بـررسی سـاختـمـان داخـلی و عملکرد ام.ار.آی

[سمندون 19437]

تاريخچه:

 

در سوم جولاي سال 1977 حادثه اي روي داد که به طور کل دنياي پزشکي نوين را دگرگون ساخت و در خارج دنياي پزشکي نيز عکس العمل هايي را به دنبال داشت .اين آزمايش بزرگ اولين آزمايش MRI (ام.ار.آی.‏) بود که بر روي انسان انجام مي شد و بيش از 5 ساعت به طول انجاميد تا يک تصوير از بافت فرد مورد آزمايش ايجاد کند، تصويري که با تصاوير‏ ام.ار.آی.‏ امروزي اصلا قابل مقايسه نبود! دکتر ريموند دماديان1 پزشک و محقق به همراه همکارانش دکتر لری مينکف2 و دکتر مايکل گلداسميت3 هفت سال بي وقفه براي رسيدن به اين هدف تلاش کردند. آنها اين دستگاه جديد را تسخيرناپذير4 ناميدند. اين دستگاه در حال حاضر در انستيتو اسميتسونين5 نگهداري مي شود .تا سال 1982 تعداد دستگاه هاي ‏ ام.ار.آی.‏ در آمريکا انگشت شمار بود اما امروزه بعد از گذشت تقريبا 25 سال هزاران دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ با توانايي خارق العاده گرفتن تصاوير با وضوح بي نظير به صورت دو بعدي و سه بعدي در اکثر بيمارستان هاي جهان پراکنده شده است.

 

‏ ام.ار.آی.‏ تکنولوژي بسيار پيچيده اي است که بسياري با نحوه ي دقيق عملکرد آن آشنا نيستند .در اين مقاله که توسط عده از دانشجويان مهندسي پزشکي و اعضاي انجمن بيوالکتريک ايران گردآوري شده است شما را با نحوه ي دقيق عملکرد و استفاده از اين دستگاه غول پيکر و پر سر و صدا آشنا خواهيم کرد.

 

 

 

ايده اصلي:

 

‏ ام.ار.آی.‏ (تصوير برداري تشديد مغناطيسي) روش توليد تصاوير با جزييات کامل از بافت ها و ارگان هاي بدن بدون استفاده از پرتوهاي ايکس و پرتوهاي يونيزه شده ميباشد که همين مزيت است که سبب شده آن را از عکس برداري به کمک اشعه ايکس متمايز سازد.در زمان گذشته اين گونه تصوير برداري از بافت را NMRI (تصوير برداري تشديد مغناطيسي هسته اي) ميناميدند چراکه در اوايل از پرتوهاي يونيزه شده هسته اي جهت عکس برداري استفاده ميشد اما بعد از گذشت زمان و پيشرفت تکنولوژي اين پرتوهاي يونيزه شده حذف شده و دستگاه به ‏ ام.ار.آی.‏ تغيير نام داد.دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ معمولا در غالب يک مکعب غول پيکر در ابعاد 3*2*2 (طول * عرض * ارتفاع) طراحي ميشود هر چند با پيشرفت تکنولوژي مدل هايي روانه بازار شده اند که داراي ابعاد کوچکتري هستند.در داخل اين دستگاه يک لوله ي افقي وجود دارد که از جلو به عقب درون يک مغناطيس حرکت ميکند و به منفذ يا کاليبر مغناطيس موسوم است بيمار در حالي که به پشت بر روي يک ميز مخصوص دراز کشيده وارد کاليبر شده و بسته به نوع اسکني که قرار است بر روي وي انجام شود وي را تا حد مورد نياز از سمت سر و يا پا وارد کاليبر مي کنند تا زماني که بافت هدف کاملا در مرکز ميدان مغناطيسي قرار بگيرد. به کمک امواج راديويي که در ادامه توضيح داده خواهد شد دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ ميتواند يک نقطه کوچک به کوچکي يک مکعب به ضلع 0.5 ميليمتر را جهت اسکن انتخاب کند.سيگنال هاي فرستاده شده از طرف اين نقطه کوچک به مرکز پردازش دستگاه موجب توليد تصاوير دو و يا سه بعدي از بافت هدف ميشود .با تغيير پارامترهاي آزمايش ‏ ام.ار.آی.‏ مي توان تصاوير با ظواهر و کارايي هاي متنوع توليد کرد که اصلا قابل قياس با تصوير توليد شده توسط ديگر اسکنرها از قبيل سي تي اسکن نيست. يکي ديگر از کاربرد هاي ‏ ام.ار.آی.‏ ايجاد تصاوير با جزييات بسيار زياد از عروق خوني بدون استفاده از مواد حاجب (کانتراست زا) مي باشد. هر چند که استفاده از ماده حاجب وضوح تصاوير را بسيار بالا می برد اما تزريق آن بدون درد نيست و نيز ممکن است بدن بيمار به آن واکنش دهد. استفاده از ‏ ام.ار.آی.‏ در اين زمينه به خصوص جهت تشخيص بيماري هاي آئورت ، عروق خوني ، کليه ها و ريه ها را در اصطلاح MRA مي گويند . معمولا پزشک معالج برای بيماراني که داراي پيشينه آنوريسم شرياني هستند تصويربرداري MRA تجويز مي کند.

 

 

مواد حاجب (کانتراست زا) :

 

ماده حاجب که گاهي اوقات به ماده رنگي نيز مشهور است ماده ای است که جهت افزايش وضوح تصوير در اسکن آن را به وريد شخص بيمار تزريق مي کنند. اين امر سبب می گردد که ارگانها و نماي عروق روشن تر شود و در نتيجه پزشک راحت تر بتواند آنها را مشاهده نمايد . اين ماده بعد از انجام تست با نوشيدن مايعات فراوان از بدن شخص بيمار دفع خواهد شد .

 

 

 

ساختمان اسکنر ‏ ام.ار.آی.‏:

 

سيستم هاي اصلي مورد استفاده در دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ عبارتند از:

 

1- ميدان مغناطيسي استاتيک6

 

2- گراديان و فرستنده RF

 

3-گراديان مغناطيسي قائم قابل کنترل

 

 

 

مگنت ها بزرگترين و گرانبهاترين قسمت اسکنر ‏ ام.ار.آی.‏ هستند و باقي قسمت ها در اطراف اين مگنت ها ساخته مي شوند . دقت و قدرت اين آهنربا به شدت براي توليد تصوير مهم است به طوري که در منفذ ‏ ام.ار.آی.‏ بايد خطوط ميدان يکنواخت برقرار باشد. به طور کلي انواع مغناطيس هاي مورد استفاده در ‏ ام.ار.آی.‏ جهت ايجاد ميدان يکنواخت در منفذ دستگاه به سه دسته تقسيم مي شوند :

 

 

 

مغناطيس هاي دايمي يا آهنرباهاي ثابت7 : اين مغناطيس ها از مواد فرومغناطيس تشکيل شده اند و مي توانند براي ايجاد ميدان مغناطيسي استاتيک استفاده شوند : آنها بسيار حجيم هستند به طوري که وزن آنها مي تواند حتي به 100 تن نيز برسد. مزيت آهنرباهای ثابت هزينه نگهداري کمتر آنهاست اما پايداري مغناطيسي کم و عدم امکان تعويض آنها در صورت بروز مشکل از معايب آنها به شمار می رود. اين آهنرباها داراي شدت ميداني در حدود 0.5 تا 5 تسلا مي باشند.

 

 

 

مغناطيس هاي مقاومتي8 : اين مغناطيس ها بر اساس "خاصيت القاي مغناطيسي در اثر عبور يک جريان الکتريکي از سيم پيچ" ساخته مي شوند که توانايي تشکيل ميداني به شدت 5 تسلا را دارا ميباشند. در واقع اين نوع مغناطيس سيم پيچي از جنس مس است که تشکيل يک آهنرباي متناوب را مي دهد. از مزاياي آن ميتوان به قيمت ارزان آن اشاره کرد ولي پايداري کم و توانايي توليد ميدان محدود و همچنين مصرف انرژي الکتريکي نسبتا زياد ، استفاده از اين مگنت را پر هزينه کرده است.

 

مغناطيس هاي ابررسانا9 : زماني که آلياژ نيوبيوم10– تيتانيم توسط هليم مايع در دماي 4 کلوين سرد مي شود ابر رسانا تشکيل شده به طوري که تمام مقاومت خود را در برابر عبور جريان الکتريکي از دست مي دهد. با ساختن سيم پيچ هاي الکترومگنت از سيم هاي ابر رسانا مي توان ميدان هايي با قدرت و پايداري خيلي زياد ايجاد کرد. معمولا ميدان هاي مغناطيسي توليدي توسط اين آهنرباها داراي شدتي بيش از 2 تسلا مي باشد از اين رو سبب شده که اکثر اسکنر هاي امروزي از چنين ساختاري در ساختمان اسکنر خود استفاده کنند .

 

 

 

از آنجا که بر اثر افزايش دما خاصيت ابر رسانايي سيم پيچ ها به شدت کاهش مي يابد از اين رو سيم هاي ابر رسانا معمولا در داخل محفظه اي به نام کريوستات11 در هليوم مايع فرو برده مي شود. مشکلي که در اينجا وجود دارد اين است که با وجود عايق بندي اطراف ظرف ، حرکت بروني هليوم و همچنين دماي بالاي محيط اطراف موجب مي شود هليوم موجود تبخير شود. اما براي رفع اين مشکل نيز چاره جويي هايي انجام شده که به قرار زير مي باشند:

 

روش معمول تر اين است که به کمک کرايوکولر12 مقداري از هليوم تبخير شده را به ظرف بازگردانيم .

 

روش دوم اين است که به جاي استفاده از کريوستات مستقيما سيم ها را سرد کنيم و مانع از افزايش دما شويم.

 

 

 

در هر حال از هر يک از مگنت هاي فوق که استفاده کنيم بايد دارای اين سه ويژگی مهم باشد :

 

توليد ميدان يکنواخت در منفذ دستگاه

 

شدت ميدان ثابت

 

نسبت نويز به سيگنال کم

 

 

 

به طور کلي اين سه ويژگی موجب توليد تصاوير با رزولوشن مناسب و افزايش سرعت اسکن می شود .

 

 

 

گراديان ها :

 

علاوه بر ميدان هاي مغناطيسي يکنواخت در ‏ ام.ار.آی.‏ ميدان هاي متغير ديگري به نام گراديان نيز وجود دارند. گراديان هاي مغناطيسي توسط سه سيم پيچ قائم در جهات x, y, z اسکنر ايجاد شده اند .اين سيم پيچ ها معمولا الکترومگنت هاي مقاومتي هستند که توسط تقويت کننده هايي با قابليت تنظيم دقيق و سريع جهت و اندازه ميدان ، تغذيه مي شوند. اين گراديان ها داراي قدرتي در حدود 20 تا 100 ميلی تسلا بر متر هستند . در حقيقت اين گراديان است که صفحه تصوير برداري را تعيين ميکنند زيرا گراديان هاي قايم به راحتي بر روي هر صفحه اي ايجاد مي شوند. سرعت اسکن به عملکرد سيستم گراديان وابسته است به طوري که گراديان هاي قوي تر داراي سرعت تصوير برداري بيشتري هستند .

 

 

 

سيستم فرستنده امواج راديويي14 :

 

سيستم فرستنده امواج راديويي که مي تواند امواجي را به صورت پالس ارسال کند از يک ترکيب کننده، يک تقويت کننده و يک فرستنده تشکيل شده است که معمولا در بدنه ي اسکنر ها جاسازي مي شوند. توان فرستنده متغير است به طوري که بيشينه توان آن در حدود 35 کيلووات است . گيرنده اين امواج معمولا از يک سيم پيچ ، تقويت کننده و پردازنده سيگنال تشکيل شده است . در اسکنرها مي توان از سيم پيچهاي مجتمع13 به عنوان فرستنده و گيرنده استفاده نمود اما زماني که بخواهيم از ناحيه کوچکي اسکن بگيريم بهتر است از سيم پيچ هاي کوچکي که بر روي عضو هدف متمرکز مي شوند استفاده کرد تا تصويري با کيفيت وجزئيات بيشتر به دست آيد .

 

از جديدترين تکنولوژي های مورد استفاده در سيستم ‏ ام.ار.آی.‏ استفاده از آرايه فازي چند عنصره است که توانايي ايجاد چندين کانال داده به صورت موازي را دارا ميباشد . با استفاده از اين تکنولوژي سرعت تصوير برداري افزايش يافته ولي ممکن است در بازسازي تصاوير ايجاد آرتيفکت کند.

 

 

 

به طور خلاصه تصوير برداري به روش ‏ ام.ار.آی.‏ طي مراحل زير انجام مي گيرند:

 

قسمت مورد نظر ازبدن بيمار در يک ميدان مغناطيسي ثابت و قوي قرار مي گيرد.

 

يک سري ميدانهاي مغناطيسي متغير15 با شدت کم به بيمار اعمال مي شود.

 

در همان حال يکدسته امواج راديويي با طول موج معين، به صورت پالس تابيده مي شود.

 

پس از هر پالس امواج راديويی، از بدن بيمار سيگنالهای الکتريکي دريافت مي گردد.

 

اين علايم توسط کامپيوتر پردازش شده و به صورت تصوير در روي صفحه نمايشگر ظاهر مي شود .

 

 

 

در ادامه، روند مراحل فوق به طور کامل شرح داده مي شود.

 

 

 

فيزيک اسپين ها:

 

 

 

بدن انسان از ميلياردها اتم تشکيل شده که اين اتم ها اجزاء اصلي و تشکيل دهنده هر ماده در طبيعت است اتمها از قسمت هاي اساسي به نام هسته تشکيل شده اند همچنين داراي ذراتي هستند که از نظر الکتريکي داراي بار هستند و توانايي تشکيل ميدان هاي الکتريکي خيلي کوچکي را دارند. الکترون ذره اي است با بار الکتريکي منفی که همواره در حال چرخش به دور محور فرضي خود است اين نوع چرخش را اسپين مي گويند . اسپين مانند بارالکتريکي يکي از مشخصات طبيعي و ضروري هر ذره است. جالب است بدانيد که پروتون ها نيز دارای اسپين هستند و در جای نسبتا ثابت خود در هسته اتم، دارای چرخشی شبيه به آنچه در حرکت وضعی زمين مشاهده می کنيم هستند. هر الکترون و يا پروتون موجود در يک اتم داراي اسپيني برابر با 1/2 یا 1/2-.

 

منبع: انجمن بیوالکتریک ایران