تصویربرداری مبتنی بر میدان های مغناطیسی

0
292

اصول میدان مغناطیسی

در سال ۱۹۴۶ دو فيزیکدان آمریكایي به نام فليكس بلوچ (Flexi Bloch) و ادوارد پارسل (Adward Purcell) كه به طور جداگانه بر روي اتمها كار ميكردند متوجه شدند كه اگر لوله آزمایشي را كه محتوي ماده اي خالص ميباشد با امواج مغناطيسي انرژي دار كرده و مورد بمباران امواج RF قرار دهند، اتم ها تهييج شده و با طيفي كه متناسب با اتم هاي مورد آزمایش است شروع به پاسخ دادن ميكنند.
آنها این سيگنال ها را آشكارسازي نموده و برحسب مقدار فركانسشان به صورت تصاویر اسپكتروسكوپي ثبت نمودند. به این ترتيب بنيان تشدید مغناطيسي هسته اي (NMR) كه مقدمه اي بر MRI بود گذاشته شد. در ابتدا شيميدان ها از NMR براي درک بهتر خواص مواد استفاده ميكردند، اما كاربرد آن در سيستم هاي بيولوژیک در اوایل سال ۱۹۷۱ مرسوم شد كه در آن دكتر ریموند دامادیان اعلام نمود كه امكان تشخيص تومور از بافت هاي عادي به كمک تصویربرداري NMR ميسر ميباشد. از آن زمان تاكنون NMR به مدد پيشرفت تكنولوژي به عنوان یكي از روش هاي بسيار مفيد در تشخيص بيماري ها مورد استفاده قرار ميگيرد.

اصول اساسی تشدید مغناطیسی هسته (NMR)

بدن انسان از ميليون ها اتم تشكيل شده است و هسته هر اتم به تنهایي همانند یک مغناطيس كوچک عمل ميكند. در هسته زوج هاي پروتون ها داراي اسپين هاي مخالف بوده و خاصيت مغناطيسي یكدیگر را خنثي ميكنند. از این رو هسته هایي كه تعداد فردي پروتون دارند، در جهتي خاص داراي اسپين خواهند بود. این اصل موجب ميشود كه تنها عناصر و ایزوتوپ هایي مانند هيدروژن (۱=Z)، کربن (z=13)، اکسیژن (z=17)، سدیم (z=23)، فسفر (z=31) و کلسیم (z=43) دارای خاصیت اسپینی باشند.
از بين این عناصر، در بدن انسان به واسطه مقدار زیاد آب موجود، هيدروژن بيشترین مقدار را در ميان سایر اتم ها دارا ميباشد. از سوي دیگر اتم هيدروژن تنها یک پروتون دارد و داراي ميدان مغناطيسي بزرگ ميباشد و این بدان معني است كه زماني كه در یک ميدان مغناطيسي خارجي قرار ميگيرد، اسپين هاي آن تمایل زیادي به هم جهت شدن با ميدان مغناطيسي دارند. در اثر قرار گرفتن اتم هيدروژن در ميدان مغناطيسي خارجي، پروتون هاي آن ميتوانند تحت شرایط خاص علاوه بر حركت چرخشي به دور خود، داراي حركت گردشي به دور محور ميدان مغناطيسي B نيز باشند.
فركانس گردش پروتون به دور محور B را ميتوان از رابطه لارمور به دست آورد؛
f = γΒ
كه در آن B شدت ميدان مغناطيسي بر حسب تسلا، γ مشخصه اي از اتم به نام نسبت ژیرومغناطيس و f فركانس گردش پروتون به دور محور ميدان مغناطيسي ميباشد.

طبق این رابطه، هر چه اتم در ميدان مغناطيسي قوي تري قرار گيرد، فركانس لارمور بيشتر خواهد بود. براي اینكه یک پروتون با فركانس لارمور شروع به گردش دور محور ميدان مغناطيسي كنند، لازم است یک پالس (RF) radio frecuency  با فركانسي دقيقاً برابر با فركانس لارمور به آن تابيده شود.

در دستگاه MRI ،پالس RF به بافت مورد نظر ارسال ميشود. این پالس باعث ميشود پروتونهاي اتم هيدروژن آن ناحيه پس از جذب انرژي شروع به گردش دور محور ميدان مغناطيسي با فركانس لارمور كنند. پس از قطع پالس RF ،پروتون هاي اتم هيدروژن شروع به بازگشت به حالت اوليه كرده و انرژي ذخيره شده در خود را با یک ثابت زماني مشخص آزاد ميسازند. این كار منجر به ساطع شدن سيگنالي از آنها ميشود كه این سيگنال ثبت شده و پس از تقویت و دیجيتال شدن براي پردازش به كامپيوتر ارسال ميشود. با محاسبه تبدیل فوریه سيگنال هاي دریافتي، دامنه آن در فركانس هاي مختلف آشكار شده و پس از انجام پردازش هاي بعدي این مقادیر به تصویر MRI تبدیل ميشوند. مقدار انرژي جذب شده توسط پروتون هاي بافت هدف، برحسب شدت و مدت زمان موج RF متفاوت است. همچنين ميزان انرژي كه پروتون هاي بافت هدف آزاد ميكنند و مدت زمان آزاد شدن آن بستگي به تركيبات شيميایي و مواد اطراف آن دارد. بنابراین تصویر به دست آمده از هر بافت با بافت دیگر متفاوت خواهد بود.

دستگاه MRI

MRI روشي است كه ميتوان با كمک گرفتن از آن تصاویر بسيار دقيق و واضحي از اندام هاي درون بدن به دست آورد. MRI مخفف كلمه لاتين Magnetic Resonance Imaging به معني تصویربرداری به روش تشدید مغناطيسي ميباشد. دستگاه MRI داراي فضاي مدوري است كه توسط آهنرباي دایره اي شكلي احاطه شده است. این آهنربا ميدان مغناطيسي مورد نياز جهت تصویربرداري را ایجاد ميكند.

دستگاه MRI
دستگاه MRI

اجزای دستگاه MRI

دستگاه MRI شامل بخشهاي زیر میباشد:

۱)مغناطیس آهنربا: اولين قدم براي انجام تصویربرداري تشدید مغناطيسي، قرار دادن نمونه در یک ميدان مغناطيسي است. براي این منظور نميتوان از هر نوع ميدان مغناطيسي استفاده كرد، بلكه ميدان مورد استفاده باید كاملا یكنواخت باشد، به عبارت دیگر قدرت ميدان مغناطيسي باید در تمام نقاط داخل نمونه تقریباً یكسان باشد تا كيفيت تصاویر كاهش پيدا نكند. شدت ميدان مغناطيسي مورد نياز در دستگاه MRI بين ۰/۵ تا ۲ تسلا ميباشد كه این ميدان در مقایسه با ميدان مغناطيسي زمين كه برابر ۰/۵ گاوس (هر گاوس برابر یک ده هزارم تسلا ميباشد) است، مقدار بسيار بزرگي است. شدتهاي بيش از ۲ تسلا در زمينه هاي تحقيقاتي مورد استفاده قرار ميگيرند و كاربرد تشخيصي ندارند.

در دستگاه هاي MRI براي ایجاد ميدان مغناطيسي یكنواخت و با شدت زیاد از یكي از روش هاي زیر استفاده ميشود:

  • مغناطیس های دائمی (Permanent Magnet): آهنرباهاي دائمي از آلياژهاي مغناطيسي دائمي یا مواد سراميكي آهني مغناطيسي ساخته شده اند. این آهنرباها درون یک قاب استيل قرار ميگيرند و ایجاد ميدان مغناطيسي در آنها نيازمند هيچگونه نيروي مغناطيسي نيست. به طور تقریبي ميتوان گفت ميدان مغناطيسي فرعي (ميدان مغناطيسي خارج از خود ساختمان آهنربا) در این موارد وجود ندارد، بنابراین در هنگام انتخاب محل ضرورتي براي مد نظر قرار دادن اثر مغناطيسي بر تجهيزات مجاور وجود نخواهد داشت.
دستگاه MRI
دستگاه MRI

 

  • مغناطیس های مقاومتی (Resistive Magnet): در آهنرباهاي الكتریكي مقاومتي، جریان الكتریكي عبوري از تعداد چهار تا شش سيم پيچ حلقوي، ميدان مغناطيسي را ایجاد ميكند. مقاومت الكتریكي سيم پيچ ها قدرت ميدان در آهنرباهاي مقاومتي را تا ۰/۵ تسلا یا كمتر محدود ميكند. جریان موجود گرمایي را پدید مي آورد و عناصر خنک كننده ـ آب موجود در داخل سيم پيچ ـ وظيفه خنک سازي آهنربا را بر عهده دارند. از این رو آهنرباهاي مقاومتي در حين فعاليت ميدان مغناطيسي، نيازمند ميزان الكتریسيته ثابت و سيستم خنک كننده ميباشند.
دستگاه MRI
دستگاه MRI

 

  • مغناطیس های ابر رسانا (Super Conductive Magnet): عملكرد آهنرباهاي ابر رسانا مشابه آهنرباهاي الكتریكي مقاومتي است با این تفاوت كه سيم پيچ هاي انتقال دهنده جریان در آنها از آلياژ نيوبيوم ـ تيتانيوم ساخته شده اند كه در حرارت هاي پائين مقاومت صفر دارند. این سيم پيچ ها قادرند بدون نياز به ولتاژ محركه جریان را به طور دائمي به گردش درآورند. آنها در هليوم مایع در دماي ۲۶۹ -درجه سانتيگراد نگه داشته ميشوند. كل سيم پيچ داخل حمامي از نيتروژن مایع عایق با دماي ۲۰۰ -درجه سانتيگراد قرار دارد.
دستگاه MRI
دستگاه MRI

 

۲) سیم پیچ های فرکانس رادیویی (RF Coils): همانطور كه ميدانيم در ميدان مغناطيسي ثابت، نياز به یک پالس RF برابر با فركانس لارمور اتم هيدروژن وجود دارد كه در پروتونها ایجاد برانگيختگي كند. یک گيرنده RF نيز براي آشكارسازي سيگنالهاي پالس برگشتي از بدن بيمار لازم ميباشد. سيم پيچ هاي RF براي توليد فركانس رادیویي، از دستگاه انتقال دهنده جریان كه انرژي خود را به صورت ناگهاني آزاد ميكند پالس تحریكي دریافت ميكنند. سيگنال برگشتي از بدن بيمار نيز در سيم پيچ هاي RF پالس ميكروولت كوچكي القاء ميكند كه در ادامه تقویت شده و به صورت دیجيتال تبدیل و براي ارائه به كامپيوتر آماده ميشود. از آنجا كه حجم تصویربرداري شده و به عبارت دیگر اندازه جثه بيمار، كارایي سيم پيچ RF را تحت تأثير قرار ميدهد، اغلب دستگاه هاي MRI از سيم پيچ هاي مجزایي براي تصویربرداري سر و تنه استفاده ميكنند. سيم پيچ هاي RF كوچکتر موسوم به سيم پيچ هاي صفحه اي به منظور تصویربرداري با قدرت تفكيک بالا از مهره ها، صورت، زانو، شانه ها و اندامها طراحي شده اند. سيمپيچهاي كمربندي یا زیني، سيم پيچ هاي حلقوي یا دور گرد، سيم پيچ هاي سلنوئيد و یا سيم پيچ هاي قابل انعطاف نيز در دسترس ميباشند كه توسط توليدكنندگان دستگاه ارائه ميشوند.

دستگاه MRI
دستگاه MRI

۳) سیم پیچ های گرادیان (Gradient Coils): در MRI علاوه بر ميدانهاي مغناطيسي یكنواخت، ميدانهاي متغير دیگري به نام گرادیان نيز وجود دارند. این سيم پيچ ها معمولا الكترومغناطيس هاي مقاومتي هستند كه توسط تقویت كننده هایي با قابليت تنظيم دقيق و سریع جهت و اندازه ميدان، تغذیه ميشوند. این گرادیانها داراي قدرتي در حدود ۲۰ تا ۱۰۰ ميلي تسلا بر متر هستند. در واقع آنها جهت ميدان مغناطيسي اصلي را در یک سطح محلي تغيير ميدهند و این گرادیان است كه صفحه تصویربرداري را مشخص ميسازد. سرعت اسكن به عملكرد سيستم گرادیان وابسته است به طوري كه گرادیان هاي قويتر داراي سرعت تصویربرداري بيشتري هستند.

به طور خالصه تصویربرداري به روش MRI طي مراحل زیر انجام ميگيرد:
یک سري ميدانهاي مغناطيسي متغير با شدت كم به بيمار اعمال ميشود. در همان حال یک دسته امواج رادیویي با طول موج معين، به صورت پالس تابيده ميشوند. قسمت مورد نظر از بدن بيمار در یک ميدان مغناطيسي ثابت و قوي قرار ميگيرد. پس از هر پالس امواج رادیویي، از بدن بيمار سيگنالهاي الكتریكي دریافت ميگردد. این علائم توسط كامپيوتر پردازش شده و به صورت تصویر در روي صفحه نمایشگر ظاهر ميشود.

۴) کنسول اپراتور: كليه مدارات مربوط به پردازش داده و تبدیل آن به تصویر قابل فهم براي كاربر در این بخش قرار دارند. علاوه بر آن، كنترل كل سيستم MRI و نيز تنظيم تمام فراميني كه توسط اپراتور تعيين ميشوند در این بخش انجام ميگيرد.

۵) تخت بیمار: در دستگاه MRI برخلاف سی تی اسكن نيازي به حركت دادن تخت بيمار حين اسكن نيست. بلكه وظيفه تخت فراهم كردن شرایط مناسب براي بيمار حين تصویربرداري MRI ميباشد، به نحوي كه بيمار حين عمليات تصویربرداري حركتي نداشته باشد.

۶) نمایشگرهای تصویر: پس از اینكه سيگنالهاي RF توسط كامپيوتر دریافت و پردازش شدند، تصاویر بازسازي شده باید براي كاربر به نمایش گذاشته شوند. این كار توسط نمایشگرهاي مختلفي كه در اتاق جداگانه اي در اختيار اپراتور قرار گرفته اند، انجام ميشود.

مزایای تکنیک MRI نسبت به سایر روشهای تصویرنگاری

در این روش آمادگي خاصي مانند تزریق ماده حاجب و غيره براي بيمار ضروري نميباشد. به كمک این سيستم، نه تنها آناتومي عضو مورد نظر، بلكه بيوشيمي و فيزیولوژي آن را نيز ميتوان مورد بررسي قرار داد. این روش علاوه بر مقاطع عرضي، توانایي نمایش تصاویري از مقاطع ساژیتال، كرونال و برش محوري را نيز داراست، خطرات ناشي از اشعه ایكس را به همراه ندارد و ابعاد حقيقي عضو را در اختيار ميگذارد.

تصويربرداري fMRI

تصویرسازي تشدید مغناطيسي كاركردي (fMRI) پيشرفته ترین ابزار اسكن مغزي موجود و نوعي از روش اندازه گيري فعاليت مغزي توسط شناسایي تغييرات مربوط به جریان خون است. این نوع تصویربرداري نوعي اسكن تخصصي از مغز و بدن است كه براي نگاشت فعاليت هاي عصبي مغز و نخاع انسانها و حيوانات مورد استفاده قرار ميگيرد. در این روش تغييرات جریان خون (پاسخ همودیناميک) كه وابسته به مصرف انرژي توسط سلولهاي مغزي است، مورد تصویربرداري قرار ميگيرند. از اوایل دهه ۱۹۹۰ این روش به عنوان روشي متعارف براي انجام تحقيقات علمي شناخته شد، زیرا براي انجام آن نيازي به عمل هاي جراحي، تزریق ماده و یا تابش اشعه نبود.

fMRI ویژگي هاي مغناطيسي هموگلوبين خون (قسمتي در گلبولهاي قرمز كه وظيفه ي حمل اكسيژن را داراست) را اندازه گيري ميكند و یا به عبارت دیگر ميزان خون اكسيژن دار موجود در مغز را ميسنجد. زماني كه مغز مشغول انجام وظيفه اي خاص است، آن بخش از مغز به سوخت بيشتري نيازمند خواهد بود. سوخت مغز، اكسيژن و گلوكز است. از این رو هرچه بخشي از مغز بيشتر فعاليت كند، ميزان مصرف سوخت آن نيز بالا خواهد رفت و جریان خون اكسيژنه بيشتري در آن نواحي از مغز جاري خواهد شد. بنابراین در طول انجام fMRI ،ناحيه اي از مغز كه در حال انجام فعاليت است، با رنگ قرمز مشخص ميشود. عصب شناسان با بررسي این فعل و انفعالات متوجه ميشوند كه در هر لحظه و با انجام هر عملكرد مغزي، كدام بخش از مغز مورد استفاده قرار ميگيرد. پيش از این دانشمندان از این دستگاه حجيم ۳۲ تني در تشخيص و درمان بيماريهاي مغزي- عصبي بهره ميبردند تا آنكه مارتين لينداستروم از افراد صاحب نام در بازاریابي عصب پایه طي پژوهش هایي كاربرد این ابزار را به حيطه ي بازاریابي وارد كرد.

تصويربرداري fMRI
تصويربرداري fMRI

رزولوشن مكاني این روش بسيار بالاتر از روشهاي EEG و MEG است؛ به این معني كه توانایي بررسي موقعيت هاي مكان هاي فعال شده در مغز را بسيار دقيق تر از دو روش دیگر داراست. با این حال از نظر رزولوشن زماني و قدرت منعكس سازي آني رویدادهاي مغزي نسبت به آنها ضعيف تر عمل ميكند. ولي با تمام این تفاسير، قابليت بررسي و تصویرسازي از اعماق مغز انسان به ویژه بررسي محرکهاي احساسي، یكي از مهمترین مزیتهاي این روش نسبت به دیگر روشها است.

ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید