal akan menurun, akibatnya induksi pada koil penerima juga akan semakin melemah yang dikenal dengan sinyal Free Induction Decay (FID).
2.3.5 Sinyal Free Induction Decay (FID)
Selama melakukan gerakan presesi, vektor magnetisasi dalam koordinat kartesian dapat diuraikan menjadi dua komponen yaitu :
2. Komponen tranversal ��� pada bidang xy (tegak lurus arah medan magnet ekternal)
Selama berpresesi arah �� tetap, sedangkan ��� berputar pada bidang xy (seperti terlihat pada gambar 2.10), dimana putaran ��� inilah yang menghasilkan sinyal NMR dimana dipancarkan dari proton yang beresonansi yang sinyalnya disebut sebagai Sinyal Free Induction Decay (FID).
Gambar 2.10 Skema dari Free Induction Decay (FID)
2.3.6 Relaksasi (Relaxation)
Sebuah proses diamana atom hidrogen kembali kepada kesetimbangannya. Selama NMV membuang seluruh energinya yang diserap dan kembali pada �0 disebut sebagai proses Relaksasi. Pada saat NMV
kehilangan magnetisasi transversal yang dikarenakan Dephase terjadi proses Relaksasi yang menghasilkan recoveri magnetisasi longitudinal (��) dan decay dari magnetisasi transversal (���).
b. Decay dari magnetisasi transverse disebabkan oleh proses yang dinamakan �2 decay.
2.3.7 �1 Recoveri (Longitudinal Relaxation)
Disebabkan oleh inti-inti atom yang memberikan energinya pada lingkungan sekitarnya atau lattice, dan disebut spin lattice relaksasi. Energi yang dibebaskan pada sekeliling lattice menyebabkan inti-inti atom untuk recoveri kemagnetisasi longitudinal. Rate Recoveri adalah proses eksponensial denganwaktu yang konstan yang disebut �1. �1 adalah waktu pada saat 63% magnetisasi longitudinal (��) untuk Recoveri (seperti terlihat pada gambar 2.11).
2.3.8 �2 Decay (Transverse Relaxation)
Disebabkan oleh pertukaran energi inti atom dengan atom yang lain. Pertukaran energi ini disebabkan oleh medan magnet dari tiap-tiap inti atom berinteraksi dengan inti atom lain. Seringkali dinamakan spin-spin relaksasi dan menghasilkan decay atau hilangnya magnetisasi transversal. Rate decay juga merupakan proses eksponensial, sehingga waktu relaksasi �2 dari jaringan soft tissue konstan. �2 adalah waktu pada saat 37% magnetisasi transversal (���) meluruh (seperti terlihat pada gambar 2.12).
Gambar 2.12 Grafik dari �2 Decay (spin-spin relaksasi)
Besarnya dan proses waktu frekuensi �1 dan �2 sangat berpengaruh pada sinyal keluaran yang akan ditransformasikan sebagai kontras citra MR, sebab kurva �1 akan menentukan magnetisasi transversal (���). Peluruhan �2
2.3.9 Relaksasi �1 dan �2
Eksitasi pulsa RF mengakibatkan vector magnetisasi (M) dari satu jaringan akan memiliki arah menjauhi arah medan magnet luar (�0). Pulsa RF
90º artinya M berubah arah 90º dari keadaan semula atau tegak lurus terhadap �0. Jika diibaratkan �0 sejajar sumbu Z, Sumbu X, sumbu Y tegak
lurus terhadap Z seperti pada gambar 2.13, maka pulsa RF menyebabkan M sejajar sumbu XY (���).
Gambar 2.13 M sejajar sumbu XY (���).
Pada saat M berada pada sumbu XY (���) inilah sinyal tertinggi yang
Tabel 4.2 Waktu relaksasi �1 beberapa jaringan �1 Constans (in ms)
0,2 Tesla 1,0 Tesla 1,5 Tesla
Fat 240
Muscle 370 730 863
White Matter 388 680 783
Gray Matter 492 809 917
CSF 1,400 2,500 3,000
Tabel 4.2 Waktu relaksasi �2 beberapa jaringan �2 Constans (in ms)
Fat 84
Muscle 47
White Matter 92
Gray Matter 101
CSF 1,400
Gambar 2.14 grafik relaksasi �1
Suatu citra �2 terbobot artinya kontras jaringan sesuai dengan relaksasi �2, yaitu cairan yang relaksasi �2nya lama, tampak hiperintes dibanding lemak yang �2nya cepat, seperti pada gambar 2.15, cairan CSF tampak Hipointens pada �1 terbobot dan �2 terbobot pada citra lumbal dapat dlilihat pada gambar 2.16
Gambar 2.16 Citra potongan Sagital �1 dan �2 terbobot dari lumbal
�1 terbobot dan �2 terbobot ini ditentukan dengan pengaturan waktu
perulangan (Time Repetition/TR) pulsa RF dan waktu echo (Time echo/TE). TR panjang dan TE panjang akan menghasilkan �2 terbobot, sedangkan TR pendek dan TE pendek akan menghasilkan �1 terbobot.
2.4Parameter Pembentuk Citra Pada MRI 2.4.1 Spin Echo (SE)
Spin Echo adalah sequence yang paling banyak digunakan pada pemeriksaan MRI. Pada spin echo standar, segera setelah pulsa pertama dengan sudut 90º diberikan, sebuah FID segera terbentuk. Dengan menggunakan kekuatan radiofrekuensi yang sesuai, akan terjadi transfer NMV bersudut 900 kemudian diikuti dengan rephrasing pulse bersudut 1800. Spin echo menggunakan eksitasi pulsa dengan sudut 900 yang diikuti oleh
satu atau lebih rephasing pulsa bersudut 1800, untuk menghasilkan Spin Echo. Spin echo (SE) sama dengan urutan Gradien echo dengan pengecualian
bahwa ada tambahan refocusing pulsa bersudut 180° (seperti terlihat pada Gambar 2.13).
Gambar 2.17 Pembentukan Spin Echo
2.4.2 Inversion recovery (IR)
Inversion recovery (IR) ialah urutan eksitasi SE (Spin Echo) pulsa
Gambar 2.18 Waktu antara pulsa 180° dan pulsa RF 90°
Kontras pada gambar dapat dimanipulasi dengan mengubah waktu inversi. Dengan TI pendek dan pengiriman pulsa eksitasi yang bersudut 90° segera setelah pulsa RF yang bersudut 180° inversi, semua magnetisasi longitudinal negatif membalik atau flip ke bidang transversal. Jika waktu inversi cukup panjang memungkinkan relaksasi penuh, sinyal kembali menjadi lebih kuat.
Ketika pulsa pembalik dihapus, vektor magnetisasi mulai relaksasi kembali ke �0. Kontras gambar yang dihasilkan sangat tergantung pada panjang TI serta TR dan TE. Kontras dalam gambar terutama tergantung pada besarnya magnet longitudinal yang (seperti pada putaran echo) setelah waktu tunda yang dipilih TI. Kontras didasarkan pada kurva recovery TI setelah inversi pulsa RF yang bersudut 180º. Inverting pulsa RF yang bersudut 180º dapat menghasilkan perbedaan kontras besar antara lemak dan air karena saturasi penuh vektor lemak atau air dapat dicapai dengan memanfaatkan TI yang sesuai.
2.4.3 Short Time Inversion Recovery (STIR)
STIR (Short Time Inversion Recovery) adalah urutan pulsa inversi
dengan waktu tertentu sehingga dapat menekan sinyal dari lemak. Urutan
pulsa pemulihan inversi merupakan urutan pulsa Spin Echo didahului oleh
menekan sinyal lemak, TI disesuaikan sedemikian rupa sehingga pulsa RF yang bersudut 90° dipancarkan tepat pada saat ketika lemak melewati nol. TI menekan lemak sekitar 150-175 msec pada kekuatan bidang magnet 1,5 T dan sekitar 100 msec pada bidang magnet 0,5 T.
Gambar 2.19 Grafik Pembobotan STIR
STIR merupakan urutan pulsa recovery inversi yang menggunakan TI yang sesuai dengan waktu yang dibutuhkan untuk pulih dari inversi penuh lemak terhadap bidang transversal sehingga tidak ada magnet longitudinal yang sesuai dengan lemak. Ketika pulsa RF yang bersudut 90º bereksitasi diterapkan setelah waktu tunda TI, sinyal dari lemak batal. STIR digunakan untuk mencapai penekanan sinyal lemak dalam gambar �1 weighted dan �2 weighted. Sebuah TI dari 150-175 msec mencapai penekanan lemak
meskipun nilai ini bervariasi pada kekuatan lapangan magnet yang berbeda.
2.5Parameter yang mempengaruhi Pembobotan Citra
2.5.1 Time Repetition (TR), Time Echo (TE), Flip Angle
Time Repetition (TR) merupakan parameter yang mengontrol jumlah
akan mengalami magnetisasi transversal (���) pada RF pulse berikutnya. TR yang panjang akan meningkatkan Signal Noise Ratio dan TR yang pendek menurunkan Signal Noise Ratio. Sedangkan Time Echo (TE) merupakan parameter yang mengontrol jumlah magnetisasi transversal (���) yang akan Decay sebelum echo itu dicatat.
Time Repetition (TR) dan waktu Time Echo (TE) merupakan kunci
dari penciptaan kontras citra MRI. Pada Gambar 2.14 menunjukkan simbol yang paling sering digunakan untuk diagram urutan pulsa, termasuk echo dengan penggunaan Spin Echo (SE) dan Gradien Echo (GRE). Hal ini penting untuk mengenali simbol-simbol ini, karena selalu digunakan untuk mewakili TR dan TE.
Gambar 2.20 Definisi simbol yang digunakan dalam diagram urutan pulsa.
berhubungan dengan �2 (seperti terlihat pada Gambar 2.16b) dan mempengaruhi kontras gambar �2 Weighted. Ketika TR panjang dan TE pendek, perbedaan dalam pemulihan magnetisasi dan peluruhan sinyal antara lemak dan air yang tidak dapat dibedakan (seperti terlihat pada Gambar 2.16b) Oleh karena itu, kontras diamati pada gambar MR dihasilkan adalah terutama karena perbedaan kepadatan proton antara kedua jenis jaringan. Jaringan dengan lebih proton memiliki intensitas sinyal yang lebih tinggi, dan jumlah proton lebih sedikit memiliki intensitas sinyal yang lebih rendah.
Gambar 2.21 (a) Skema representasi dari TR dan TE (b) Grafik menunjukkan efek TR pendek dan panjang (kiri) dan pendek dan panjang TE (kanan) pada pemulihan �1 dan �2 pada peluruhan lemak dan air, TR berhubungan dengan �1
dan mempengaruhi pembobotan �1 Weighted, sedangkan TE berhubungan dengan �2 dan mempengaruhi pembobotan �2 Weighted
Partial flip angle imaging adalah teknik yang dapat digunakan untuk
meminimalkan saturation dan mendapatkan sinyal MR yang memadai meskipun TR yang sangat singkat. Sudut Flip yang lebih kecil tidak membelokkan magnetisasi dengan sudut 90° tetapi hanya beberapa fraksi dari sudut 90° (misalnya 30°). Secara umum, semakin pendek TR, sudut flip yang lebih kecil diperlukan untuk mencegah saturation yang berlebihan. Sudut Flip memaksimalkan sinyal yang diberikan TR dan TE dikenal sebagai sudut Ernst.
bersamaan dengan pemilihan TR, di dalam bergantung pada kekuatan medan dari system operasi. Secara umum, ketika flip angle pendek dipilih, efek �2 predominan, image akan tampak dalam �2 Weighted sequence sehingga struktur yang berisi cairan akan nampak terang. Memperbesar flip angle akan meningkatkan pengaruh �1 dengan cara membiarkan relaxasi komplit pada jaringan dengan �1 pendek, sehingga memberi kontribusi terhadap terbentuknya lebih banyak signal pada repetisi sequence berikutnya.
Waktu relaksasi pada jaringan ditentukan oleh medan magnet yang terjadi pada saat NMR. Ini dapat dirubah hanya jika medan magnetik juga diubah. Ketika sequence digunakan untuk menghasilkan flip angle khusus seperti yang dilakukan pada gradient echo imaging atau sequence membutuhkan persiapan pulsa, waktu relaksasi akan menjadi fungsi dari sudut tersebut. Sebagai contoh bila flip angle yang dipilih dengan sudut 450, vektor tissue akan recover ke bidang magnetisasi longitudinal (�1 growth) lebih cepat dibandingkan ketika menggunakan Spin Echo dimana pulsa sequence yang digunakan ialah sudut 900. TR seharusnya diubah untuk mengakomodasi peningkatan waktu relaksasi tersebut. Untuk alasan tersebut, sequence Gradient Echo imaging dapat diilakukan pada waktu yang lebih
cepat dari Spin Echo sequence. Citra yang menggunakan partial flip teknologi akan menghasilkan kontras yang mirip dengan image dengan TR sequence (�2 Weighted Spin Echo sequence) dengan waktu imaging yang lebih pendek.
