INSTRUMENTASI MAGNETIC RESONANSI IMAJING

Arif Jauhari

Pendahuluan
Magnetic Resonance Imaging (MRI) merupakan modalitas radiologi diagnostik imajing yang menggunakan sistem magnetisasi dalam upaya memvisualisasikan citra hasilnya. Untuk menunjang upaya tersebut, modalitas MRI mempunyai sistem instrumentasi yang terdiri dari: Magnet utama; Gradien Magnet atau Gradien Coil; Radiofrekuensi; dan Sistem Komputer.
1. Magnet Utama
Magnet utama adalah magnet yang memproduksi kuat medan yang besar dan mampu menginduksi jaringan atau objek. Sehingga menimbulkan magnetisasi dalam objek itu sendiri. Medan magnet yang digunakan untuk diagnosis medis mempunyai jangkauan antara 0,1 Tesla sampai 3,0 Tesla (Bontrager 2001).
Pembangkitan medan magnet untuk MRI pada saat ini menggunakan salah satu dari tipe magnet, yaitu magnet permanen yang terbuat dari bahan ferromagnetic, magnet resistif atau magnet super konduktif. Sedangkan untuk menjaga kestabilan, keseragaman atau kehomogenan medan magnet utama dipasang koil elektromagnetik yang disebut Shim Coil pada pusat koil utama. Homogenitas magnet diharapkan berkisar antara 1 sampai 10 ppm (Wesbrook dan Kaut, 1998).
Magnet utama berfungsi sebagai penghasil medan magnet untuk mensejajarkan inti atom hidrogen yang tadinya acak di dalam tubuh. Ada 3 jenis magnet yang bisa digunakan pada pesawat MRI (Wesbrook dan Kaut,1998). Yaitu:
a. Magnet Permanen
Magnet permanen dapat menghasilkan kekuatan medan magnet hingga 0,3 Tesla. Magnet ini dibuat dengan cara menginduksi medan magnet pada sebuah bahan ferromagnetik. Magnet ini berukuran besar dan beratnya mencapai 100 ton (20.000 pounds). Pemeliharaannya relatif murah dan daya kemagnetannya bersifat permanen serta menghasilkan sinyal yang lemah.
b. Magnet Resistif
Magnet resisitif dapat menghasilkan medan magnet dengan kekuatan 0,2 Tesla sampai dengan 0,4 Tesla. Medan magnet resisitif dibuat berdasarkan arus listrik yang yang dialirkan melalui kawat yang dililitkan pada bahan ferromagnetik. Sehingga medan magnet akan timbul di sekitar kawat, tetapi untuk terus mengalami magnetisasi maka memerlukan daya listrik yang kontinyu agar membuat medan magnet yang terbentuk kuat. Beratnya kurang dari 100 Ton. Medan magnet yang dihasilkan terbatas, karena dihasilkan dari hambatan (resistan) yang terjadi akibat adanya aliran listrik pada kawat, kemudian menimbulkan panas yang cukup tinggi. Dalam penggunaannya, memerlukan sistem pendingin.
c. Magnet Superkonduktif
Magnet superkonduktif dapat menghasilkan kekuatan medan magnet hingga 7 Tesla. Prinsip magnet superkonduktif sama dengan magnet resistif. Keduanya mengalirkan arus listrik melalui kawat yang dililitkan. Magnet superkonduktif menggunakan Cryogen yang berupa helium cair dan bahan ferromagnetic sebagai penghasil medan magnet. Dan ditambahkan nitrogen cair sebagai pendingin. Penggunaan cryogen dapat membuat resistensi pada kawat menjadi nol, sehingga arus yang mengalir dapat dinaikkan dan memungkinkan untuk menghasilkan medan magnet yang berkekuatan tinggi, namun memiliki kelemahan. Penggunaan cryogen dapat beresiko, misalnya jika temperatur cryogen naik hingga titik didih helium pada waktu yang bersamaan maka kedua cairan tersebut akan menguap menjadi gas. Proses ini disebut quenching yang dapat berbahaya bagi medan magnet. Perawatan dan pemeliharaannya relatif mahal karena harus mengisi helium sebagai bahan pendingin magnet superkonduktif.
Magnet ini beratnya sekitar 4 ton sampai dengan 16 ton. Dalam hal mencegah pemanasan, magnet superkonduktif memiliki sistem pengaman yaitu evakuasi pipa gas, pemantauan presentase oksigen dan suhu di dalam ruangan MRI serta membuka pintu keluar yang lebar. Magnet superkonduktif sifatnya kontinyu, untuk membatasi magnet, instalasi memiliki sistem pengaman baik pasif (logam) maupun aktif (di luar gantri) untuk mengurangi kekuatan yang datang.

2. Gradien Magnet
Gradien medan magnet Bo sepanjang ketiga sumbu-sumbu spasial orthogonal merupakan prinsip dasar dari produksi citra MRI. Gradien-gradien sepanjang sumbu yang lain dapat dijabarkan dengan kombinasi gradien- gradien yang orthogonal. Gambar 3 dan 4 menunjukkan skema dasar untuk memperoleh suatu gradien Bo yang parallel terhadap arah Bo. Dua lilitan kawat (a) dan (b) dialirkan arus listrik yang membangkitkan medan magnet, yang dapat menambah (a) atau mengurangi (b) dari medan utama Bo. Pada sembarang waktu sepanjang sumbu gradien, medan magnetic netto sama dengan jumlah Bo ditambah dengan sumbangan dari lilitan (b). Lilitan yang lebih dekat ke posisi yang di kehendaki inilah yang memberi efek lebih besar pada medan magnetik netto. Pada sebuah titik di tengah-tengah antara kedua lilitan, medan magnet yang dibangkitkan oleh kedua lilitan gradien saling meniadakan, yang menyebabkan medan magnet nettonya sama dengan Bo.
Lilitan gradiennya ditempatkan sedemikian rupa sehingga titik tengah ini berada pada pusat magnet (Bo) dan ditandai dengan isocenter. Lilitan gradien pada kedua sumbu orthogonal lainnya dibuat berbeda, tetapi keduanya juga memberikan tambahan dan pengurangan terhadap medan Bo tergantung pada sepanjang sumbu-sumbu tersebut. Tambahan pula titik-titik tengah dari sambungan untuk gradien netto sebesar nol diatur untuk terjadi pada isocenter dari magnet. Daya diberikan pada setiap lilitan gradien oleh gradient amplifier yang dikendalikan secara bebas oleh komputer. Dari beberapa sifat gradien medan magnet yang memberikan dampak pada penampilan sistem dan kualitas citra yang optimal adalah:
 Amplitudo gradien maksimum dapat diperoleh dengan membatasi tebal irisan dan FOV.
 Linieritas gradien mengacu pada keseragaman koefisien arah (sloop) sepanjang sumbu gradien, gradien yang tidak linier dapat menimbulkan artefak.
 Kecepatan suatu gradien untuk dibangkitkan dari nilai nol ke amplitudo maksimum harus diupayakan sesingkat mungkin.
Aksi mengubah-ubah gradien on dan off menimbulkan masalah lain. Aksi ini akan menginduksi pembentukan arus elektronik yang disebut Eddy current dalam struktur metalik dari magnet. Arus ini menimbulkan medan magnet tersendiri yang kemudian menghilang dengan laju waktu yang berbeda. Jadi Eddy current adalah hal yang tidak diinginkan dan menimbukan efek yang menurunkan kualitas citra.
Untuk mengatasi masalah ini dilakukan dengan beberapa cara:
 Dengan mengatur lilitan gradien dengan bentuk pulsa yang tidak dikehendaki, tetapi dengan suatu bentuk pulsa yang ditentukan secara empirik, yang menghapuskan sumbangan Eddy current dan menghasilkan gradien yang dikehendaki magnet.
 Dengan pemakaian self shielding gradient coil. Lilitan-lilitannya dibuat sedemikian rupa sehingga medan magnet yang timbul diarahkan ke bagian dalam lilitan Hal ini berguna untuk mencegah Eddy current di bagian lain magnet.



3. Radiofrekuensi (RF) Coil
Radiofrekuensi (RF) coil terdiri dari dua tipe coil, yaitu coil pemancar dan coil penerima. Fungsiya lebih mirip sebagai antena. Sistem radiofrekuensi terdiri dari komponen untuk transmisi dan menerima radiofrekuensi gelombang. Ia terlibat dalam pembentukan nuclei, memilih irisan dan menerapkan gradien sinyal akuisisi.
a. Koil adalah komponen penting dalam kinerja sistem radiofrekuensi. Koil pemancar fungsinya untuk memberikan rangsangan energi RF yang merata keseluruh volume pencitraan. Semua langkah-langkah ini dikendalikan dengan sebuah komputer yang juga mengatur pembangkitan deretan pulsa. Energi RF terakhir dikirim ke lilitan RF dalam magnet yang berfungsi sebagai antena. Pemberian pulsa ini merupakan pengendalian modulasi amplitude yang menyebabkan terjadinya medan magnet pada area yang besarnya 0° sampai 180°. Diperlukan pula frekuensi amplifier untuk modulasi gelombang digital frekuensi larmor proton sehingga energi RF dapat diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan pencitraan MRI. Rancangan lilitan pemancar (transmitter) sangatlah berpengaruh pada pencitraan MRI. Pemberian flip angle pada RF pemancar, berbanding lurus dengan lamanya keluaran sinyal dan amplitudo pulsa RF. RF amplifier yang tidak linier dapat menimbulkan flip angle sehingga dapat menghasilkan pencitraan yang mengalami distorsi dari bentuk irisan yang dibangkitkan.
b. Radiofrekuensi penerima (RF receiver)
Koil penerima harus peka terhadap sinyal radiofrekuensi. Magnetisasi transversal menginduksi arus bolak-balik dalam lilitan RF yang digunakan untuk penerima. Lilitan RF ini digunakan untuk menghasilkan medan B1. Sedangkan sinyal RF dengan frekuensi yang mendekati frekuensi Larmor digunakan untuk menghasilkan medan Bo. Secara teknis, bekerja pada frekuensi tinggi bukanlah hal yang mudah. Fungsi utama koil penerima adalah untuk menunjukkan secara benar nilai-nilai amplitudo, periode, dan fasa dari sinyal MR yang datang ke dalam memori komputer. Untuk mewujudkan fungsi ini perlu diukur nilai relatif dari sinyal MR terhadap standar yang diketahui. Standar yang digunakan untuk suatu RF adalah sebuah local oscillator yang dalam prakteknya seringkali adalah suatu bagian sinyal RF dari frekuensi synthesizer untuk transmisi. Kemudian memberikan sesuatu sinyal yang merupakan selisih antara sinyal RF yang ditransmisi dan yang diterima. Sinyal yang berbeda ini berada dalam rentang frekuensi audio (AF). Rentang frekuensi inilah yang perlu diperhatikan dalam hubungannya dengan lebar pita (bandwidth) penerima. Sinyal AF diperkuat dengan suatu factor 10 hingga 1000 oleh sebuah AF amplifier. Sinyal ini kemudian diarahkan ke analog digital converter (ADC) yang mengkonversi sinyal AF menjadi suatu deretan angka biner. Angka-angka ini selanjutnya disimpan dalam memori komputer untuk dimanipulasi dan dilakukan transformasi Fourier dengan resolusi dalam bentuk bit. Melihat dari kegunaannya, maka koil ini harus berada pada jarak yang paling dekat dengan objek yang diperiksa. Koil antena dibuat dengan berbagai variasi bentuk dan ukuran. Diantaranya jenis; volume coil, phase array coil dan surface coil.

4. Jenis Koil
a. Body Coil
Body coil berbentuk lingkaran dan terdapat di dalam gantry. Koil ini dapat berfungsi sebagai transmitter dan receiver. Memancarkan pulsa RF untuk semua jenis pemeriksaan organ tubuh dan menerima sinyal pada objek tubuh yang besar. Seperti abdomen dan thorax.

b. Head coil jenis volume coil
Head coil berbentuk seperti helm dan dipasangkan mengelilingi kepala pasien. Koil ini berfungsi untuk menerima sinyal pada pemeriksaan kepala, sedangkan sinyal RF pemancar diberikan oleh body coil.

c. Spine Coil jenis phase array
Spine coil berfungsi sebagai penerima sinyal RF dan digunakan untuk organ tulang belakang.

d. Breast Coil jenis phase array
Breast coil berfungsi sebagai penerima sinyal RF dan digunakan untuk organ payudara.

e. Cervical coil jenis volume coil
Cervical coil berfungsi sebagai penerima sinyal RF dan digunakan untuk pemeriksaan organ leher.

f. Knee Coil jenis volume coil
Knee coil berfungsi sebagai penerima sinyal RF dan digunakan untuk pemeriksaan organ lutut.

g. Surface Coil
Surface coil adalah jenis coil yang digunakan untuk organ yang berada pada permukaan seperti organ extrimitas.

h. Shim Coil
Shim coil berfungsi untuk menjaga kehomogenan medan magnet utama. Shim coil terletak di dalam gantry pada sisi lateral tubuh pasien.

5. Meja Pemeriksaan
Meja pemeriksaan biasanya berbentuk kurva dengan tujuan untuk memberikan rasa aman dan nyaman pada pasien. Meja disesuaikan dengan bentuk lingkaran magnet utama. Meja pemeriksaan dapat bergerak keluar dan masuk ke dalam gantry secara otomatis.

6. Sistem Komputer
Suatu instrumen MRI modern mempunyai beberapa komputer yang dihubungkan dengan jaringan komunikasi. Sebagai contoh sistem sinyal, sekarang ini mempunyai empat computer; sebuah komputer induk, sebuah komputer array processor dan dua komputer yang berfungsi khusus sebagai status control modem (SCM) dan pulse control modul (PCM) atau disebut juga dengan measurement control.
a. Komputer induk atau komputer utama
Memori inti secara langsung diakses oleh central processing unit (CPU). Memori ini harus cukup besar untuk menampung semua perintah dan bentuk gelombang dalam satu deretan pulsa, satu set data yang masih berupa data mentah dan sejumlah operating soft ware. Software selebihnya untuk keperluan data lainnya dapat ditemukan atau disimpan dalam disk memory.
b. Sebuah array processor diperlukan agar rekonstruksi dapat diproses dengan cepat. Untuk itu array processor memerlukan akses langsung untuk mengerjakan rekonstruksi dari keseluruhan citra. Karena deretan pulsa harus bekerja dalam real time, sistem komputer harus memberikan prioritas utama pada pelaksanaan instruksi dalam deretan pulsa. ADC penerima harus mempunyai akses memori untuk menjamin bahwa data yang datang dapat disimpan dengan cepat sehingga tidak ada data yang teringgal atau hilang. Penyimpana data jangka panjang pada umumnya disalurkan ke pita magnetik.
c. Measurement Controle
Measurement controle unit terdiri dari dua bagian, yaitu measurement control system yang berfungsi sebagai pembangkit gelombang gradien magnet, dan high frequency system untuk mengatur pulsa RF yang dipancarkan dari sinyal yang diterima, serta mengatur auto tunning agar sinyal dapat diterima secara optimal sehingga dapat menghasilkan gambaran yang bagus.  2009