در این بخش، در مورد MRI کاملترین و جامع ترین مطلب را می توانید مطالعه کنید. ام آر آی (MRI) یک انقلاب بزرگ و تحولی عظیم در قرن حاضر است. مجموعه ای از دانشمندان از سقراط، خوارزمی و خیام تا دامادین، لوتربر و مانسفیلد در ایجاد این فن آوری به صورت مستقیم و غیر مستقیم نقش داشته اند. با عمری در حدود سه دهه، MRI توانایی تشخیص شگرفی را ارائه داده است که بسیار فراتر سایر روش های تصویر برداری است. استفاده نکردن از پرتوهای یونیزان تصویرگیری از مقاطع مختلف (ساژیتال، کرونال، اگزیال و مایل) و تصویر برداری غیر تهاجمی از شبکه عروقی بدن نمونه هایی از توانایی های عظیم این روش تصویر برداری است.
روش تصویربرداری MRI بر پایه پدیده تشدید مغناطیسی هسته هیدروژن استوار است. ذرات اتمی در داخل و خارج هسته دارای حرکت اسپینی (چرخش به دور خود) و حرکت انتقالی هستند.
حرکت اسپینی پروتون به علت باردار بودن این ذره موجب ایجاد میدان الکتریکی در اطراف آن می شود و چون یک ذره باردار متحرک است، به صورت یک مغناطیس کوچک عمل کرده و در اطراف خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. تمام هسته هایی که دارای اسپین فرد هستند، اگر در میدان مغناطیسی قوی خارجی واقع شوند، سعی می کنند در راستای میدان مغناطیسی قرار گیرند. هیدروژن ساده ترین و فراوانترین عنصر در بدن انسان است. اتم هیدروژن شامل یک پروتون و یک الکترون است. هر مولکول آب حاوی دو اتم هیدروژن است. مولکولهای بزرگتر مثل چربی ها و پروتئین ها، حاوی تعداد زیادی اتمهای هیدروژن هستند. بدن در حالت عادی تحت تأثیر میدان مغناطیسی زمین ۰۶/۰ گوس( تسلا) است. این میزان در مقایسه با میدان خارجی که در MRI اعمال می شود، بسیار کوچک است. پس از برقراری میدان مغناطیسی قوی، خارجی مغناطیس های کوچک، خود را در جهت میدان (یا در خلاف جهت میدان) تنظیم می کنند.
در نهایت برایند محورهای مغناطیسی مغناطیس های کوچک در جهت میدان اصلی است. این بردار برآیند را بردار مغناطیسی خالص (MNV) می نامند. در حالت تعادل، بردار NMV راستای محور میدان مغناطیسی اصلی است. حرکت مارپیچی مغناطیس های کوچک دارای یک فرکانس بخصوص است. این فرکانس، فرکانس تشدید یا فرکانس لامور خوانده می شود.
تشدید عبارت است از پاسخ تقویت شده به یک محرک که دارای فرکانس طبیعی مشابه است. برای منحرف کردن مغناطیس های کوچک از حالت اولیه، هر نوع انرژی و هر مقدار را نمی توان اعمال کرد. این انرژی باید فرکانسی بوده و فرکانس آن با فرکانس حرکت مغناطیس های کوچک هماهنگ و یکسان باشد تا براحتی توسط آنها جذب شود. بهترین نوع انرژی، امواج الکترومغناطیس است. فرکانس مورد نیاز جهت منحرف کردن مغناطیس ها از میدان مغناطیسی خارجی در محدوده مورد استفاده در MRI در حدود فرکانس امواج رادیوئی است. لذا به این امواج، امواج رادیوئی RF می گویند. پس با اعمال پلاس رادیوئی بردار برایند از امتداد میدان اصلی منحرف می گردد. با قطع پالس RF مغناطیس ها با حرکت مارپیچی با همان فرکانس لارمور به جهت میدان مغناطیس اولیه باز می گردند و چون در حین بازگشت به جهت میدان اصلی خارجی خطوط میدان مغناطیسی را قطع می کنند، در اثر این عمل ولتاژ الکتریک در کویل گیرنده القا می شود. این ولتاژ همان سیگنال MR است. جریان الکتریک ناشی از این ولتاژ اولاً تناوبی است ثانیا دامنه آن بر حسب زمان کاهش می یابد. سیگنال تولید شده در اثر این نوع جریان را به دلیل ماهیت ویژه آن میرایی القایی آزاد(FID) می نامند. سیگنال FID دارای سه ویژگی است:
۱) سیگنال دارای دامنه ای است که بستگی به الف) میدان مغناطیسی خارجی و ب) تراکم یا دانسیته پروتون دارد. در صورت یکسان بودن سایر عوامل، هرچه دانسیته پروتونهای در حال حرکت بیشتر باشد، سیگنال مغناطیسی قوی تری ایجاد می شود، پس شدت سیگنال تولید شده بستگی به تعداد هسته های هیدروژن در یک حجم معین از بافت دارد. بیشتر بافتهای نرم غیر از چربی، تعداد مشابهی پروتون در واحد حجم خود دارند بنابراین ایجاد تمایز بین این بافتها جهت تصویربرداری به روش هایی غیر از استفاده از دانسیته پروتونی انجام می گیرد.
۲) زمان آسایش IT:
بردار مغناطیسی خالص دارای دو مؤلفه طولی و عرضی است. مؤلفه طولی، تصویر این بردار بر روی محور طولی است و در راستای میدان مغناطیسی اصلی قرار دارد. مولف عرضی در صفحه ای عمود بر راستای میدان قرار گرفته است. یک پالس رادیوئی با دامنه مناسب و یا مدت زمان مناسب، تمام NMV یک گروه از پروتون ها را از سطح طولی به سطح عرضی می چرخاند. پس از قطع پالس رادیوئی، مولف طولی NMV به صورت نمایی است و آسایش TI نامیده می شود. زمان آسایش TI زمان مورد نیاز برای احیای بردار مغناطیسی طولی به مقدار ۶۳% سطح اولیه آن در حالت تعادل است. تفاوت در زمانهای آسایش TI بستگی به اتصال پروتون ها در بافت های مختلف دارد. پروتون ها در انواع مختلفی از بافتها زمانهای آسایش متفاوتی دارند، زیرا قابلیت ارتجاعی آنها و همچنین باندهای شیمیائی آنها متفاوت است. تفاوت در زمانهای ذیل است:
۱) Flipping Angle
2) Free Induction Drcay
3) Spin-Latice Relaxtion Time
آسایش TIجهت تشکیل تصاویر وزنی TI استفاده می شوند. طولا نی ترین زمان آسایش مربوط به آب خالص است که حدود ۳ ثانیه است. زمانهای آسایش برای GSF و ادرار بین ۲ تا ۳ ثانیه است. بافت چربی زمان آسایشی برابر ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلی ثانیه دارد. مایعاتی مثل موکوس و مایع سینوویال TI کوتاهتری دارند. اغلب نئوپلاسم های بدخیم دارای TI طولانی تر از بافت های خوش خیم هستند. به طور کلی با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، زمان آسایش TI برای بافت های مختلف افزایش می یابد.
۳) زمان آسایش T2 :
استهلاک بردار مغناطیسی عرضی به صورت آسایش T2 تعریف می گردد. میزان این میرایی نیز مانند میرایی T1 یک روند نمائی است و مدت زمانی است که طول می کشد تا ۳۷% درصد از جزء مغناطیسی عرضی از دست برود. زمان آسایش T2بستگی به میدان کنش بین پروتون ها در یک حجم کوچک از بافت دارد. وقتی یک پالس تحریک کننده رادیوئی پروتون ها را از امتداد خارج می کند تمام پروتون ها حرکت تقدیمی را با فرکانس لامور خود آغاز می کنند. در آغاز حرکت تقدیمی تمام آنها در یک خاص در یک امتداد یکسان هم جهت هستند یا در حالت فاز قرار دارند. به دلیل اینکه میدانهای مغناطیسی موضوعی اطراف پروتون های مختلف کاملا یکسان نیست، برخی از پروتون ها تندتر و برخی دیگر کندتر از بقیه حرکت تقدیمی خود را انجام می دهند.
به دلیل این تفاوت های کوچک در میدانهای مغناطیسی موضعی، پروتون ها بتدریج از حالت فاز خارج شده و دیگر هم زمان و هم سو با یکدیگر نخواهند بود. زمان آسایش T2 مدت زمانی است که طول می کشد تا پروتون ها از فاز خارج شوند.زمان آسایش T2 یک بافت همواره کوتاهتر از زمان آسایش T1 است. زمان آسایش T2 تحت تأثیر قدرت میدان قرار نمی گیرد.
بنابراین در MRI تشخیص برای تشکیل تصویر و ایجاد تمایز(کنتراست) بین بافتها می توان از سه عامل سود جست:
۱) دانسیته پروتونی بافت ها (Proton Density) یا PD .
2) زمان آسایش T2 بافت های مختلف و
۳) زمان آسایش T2 بافت های مختلف.
بخش های مختلف سیستم
یک سیستم تصویربرداری MR شامل سیم پیچ آهن ربای احاطه کننده هسته مرکزی (Bore)، کویل های هموار کننده یا Shim Coils، کویل های سطحی، تخت بیمار، یک کامپیوتر و یک سیستم نمایشگر است. سیم پیچ آهن ربای اصلی، میدان مغناطیسی خارجی را فراهم می کند. شیم کویل ها جهت بهبود بخشیدن به یکنواختی میدان مغناطیسی خارجی در اطراف هسته مرکزی استفاده می شوند. بیمار در طول اسکن داخل هسته مگنت قرار می گیرد. تخت، در طول اسکن MR بیمار را داخل میدان مغناطیسی نگاه می دارد. کویل های گرادیان برای انتخاب سطح تصویربرداری به کارمی روند. کویل های سطحی سیگنال های ضعیف RF ناشی از حرکت تقدیمی پروتون ها را جهت تشکیل تصاویر MR پردازش می کند. سیستم نمایش امکان مشاهده تصویر دیجیتال را روی مانیتور تلویزیون یا ضبط تصاویر فراهم می کند.
در تمام تجهیزات یک میدان مغناطیسی وجود دارد که توسط آهن ربای اصلی ایجاد می شود. این آهن ربا به شکل یک تونل بزرگ است که هسته مرکزی را در بر می گیرد. جهت تصویرگیری بدن باید داخل هسته مرکزی قرار گیرد، هدف از این امر، ایجاد بردار مغناطیسی طولی خالص پروتون های عضو مورد پرتو گیری است. دو نوع متداول آهن رباهای مورد استفاده در سیستم های MR، آهن رباهای ابر رسانا و مقاومتی هستند. (آهن رباهای دائمی به دلایل زیادی از جمله میدان های ضعیف و وزن زیاد کاربردی ندارند). آنچه اهمیت زیادی در مورد هر دو نوع مگنت دارد، یکنواختی میدان است. مگنت های مقاومتی تشکیل شده از یک سیم پیچ که در اثر عبور جریان به علت مقاومت به وجود آمده، در سیم پیچ یک میدان مغناطیسی در آن القاء می شود. از آنجایی که برق زیادی جهت ایجاد چنین شرایطی نیاز است، امروزه کمتر از این سیستم ها استفاده می شود.
هر گاه مقاومت سیم پیچ ها کاهش یابد، انرژی مورد نیاز جهت حفظ میدان مغناطیسی نیز کاهش می یابد، اجسام ابر رسانا در دماهای بسیار پایین از خود مقاومت صفر نشان می دهند. بنابراین از اجسام ابر رسانا در ساخت مگنت های ابر رسانا استفاده می شود. در ابتدا یک جریان از میان سیم پیچ عبور نموده و میدان مغناطیسی مورد نظر را بو جود می آورد(Ramping). هنگامی که سیم ها درون ماده ای کرایوژن فوق العاده سرد شوند، مقاومت آنها از بین می ورد. هلیوم مایع برای فراهم کردن دمای بسیار پایین (۲۵۰-درجه سانتیگراد) استفاده می شود. هلیوم مایع درون لوله هایی اطراف کویل را فرا گرفته اند. این موقعیت را حمام هلیوم گویند. بعد از Ramping سیستم، هیچ نیروی الکتریکی اضافی جهت حفظ میدان مغناطیسی نیاز نیست. میدان مغناطیسی یک سیستم ابر رسانا هیچ گاه خاموش نمی شود. این سیستم ها میدان های با شدت ۵/۰ تا ۴ تسلا فراهم می کنند. قدرت میدان مغناطیسی عامل بسیار مهمی در سیستم های MRI به شمار می رود، زیرا فرکانس که در آن، پروتون ها حرکت مارپیچی انجام می دهند، به طور مستقیم با قدرت مغناطیسی میدان اصلی متناسب است. مثلا فرکانی لارمور هیدروژن آب در میدان ۵/۱ تسلا، ۶۳ مگاهرتز و در میدان ۱ تسلا، ۴۲ مگاهرتز است.
کویل های گرادیان
در تمام تصویر برداری ها روش هایی مورد نیاز است که بافت را در موقعیت های مختلف مشخص نموده و وضعیت صحیح آنها را نشان دهد. روش اساسی برای تعیین منشأ سیگنال های MR استفاده از گرادیان های میدان مغناطیسی تکمیلی است که گرادیان های تصویر برداری خوانده می شود. در یک میدان مغناطیسی همگن، پروتون های آب بدون توجه به مکان شان با فرکانس مشابهی تشدید می یابند. اگر ما میدان مغناطیسی ثانویه ای را بر روی میدان مغناطیسی اصلی اعمال کنیم، می توانیم تغییرات قابل پیش بینی در میدان مغناطیسی امتداد یک محور مشخص ایجاد نمائیم. به علت اینکه فرکانس لارمور یک پروتون به طور مستقیم متناسب با میدان مغناطیسی است، گرادیان میدان مغناطیسی باعث ایجاد تغییر قابل پیش بینی در فرکانس تشدید در امتداد محور مورد نظر می گردد. گرادیان های میدان مغناطیسی معمولا بوسیله سیم پیچ های گرادیانی که در داخل حفره آهن ربای اصلی قرار دارد ایجاد می گردد و در سه محور عمود بر هم در زمانهای مختلف که باعث مکان یابی سه بعدی منشأ سیگنال ها می گردند، به کار می روند. به طور کلی سه نوع گرادیان در قسمت مرکز ی مگنت قرار دارد: گرادیان Z که قدرت میدان را در جهت طولی محور مگنت تغییر می دهد (برش های اگزینال)، گرادیان Y که قدرت میدان را در جهت عرض تغییر می دهد (برشهای کرونال) و گرادیان X قدرت میدان را به موازات افقی محور مگنت تغییر می دهد (برش های ساژیتال). برش های مایل ناشی از عملکرد توأم دو گرادیان است.
همچنین گرادیان ها می توانند اسپین هسته ها را در حالت فاز یا خارج از فاز قرار دهند. سه وظیفه اصلی گرادیان ها عبارتند از: ۱) انتخاب برش، ۲) کد گذاری فرکانس و ۳) کد گذاری فاز.
هنگامی که یک کویل گرادیان شروع به کار می کند، قدر میدان مغناطیسی و در نتیجه فرکانس تقدیمی هسته هایی که در طول محور آن واقع شده اند، در روند خطی تغییر می کند. لذا در یک نقطه خاص در امتداد محور گرادیان یک فرکانس لارمور خاص وجود خواهد داشت. در یک برش آناتومی از یک نقطه خاص امتداد محور گرادیان دارای فرکانس تقدیمی خاص همان نقطه است. بنابراین انتخاب برش با اعمال یک پالس RF در یک باند فرکانسی همسان با فرکانس لارمور اسپین هایی که در این برش وجود دارند، صورت می گیرد. پدیده تشدید نیز در هسته های این برش بوجود می آید. بدین ترتیب یک برش خاص تحریک شده در بدن بیمار مشخص می گردد. سطح مقطع انتخاب شده تعیین کننده آن است که کدام یک از سه گرادیان نقش انتخاب برش را در توالی پالس داشته است. پالسینگ کویل های گرادیان در طول جمع آوری تصویر مسئول ایجاد صدای ضربه است که در طول مقطع نگاری MR شنیده می شود.
در غیاب گرادیان ها تمام پروتون ها در یک سطح تصویر بردای در فرکانس های مشابهی تشدید پیدا می کنند. اگر یک گرادیان در راستای یک محور در یک سطح تصویر و در زمان اندازه گیری سیگنال MR مورد استفاده قرار گیرد، تغییرات اضافی در فرکانس تشدید به وجود می آید. در حین استفاده از چنین گرادیانی فرکانس سیگنال های MR اندازه گیری شده، در یک انتها و بیشتر و در انتهای دیگر در راستای محور این گرادیان کم تر است. این حالت باعث ایجاد موقعیتی برای مکان یابی منبع سیگنال های MR در یک بعد در مقطعی میگردد که از قبل انتخاب شده است.
در شرایطی که محور کد گذاری فرکانس مشخص شد محور باقیمانده از تصویر تعیین می گردد. این محور را کد گذاری فاز می نامند. با روشن شدن این گرادیان یک اختلاف فاز بین هسته هایی که در امتداد محور گرادیان قرار گرفته اند، به وجود می آید. این اختلاف فاز بین هسته ها جهت تعیین موقعیت شان در امتداد گرادیان کدگذاری فاز مورد استفاده قرار می گیرد.
کویل های سطحی
وظیفه این کویل ها فرستادن پالس های تحریک کننده RF تابش شده از پروتون های در حال چرخش است. این کویل ها سطحی نامیده می شود، چون در سطح بدن بیمار قرار می گیرد. این کویل ها فرستنده و گیرنده سیگنال هستند. هر کویل سطحی برای اندام خاصی طراحی شده است.
مواد حاجب در MRI
مواد حاجب داروهایی هستند که اطلاعات تصویری را افزایش می دهد. کنتراست تصویر در واقع اختلاف شدت سیگنال های بین دو بافت است و ContrastEnhancement روند تغییر دادن این اختلاف است. واژه Enhancement معمولا به هر گونه تغییر بافت که توسط دارو صورت گرفته و بر روی فیلم به نمایش در آمده باشد، اطلاق می گردد. در بسیاری از محیط، خصوصیات بیوفیزیکی بافت ها شبیه یکدیگر است، به طوری که اختلاف شدت سیگنال بافت های مختلف قابل توجه نیست. در این بافت ها می توان ماده ای را وارد نموده که یک یا چند خاصیت ذاتی MR را تغییر داده و کنتراست لازم را بوجود آورد. آن دسته از مطالعات تصویر برداری MR که بدون تزریق ماده حاجب انجام می گیرد، اغلب اوقات دسته زیادی از ضایعات پاتولوژیک را کم رنگ نشان داده یا از نظر دور نگاه می دارد. مثلا مشاهده برخی از انواع مننژیوم ها یا ضایعات متاستانیک کوچک مشکل می گردد. اما در MRI با استفاده از ماده حاجب احتمال تشخیص زودرس ضایعات کوچک تر بیشتر شده و افتراق بین تومور از آدم و همچنین تومور عود کرده از بافت فیبروز بیشتر می شود.
کنتراست تصویر را با افزایش یا کاهش شدت سیگنال یک بافت نسبت به دیگری می توان تقویت نمود. در MRI مواد حاجب از طریق تغییر محیط مغناطیسی موضعی بافت عمل می کنند. این مواد عمدتا از طریق تغییر میزان زمان آسایش بافت ها، بر روی پدیده تشدید مغناطیسی اثر می گذارند. مواد پارامغناطیس در محلول می توانند زمان استراحت TI پروتون های آب را تغییر دهند. در حقیقت یک ماده حاجب تقویت کننده به نحوی دانسیته پروتون یا زمان های آسایش TI و T2 را تغییر می دهد که شدت سیگنال تغییر پیدا کرده و مشاهده گردد. مواد پارامغناطیس فلزی می توانند زمانهای T1 و T2 را کاهش داده و بنابراین به طور بالقوه شدت سیگنال را افزایش یا کاهش دهند. ماده ای که به طور وسیع به عنوان ماده حاجب در MRI استفاده می شود، گادولینیم(GD)، یک عنصر لانتانید سه ظرفیتی است. این ماده از طریق تغییر محیط مغناطیسی موضعی بافت عمل می کند. GD زمان آسایش T1 پروتون های آب را کاهش می دهد، این امر موجب افزایش شدت سیگنال در تصاویر وزنی T1 می شود.
آثار بیولوژیک MRI
این آثار را می توان از دو جنبه بررسی نمود؛ آثار مربوط به میدان مغناطیسی ثابت و آثار ناشی از پالس RF. تا کنون هیچ آثار زیان بار بیولوژیک دراز مدت در اثر قرار گرفتن در معرض میدان MRI گزارش نشده است. اطلاعات جمع آوری شده نشان دهنده چند اثر کم اهمیت و برگشت پذیر است. انستیتو ملی ایمنی کار، سازمان بهداشت جهانی هیچ موردی از لوسمی یا سایر سرطان ها گزارش ننموده است.
پرتوگیری ناشی از امواج رادیوئی:
سطح انرژی پالس RF مورد استفاده در MRI در مقایسه با پرتو ایکس و نور مرئی نسبتا پایین بوده و اثرات بیولوژیک آن فقط به شکل ایجاد حرارت در سطح بافت ظاهر می شود. میزان انرژی گرمایی پخش شده در بدن را میزان جذب ویژه یا SAR گویند که واحد آن وات بر کیلوگرم است. به همین دلیل اندازه گیری وزن بدن بیمار بسیار اهمیت دارد. FDA سطح SAR را برای کل بدن ۴ وات بر کیلو گرم تعیین نموده است.
گرادیان های میدان مغناطیسی:
تغییر میدان مغناطیسی بیش از دو تسلا می تواند باعث القای ولتاژ و شدت جریان در بدن بیمار شود. این ولتاژها و شدت جریان ها هماهنگی القاء می شوند که گرادیان ها، میدان مغناطیسی را تغییر دهند. اثرات بیولوژیک می تواند شامل احساس خفیف پوستی، انقباضات غیر ارادی عضلات و احساس جرقه در چشم باشد.
ترس از تونل(Claustropfobia):
برای چنین بیمارانی ارائه توضیحات قبل از انجام آزمایش و برقراری جریان هوای مناسب در داخل مگنت اغلب نتیجه بخش است در غیر این صورت بیهوشی ضروری ای است.
بیماران باردار:
تا کنون هیچ آثار بیولوژیک شناخته شده ای از کارد برد MRI بر جنین و نوزاد مشاهده نشده است اما FDA توصیه می کند هر نوع تصویر برداری از بیمار باردار تا پایان سه ماهه اول بارداری به تأخیر افتد. استفاده از گادولینیم در بیمار باردار ممنوع است.
ایمنی در MRI :
میدان مغناطیسی ثابت می کند روی وسایل حساس مغناطیسی مثل باطری های قلبی اثر بگذارد همچنین می تواند روی نوارها، کارت های اعتباری و تلفن های همراه اثر کند.
اجسام فرو مغناطیس می تواند در حضور یک میدان قوی از خود عکس العمل نشان دهند، مثلا کلیپس و سنجاق و تراشه های فلزی می توانند. به طرف یک مگنت ۵/۱ تسلا کشیده شده خطر جدی برای بیمار و دستگاه ایجاد نمایند. لوازم جراحی کپسول اکسیژن و تمام اشیاء فرو مغناطیس به شدت جذب مگنت می شوند. بنابراین باید از ورود این اجسام به اتاق مگنت جلوگیری شود. اجسام فلزی کاشته شده در بدن به شکل پروتز (مثل پروتزهای گوش و چشم و ….) می توانند موجب گرما و کشش و آرتیفکت تصویر شوند. امروزه دریچه های قلبی، پروتزها و … از جنس مواد فرو مغناطیس بوده و هیچ خطری برای بیمار ندارند. تمام افرادی که به هر طریق در بخش رفت و آمد دارند، بایستی در مورد موارد ایمنی آموزش داده شوند.
اجازه ورود هیچ یک از ابزارها و وسایل پزشکی ساخته شده از مواد فرو مغناطیس به بخش داده نشود، مگر آنکه قبلا بازرسی شده باشد و روی آنها برچسب MRISAFE با وضوح کامل نصب شود. از صندلی چرخ دار و تخت های غیر فرو مغناطیسی استفاده شود. سر سوزنهای همراه بیمار غیر فرو مغناطیسی باشد. بیمار و همراهان وی قبل از ورود به اتاق از نظر حمل اشیاء فلزی مانند کلید، پیچ و مهره، اشیاء تیز و تزئینی مثل گردنبند و سنجاق سر کنترل شوند.
