پزشکی، علوم پایه، فیزیک ۱۲۰۶۱ بازدید

تصویربرداری تشدید مغناطیسی یا ام آر آی (MRI) برای پزشکان این امکان را فراهم می‌کند تا با استفاده از آهنربا و امواج رادیویی با جزئیات شگفت‌انگیزی درون بدن انسان را مشاهده کنند. اولین اسکنر ام آر آی که برای تصویر برداری از بدن انسان استفاده شد در سال 1977 در نیویورک ساخته شد. از آن زمان به بعد این فناوری پیشرفت زیادی کرده است و اکنون از MRI برای بررسی داخل بدن انسان به صورت مکرر استفاده می‌شود. مزیت دستگاه‌های MRI برخلاف دستگاه‌های تصویر برداری اشعه ایکس یا سی‌تی اسکن این است که اشعه‌ای به بدن داده نمی‌شود و به این دلیل است که استفاده از این روش تشخیصی بیش از پیش مورد توجه متخصصین قرار گرفته است. در این مطلب با فیزیک دستگاه‌های ام ار ای آشنا می‌شوید و البته اگر قصد انجام ام آر آی دارید بعد از خواندن این مطلب متوجه خواهید شد که چه چیزی انتظار شما را می‌کشد.

ام آر آی (MRI) چیست؟

تصویربرداری رزونانس یا تشدید مغناطیسی (MRI) نوعی اسکن است که از میدان‌های مغناطیسی قوی و امواج رادیویی برای تولید تصاویر دقیق از داخل بدن استفاده می‌کند.

اسکنر MRI یک تونل بزرگ شامل آهنرباهای قدرتمند است. در حین انجام اسکن فرد در داخل تونل دراز می‌کشد. با MRI می‌توان تقریباً هر قسمت از بدن را بررسی کرد که شامل مغز و نخاع، استخوان‌ها و مفاصل، سینه‌ها، قلب و رگ‌های خونی و اندام‌های داخلی مانند کبد، رحم یا پروستات است. نتایج حاصل از اسکن ام آر آی می‌تواند برای کمک به تشخیص شرایط، برنامه‌ریزی درمان و ارزیابی میزان موثر بودن درمان قبلی استفاده شود.

نمای بیرونی یک دستگاه MRI
تصویر ۱: نمای بیرونی یک دستگاه MRI

برای آشنایی بیشتر با طراحی سیستم‌های تصویربرداری پزشکی می‌توانید فیلم آموزش نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو GATE در مهندسی پزشکی را که توسط فرادرس ارائه شده، مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو GATE در مهندسی پزشکی + اینجا کلیک کنید.

فیزیک مغناطیس‌های دستگاه ام ار آی چیست؟

در تصویربرداری تشدید مغناطیسی یا MRI از آهنرباهای ابررسانا برای ایجاد تصاویری از ساختارهای داخلی، اندام‌ها و بافت‌های بیمار استفاده می‌شود. میدان مغناطیسی در این ساختار بسیار بالا است در حقیقت یک اسکنر MRI با قدرت $$1.5$$ تسلا دارای یک میدان مغناطیسی است که اندازه این میدان تقریباً 30,000 برابر میدان مغناطیسی زمین است. از امواج رادیویی برای ایجاد داده در طول اسکن MRI استفاده می‌شود و قسمت‌های دیگر دستگاه این داده‌ها را جمع‌آوری کرده و به رایانه‌ها می‌فرستند. این داده‌ها توسط رایانه به صورت عکس ترجمه شده و در اختیار رادیولوژیست قرار می‌گیرد.

مغناطیس‌های به کار رفته در دستگاه ام آر آی
تصویر ۲: آهنرباهای به کار رفته در دستگاه ام آر آی

چگونه میدان مغناطیسی در دستگاه ام آر آی تولید می‌شود؟

هنگامی که الکترون در امتداد سیم حرکت می‌کند یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم تولید می‌شود. هنگامی که جریان الکتریکی در یک سیم جریان می‌یابد میدان مغناطیسی به صورت حلقه اطراف سیم تشکیل می‌شود (برای جزئیات بیشتر مطلب میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی را مطالعه کنید). این میدان مغناطیسی بزرگ عمود بر حلقه تشکیل می‌شود.

میدان مغناطیسی سیم حامل جریان
تصویر ۳: الکترون‌هایی که در امتداد یک سیم جریان دارند. جریان الکتریکی در یک حلقه سیم یک میدان مغناطیسی (پیکان سیاه) عمود بر حلقه سیم ایجاد می‌کند.

تشدید

تشدید به انتقال موثر انرژی کمک می‌کند. این امر به عنوان مثال هنگام هل دادن کودک روی تاب اتفاق می‌افتد. در یک تاب کودک با یک فرکانس خاص به عقب و جلو حرکت می‌کند. اگر در زمان مناسب به تاب نیرو وارد کنیم انرژی را به طور موثر به نوسان و کودک منتقل می‌کنیم. اگر انتقال نیرو به طور مداوم و در زمان مناسب به تاب اتفاق بیفتد در تاب تشدید ایجاد می‌کنیم و این موضوع سبب می‌شود که انتقال موثر انرژی رخ دهد و تاپ بالاتر رود.

پروتون‌های هیدروژن

برای تشکیل سیگنال رزونانس مغناطیسی یا تشدید لازم است که منبعی از پروتون‌های هیدروژن (پروتون در هسته اتم‌های هیدروژن که با مولکول‌های چربی و آب در ارتباط هستند) وجود داشته باشد. پروتون هیدروژن بار مثبت دارد و حول محور خود می‌چرخد. این پروتون در حال چرخش با بار مثبت مانند یک آهنربای کوچک عمل می‌کند. بنابراین پروتون‌های هیدروژن در بدن ما مانند بسیاری از آهنرباهای کوچک عمل می‌کنند.

پروتون هیدروژن
تصویر ۴: پروتون هیدروژن. پروتون هیدروژن با بار مثبت (+) درمحور خود می‌چرخد و مانند یک آهنربای کوچک عمل می‌کند.

میدان مغناطیسی اصلی

میدان مغناطیسی اصلی یک سیستم MR یا تشدید مغناطیسی توسط یک جریان الکتریکی بزرگ عبوری از سیم‌های رسانا به شکل حلقه‌هایی در اطراف آهنربای سیستم تصویربرداری شکل می‌گیرد.

میدان مغناطیسی در حلقه سیم رسانا
تصویر ۳: میدان مغناطیسی اصلی. یک جریان الکتریکی بزرگ در حلقه‌های سیم در دمای ابررسانا یک میدان مغناطیسی بسیار بزرگ ایجاد می‌کند.

یک سیستم معمولی MR بالینی دارای قدرت مغناطیسی $$1.5$$ تسلا است (هر تسلا ۱۰,000 گاوس است). سیم‌های رسانا در هلیوم مایع غوطه ور می‌شوند (در دمای ابررسانا) بنابراین می‌توان از جریان‌های بسیار زیاد برای تولید میدان مغناطیسی قوی استفاده کرد. آهنرباها را می‌توان توسط منبع تغذیه رمپ کرد (برای تزریق جریان الکتریکی به سیم پیچ) و سپس منبع تغذیه را از سیستم جدا کرد. سیستم تصویربرداری می‌تواند این جریان الکتریکی را سال‌ها حفظ کند (بدون نیاز به تزریق جریان الکتریکی اضافی) و افت بسیار کمی در جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی رخ دهد با این حال لازم است که سطح هلیوم مایع در آهنربا در فواصل منظم پر شود (بسته به طراحی آهنربا هر ماه یک بار تا چند سال یک بار).

با قرار دادن اجزای بالا در کنار هم، پروتون‌های موجود در بدن انسان که دارای بار مثبت هستند و حول محورهای خود می‌چرخند مانند آهنرباهای کوچک عمل می‌کنند. این پروتون‌ها در حالت عادی جهت‌گیری تصادفی دارند و بدین ترتیب میدان‌های مغناطیسی آن‌ها با یکدیگر جمع نمی‌شوند بلکه یکدیگر را حذف می‌کنند.

هنگامی که پروتون‌های موجود در بدن را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌دهیم که این میدان مغناطیسی قوی $$B_0$$ نامیده می‌شود، بعضی از آن‌ها در جهت میدان مغناطیسی و برخی دیگر در جهت مخالف میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند.

در این حالت میدان مغناطیسی بسیاری از پروتون‌ها حذف می‌شوند اما میدان مغناطیسی تعدادی از پروتون‌ها با میدان مغناطیسی اصلی همسو می‌شوند و یک مغناطش خالص ایجاد می‌کنند که به موازات میدان مغناطیسی اصلی قرار دارد. این مغناطش خالص منبع سیگنال MR شده و برای تولید تصاویر MR استفاده می‌شود.

مغناطش خالص
تصویر ۴: همراستا شدن پروتون‌ها با میدان خارجی $$B_0$$. بدون میدان مغناطیسی خارجی پروتون‌های هیدروژن به طور تصادفی جهت‌گیری می‌شوند. هنگامی که پروتون‌ها در یک میدان مغناطیسی قوی ($$B_0$$) قرار می‌گیرند یک مغناطش خالص به موازات میدان مغناطیسی اصلی تولید می‌شود.

دستگاه مختصات

از آنجا که در تمام سیستم‌های فیزیکی یک راستا به عنوان راستای مرجع معرفی شده و تمام محاسبات بر اساس راستای مرجع صورت می‌گیرد در یک دستگاه MRI نیز مشخص کردن جهت دستگاه مختصات سیستم مهم است زیرا محاسبات مربوط به این دستگاه را آسان‌تر می‌کند. بدین ترتیب جهت موازی با میدان مغناطیسی اصلی دستگاه جهت طولی در نظر گرفته می‌شود که ممکن است جهت $$z$$ نیز نامیده شود . برای آهنرباهای ابررسانای استوانه‌ای با قدرت $$1.5\ T$$  جهت $$z$$ راستای افقی است. صفحه عمود بر این جهت صفحه عرضی یا صفحه $$x-y$$ نامیده می‌شود. برای یک بیمار که در یک آهنربای ابررسانا به صورت تاق باز خوابیده است و ابتدا سر او وارد تونل دستگاه شده، جهت $$x$$ اغلب به صورت چپ به راست بیمار و جهت $$y$$ اغلب به صورت جلو به عقب انتخاب می‌شود. جالب این است که در این حالت صفحه عرضی با محور آهنربای معمولی با قدرت $$1.5\ T$$ منطبق است.

دستگاه مختصات
تصویر ۵: برای یک واحد تصویربرداری استوانه‌ای با قدرت $$1.5\ T$$ محور $$z$$ (جهت طولی) اغلب با میدان مغناطیسی اصلی همراستا است. صفحه عمود بر این صفحه، صفحه عرضی نامیده می‌شود.

حرکت تقدیمی

حرکت تقدیمی به معنی جابه جایی تدریجی راستای محور چرخش زمین یا هر جسم چرخان که مخروطی فرضی را در فضا ایجاد می‌کند است.

یک فرفره که در حال چرخش حول محورش است را در نظر بگیرید نیروی جاذبه تلاش می‌کند تا قسمت بالای فرفره را به سمت پایین بکشد تا جایی که فرفره سقوط کند. تاثیر این دو نیرو سبب می‌شود فرفره از محور چرخش خود منحرف شود.

همین اتفاق در حرکت تقدیمی هسته‌ای نیز رخ می‌دهد. پروتون‌هایی وجود دارند که در حال چرخش هستند و مانند آهنرباهای کوچک عمل می‌کنند. اگر این پروتون‌های در حال چرخش را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم نیروی حاصل از میدان مغناطیسی با پروتون‌های در حال چرخش برهم کنش می‌کنند و منجر به حرکت تقدیمی پروتون‌ها می‌شوند. این موضوع در شکل زیر نیز نمایش داده شده است.

حرکت تقدیمی
تصویر ۶: حرکت تقدیمی یک فرفره و حرکت تقدیمی هسته‌ای از این نظر مشابه هستند که یک نیروی خارجی در یک جسم چرخان سبب انحراف محور چرخش می‌شود.

فرکانس حرکت تقدیمی یعنی تعداد چرخش‌های پروتون در ثانیه مهم است. در حقیقت باید همانطور که فرکانس حرکت آونگ را در حرکت نوسانی می‌دانیم از مقدار این فرکانس نیز مطلع باشیم. فرکانس تقدیمی پروتون باعث ایجاد موقعیتی می‌شود که از طریق آن می‌توان از پدیده تشدید برای انتقال کارآمد انرژی به پروتون‌ها استفاده کرد.

فرکانس تقدیمی پروتون در این حالت از معادله لارمور تعیین می‌شود که در آن فرکانس $$f$$ برابر با حاصلضرب یک ثابت در قدرت میدان مغناطیسی اصلی یا $$B_0$$ است.

$$\large f_0=\gamma\ B_0$$

ثابت $$\gamma$$ در معادله بالا را «نسبت ژیرومغناطیسی» (Gyromagnetic Ratio) می‌نامند و مقدار آن بستگی به نوع هسته دارد. برای پروتون‌های هیدروژن مقدار این ثابت برابر با $$42.6\ MHz/T$$ است.

قدرت اصلی میدان مغناطیسی $$B_0$$ به طراحی آهنربا بستگی دارد. برای یک سیستم ابررسانای معمولی MR قدرت میدان مغناطیسی در حدود $$1.5\ T$$  است. در نتیجه فرکانس حرکت تقدیمی پروتون‌ها در این میدان مغناطیسی برابر با $$42.6\ MHz/T\times 1.5\ T$$ یا $$64\ MHz$$ ($$64$$ میلیون در ثانیه) است.

انرژی فرکانس رادیویی

انرژی فرکانس رادیویی یا RF از تغییر سریع میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی تولید شده توسط الکترون‌هایی که در حلقه‌های سیم در جهت جریان در حال حرکت هستند و با فرکانس‌های رادیویی نوسان می‌کنند، تامین می‌شود. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان الکترون نیز به سرعت جهت را تغییر می‌دهد.

ایستگاه‌های رادیویی و تلویزیونی امواجی با فرکانسی از مرتبه مگاهرتز پخش می‌کنند بنابراین پخش یک برنامه با موج $$89.9$$ از رادیوی اتومبیل شما حقیقتاً فرکانسی برابر با $$89.9$$ مگاهرتز دارد. انرژی فرکانس رادیویی مطرح شده در بالا تفاوت چندانی با فرکانس‌های تقدیمی آهنربای $$1.5\ T$$ یا $$64$$ مگاهرتزی ندارد و این دلیلی است که چرا سیستم‌های MRI باید از سیگنال‌های RF خارجی محافظت شوند.

برای سیستم ام آر آی انرژی RF توسط یک سیم پیچ فرکانس رادیویی، به عنوان مثال سیم پیچ بدنه، سیم پیچ دماغه یا سیم پیچ خم منتقل می‌شود. به طور معمول فرکانس رادیویی برای مدت زمان کوتاهی منتقل می‌شود که به آن پالس RF گفته می‌شود. پالس فرکانس رادیویی منتقل شده باید برابر با فرکانس حرکت تقدیمی پروتون‌ها باشد که از طریق معادله لارمور محاسبه می‌شود تا رزونانس اتفاق بیفتد و انتقال انرژی موثر از سیم پیچ RF به پروتون‌ها رخ دهد.

جذب انرژی فرکانس رادیویی یا RF

وقتی پروتون‌ها در بدن ما در مجاورت یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، همراستا با میدان مغناطیسی خارجی می‌شوند و در نتیجه میدان‌های مغناطیسی حاصل از پروتون‌ها با هم تجمیع شده و یک مغناطش خالص را ایجاد می‌کنند. این مغناطش خالص به موازات میدان مغناطیسی اصلی که به آن جهت طولی نیز می‌گویند، قرار دارد. با جذب انرژی از پالس RF مغناطش خالص از جهت طولی منحرف می‌شود. مقدار این انحراف از راستای طولی (به اصطلاح زاویه انحراف) به قدرت و مدت زمان پالس RF بستگی دارد.

جذب انرژی RF
تصویر – شکل سمت چپ: قبل از پالس RF، مغناطش خالص (فلش کوچک سیاه) به موازات میدان مغناطیسی اصلی و محور z قرار دارد. شکل مرکز و سمت راست: یک پالس RF با فرکانس لارمور امکان جذب انرژی توسط پروتون‌ها را فراهم می‌کند و بنابراین باعث می‌شود که مغناطش خالص از محور $$z$$ دور شود.

اگر پالس RF مغناطش خالص را به صفحه عرضی بچرخاند به آن پالس $$90$$ درجه RF گفته می‌شود. اگر پالس RF مغناطش خالص را $$180$$ درجه و به جهت $$-z$$ بچرخاند به آن پالس $$180$$ درجه RF گفته می‌شود. قدرت و یا مدت زمان پالس RF را می‌توان به گونه‌ای کنترل کرد که مغناطش خالص در راستا و جهت دلخواه قرار گیرد. در ادامه خواهیم دید که در مورد SE یا Spin Echo که به معنای متمرکز کردن مجدد میدان مغناطیسی دورانی توسط یک پالس تشدیدی تابش الکترومغناطیسی است، پالس‌های $$90$$ و $$180$$ درجه مهم هستند و همچنین در هنگام استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری سریع مانند تصویربرداری gradient-recalled-echo (GRE)، زاویه انحراف کوچک از اهمیت زیادی برخوردار است.

زمان استراحت $$T_1$$ و کنتراست

اکنون مفاهیم بنیادی ارائه شده در MRI را مورد استفاده قرار می‌دهیم. مغناطش خالص که با جهت محور $$z$$ همسو باشد را می‌توان مغناطش طولی نامید. پس از دریافت پالس RF برابر با $$90$$ درجه، مغناطش خالص از صفحه طولی به صفحه عرضی منحرف شده و این مغناطش را می‌توان مغناطش عرضی نامید. در این حالت مغناطش طولی صفر است. سپس مغناطش مجدداً در جهت طولی منحرف می‌شود.

زمان استراحت طولی $$T_1$$
تصویر ۸: استفاده از پالس RF $$90$$ درجه باعث می‌شود که مغناطش طولی صفر شود. با گذشت زمان مغناطش طولی در جهتی به موازات میدان مغناطیسی اصلی رشد خواهد کرد.

به این حالت زمان استراحت طولی یا $$T_1$$ گفته می‌شود. سرعت بازگشت مجدد به مغناطیس طولی برای پروتون‌های مرتبط با بافت‌های مختلف متفاوت است و منبع اصلی مقایسه در تصاویر با وزن $$T_1$$ است. $$T_1$$ پارامتری مشخصه برای یک بافت خاص است و به قدرت میدان مغناطیسی اصلی یا $$B_0$$ و به میزان رشد مجدد مغناطش طولی بستگی دارد.

مغناطش خالص به سمت عقب چرخش نمی‌کند ​​بلکه همواره در جهتی موازی با جهت طولی که جهت میدان مغناطیسی اصلی است افزایش می‌یابد. نمونه‌ای از این رفتار در شکل (۸) نمایش داده شده است.

$$T_1$$ به عنوان مدت زمانی که طول می‌کشد تا مغناطش طولی با فرض وجود یک پالس $$90$$ درجه RF به $$63\ ٪$$ مقدار نهایی خود برسد، تعریف می‌شود.

تعریف $$T_1$$
تصویر ۹: $$T_1$$ پارامتر تعیین بافت بدن است و به عنوان زمانی تعریف می‌شود که طول می‌کشد تا مغناطش طولی رشد کند و به 63 درصد از مقدار نهایی خود برسد.

مغناطش بافت‌ها با مقادیر مختلف $$T_1$$ در جهت طولی و با سرعت‌های مختلف مجدداً رشد می‌کنند.

ماده سفید زمان $$T_1$$بسیار کمی دارد و به سرعت به زمان استراحت خود می‌رسد. مایع مغزی نخاعی (CSF) $$T_1$$ طولانی دارد و به آرامی به زمان استراحت خود می‌رسد. ماده خاکستری دارای $$T_1$$ میانی است و با یک سرعت متوسط ​​به حالت استراحت می‌رسد.

کنتراست وزنی $$T_1$$
تصویر ۱۰: بافت‌های مختلف میزان متفاوتی از زمان استراحت $$T_1$$ را دارند. اگر تصویری در زمانی بدست آید که منحنی‌های $$T_1$$به طور کامل از هم جدا شده باشند کنتراست وزنی $$T_1$$ به حداکثر می‌رسد.

اگر تصویر را در زمانی که منحنی‌ها کاملاً از هم جدا شده باشند تولید کنیم تصویری با کنتراست بالا بین بافت‌ها خواهیم داشت. بدین ترتیب ماده سفید با پیکسل‌های روشن‌تر، مایع مغزی نخاعی با پیکسل‌های تیره‌تر و ماده خاکستری با پیکسل‌هایی به رنگ ​​خاکستری در تصویر نمایش داده می‌شوند. این نوع مکانیسم کنتراست یا تفاوت رنگ را کنتراست وزن‌دار $$T_1$$ می‌نامیم. اگر تصویر را در زمانی که منحنی‌ها به طور مشخص از هم جدا نشده باشند تولید کنیم، تصویر کنتراست وزنی زیادی با $$T_1$$ نخواهد داشت. بدین ترتیب از تصویر (۱۰) به راحتی می‌توان تشخیص داد که آسیب به کدام قسمت مغز وارد شده است.

زمان استراحت $$T_2$$ و کنتراست

زمان استراحت $$T_2$$ یا میدان مغناطیسی عرضی، با مغناطش خالص همسو با جهت $$z$$ و یک پالس $$90$$ درجه $$RF$$ آغاز می‌شود که سبب می‌شود تا مغناطش شبکه در صفحه عرضی قرار گیرد.

همان‌طور که بیان شد مغناطش خالص از مجموع مغناطش پروتون‌های بدن فرد تشکیل شده است. در طول پالس RF همه پروتون‌ها شروع به پیش پردازش می‌کنند که اصطلاحاً گفته می‌شود در فاز قرار گرفته‌اند، بلافاصله پس از پالس $$90$$ درجه RF پروتون‌ها هنوز در مرحله فاز هستند اما به دلیل چندین اثر شروع به تغییر فاز می‌کنند. دلیل تغییر فاز در جدول زیر بیان شده است.

دلایل تغییر فاز $$T_2^*$$ دلایل تغییر فاز $$T_2$$
برهمکنش اسپین-اسپین برهمکنش اسپین-اسپین
عدم همگنی میدان مغناطیسی
قابلیت مغناطیسی
تاثیر تغییرات شیمیایی

همان‌طور که گفتیم فرکانس حرکت تقدیمی پروتون‌ها از معادله لارمور به دست می‌آمد. بر اساس این معادله فرکانس حرکت بستگی به نسبت ژیرومغناطیسی و میدان اصلی دارد. در هنگام اثر پالس RF نسبت ژیرومغناطیسی تغییر نمی‌کند اما میدان مغناطیسی اصلی ممکن است کمی متفاوت شود، در حقیقت میدان مغناطیسی اصلی در کل فرآیند تصویربرداری کاملاً همگن و یکسان نیست. بنابراین پروتون‌هایی که قدرت میدان مغناطیسی کمی متفاوت را تجربه می‌کنند فرکانس لارمور متفاوتی خواهند داشت. پروتون‌هایی که بلافاصله پس از پالس$$90$$ درجه RF در فاز قرار داشتند با توجه به تجربه فرکانس متفاوت شروع به تغییر دادن فاز خود می‌کنند.

زمان استراحت عرضی $$T_2^*$$
تصویر ۱۱: بلافاصله پس از استفاده از پالس 90 درجه RF، مغناطش عرضی به حداکثر می‌رسد. سپس به دلیل چندین فرآیند که در جدول (۱) بیان شده است ذرات شروع به تغییر فاز می‌کنند. سیگنال‌های حاصل از این پروتون‌ها حذف می‌شوند و سیگنال MR کاهش می‌یابد.

تغییر فاز به طور معمول به دلیل هر چهار اثر بیان شده در جدول (۱) رخ می‌دهد و در این حالت ممکن است تغییر فاز به عنوان واپاشی$$T_2^{*}$$ یا زمان استراحت $$T_2^{*}$$ نامیده شود. تغییر فاز ناشی از سه اثر بیان شده در جدول (۱) را می‌توان با روش‌هایی معکوس کرد. در این حالت هنگامی که تغییر فاز تنها به دلیل تأثیری به نام اثرات اسپین-اسپین است، ممکن است تغییر فاز را واپاشی $$T_2$$ یا زمان استراحت $$T_2$$بنامند. $$T_2$$ پارامتری است که مشخصه یک بافت خاص است و سرعت تغییر فاز پروتون‌های مرتبط با آن بافت را مشخص می‌کند.

مقدار مغناطش عرضی را می‌توانیم از طریق یک سیم پیچ گیرنده اندازه‌گیری کنیم. همان طور که در مطالب قبلی بیان شد جریان الکتریکی در سیم یک میدان مغناطیسی عمود بر حلقه سیم ایجاد می‌کند. اندازه‌گیری مغناطش عرضی (که همان سیگنال دستگاه MR است) از طریق یک اثر مخالف اتفاق می‌افتد. در این حالت مغناطش عرضی که یک میدان مغناطیسی است  می‌تواند جریان را در یک حلقه سیم القا کند سپس این جریان الکتریکی القایی دیجیتالی شده و در کامپیوتر سیستم MR ثبت می‌شود تا بعداً به عنوان تصویر MR بازسازی شود.

اندازه گیری سیگنال MR
تصویر ۱۲: یک میدان مغناطیسی (فلش سیاه) که نزدیک و عمود بر یک حلقه سیم است جریان الکتریکی در حلقه ایجاد می‌کند. این جریان را می‌توان دیجیتالی و ذخیره کرد تا بعداً در تصویر MR بازسازی شود.

وقتی مغناطش عرضی کاملاً در فاز باشد سیگنال MR اندازه‌گیری شده ماکزیمم است. هنگامی که مغناطش عرضی شروع به تغییر فاز می‌کند سیگنال اندازه‌گیری MR شروع به کاهش می‌کند تا جایی که مغناطش آن کاملاً از بین برود، در این زمان سیگنال MR اندازه گیری شده صفر است.

$$T_2$$ برابر با مدت زمانی است که طول می‌کشد تا مغناطش عرضی به $$37/%$$ مقدار اصلی خود برسد.

تعریف $$T_2$$
تصویر ۱۳: پارامتر و مقدار $$T_2$$ برای هر بافت متفاوت است و به عنوان زمانی که طول می‌کشد تا مغناطش عرضی به $$37\%$$ مقدار اولیه خود کاهش یابد، تعریف می‌شود.

بافت‌های مختلف دارای مقادیر مختلف $$T_2$$ و تغییر فاز با سرعت‌های مختلف هستند. ماده سفید $$T_2$$ کوتاهی دارد و به سرعت تغییر فاز می‌دهد. مایع نخاعی مغزی دارای $$T_2$$ طولانی است و به آرامی تغییر فاز داده و ماده خاکستری دارای $$T_2$$ میانی است و بلافاصله تغییر فاز می‌دهد.

کنتراست وزنی $$T_2$$
تصویر ۱۴: بافت‌های مختلف با سرعت متفاوتی به زمان استراحت $$T_2$$ می‌رسند. اگر تصویری در زمانی بدست آید که منحنی‌های زمان استراحت $$T_2$$ به طور کامل از هم جدا شده باشند کنتراست وزنی $$T_2$$ به حداکثر می‌رسد.

با استفاده از تفاوت زمان استراحت $$T_2$$ و بر اساس مکانیسم کنتراست می‌توانیم تصاویری به نام کنتراست وزن‌دار $$T_2$$ تولید کنیم. اگر بخواهیم تصویر را در زمانی ایجاد کنیم که منحنی‌های مغناطیسی عرضی به طور کامل از هم جدا شده باشند در این صورت کنتراست زیادی بین بافت‌های تصویر خود خواهیم داشت و خواهیم دید که مایع نخاعی مغزی با پیکسل‌های روشن‌تر، ماده سفید با پیکسل‌های تیره‌تر و ماده خاکستری با پیکسل‌های خاکستری رنگ متوسط ​​مرتبط هستند. اگر تصویر را در زمانی که منحنی‌ها به طور گسترده از هم جدا نشده باشند تولید کنیم، تصویر حاصل کنتراست وزنی زیادی با $$T_2$$ نخواهد داشت.

فرآیندهای زمان استراحت $$T_1$$ و $$T_2$$ همزمان اتفاق می‌افتد. پس از اعمال یک پالس $$90$$ درجه RF تخلیه مغناطش عرضی (واپاشی $$T_2$$) در حالی اتفاق می‌افتد که مغناطش طولی به موازات میدان مغناطیسی اصلی رشد می‌کند. پس از چند ثانیه مغناطش عرضی از بین می‌رود و مغناطش طولی دوباره رشد می‌کند.

بدین ترتیب دلیل تولید تصاویر سیاه و سفید در ام آر آی مشخص می‌شوند.

آیا ام آر آی برای بدن ضرر دارد؟

برخلاف سایر اشکال تصویربرداری مانند اشعه ایکس یا سی تی اسکن در MRI از اشعه یونیزه استفاده نمی‌شود. در حال حاضر استفاده از MRI به‌ طور چشمگیری برای تصویربرداری از جنین در دوران بارداری استفاده می‌شود و هیچ اثر سوئی توسط این روش بر جنین اثبات نشده است.

با این حال هنوز هم این روش می‌تواند خطراتی داشته باشد و جوامع پزشکی استفاده از ام آر آی را به عنوان اولین مرحله تشخیص توصیه نمی‌کنند.

از آنجا که در ام ار ای از آهنرباهای قوی استفاده می‌شود هر نوع فلز مانند «ضربان‌ساز قلب» (Pacemakers)‌، اتصالات مصنوعی‌، دریچه‌های قلب مصنوعی‌، کاشت حلزون یا صفحات فلزی، پیچ یا میله خطر ایجاد می‌کند. همچنین ایمپلنت‌ها نیز می‌توانند در میدان مغناطیسی حرکت کنند یا گرم شوند.

گزارشات بیان می‌کنند که چندین بیمار با ضربان ساز یا پیس‌میکر که تحت اسکن MRI قرار گرفته‌اند فوت کرده‌اند و به همین دلیل همیشه باید قبل از اسکن از بیماران در مورد هرگونه کاشت سوال شود. طبق نظر محققان بسیاری از ایمپلنت‌های موجود برای دستگاه‌های MRI ایمن نیستند.

همچنین چرخش مداوم میدان‌های مغناطیسی می‌تواند صداهای کلیک یا بوق بلند ایجاد کند بنابراین محافظت از گوش در هنگام اسکن ضروری است.

انواع دستگاه ام آر آی

در دنیا دو نوع دستگاه ام آر آی بر اساس قدرت میدان مغناطیسی اصلی آ‌ن‌ها وجود دارد که عبارت از دستگاه $$1.5$$ و $$3$$ تسلا هستند. با این حال اخیراً دستگاه‌هایی با قدرت $$7$$ تسلا نیز در بازار تجهیزات پزشکی‌ ارائه شده است.

وقتی متخصصان پزشکی در مورد اسکنرهای تشدید مغناطیسی (MR) یا همان MRI صحبت می‌کنند قدرت آن را به صورت دستگاه $$1.5\ T$$ یا دستگاه $$3\ T$$ معرفی می‌کنند. دلیل این امر این است که ام ار ای اغلب از طریق قدرت میدان مغناطیسی اصلی‌اش شناخته می‌شود. از نظر فیزیکی $$T$$ مخفف تسلا است و یکای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی است. در حقیقت ۱ تسلا واحد اندازه‌گیری برای تعریف چگالی شار مغناطیسی است. یک تسلا همان وبر (نمایانگر شار مغناطیسی) در هر متر مربع و برابر با 10 هزار گاوس است. در یک ام آر آی با قدرت بالاتر شدت میدان مغناطیسی آهنربای دستگاه قوی‌تر است. باید عنوان کرد که مهمترین اجزای یک دستگاه ام آر آی آهنربا و میدان مغناطیسی آن هستند.

ام ار ای با قدرت ۱/۵ و ۳ تسلا چه تفاوتی دارند؟

ام آر آی $$1.5\ T$$ روش تصویربرداری استاندارد برای اکثر اسکن‌های معمولی است. در برخی شرایط افزایش قدرت آهنربای دستگاه ضروری است. این امر به ویژه در MRIهای مربوط به پروستات، طیف سنجی، بررسی کارکرد بافت‌ها و برررسی‌های گردش خون در شریان‌ها ضروری است. همچنین دستگاه ام آر آی $$3\ T$$ وضوح و جزئیات بهتری را فراهم می‌کند.

با این حال در دستگاه ام آر آی $$3\ T$$ احتمال وجود نتایج غیرواقعی ناشی از نویز بیشتر است.

برای تولید تصاویر واضح در دستگاه $$1.5\ T$$ زمان بیشتری لازم است در حالی که دستگاه $$3\ T$$ به دلیل افزایش قدرت میدان به زمان کمتری برای تولید تصاویر واضح نیاز دارد.

در نهایت دستگاه $$3\ T$$ این امکان را به وجود می‌آورد تا بیماران بیشتری در یک زمان مشخص نسبت به دستگاه $$1.5\ T$$ تحت معاینه و اسکن قرار گیرند.

تفاوت سی تی اسکن با ام آر آی

  • سی تی اسکن با استفاده از اشعه ایکس تصاویر داخل بدن را تولید می‌کند در حالی که MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) از میدان‌های مغناطیسی قدرتمند و پالس‌های فرکانس رادیویی برای تولید تصاویر دقیق از اندام‌ها و سایر ساختارهای داخلی بدن استفاده می‌کند.
  • در سی تی اسکن از اشعه ایکس استفاده می‌شود ولی MRI از اشعه ایکس استفاده نمی‌کند.
  • MRI اطلاعات دقیق‌تری در مورد اندام‌های داخلی (بافت‌های نرم) مانند مغز، سیستم اسکلتی، سیستم تولید مثل و سایر سیستم‌های بدن نسبت به آنچه در سی تی اسکن ارائه می‌شود نشان می‌دهد.
  • سی تی اسکن سریع، بدون درد و غیرتهاجمی است.
  • MRI تهاجمی نیست اما پر سر و صدا است، زمان بیشتری می‌برد و ممکن است باعث کلاستروفوبیا شود (اضطراب ناشی از قرار گرفتن در فضای بسته دستگاه).
  • MRI هزینه بیشتری نسبت به سی تی اسکن دارد.
  • اسکنرهای MRI به دلیل داشتن آهنرباهای قوی ممکن است از لحاظ مسائل ایمنی مشکل ایجاد کنند.

عوارض ام آر آی

ام آر آی بدون استفاده از هرگونه اشعه یونیزه انجام می‌شود و بنابراین بیمار در معرض اثرات مضر تابش یونیزه قرار نمی‌گیرد. با این همه در حالی که هیچ خطر شناخته شده‌ای برای سلامتی فرد در اثر قرار گرفتن موقت در محیط ام آر آی وجود ندارد محیط MR شامل یک میدان مغناطیسی استاتیک قوی که با گذشت زمان تغییر می‌کند (گرادیان میدان پالس تولید شده) و انرژی حاصل از فرکانس رادیویی است که هر کدام دارای نکات ایمنی خاصی هستند و لازم است موارد زیر در روند تشخیص با دستگاه MRI رعایت شود:

  1. میدان مغناطیسی استاتیک قوی دستگاه ام ار ای اشیا با خواص مغناطیسی را به خود جذب می‌کند (از وسایل کوچک مانند کلیدها و تلفن‌های همراه تا اجسام بزرگ و سنگین مانند مخازن اکسیژن و بافرهای کف) و می‌تواند باعث آسیب رساندن به دستگاه، بیمار یا پرسنل مرکز شود، زیرا قرارگیری این وسایل در نزدیکی دستگاه آن‌ها را به یک پرتابه تبدیل می‌کند. به همین دلیل لازم است فرد قبل از وارد شدن به اتاق از به همراه نداشتن اشیا با خواص مغناطیسی کاملاً مطمئن شود.
  2. میدان‌های مغناطیسی که با گذشت زمان تغییر می‌کنند صداهای بسیار بلندی ایجاد می‌کنند که اگر از محافظ گوش استفاده نشود ممکن است به شنوایی آسیب برساند. همچنین این صدا ممکن است باعث تحریک عضله خارجی یا عصبی شود و در بدن فرد لرزش ایجاد کند.
  3. انرژی فرکانس رادیویی مورد استفاده در MRI می‌تواند منجر به گرم شدن بدن شود. پتانسیل گرمایش در معاینات طولانی با MRI بیشتر می‌شود.

صدای دستگاه ام آر آی ناشی از چیست؟

دستگاه MRI ترکیبی از آهنربا، فرستنده رادیویی و گیرنده قوی است. در فرآیند تصویربرداری ام آر آی جریان الکتریکی از طریق سیم‌پیچ ارسال می‌شود. سوئیچینگ یا روشن و خاموش شدن جریان سبب می‌شود که سیم‌پیچ‌ها با صدای بلند کلیک منبسط شوند. صداها بسته به نوع دنباله‌های مورد استفاده در دستگاه MRI متفاوت هستند و برخی از آن‌ها بلندتر از بقیه هستند.

منظور از دنباله در ام آر آی یک تنظیم مشخص از توالی پالس و گرادیان پالس در دستگاه است که منجر به تولید تصویر خاص در ام آر آی می‌شود.

در حالی که سر و صدا با روشن و خاموش شدن جریان تولید می‌شود باید این نکته را به خاطر داشته باشید که آهنربا همیشه روشن است. در حقیقت آهنربای اصلی همیشه روشن است و به همین دلیل هرکسی که می‌خواهد وارد اتاق اسکن شود باید از نظر همراه داشتن وسایل آهنی چک شود تا به فرد و دستگاه آسیبی وارد نشود. همچنین تمام تجهیزات مورد استفاده در محیط MRI غیرآهنی است.

اگر قصد انجام ام آر آی را دارید و ترس اینکه چه صدایی قرار است شما را غافلگیر کند ذهنتان را درگیر کرده است، فایل زیر برای آشنایی با صدای دستگاه به شما کمک خواهد کرد.

قبل از ام آر آی چی بخوریم؟

در روز MRI می‌توانید مثل همیشه غذا بخورید، بنوشید و هر دارویی را مصرف کنید مگر اینکه چیزی غیر از این موضوع از طرف پزشک به شما سفارش شده باشد.

در برخی موارد ممکن است از شما خواسته شود که حداکثر 4 ساعت قبل از ام ار ای چیزی نخورید و ننوشید و گاهی ممکن است از شما خواسته شود که مقدار نسبتاً زیادی آب بنوشید. این موضوع بستگی دارد به بافتی که قرار است مورد بررسی قرار گیرد.

همچنین هنگامی که به کلینیک یا مرکز تصویربرداری می‌روید معمولاً از شما خواسته می‌شود که یک پرسشنامه درباره سلامتی و سابقه پزشکی خود پر کنید. این موضوع به کادر پزشکی کمک می‌کند تا اطمینان حاصل کنند که MRI شما در امنیت کامل انجام می‌شود.

فیلم آموزش نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو GATE در مهندسی پزشکی

آموزش فرادرس

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه آموزش نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو GATE در مهندسی پزشکی کرده است. این مجموعه آموزشی از چهارده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته‌های فیزیک، مهندسی پرتوپزشکی، فیزیک هسته‌ ای و مهندسی پزشکی مفید است. درس اول این مجموعه مروری بر سیستم‌ های تصویربرداری پزشکی هسته‌ ای و نرم‌ افزارهای مونت کارلویی  و درس دوم مروری بر هندسه است.

درس سوم به تعریف مواد مختلف می‌پردازد و در درس چهارم فیزیک ذرات بررسی می‌شود. درس پنجم و شش اختصاصاً به روش‌های برش و کاهش واریانس و ایجاد چشمه‌های تابش اختصاص دارد.

در درس هفتم چشمه و فانتوم وکسل بندی شده مورد بررسی قرار می‌گیرد و درس هشتم شامل اطلاعاتی در مورد Actor ها است.

در درس نهم و دهم در مورد اجرای نرم‌افزار و ابزارهای مصورسازی می‌آموزید و در درس یازدهم طراحی انواع سیستم‌‌های تصویربرداری پزشکی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

درس دوازدهم و سیزدهم به بازخوانی اطلاعات و فرمت داده‌های خروجی حاصل از تصویربرداری اختصاص دارد و در نهایت می‌توانید مفاهیم کلی رادیوتراپی را در درس چهاردهم بخوانید.

  • برای دیدن فیلم آموزش نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو GATE در مهندسی پزشکی + اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این مطلب با ساز و کار دستگاه تصویربرداری ام آر آی آشنا شدیم و فیزیک مربوط به این دستگاه را بررسی کردیم. همچنین انواع دستگاه‌های ام آر آی و نحوه خواندن تصاویر حاصل از این دستگاه را توضیح دادیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۳۶ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

5 نظر در “ام آر آی (MRI) چیست و دستگاه آن چگونه کار می‌کند؟ — آنچه باید بدانید

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.