Manyetorezonans Görüntüleme Nedir? & Cihazın İçerisinde Neden Yüksek Gürültü Meydana Gelmektedir?

Manyetorezonans Görüntüleme Cihazı  içine yatan herkes nasıl bir ses çıkardığını bilir. MRT cihazı sayesinde insan vücudunun anatomik inceliklerini ortaya çıkarılırken bu ses kulağa giderek daha derinden gelmeye başlar; beyin aktivitelerini incelemede kullandığımız MRT cihazlarında ise bu ses çok daha yüksek bir seviyeye ulaşır. Peki neden böyle bir ses meydana gelmekte ? Bu soruyu cevaplandırmak için önce biraz detaya girelim.

Manyetorezonans Görüntüleme'nin Çalışması Su Moleküllerinin  Radyo Dalgaların Enerjisini Emmesi Prensibine Dayanır. 

Manyetorezonans Görüntüleme veya diğer ismiyle Nükleer Spin Görüntüleme'de  araştırmacılar su moleküllerinin , daha doğrusu bu moleküllerin sahip olduğu atom çekirdeklerinin manyetik özellikte olmaları gerçeğinden faydalanmışlardır. Manyetorezonans çekimleri sırasında incelenecek vücut bölgesinin etrafında çok büyük bir tesla alanı oluşturulur ki bu değer dünyanın doğal manyetik alanının 100.000 katına denktir. Bu statik, ve zamandan bağımsız sabit değerli manyetik alan, helyum ile soğutulmakta olan elektromıknatıslar tarafından üretilir.

Akışkan helyum mutlak sıfır noktasından sadece 4,2 derece daha yüksek bir sıcaklığa sahiptir ve bu da yaklaşık 269 Celsius dereceye karşılık gelir. Bu sıcaklıklta mıknatıs sargılarının metal kısımları süper iletken özellik kazanarak elektriksel dirençlerini kaybederler. Bu özellik sayesinde çok yüksek akım, dolayısıyla da manyetik alan değerlerine ulaşmak mümkün olabilmektedir.

Yalpalayan Dönme Ekseni

Yumuşak vücut dokuları çok miktarda su içermektedir ve bu oran beyinde % 80 lere ulaşmaktadır. Su molekülleri, daha doğrusu hidrojen atomlarının protonları kendi başlarına minik birere mıknatıs gibi davranmaktadırlar: Su moleküllerindeki protonların kendilerine ait dönme momentleri normal şartlarda (spin olarak da isimlendirilir) statik manyetik alan ile aynı yönde yönlenirler. Bu esnada dönme ekseni tıpkı dönen bir topaçta olduğu gibi hareketini sürdürerek manyetik alan doğrultusu merkez olacak şekilde yalpalayarak manyetik alana paralel olmaktadır. Fizikçilerin deyimiyle bu bir “yalpalama” hareketidir. İngilizce karşılığı precession'dır.  Dönme ekseninin manyetik alan etrafında hangi frekansta yalpalama yaparak döneceği manyetik alanın şiddeti ile orantılıdır. Artık sıra , araştırılması istenen organa aynı frekansta bir radyo dalgası göndermektedir. Bunun için dokuya gönderilen radyo frekansı enerjisinin emilmesi sayesinde, küçük mıknatıscıklar şeklinde davranan ve manyetik alanları toplamda bir vektör oluşturan protonların spinleri mutad yalpalamasını tekrar gerçekleştirirler. Bu radyo dalgası kesildiği anda ise protonlar yine ilk manyetik alanla paralel haldeki eski spinine geri döner. İşte bu esnada protonun bu geri dönme sırasında yaydığı elektromanyetik dalga alıcı devreler tarafından alınarak dokudaki bölge ve kontrast farklılıkları bilgisayar yardımıyla değerlendirilirerek vücut kısımlarının görüntüleri elde edilir. Her dokunun hidrojen atomu için bu ilk hale dönüş sırasında geçen süre (buna gevşeme süresi adı veriliyor ) farklı olduğu için görüntülerin elde edilmesi sırasında bu bilgiden faydalanılmaktadır.

Proton (Hidrojen Çek.)'un Spini ve Yalpalama Hareketi

Bu fiziksel prensibe dayanarak,  tomografide kullanılan yüksek enerjili radyasyon yerine manyetik rezonans prensibinden faydalanan tomografi cihazları da vardır. Özellikle beyin hastalıklarının teşhisinde hastanın fazla radyasyon almasına mani olan bu cihazlardan  İşlevsel MRT’ (manyetoreazonans tomografi)de dokular yerine kan incelenmektedir. Beynin aktif bölgelerine oksijen nakli yapması halinde, kanın manyetik özellikleri değişmektedir. Bölgesel kan akışındaki bu tip değişiklikler beynin her bir bölgesindeki aktiviteler hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlamaktadır. 

Alınan sinyallerin yerini belirlemek için MRT cihazlarında gradyen bobinleri olarak isimlendirilen üç farklı bobin kullanılmaktadır. Bu bobinler sırasıyla x,y, ve z eksenlerinde yönlenmektedirler. Bobinler düzgün manyetik alanı değiştirirler: Manyetik alanın şiddeti ve yönü tam olarak dokunun bulunduğu yere bağlıdır. Böylece , spinlerin yönlenim ve hareketleri hakkında net bilgi edinilmiş olur. Bu yüzden sinyal frekansından elektromanyetik dalgayı üreten spin konumları hesaplanır.

Gradyen Bobinleri Üç Boyutlu Görüntü Elde Etmede Kullanılır

Bilgisayarla Üç Boyutlu Görüntü Meydana Getirilir. 

Uygulamada radyo anteni aynı anda pek çok sinyali birden almaktadır. Bilgisayar bu sinyal topluluğunu farklı frekanslara dolayısıyla sinyallere kaynaklık eden farklı lokasyon bilgileri şeklinde parçalamaktadır. Daha sonra bilgisayar adım adım üç boyutlu görüntüyü bir araya getirmeye başlar. Üç farklı gradyen bobini alternatif gerilim ile beslenir ve içerilerinde yüzlerce amperlik akımlar sadece milisaniyeler mertebesindeki kısa süreler süresince akmaktadır. Helyum soğutmalı mıknatıs tarafından üretilen statik manyetik alan, bu akımlar üzerine etki ederek cihazın ortasından geçen eksene doğru ve ondan uzaklaşacak şekilde bobinlere kuvvet uygular. Her bir çekim esnasında artarda gerçekleşen bu salınımlar hastanın bir uğultu şeklinde duymakta olduğu seslerin sebebi olmaktadır. Bu sesin yüksekliği bobinlerin titreştiği frekansa bağlıdır: İşlevsel MRT’de bu ses daha yüksektir çünkü bu cihazlarda bobinlerde akan akımlar daha hızlı değişmektedir. Eninde sonunda  beyin aktivitelerindeki değişimleri takip edebilmek için daha fazla sayıda resmin hızlı ve peşpeşe olacak şekilde meydana getirilmesi gerekmektedir. Böylelikle üç boyutlu taramanın söz konusu gürültüyü oluşturduğunu öğrenmiş oluyoruz. Üç Tesla gücündeki bir cihazda bu gürültünün şiddeti bir Rock konserinde meydana gelmesi muhtemel olan 125 dB seviylerine çıkabilir. Bu nedenle gürültü seviyesini 99 dB ‘in altına çekmesi için bir kulaklık veya koruma cihazı gerekli hale gelmektedir. 

Josephson Etkileri ve Josephson Gerilim Standardı

1962 yılında o zamanlar 22 yaşında olan İngiliz öğrenci Brian D. Josephson , kısa bir süre sonra deneyse yollarla doğrulanabilmiş olan iki fiziksel etkinin varlığı hakkında öngörüde bulundu. Josephson Gerilim Standardı bu iki etkiden birine dayanmaktadır. 

Josephson etkileri iki süper iletkenin zayıf bir şekilde örneğin aralarında birkaç nanometreyi aşmayan bir yalıtkan tabaka ile ayrılarak birbirlerine bağlanmaları durumunda kendini gösterir. Böylesi bir Josephson elemanı, bir mikrodalga ışınımına maruz bırakıldığında bu iki süper iletken arasında, sadece iki doğal sabit değerin katlarına (n= 1.2.3… ) ve mikrodalganın frekansına bağlı olan bir takım ayrık gerilim değerleri üretilir . Karakteristik eğride bu sabit gerilim Un basamak değerleri aşağıda verilen değerlerde üretilir:

                                                                Un = n x h/2e x f

Burada n=1,2,3…. Basamakların mertebesini, h Planck sabitini, ve temel yükü işaret etmektedir. Tarihsel nedenlerle bugün h/2e değil aksine bunun resiprokal karşılığı (2e/h ) Josephson Sabiti Kj olarak isimlendirilir. 

70 Ghz mertebesindeki tipik bir mikrodalga frekansında iki bitişik basamak arasında mesafe 150 µV kadardır. 

Soldaki Şekil: konvansiyonel bir süperiletken-yalıtkan-süperiletken dizilimi için akım ve gerilim eğrisi, X: 100 µA/div.& Y: 1 mV/div.) 

Sağdaki Şekil: Üstteki dizilimin mikrodalga ışınım altındaki akım-gerilim eğrisi . Sabit gerilim basamakları (Shapiro Basamakları ) açıkça görülebilmektedir. 

Josephson Etkisi ile göreceli olarak 10 voltta 1 nV (milyarda bir )dan daha az belirsizliğe sahip gerilimler elde etmek mümkündür. Bu etkiden bu nedenle metrolojik enstitütülerde ve sanayiide hizmet veren kalibrasyon laboratuvarlarında sabit referans gerilimlerine temel etmesi için faydalanılır. Josephson sabitesi özellikle Josephson gerilim basamaklarının oluşturulması için gereken mikrodalga frekansındaki ancak çok kısa süreli olarak sağlanabilen güvenilirlikten ötürü gereken hassasiyeti tam olarak sağlayamadığı için tüm bilim camiasının üzerinde anlaştığı bir değer olarak  K_J-90 değeri kullanılır: K_J-90= 483 597,9 GHz/V

                                                            

PTB Metroloji Enstitüsündeki temiz oda ana üssünde toplamda 10 volt üretilecek şekilde onbinlerce Josephson elemanının bağlantısı gerçekleştirilmiş olup bunlar modern Josephson Gerilim Standardının merkezi öğeleri durumundadır.

 10 Volt Josephson Dizi Gerilim Standart Sistemi.

Bay Josephson bu keşfinden ötürü 1973 yılında Nobel Fizik Ödülüyle onurlandırılmıştır. 

Perovskit Güneş Pillerinin Yüksek Verimli Olmasını Mümkün Kılan Şey , Kristal Yapıda Meydana Gelen Şekil Değişiklikleri Olabilir

Silisyum yerine Perovskit kristallerinin kullanılmasıyla güneş pillerinin üretim maliyetlerinin ciddi şekilde düşürülebileceği öngörülüyor. Birkaç yıl içerisinde şu anda ancak % 4 olabilen hücre verimleri % 20 lere ulaşabilecek. Ne var ki bu denli gelecek vadeden bu fiziksel olayın temelinde yatan sebepler tam olarak anlaşılmış da değil. İnce Perovskit kristallerindeki atomik hareketlerin gösterildiği bir film izleyenlere ,şu halde elektrik üretiminde yer alan önemli süreçlerin anlaşılması noktasında şaşırtıcı bilgilere ulaşma imkanı verdi. Kaliforniyalı araştırmacılar “Science Advances “ dergisinde kristal yapısının alışılmadık şekilde uzun ömürlü form değişiklikleri hakkında bilgi paylaşımında bulundular. Bu açıklamalar sayesinde okuyucuların “Perovskit Güneş Pilleri’nde gerçekleşen “elektrik yüklerinin taşınması” olayını daha iyi anlaması bekleniyor. 

    Kristal Yapıdaki Şekil Değişiklikleri Perovskit Güneş Pillerini Verimini Artırıyor.

Menlo Parkta bulunan SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarında araştırmacı olarak çalışan bay Wu “Işığın İyot ve Kurşun atomlarının oluşturduğu kristal yapıda ciddi büyüklükte şekilsel değişiklik yarattığını keşfettik. ” diyor. Bu şekil değişikliklerinin Perovskit güneş pillerinin yüksek verimli oluşundaki asıl etken olabileceği düşünülmekte. Bu bilgiye ulaşabilmek için  Wu ve arkadaşları 40 nm kalınlığındaki Perovskit kristal tabakalarını aşırı kısa dalga boyundaki lazer darbeleri (40 femtosaniye) ile aydınlattılar. Görünür ışık vasıtasıyla söz konusu kristal yapının bu şekilde uyarılması neticesinde , kuvvetli bir şekilde odaklanan elektronlardan oluşan bir ışını örnek parça ( güneş piline esas ) üzerine düşürdüler. Bu elektronlar Perovskit kristal tabakaya çarparak saçıldıktan sonra hassas bir dedektör tarafından tekrar toplandı. Buradan da kırılan elektron demetinin , kristal yapının atomik yapısının anlaşılabilmesine imkan veren bir resmi oluşturulabildi. 

Fizikçiler bu elektron ışınımına ait kırılmanın ölçümlerini, lazer- ve elektron darbeleri arasında meydana getirilen farklı zaman aralıkları için defalarca kez tekrarladılar. Bu sayede, her bir kırılma yardımıyla oluşturulmuş bir  film görüntüsü elde edilmiş oldu ki bu film Perovskit kristal kafes yapısında meydana gelen her bir şekil değişikliğini nanometrenin kesirleri ölçeğinde doğru şekilde görülebilir kılmaktadır. 

Araştırmacılar  lazer ışığı ile uyartımın hemen sonrasında (saniyenin 10 trilyonda biri kadar kısa bir süre ) Perovskit kristallerindeki iyot atomlarının her birinin bir kurşun atomunun etrafında döndüğünü farkettiler. Aynı süre içerisinde, önceden tabanları bitişik çift piramit (oktahedron )yapısında bir şekle sahip olan kristallerin daha az düzenli bir yapıya dönüştüklerini de kaydettiler. Bu değişiklikler tıpkı eriyen kristallerin yapısında meydana gelenlerle kıyaslanabilir nitelikte olduklarından , onların süre ve büyüklükleri araştırmacıları bir hayli şaşırtmış. Araştırmacılar tam olarak da bu şekil değişikliklerinin elektriksel yüklerin kristal yapı içerisinde yakalanmadan kolaylıkla hareket etmelerini sağlayan şey olduğunu düşünüyorlar. Bu da perovskit güneş pillerinin neden yüksek verimli olduğunu açıklıyor. Wu ve arkadaşları yaptıkları bu keşfin uygun maliyetli perovskit kristallerinin üretiminde çığır açmasını ümit ediyorlar.