مهندسی بی‌نهایت دستگاه MRI

مهندسی بی‌نهایت؛ دستگاه MRI: جادوی مغناطیس در دنیای پزشکی

یک‌شنبه ۳ تیر ۱۴۰۳ - ۲۱:۳۰
مطالعه 17 دقیقه
دستگاه MRI با عملکرد شگفت‌انگیزش دیدگاه انسان نسبت به بدنش را تغییر داد؛ اما این دستگاه چگونه می‌تواند اعضای داخلی بدن ما را به تصویر بکشد؟
تبلیغات

شاید تاکنون برایتان پیش آمده باشد که به هر دلیلی درد شدیدی را مثلاً در دست خود احساس کنید و پس از گذشت چند روز مصرف مسکن‌های مختلف، درد فروکش نکرده باشد و مجبور شده باشید برای درمان اصولی‌تر به پزشک متخصص مراجعه کنید. در این مواقع معمولاً پزشک پس از معاینه‌ی اولیه، تصویربرداری با دستگاه ام‌آرآی (Magnetic Resonance Imaging یا MRI)‌ را پیشنهاد می‌دهد تا تشخیص دقیق‌تری داشته باشد؛ دستگاهی شگفت‌انگیز که امروزه بسیار از آن استفاده می‌شود.

دستگاه MRI انقلابی در دنیای پزشکی به پا کرد و تغییرات زیادی را در تشخیص و درمان به وجود آورد. بیشتر افراد نمی‌دانند این دستگاه چگونه کار می‌کند و چگونگی عملکرد آن همیشه معمای عجیبی برای آن‌ها بوده است. برای آشنایی با عملکرد دستگاه MRI باید با اصول کلی فیزیک کوانتوم، آهن‌رباهای ابررسانا، علوم کامپیوتر و ریاضیات مرتبط با آن‌ها آشنا باشیم.

سال‌ها قبل برای تصویربرداری از اعضای داخلی بدن از روش‌هایی مانند اشعه‌ی ایکس و سونوگرافی (استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا) استفاده می‌‌شد. اگرچه اکنون نیز در برخی موارد از این دو روش برای تصویربرداری استفاده می‌شود، MRI تصویرهایی دقیق و سه‌بعدی از بدن انسان ارائه می‌دهد که با تصویرهای به‌دست‌آمده از پرتو ایکس و سونوگرافی قابل‌‌مقایسه نیستند.

MRI به‌طور کامل دیدگاه ما را نسبت به بدنمان تغییر داد

با استفاده از MRI می‌توانیم تومورهای خوش‌خیم یا بدخیم را در کلیه‌ها، مغز، شکم و دیگر قسمت‌های بدن شناسایی کنیم. در تصویربرداری MRI، پزشکان با تزریق مواد پارامغناطیس به درون رگ بیمار، انسداد عروق کرونری قلب را تشخیص می‌دهند. این تشخیص دقیق، امکان کار گذاشتن استنت در محل انسداد را برای باز کردن رگ‌های خونی، بهبود جریان خون و در نتیجه، نجات جان بیمار فراهم می‌کند. MRI روشی جدیدتر و دقیق‌تر برای تشخیص رگ‌های بسته‌ی قلب است که مزایای زیادی مانند غیرتهاجمی بودن، دقت بیشتر و ایمنی بالاتر نسبت به روش‌های قدیمی‌تر دارد.

ساختار دستگاه MRI چگونه است؟

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، دستگاه MRI از لایه‌های مختلفی تشکیل شده است. هر یک از این لایه‌ها، آهن‌رباهای متفاوتی را نشان می‌دهند که از آن‌ها برای تصویربرداری استفاده می‌کنیم.

مدل سه‌بعدی دستگاه MRI
مدل سه‌بعدی دستگاه MRI

اگر به دستگاه MRI از روبه‌رو نگاه کنیم، بیمار مانند تصویر به‌صورت افقی درون آن قرار می‌گیرد.

بیمار درون دستگاه MRI
بیمار درون دستگاه MRI

تفاوت دستگاه MRI با دیگر دستگاه‌های تصویربرداری مانند اشعه‌ی ایکس یا سونوگرافی در آن است که سیگنال استفاده‌شده برای ایجاد تصویر در MRI از درون بدن بیمار می‌آید، بنابراین برای تصویربرداری دقیق باید بدانیم سیگنال ارسال‌شده از کدام قسمت بدن آمده است. برای انجام این کار از محورهای مختصات کارتزین یا همان محورهای x و y و z استفاده می‌کنیم و با استفاده از آن تصویر را در امتداد سه محور تقسیم می‌کنیم.

دستگاه مختصات

از مؤلفه‌ی z که در امتداد بدن بیمار قرار گرفته و جهت آن از سر تا پای او است، برای تصویربرداری محوری (axial images) استفاده می‌شود. در این نوع تصویربرداری، طیف وسیعی از اندام‌ها و ساختارهای بدن مانند مغز، ستون فقرات، شکم، قفسه‌ی سینه و لگن مورد بررسی قرار می‌گیرند. همچنین، مؤلفه‌ی y تصاویر کرونال (Coronal images) را تهیه می‌کند. این تصاویر به بررسی آناتومی بدن از نمای جلو به عقب یا عقب به جلو می‌پردازند. در پایان، از مؤلفه‌ی x برای تهیه‌ی تصاویر ساژیتال (Sagittal images) استفاده می‌شود. این صفحه بدن را به قسمت‌های چپ و راست تقسیم می‌کند. ناگفته نماند که محور z، محور طولی (صفحه‌ی طولی) و صفحه‌ی xy که بر محور z عمود است، صفحه‌ی عرضی نام دارد.

صفحات آناتومی بدن

در تصویربرداری MRI از مفهومی به نام «تشدید مغناطیسی هسته‌ای» (Nuclear Magnetic Resonance یا NMR)‌ استفاده می‌شود و در آن با اعمال میدان مغناطیسی بسیار بزرگ، تشدید یا رزونانس را در برخی اتم‌های مشخص داخل بدن بیمار القا می‌کنیم. اگر برایتان سؤال باشد که از چه اتمی برای این کار استفاده می‌شود، جواب آن اتم هیدروژن است، زیرا تعداد زیادی از اتم مورد بحث در بدن انسان وجود دارد و اسپین آن نیز مخالف صفر است.

همان‌طور که می‌دانید حدود ۷۵ درصد بدن انسان از آب و هر مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. اتم‌های هیدروژن و اکسیژن از طریق پیوند کووالانسی قطبی و به اشتراک‌گذاری الکترون‌ها، به یکدیگر متصل شده‌اند؛ اما این اشتراک‌گذاری به‌طور مساوی انجام نمی‌شود.

اتم اکسیژن به‌دلیل الکترونگاتیویته‌ی بیشتر، جاذبه‌ی بیشتری نسبت به الکترون‌ها دارد و به همین دلیل، ابر الکترونی را به سمت خود می‌کشد. این عدم تقارن در توزیع الکترون‌ها، باعث ایجاد قطبیت در مولکول آب می‌شود. اتم اکسیژن به‌دلیل داشتن بار جزئی منفی و اتم‌های هیدروژن به‌دلیل داشتن بار جزئی مثبت، دو قطب مولکول آب را تشکیل می‌دهند.

در تصویربرداری MRI از اتم‌های هیدروژن مثبت در داخل بدن استفاده می‌کنیم

سیگنالِ گرفته‌شده برای تصویربرداری در MRI از هسته‌ی هیدروژن مثبت در آب و چربی می‌آید. هسته‌ی هیدروژن مثبت، مانند ذرات زیراتمی دیگر، اسپین دارد که به آن ممان مغناطیسی (Magnetic Moment) می‌دهد. به بیان ساده‌تر، هر هسته‌ی هیدروژن را می‌توانیم با یک آهن‌ربای مغناطیسی کوچک جایگزین کنیم.

می‌توانیم بیمار را مانند جعبه‌ای سرشار از اتم‌های هیدروژن در نظر بگیریم که در حالت کلی و در غیاب میدان مغناطیسی به‌صورت کاملاً تصادفی وجود دارند، به اطراف حرکت می‌کنند و جهت مشخصی ندارند. سرعت حرکت اتم‌های هیدروژن به دمای بدن فرد بستگی دارد، یعنی هرچه دمای فرد بالاتر باشد، سرعت حرکت اتم‌ها بیشتر و هرچه دمای بدن فرد کمتر باشد، سرعت حرکت اتم‌ها کمتر است. این اتم‌ها به‌دلیل داشتن ممان مغناطیسی، تحت‌تأثیر میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرند. این حالت مشابه قرار گرفتن عقربه‌ی قطب‌نما در جهت میدان مغناطیسی زمین است؛ بنابراین، با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، هسته‌های هیدروژن در جهت مشخصی قرار می‌گیرند.

هسته هیدروژن مثبت که می‌تواند با آهن‌ربا جایگزین شود.
هسته‌ی هیدروژن مثبت که می‌تواند با آهن‌ربا جایگزین شود.
عکاس: یوتیوب

دستگاه MRI از آهن‌ربای اصلی،‌ سیم‌پیچ‌های گرادیان (این سیم‌پیچ‌ها نقش مهمی در ایجاد میدان مغناطیسی فضایی دارند)، سیم‌پیچ‌های سیگنال رادیویی (RF)‌ و سیستم کامپیوتری تشکیل شده است. در حالت کلی، MRI را می‌توانیم به‌عنوان آهن‌ربای بزرگی در نظر بگیریم که میدان مغناطیسی‌ای به نام B0 ایجاد می‌کند.

معمولاً مقدار B0 در دستگاه‌های MRI بین ۱٫۵ تا ۳ تسلا (حدود ۳۰۰٬۰۰۰ مرتبه قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین و ۳۰٬۰۰۰ مرتبه قوی‌تر از میدان مغناطیسی آهن‌ربای روی یخچال) است. بیشتر هسته‌های هیدروژن پس از قرار گرفتن در میدان مغناطیسی در جهت آن قرار می‌گیرند، اما جهت برخی هسته‌ها نیز در خلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی است. از دیدگاه فیزیک کوانتوم، اتم هیدروژن در هر دو حالت وجود دارد، اما در این بخش نکته‌ی مهم آن است که تعداد اتم‌های هیدروژنی که در جهت میدان مغناطیسی B0 قرار دارند، بزرگ‌تر از تعدادی است که در خلاف جهت آن قرار گرفته‌اند.

میدانِ حاصل از هسته‌های قرارگرفته در جهت میدان مغناطیسی B0 را از میدانِ کلِ هسته‌های قرارگرفته در خلاف جهت میدان B0 کم می‌کنیم و آن را Bnet می‌نامیم. اگر بدن فردی را که در دستگاه MRI قرار گرفته است، محور z در نظر بگیریم، Bnet در راستای محور z و به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر قرار می‌گیرد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، میدان‌های B0 و Bnet موازی یکدیگر و در جهت مثبت محور z قرار گرفته‌اند. توجه کنید که آهن‌ربا با قرار گرفتن در راستای میدان مغناطیسی، در حالت کم‌انرژی است. به بیان ساده‌تر، آهن‌رباهای کوچک با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی B0 تمایل دارند در راستای محور z و هم‌جهت با آن قرار بگیرند.

میدان مغناطیسی MRI و میدان مغناطیسی پروتون‌ها
عکاس: یوتیوب

هیدروژن‌های مثبت علاوه بر قرار گرفتن در جهت میدان مغناطیسی دستگاه MRI، همانند فرفره‌ی چرخان به دور محور مرکزی خود می‌چرخند. این حرکت، حرکت تقدیمی یا اسپین هسته نام دارد و سرعت یا فرکانس این حرکت چرخشی به بزرگی میدان مغناطیسی B0 وابسته است. هرچه میدان B0 بزرگ‌تر باشد، فرکانس حرکت تقدیمی اتم‌ هیدروژن نیز بزرگ‌تر خواهد بود. در تصویربرداری MRI نباید به اتم‌های هیدروژن به‌صورت تکی نگاه کنیم، بلکه باید به بردار مغناطش کل ایجادشده توسط آن‌ها و تغییر این بردار به‌دلیل تغییر میدان‌های مغناطیسی در دستگاه MRI توجه داشته باشیم. ازاین‌رو، اتم‌های هیدروژن را با بردار مغناطش کل (Bnet) در راستای محور z جایگزین می‌کنیم.

بردار مغناطش کل، کمیتی است که می‌خواهیم در تصویربرداری MRI اندازه‌ بگیریم، اما اندازه‌گیری این بردار در راستای محور z و موازی با میدان B0 ممکن نیست، چرا؟ زیرا میدان B0 به اندازه‌ای بزرگ است که روی اندازه‌گیری بردار مغناطش تأثیر می‌گذارد. چگونه بردار مغناطش کل را اندازه بگیریم؟ برای انجام این کار، این بردار را در راستای عمود بر B0 قرار می‌دهیم و آن را اندازه می‌گیریم. چگونه بردار مغناطش را در راستای عمود بر میدان مغناطیسی اصلی قرار می‌دهیم؟ این کار را می‌توانیم به کمک میدان مغناطیسی دوم به نام پالس فرکانس رادیویی (Radio Frequency pulse یا RF) انجام دهیم.

برای اندازه‌گیری بردار مغناطش اتم‌های هیدروژن باید آن‌ها را در حالت عمود بر میدان مغناطیسی اصلی قرار دهیم

هیدروژن‌های مثبت قرار گرفته در جهت میدان مغناطیسی را می‌توانیم با تابش سیگنال RF تحت‌تأثیر قرار دهیم. این سیگنال، میدان مغناطیسی متغیر کوچک‌تری عمود بر میدان مغناطیسی اصلی است که در فرکانس مشخصی اعمال می‌شود.

سیگنال RF واقعاً موج رادیویی نیست، بلکه انرژی الکترومغناطیسی با فرکانسی در طیف موج رادیویی است. پالس RF در فرکانسی مساوی با فرکانس حرکت تقدیمی اتم‌های هیدروژن تغییر می‌کند. با برابر شدن فرکانس حرکت تقدیمی اتم‌های هیدروژن و فرکانس پالس RF، دو اتفاق رخ می‌دهد. پس از وارد کردن این سیگنال، هیدروژن‌های مثبت به صفحه‌ای دیگر (صفحه‌ی عمود بر میدان B0) هدایت می‌شوند و همزمان و هم‌فاز با یکدیگر به دور محور خود می‌چرخند. زاویه‌ی چرخش از محور z به بزرگی و مدت زمان تابش سیگنال RF بستگی دارد.

با رفتن هیدروژن‌های مثبت یا پروتون‌ها به صفحه‌ی عمود بر B0، مغناطش طولی تغییر خواهد کرد. در حالت کلی، بیشتر پروتون‌ها در جهت میدان B0 قرار می‌گیرند؛ اما با دادن کمی انرژی به آن‌ها، پروتون‌ها می‌توانند عمود بر B0 قرار بگیرند. این تمام ماجرا نیست؛ با دادن انرژی به شکل پالس RF به پروتون‌ها، آن‌ها همزمان با یکدیگر و به‌صورت هم‌فاز شروع به حرکت تقدیمی می‌کنند. در اثر این انرژی، ممان مغناطیسی پروتون‌ها (اتم‌های هیدروژن) به صفحه‌ای عمود بر میدان مغناطیسی اصلی B0 یا صفحه‌ی xy منتقل می‌شود.

تابش پالس RF
عکاس: یوتیوب

بنابراین، پالس RF دو کار انجام می‌دهد:

  • میدان مغناطیسی کل را به صفحه‌ی xy منتقل می‌کند؛
  • هسته‌های هیدروژن به‌صورت هم‌فاز با فرکانس مشخصی حرکت تقدیمی انجام می‌دهند و مانند فرفره با زاویه‌ی مشخصی نسبت به محور مرکزی، به دور آن می‌چرخند. در نتیجه، میدان مغناطیسی کل به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر در صفحه‌‌ی xy و عمود بر محور z حرکت می‌کند.
حرکت تقدیمی در صفحه‌ی xy
عکاس: یوتیوب

تا اینجا فهمیدیم در دستگاه MRI، برخلاف دستگاه‌های تصویربرداری دیگر، از پروتون‌های داخل بدن بیمار برای گرفتن تصویر استفاده می‌شود. این پروتون‌ها همان اتم‌های هیدروژن با بار جزئی مثبت هستند که پس از قرار گرفتن در راستای میدان مغناطیسی اصلی B0، هم‌جهت و موازی با آن (راستای محور z)‌ قرار می‌گیرند. در ادامه، با اعمال میدان کوچک‌تری به نام پالس RF، پروتون‌ها در راستای عمود بر محور z و در صفحه‌ی xy قرار می‌گیرند؛ سپس سیم‌پیچ کوچکی را در دستگاه MRI قرار می‌دهیم. طبق اصل القای فارادی، تغییر میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی القا می‌کند.

براساس اصل القای فارادی، هرگاه شار مغناطیسی عبوری از سیم‌پیچ با نرخی مشخص تغییر کند، ولتاژی با مقدار مشخص در سیم‌پیچ القا می‌شود. مقدار ولتاژ القاشده به سرعت تغییر شار مغناطیسی، تعداد دورهای سیم‌پیچ و مساحت هر دور بستگی دارد. اگر سیم‌پیچ در مداری بسته قرار داشته باشد، ولتاژ القایی می‌تواند جریانی را در سیم‌پیچ القا کند که مقدار آن به مقاومت مدار و میزان ولتاژ القایی وابسته است. در دستگاه MRI، از جریان القاشده در سیم‌پیچ برای ایجاد تصویر استفاده می‌شود.

همان‌طور که گفتیم میدان مغناطیسی کل (بردار مغناطش کل) در صفحه‌‌ی xy و عمود بر محور z حرکت می‌کند. با توجه به حرکت بردار مغناطش در صفحه‌ی XY، سیگنالی را می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم. این بردار به‌دلیل پالس RF در صفحه‌ی xy حرکت می‌کند. نکته‌ی مهم آن است که فرکانس پالس RF باید با فرکانس حرکت تقدیمی اتم‌های هیدروژن برابر باشد. با برابر شدن فرکانس‌ها، رزونانس مغناطیسی رخ می‌دهد.

برای درک بهتر مفهوم رزونانس مثال ساده‌ای را با یکدیگر بررسی می‌کنیم. وسیله‌ی بازی‌ای به نام «ترامپولین» داریم که از پارچه‌ی ضخیمی ساخته شده است و روی آن می‌توان حرکات آکروباتیک انجام داد. فرض کنید شما و دوستتان روی ترامپولین به بالا و پایین می‌پرید. اگر به‌تنهایی روی ترامپولین بپرید، تا ارتفاع مشخصی مانند h بالا می‌روید. حال اگر دوستتان همزمان با شما بپرید، ارتفاع پرش شما بیشتر از h خواهد بود. به بیان دیگر، همزمان شدن پرش شما و دوستتان، ارتفاع پرش شما را افزایش می‌دهد. به این نکته توجه داشته باشید که ارتفاع پرش در صورت همزمانی پرش شما با افراد دیگر، افزایش خواهد یافت.

پرش روی ترامپولین

برای اتم‌های هیدروژن نیز به هنگام تابش پالس RF، حالتی مشابه پرش روی ترامپولین رخ می‌دهد. تنها هنگامی‌ که فرکانس حرکت تقدیمی اتم‌های هیدروژن و فرکانس پالس RF با یکدیگر برابر باشند، اتم‌های هیدروژن به‌صورت هم‌فاز حرکت می‌کنند و زاویه‌ی مغناطش شروع به تغییر می‌کند. همان‌طور که اشاره کردیم تغییرات زاویه به مدت‌زمان پالس RF و دامنه‌ی آن وابسته است. پس از انتقال میدان کل یا بردار مغناطش کل به صفحه‌ی xy و ایجاد سیگنال لازم، تابش پالس RF را قطع می‌کنیم. سیگنال گرفته‌شده به‌دلیل حرکت تقدیمی بردار مغناطش با فرکانسی برابر فرکانس پالس RF، ایجاد می‌شود. در نگاه نخست، سیگنال ایجادشده مانند تصویر زیر به نظر می‌رسد؛ اما در عمل سیگنال ایجادشده به این شکل نیست، زیرا تابش پالس RF به‌صورت پیوسته نیست و پس از گذشت مدت‌زمانی مشخص، قطع می‌شود.

سیگنال ایجاد شده

آنچه در عمل اتفاق می‌افتد به این صورت است که اتم‌های هیدروژن با فرکانس پالس RF و به‌صورت هم‌فاز حرکت می‌کنند و پس از قطع آن، از حالت هم‌فاز خارج می‌شوند. در این حالت، بردار مغناطش در صفحه‌ی xy و در نتیجه، سیگنال ایجادشده، کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شوند. نمودار نارنجی‌رنگ رسم‌شده روی سیگنال، منحنی میرایی القایی آزاد یا T2 نام دارد.

توجه به این نکته مهم است که هر بافت در بدن، نمودار *T2 منحصر به خود و متفاوت از بافت‌های دیگر دارد. نمودار میرایی القایی آزاد آب نسبت به زمان بسیار آهسته است، در مقابل، نمودار میرایی القایی آزاد استخوان یا بافت، نسبت به زمان بسیار سریع است. شاید از خود بپرسید آهسته یا سریع بودن این نمودار نسبت به زمان چه معنایی دارد؛ نمودار میرایی سریع نسبت به زمان یعنی دامنه نسبت به زمان به‌سرعت کاهش پیدا می‌کند؛ اما در نمودار میرایی آهسته، دامنه نسبت به زمان به‌کندی و بسیار آهسته کاهش می‌یابد. با استفاده از این تفاوت‌ها می‌توانیم در تصاویرِ گرفته‌شده، کنتراست لازم را ایجاد کنیم.

زمان T2

فرایند فوق به‌صورت همزمان با فرایند مستقل دیگری رخ می‌دهد. همزمان با کاهش مغناطش در صفحه‌ی xy، مغناطش طولی در راستای محور z افزایش می‌یابد. کاهش مغناطش در صفحه‌ی xy یا *T2 بسیار سریع‌تر از افزایش مغناطش در راستای محور z رخ می‌دهد. همان‌طور که در نمودار زیر مشاهده می‌کنید، با گذشت زمان مغناطش در راستای محور z افزایش می‌یابد. سرانجام زمانی فرا می‌رسد که اتم‌های هیدروژن به‌طور کامل غیرهم‌فاز شده‌اند و مغناطش در صفحه‌ی xy برابر صفر می‌شود. در این حالت، بردار مغناطش هیچ مؤلفه‌ای در صفحه‌ی xy ندارد و تنها یک مؤلفه در راستای محور z دارد. به این نکته توجه داشته باشید که مدت‌زمانی که مغناطش به‌طور کامل در راستای محور z قرار می‌گیرد (T1) بسیار بزرگ‌تر از *T2 است.

مغناطش طولی

بار دیگر به این نکته توجه داشته باشید که این دو فرایند به‌طور کاملاً مستقل از یکدیگر رخ می‌دهند؛ یعنی با دانستن T2 برای بافت مشخصی در بدن، T1 آن بافت را نمی‌توانیم به‌راحتی به‌دست آوریم، زیرا این دو کمیت به‌طور کامل از یکدیگر مستقل هستند. این نکته را فراموش نکنید که ما تنها می‌توانیم سیگنالِ عمود بر میدان مغناطیسی اصلی، B0 را اندازه بگیریم؛ بنابراین، برای اندازه‌گیری مغناطش باید آن را بر B0 عمود کنیم.

اکنون به مرحله‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم تصویربرداری MRI را انجام دهیم. برای انجام این کار به دو پارامتر جدا نیاز داریم که از تفاوت‌های T2 و T1 استفاده می‌کنند؛ این دو پارامتر «زمان پژواک یا اکو» (Time of Echo یا TE) و «زمان تکرار» (Time of Repetition یا TR)‌ نام دارند. دو بافت جداگانه را در بدن در نظر بگیرید که پروتون‌ها در هر یک از آن‌ها در راستای محور z قرار گرفته‌اند. اکنون پالس RF را به دو بافت می‌تابانیم. پروتون‌های داخل هر یک از بافت‌ها در صفحه‌ی عمود بر میدان اصلی B0 حرکت تقدیمی انجام می‌دهند. در ادامه و با غیرهم‌فاز شدن اتم‌های هیدروژن، مغناطش در صفحه‌ی xy در مدت‌زمان *T2 کاهش می‌یابد.

به فاصله‌ی زمانی بین پالس رادیویی اعمال‌شده برای برانگیختن اتم‌های هیدروژن و اندازه‌گیری سیگنال حاصل از اسپین آن‌ها، زمان پژواک می‌گوییم. به بیان دیگر، TE مدت‌زمانی را که طول می‌کشد تا سیگنال MRI پس از برانگیختگی اولیه اندازه‌گیری شود، نشان می‌دهد. با دادن زمان بیشتر، ناهمدوسی فاز و تفاوت بین دو بافت بیشتر می‌شود. همزمان، دو بافت مغناطش طولی یا مغناطش در راستای محور z را با آهنگ‌های متفاوت به‌دست می‌آورند. در نهایت، بردار مغناطش دو بافت در راستای محور z قرار می‌گیرد. با تابش پالس دوم RF می‌توانیم بار دیگر پروتون‌های دو بافت را در صفحه‌ی xy قرار دهیم. زمان بین پالس RF اول و پالس RF دوم، زمان تکرار یا TR نام دارد.

با تابش پالس RF، قطع و تابش دوباره‌ی آن می‌توانیم از قسمت‌های مختلف داخلی بدن، تصویربرداری کنیم

TE برحسب میلی‌ثانیه اندازه گرفته می‌شود و نقش مهمی در تنظیم کنتراست تصویر MRI دارد. پیش‌تر گفتیم مقدار *T2 در بافت‌های مختلف و در نتیجه، دریافت سیگنال MRI نیز در آن‌ها متفاوت است؛ بنابراین، با تنظیم TE می‌توان سیگنال‌های دریافتی از بافت‌های مختلف را تحت‌تأثیر قرار داد و کنتراست بین آن‌ها را افزایش داد.

بیایید نقش دو زمان TR و TE را در تصویربرداری MRI با ذکر مثالی ساده، روشن‌تر کنیم. فرض کنید در مهمانی هستید و می‌خواهید با آدم‌های مختلف آشنا شوید و صحبت کنید. زمان TE همانند مدت‌زمانی است که صبر می‌کنید تا هر فرد، حرف‌ خود را بزند. اگر TE کوتاه باشد، فقط حرف‌های ابتدایی هر فرد را می‌شنوید، اما اگر بلند و طولانی باشد، حرف‌های فرد را کامل‌تر و با جزئیات بیشتری خواهید شنید. اکنون صحبت خود را با فرد مورد نظر قطع و پس از مدتی دوباره با او صحبت می‌کنید، مدت زمان بین دو گفت‌وگوی اول و دوم، همان TR است. بافت‌های مختلف بدن مانند آدم‌های مختلف در مهمانی هستند؛ همان‌طور که هر شخص لحن کلام متفاوتی دارد، هر بافت نیز سیگنال مشخصی تولید می‌کند که با سیگنال‌هایی که بافت‌های دیگر ایجاد می‌کنند، تقاوت دارد.

با تنظیم TE و TR می‌توانیم اطلاعات مختلفی از بافت‌ها به‌دست آوریم. فرض کنید می‌خواهیم از مغز تصویربرداری کنیم، اگر TE کوتاه باشد، تصویری کلی از مغز داریم، اما اگر TE بلند باشد، تصویر به‌دست‌آمده از مغز، جزئیات بیشتری را نشان می‌دهد. یا فرض کنید می‌‌خواهیم از تومور داخل بدن بیماری عکس بگیریم. TR کوتاه به ما می‌گوید تومور چقدر فعال است، اما TR بلند به ما اطلاعاتی در مورد رشد تومور و نفوذ آن به بافت‌های اطرافش می‌دهد.

فناوری MRI ارتباط بین فعالیت مغز و روان‌شناسی را کشف می‌کند
فناوری MRI ارتباط بین فعالیت مغز و روان‌شناسی را کشف می‌کند
مطالعه '6

گفتیم بافت‌ها سیگنال‌های متفاوتی به ما می‌دهند، دلیل این موضوع به تجمع متفاوت آب و چربی در بافت‌های مختلف برمی‌گردد. اتم‌های داخل چربی مشخصات ذاتی و برهم‌کنش‌های متقاوتی در مقایسه با اتم‌های هیدروژنِ داخل آب دارند. این تفاوت به تکنیسین‌های MRI اجازه می‌دهد تا کنتراست‌های متفاوتی را بین بافت‌های مختلف بدن ایجاد کنند. با تنظیم زمان‌های T1 و *T2 و TE و TR می‌توانیم تصاویر مختلفی از قسمت‌های گوناگون بدن تهیه کنیم.

میدان مغناطیسی اصلی در MRI چگونه ایجاد می‌شود؟

در بخش قبل گفتیم دستگاه MRI را می‌توانیم به‌عنوان آهن‌ربای بزرگی در نظر بگیریم؛ اما سؤال اصلی آن است که چگونه می‌توان میدان مغناطیسی‌ای با بزرگی ۱٫۵ تا ۳ تسلا را در MRI ایجاد کنیم؟ با افزایش میدان مغناطیسی B0، سیگنال‌های دریافتی از بافت‌های مختلف تقویت می‌شوند، در نتیجه تصویر به‌دست‌آمده کیفیت بهتری خواهد داشت. دستگاه MRI می‌تواند میدان مغناطیسی‌ای تا بزرگی ۲۰ تسلا ایجاد کند. فراموش نکنید که رسیدن به این مقدار، به‌راحتی به‌دست نیامده است.

MRIهای اولیه از آهن‌رباهای دائمی برای ایجاد میدان مغناطیسی استفاده می‌کردند، اما این‌ آهن‌رباها تنها می‌توانستند میدان مغناطیسی‌ای تا بزرگی ۰٫۵ تسلا ایجاد کنند؛ بنابراین، تصاویر ایجادشده کیفیت جالبی نداشتند. در ادامه، پژوهشگران برای دستیابی به میدان مغناطیسی قوی‌تر، به‌جای آهن‌رباهای دائمی از آهن‌رباهای الکتریکی استفاده کردند؛ اما آهن‌رباهای الکتریکی نمی‌توانند میدان مغناطیسی‌ای به بزرگی ۱٫۵ تسلا ایجاد کنند؛ زیرا میدان‌های مغناطیسی بزرگ نیاز به جریان‌های بالا دارند که سیم‌های معمولی را ذوب می‌کنند.

برای حل این مشکل و داشتن جریان‌های بالا، پژوهشگران از سیم‌پیچ‌های ابررسانا استفاده کردند. دما بر مواد رسانا تأثیر می‌گذارد، به‌گونه‌ای که مقاومت آن‌ها با کاهش دما، کاهش می‌یابد. اما ابررساناها ویژگی منحصربه‌فردی دارند؛ مقاومت آن‌ها در دمای نزدیک به ۲۷۳- درجه‌ی سلسیوس یا صفر مطلق برابر صفر می‌شود. در این حالت، جریان الکتریکی در حلقه‌‌ای ساخته‌شده از ماده‌ی ابررسانا می‌تواند تا ابد جریان داشته باشد. در واقعیت، سیم‌پیچ ابررسانا در دستگاه MRI به‌طور مستقیم به هیچ توان الکتریکی خارجی‌ای نیاز ندارد؛ بلکه فقط باید سیم‌پیچ‌ها با صرف مقداری انرژی خنک نگه داشته شوند، در این صورت آهن‌ربای MRI به‌صورت دائمی روشن خواهد ماند.

مقایسه‌ی فلز معمولی و ماده‌ی ابررسانا

انرژی لازم برای کار کردن دستگاه MRI به مدت یک سال حدود ۱۳۰ تا ۱۴۰ هزار کیلووات ساعت است. نیوبیم-تیتانیوم یکی از رایج‌ترین مواد ابررسانا در MRI به‌حساب می‌آید، به گونه‌ای که ۸۰ درصد نیوبیم-تیتانیوم استخراج‌شده از زمین برای ساخت دستگاه MRI مصرف می‌شوند. همان‌طور که گفتیم، ابررسانایی در دمایی بسیار پایین رخ می‌دهد، بنابراین برای رسیدن به این دما نیاز به سیستم سرمایشی بسیار پیشرفته‌ای داریم.

مهندسان هنگام ساخت دستگاه‌های MRI اولیه، سیم‌های ابررسانا را داخل حمام هلیوم مایع در دمای ۲۶۹- درجه‌ی سلسیوس نگه‌داری می‌کردند؛ اما مشکل انجام این کار آن بود که هلیوم به‌سرعت تبخیر می‌شد، بنابراین لازم بود ظرف حاوی هلیوم مایع به‌طور پیوسته پر شود که حدود ۲۶ هزار دلار در سال هزینه دربر داشت. برای حل این مشکل، پژوهشگران دستگاه MRI را به محفظه‌ی خلأ مجهز کردند و هلیوم مایع را داخل آن قرار دادند.

تصویربرداری MRI، به‌عنوان ابزاری برای تشخیص دقیق انواع بیماری‌ها، دریچه‌ای به سوی آینده‌ای روشن در عرصه‌ی پزشکی می‌گشاید. با پیشرفت‌‌های روزافزون در این فناوری، می‌توان امیدوار بود که در آینده‌ای نزدیک شاهد روش‌های درمانی نوین و غیرتهاجمی‌ای باشیم که با استفاده از MRI به‌طور دقیق و هدفمند به درمان بیماری‌ها و نجات جان انسان‌ها بپردازند.

تبلیغات
در حال مطالعه لیست مطالعاتی هستی
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
تبلیغات
تبلیغات

نظرات