Süperiletkenlik ve MR Cihazı

Günlük hayatımızda kullandığımız bütün iletkenlerin bir direnci vardır. Direncin bir anlamı, iletken üzerinden bir akım geçirmek için iletkene bir akım uygulama gerekliliğiyse, bunun doğrudan sonucu olan bir diğer anlamı da geçen akımın iletkeni ısıtmasıdır. Açığa çıkan ısı enerjisi, akımın sürekliliğini sağlamak için gerilim sağlanmak zorunda olduğundan sürekli enerji kaybına yol açar.

Direnç ne kadar büyükse, uygulanması gereken gerilim ve kaybolan enerji de o kadar büyük olmaktadır. Ancak bazı iletkenlerde, malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra yakın değerlerde olur. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulanmadan ve enerji kaybetmeden bir akım oluşturmak mümkün olabilmektedir. Ancak, ne yazık ki hangi malzemelerin hangi kritik sıcaklık altında süperiletken olacağını güvenle söyleyen bir kuram yoktur. Bu nedenle bilim adamları sürekli yeni malzemeler üretip, laboratuarda çok düşük sıcaklıklara kadar soğutarak yeni süper iletkenler bulmak için çalışmalar yapmaktadırlar.
 

►İlginizi Çekebilir: Mutlak Sıcaklık ve Süper İletkenler

Süperiletkenlerin diğer bir özellikleri ise içlerindeki manyetik akıyı mükemmel bir diyamanyetiklik özelliği göstererek dışarı itmelerinden ileri gelmektedir. Diyamanyetiklik, ters manyetik yönelme olarak ifade edilebilir. Diyamanyetik malzemeler, manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler. Maddelerin bu tür diyamanyetik özellik göstermeleri Meissner etkisi olarak tanımlanmaktadır. Su, bu yapıya sahip maddelerden biridir. İnsan vücudunun yaklaşık %70'nin su olduğu düşünülürse MR cihazının temel çalışma prensibi de işte bu durumdan yararlanma esasına dayanmaktadır.

Süperiletkenliğin keşfi ise doktorasını almadan önce bir süre Gustav Kirchhoff ve Robert Bunsen gibi ünlü bilim adamlarının altında çalışan Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes tarafından yapılmıştır. Onnes 1908 yılında helyumu sıvı hale dönüştürmeyi başarmıştır. Bu başarı 4,2 K'e kadar olan düşük sıcaklıklarda fiziksel özelliklerin araştırılmasını mümkün hale getirmiştir. Metallerin elektriksel dirençlerinin bu düşük sıcaklık bölgelerindeki değişimi yine ilk defa Onnes tarafından incelenmiştir. Sıvı helyumun keşfinden 3 yıl sonra Heike Kamerlingh Onnes, civa metalinde DC elektriksel direncin kritik sıcaklık diye adlandırıldığı sıcaklık ve altındaki sıcaklıklarda ölçülemeyecek kadar küçük bir değere düştüğünü gözlemledi. Bu heyecan verici gözlem süperiletkenliğin keşfi olarak bilinmektedir. Bu çalışmadan dolayı Kamerlingh Onnes 1913 yılında Nobel Fizik ödülünü kazandı.

►İlginizi Çekebilir: Sıvı-Metal Süper İletkenler

Kusursuz diyamanyetizma özelliğinin keşfi ise yaklaşık 22 yıl sonra W. Meissner ve R. Ochsenfeld tarafından gözlenmiştir. Diyamanyetizma özelliği, keşfedilen süperiletkenler için ortak bir özellik oluşturmaktadır. Meissner Etkisi, kritik sıcaklığın altındaki süperiletken bir malzemeye yüksek olmayan bir alan uygulandığında malzemenin bu manyetik alanı dışarlaması prensibidir.

Süperiletkenlik özelliğinin önemli bir yer tuttuğu MR (Manyetik Rezonans) cihazı, adından da kolayca anlaşılacağı üzere manyetizma esasına dayanmaktadır. Cihaz manyetik alan altında atomların manyetik alan yönüne yönelmesi ve belirli bir frekansta salınım yapmalarına dayanır. Üzerlerine Radyo Dalgaları uygulanan bu atomlar belirli bir frekansta bu radyo dalgalarını geri yansıtacaklardır. Bu yansıyan dalgaları alan MR cihazı ise elde edilmek istenilen görüntüleri oluşturmaktadır.

MR cihazına tarihsel açıdan bakılacak olursa; ilk prototipleri 1981 yılında geliştirilmiş ve uygulanmaya başlanmıştır. Gerçek anlamda modern tıbbın hizmetine ise 1984 yılında girebilmiştir. Cihaz o yıllarda tek bir üretici tarafından üretilmiş ve izleyen yıllarda üretici sayısı birkaç yıl içinde dörde çıkmıştır. MR cihazı ülkemizde ise ilk olarak 1986 yılında hizmete girmiş ve o tarihten bu yana sayısı giderek artmıştır. Ancak Nükleer Manyetik Rezonans (NMR)' ın ilk olarak tanımlanması 1946 senesinde Purcell ve Bloch tarafından gerçekleştirilmiştir ve bu çalışmalarından ötürü 1952 senesinde Nobel ödülüne layık görülmüşlerdir. Bu çalışmaların yayımlanmasının hemen akabinde NMR kimyasal yapıların analizi çalışmalarında çok önemli bir yer edinmiştir.

1973'te Lauterbur ve Mansfield fiziksel yapıların analiz edilmesinde NMR tekniğini kullanmışlardır. Bu çalışmaların hız kazanmasının ardından Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) tekniği birçok biyomedikal, kimya ve mühendislik uygulamalarında kullanılır hale gelmiştir.
 

MR cihazının çalışması kısaca özetlenmek istenirse; cihazda bulunan güçlü mıknatıslar, insan hücresinde bulunan atom çekirdeklerinin titreşim yapmasını sağlayacak alanlar yaratır. Titreşen atomlar üzerine gönderilen radyo dalgaları onların salınım yapmalarını sağlayacak ve bu salınımların sonucunda bu atomlar bir radyo dalgası yayılımı yapmaya başlayacaklardır. Bu yayımlanan dalgalar ise bir bilgisayar yardımıyla hareketsiz veya hareketli 3 boyutlu görüntüler oluşturur.

MR cihazı protonların manyetik alan altındaki titreşimlerinden yola çıkarak oluşturulmuştur ve tanı amaçlı kullanılmaktadır. Protonlar, yani H+ iyonları normal ortamlarda kendi eksenlerinde spin (titreşim) hareketi yaparlar. Bu iyonlar bir manyetik alana girdiklerinde ise manyetik alanın yönüne göre ( N kutbuna) dizilme eğilimi gösterir ve bu yön doğrultusunda spin hareketlerine devam ederler. Üzerlerine yüksek frekanslı RF dalgası uygulandığında ise bu protonlar RF dalgalarının bazılarını soğurur bazılarını ise yayarlar. Bu durum protonların (H+ iyonları) yoğunluk, dağılım ve dizilişlerine göre değişiklikler gösterir.

İşte MR cihazı, protonların RF ve Manyetik Alan altındaki bu özelliklerine dayanarak görüntülerini oluşturur ve klinik anlamda insan vücudunun büyük bir kısmının sudan (H2O) oluşması nedeniyle birçok hastalığın özellikle de tümörlerin teşhisinde kullanılır. Buradan anlaşıldığı üzere MR cihazının etkili olduğu ve kullanıldığı alan vücuttaki yumuşak dokulardır. MR yumuşak dokularda maksimum kontrastlama ve görüntüleme yeteneğine sahiptir. Bu sayede MR ile yumuşak dokulardaki lezyon ve patolojik dokular kolayca incelenebilmektedir. Bu cihaz bu tip hastalıkların tedavi ve tanısında hekimlerin en büyük yardımcısıdır.

Manyetik Rezonans cihazını teknik anlamda incelediğimizde cihazın üç ana kısımdan oluştuğunu görürüz. Bu kısımlar;

Bu kısımlardan ilki magnettir. Magnetler cihaz çeşitlerine göre değişiklik gösterse de amaç düzgün ve görüntü alabilecek bir stabil manyetik alan yaratmaktır. Oluşturulan bu manyetik alanın içerisine hasta sokulur ve görüntü alımı için RF sinyalleri uygulanır. Adından da anlaşılabileceği üzere magnet MR cihazının en önemli bileşenidir. Aslında magnet ilkesi çok basittir. Manyetik alanın en kolay yaratılabileceği yöntem mıknatıslardır. İşte adını bu mıknatıstan alan magnet, basit olarak sadece manyetik alan yaratmada kullanılır. Bu amaçla kullanılan manyetik alan 1 - 1,5 Tesla aralığındadır. Bir kıyaslama yapmak gerekirse, dünyanın manyetik alanı (pusulaların iğnesini kuzeye çeviren manyetik alan) 0,5 Gauss düzeyindedir. 1 Tesla, 10.000 Gauss'a eşittir. Dolayısıyla MR cihazında dünyanın manyetik alan gücünün yaklaşık 20 bin katı bir manyetik alan kullanılır.

Magnet yapısını incelediğimizde ise, geçmişten günümüze permanent magnet, rezistif magnet, süperiletken magnet gibi birçok magnet çeşidiüretilmiş ancak en çok kabul gören süperiletken magnette karar kılınmıştır.

Cihazın ikinci bileşeni olan kabinetler, magnetin devirdaim sürekliliğini sağlayan komponentleri taşırlar, bunun yanında görüntü bilgisayarı ile magnet veri akışı için arayüzü oluşturur. Kabinetlerde magnette bulunan helyum pompasının kontrol kartları gibi birçok kontrol kartı, MR cihazına güç sağlayan kaynaklar ve onların kontrol kartları, RF kartları ve beslemeleri bulunur.

Cihazın üçüncü ve son bileşeni ise görüntü işleme ve operatör bilgisayarlarıdır. Bu bilgisayarlar MR cihazının görüntülerini oluşturan ana bileşenlerinden birisidirler. MR cihazının ürettiği verileri görünür ve elle tutulur hale getiren parçalardır. Cihazın RF sargılarından alınan veriler iletim hatları aracılığıyla görüntü işlem bilgisayarına gelir. Bu bilgisayarlar bir tür sinyal işleyicisi olarak çalışır ve gelen bu sinyalleri yorumlar. Yorumlanan bu sinyallerden görüntüleri oluşturarak çıkışında bağlı olan operatör bilgisayarına iletir. Bu bilgisayardan görüntüler üzerinde ayarlamalar yapılabilir, bu görüntülerin çıktıları alınabilir.

 

Gökhan Sezek