Nükleer manyetik rezonans

Alman fizikçiler Otto Stern ve Walther Gerlach,  1922 yılında gümüş buharıyla yaptıkları deneyde atomların  manyetik alanda saptırıldıklarını  gösterdiler [1].  Bu  deney  daha  sonradan  Stern-Gerlach Deneyi  olarak  anılmış  ve  kuantum  fiziğinin  temellerinden  kabul  edilmiştir.  Deney  sonucu  gerek elektron ve proton gibi parçacıkların gerekse bazı atomların içsel manyetik momente sahip oldukları gösterilmiş oldu. Yani bir başka deyişle bu parçacıklar küçük birer mıknatıs gibi davranıyorlardı. Deney üzerindeki  -  gümüş  atomları  kullanılmasından  kaynaklanan  -  ufak  çaplı  şüpheler,  1927  yılında  T.E. Phipps ve  J.B.  Taylor’un  deney  sonuçlarını  hidrojen  atomları  kullanarak  tekrar  elde  edebilmesiyle dağılmış oldu [2]. Stern  bu deney sayesinde 1943 Nobel Fizik Ödülü’nün sahibi oldu.  Gerlach ise Nazi Almanyası’yla işbirliği yaptığı gerekçesiyle bu ödülden mahrum bırakıldı.

Manyetik  momenti  olan  bir  parçacık,  manyetik  alan  içerisine  bırakıldığı  takdirde  alan  yönünde hizalanma  eğilimindedir.  Manyetik  alana  dik,  kuvvetli  ikinci  bir  manyetik  alanın  kısa  bir  süreliğine açılıp  kapatıldığını  düşünelim.  Manyetik  moment  iki  alanın  bileşeni  yönüne  dönecek,  ikinci  alan kapatıldıktan  sonra  ise  sabit  olan  ilk alan yönüne  geri  gelmeye  çalışacaktır.  Ancak  bu  geri  gelme doğrudan değil ama presesyon denilen sabit manyetik alan etrafında döne döne olacaktır. Presesyon hareketi  tıpkı  bir  topacın  dönme  ekseninden  hafifçe  saptırılıp  bırakıldığında  eksen  etrafında dolanması  gibidir.  Zaten  manyetik  moment  tabiri  de  dönme  momentine  izafeten  ortaya  atılmıştır. Topaç  örneğinde  görülen  dönme  momenti  etrafındaki  presesyon  hareketinin,  belli  periyoda  sahip olduğu –  sözgelimi dakikada bir tur gibi -  gözlemlenecektir. Bu periyod ya da diğer bir deyişle dönme sıklığı (frekansı)  topacın şekli ve yerçekimi ivmesi  –  dolayısıyla topacın ağırlığına  –  bağlı bir sabittir. Manyetik momentin manyetik alan etrafındaki presesyonu da  tıpkı böyle  belli bir frekansa sahiptir. Bu  frekansa  Larmor  frekansı  denmektedir.  Larmor  frekansı  manyetik  alanın  şiddetiyle  doğru orantılıdır. Orantı sabiti manyetojirik oran (γ) olarak tanımlanmaktadır. Yani Larmor frekansı ile manyetik alan şiddeti (B_o) arasındaki ilişki şöyledir: ω= γB_o

Manyetojirik  oran  ve  manyetik  alan  şiddetine  bağlı  olan  Larmor  frekansı sistemin manyetik rezonans frekansıdır. Bunun nedenle manyetik momentleri saptırmak için asıl manyetik alana eşdeğer ikinci bir manyetik alan değil, rezonans frekansa sahip çok zayıf bir radyo frekans sinyali dahi  manyetik  momentleri  saptırmaya  yetmektedir.  Rezonans  frekansa  denk  gelen  herhangi  radyo frekans sinyali  (RF)  derhal soğrulmaktadır. Örneğin proton için 2 Tesla civarında bir manyetik alan için rezonansı 20 MHz’lik bir RF dalgası sağlamaktadır.

Nükleer  Manyetik  Rezonans  (NMR),  atom  çekirdeğinin  manyetik  momentinin  rezonansını  ifade eden  ve  çekirdeğin  elektromanyetik  ışımayı  soğurup,  geri  yaydığı  fiziksel  olgunun  adıdır.  NMR’ı 1938 yılında kimyasal maddelerin ayrıştırılmasında kullanarak bilim dünyasına kazandıran Amerikalı fizikçi Isidor Isaac Rabi olmuştur. Rabi bu çalışmalarından ötürü 1944 yılında Fizik Dalında Nobel Ödülüne layık bulunmuştur. Daha sonra Nükleer manyetik rezonans 1946'da Felix Bloch ve Edward Mills Purcell tarafından birbirlerinden bağımsız olarak keşfedilmiş ve bu keşifleri için ikisi 1952 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşmışlardır.

Rezonans  frekansının  manyetik  alan  şiddetiyle  doğru  orantılı  olması  NMR  tekniğinin  tıbbî görüntülemede  kullanılmasının  anahtarıdır.  Tekdüze  olmayan  bir  manyetik  alana  konulan  bir numunenin  farklı  bölgeleri  farklı  rezonans  frekansına sahip  olacaktır.  1950  yılında Herman  Carr  tek eksende  monoton  değişen  manyetik  alan  kullanarak  bir  boyutlu  manyetik  rezonans  görüntülemeyi başarmıştır.[3] 1973  yılında  Paul  Lauterbur,  karmaşık  bir  radyo  frekans  darbe  düzeni  ve manyetik alanı  ana  eksenden  anlık olarak hafifçe  saptıran  manyetik  gradyan darbeler  kullanarak  Nükleer  Manyetik  Rezonans Görüntülemeyi  başarmıştır. [4] O  tarihten  itibaren  tıp  alanında  kullanılmaya  başlayan  bu görüntüleme  tekniği,  nükleer  kelimesinin  yanlış  çağrışımlarından  dolayı  olacak  yalnızca  “Manyetik Rezonans Görüntüleme” ya da Türkçemizdeki yaygın şekliyle kısaca  Emar(MR)  diye anılmaya başlanmıştır. İngilizce’de ise “Magnetic Resonance Imaging” ya da MRI (emaray) şeklinde anılmaktadır. Lauterbur tıp tarihini değiştiren buluşundan tam otuz yıl sonra 2003’te Sir Peter Mansfield  ile birlikte Tıp Alanında Nobel ödülüne layık görülmüştür.  Bu ödül aynı dönemlerde MR üzerinde benzer çalışmaları bulunan ve kendisininde  bu  ödülü  paylaşması  gerektiği  düşünülen [5] Ermeni  asıllı  Amerikalı fizikçi Raymond Vahan Damadian'ın (Damatyan) sert eleştirilerinin hedefi olmuştur.