دستگاه MRI چگونه کار می کند؟
در میان تمام ماشین ها و دستگاه های گران قیمت و پیچیده، علم تصویربرداری پزشکی برای بسیاری از افراد، ظاهری مبهم دارد. چگونه این دستگاه ها می توانند اشعه ایکس (X) تولید کنند و از عضوی از بدن رد شده و روی یک فیلم، تصویری از آن بدست آید؟ چگونه دستگاه سونوگرافی با حرکت دادن روی بدن، حرکت اعضای داخلی جنین و مایعات را به خوبی نشان می دهد؟
تصویربرداری از اعضای بدن برای اولین بار توسط ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی در نوامبر سال 1895 میلادی همزمان با کشف اشعه ایکس، روی استخوان های دست همسرش انجام گرفت. علت نامگذاری اشعه به نام ایکس، ناشناخته بودن این اشعه و خصوصیات آن بود، اما امروزه دانش بشری اطلاعات زیادی درباره این اشعه می داند و از همین رو تصویربرداری با اشعه ایکس، رادیولوژی نامیده می شود.
بیمار هنگام قرار گرفتن در دستگاه های سی تی اسکن و ام آر آی (MRI) با ترس خاصی از اینکه آیا ممکن است تحت خطر باشد یا بعد از مدتی برای او مشکلی به وجود آید، مجبور است برای تشخیص و درمان بیماری خود، خطر استفاده از این سیستم ها را بپذیرد. در این مقاله شما می توانید با ساز و کار دستگاه MRI آشنا شوید.
سیر رشد و تحول
رادیوگرافی از زمان کشف رونتگن، مدام استفاده می شود و با گذشت نزدیک به یک قرن با تغییرات تکنیکی دچار تحولاتی شده که در دهه اخیر به آن تصویربرداری می گویند و دگرگونی عظیمی را در تشخیص بهتر بیماری ها و نیز درمان آنها ایجاد کرده است.
با توجه به خطرات و بیماری های جدید و ناشناخته ای که هر روز بشر را تهدید می کند، نقش تصویربرداری از قسمت های مختلف بدن بیشتر آشکار می شود. هر چند که در اوایل، محدود به استفاده از اشعه ایکس و دیدن استخوان و یا اجسام خارجی در بدن بود، اما هم اکنون حتی پارگی عروق قلب، رباط زانو یا میزان مایع موجود در مفصل ها نیز با سیستم های پیشرفته امروزی، قابل مشاهده هستند. به همین دلیل امروزه تشخیص و درمان این بیماری ها سریع تر صورت می گیرد. از آنجایی که سلامتی انسان ها مهم ترین بعد زندگی محسوب می شود، نقش این علم در زندگی بشر روز به روز آشکارتر می گردد.
انواع مختلف تصویربرداری پزشکی
- رادیوگرافی: در تشخیص انواع شکستگی، در رفتگی، زخم یا پارگی در اندام های داخلی، بیماری های مفصلی و… استفاده می شود.
- سی تی اسکن: موارد اورژانس بیماری های مغزی، مثل ایست، شوک و خونریزی ها با این سیستم به سرعت قابل مشاهده هستند. همچنین برای بررسی دقیق ستون فقرات، قفسه سینه و شکم از این تصویربرداری کمک گرفته می شود.
- سونوگرافی: جهت بررسی انواع بیماری های مربوط به سیستم صفراوی، ادراری، عروق، قلب و زنان باردار و بچه ها، دستگاه سونوگرافی بکار می رود.
- ام آر آی (MRI): این نوع تصویربرداری، اجزای ریز را به سرعت مشخص و حد بین بافت های مجاور را به خوبی نمایان می سازد. امکان رویت ماهیچه ها، عروق، تاندون ها و رباط ها را آسان می سازد.
انواع وسائل تصویربرداری پزشکی
- دستگاه رادیولوژی ساده: در این دستگاه ها تصویربرداری طی این مراحل است: تولید اشعه ایکس، عبور دادن آن از اعضای مختلف بدن بیمار (مخصوصاً استخوان ها)، برخورد با فیلم و سپس ثبت تصویر بوسیله دستگاه های ظهور فیلم.
- دستگاه سی تی اسکن: در این دستگاه تصویربرداری مقطعی و عرضی توسط چرخش دستگاه به دور عضو مورد نظر صورت می گیرد و در هر چرخش یک مقطع از عضو را در کوتاه ترین زمان تصویربرداری می کند. این تصاویر بعداً توسط کامپیوتر بازسازی می شوند.
- دستگاه MRI: یک میدان مغناطیسی بزرگی است که بیمار درون آن قرار می گیرد، امواج رادیویی که دستگاه می فرستد، روی هسته اتم های هیدروژن بدن اثر گذاشته و آنها را در یک میدان مغناطیسی قرار می دهد و سپس توسط کامپیوتر از مقاطع مختلف بدن تصویربرداری می شود.
- دستگاه پت: در این سیستم، ابتدا مقدار بسیار جزئی از یک ماده رادیواکتیو از طریق تزریق در رگ، خوراکی یا استنشاقی به بدن بیمار وارد می شود. این مواد رادیواکتیو به علت اعمال متابولیک بدن در محل خاصی تجمع می کنند. سپس یک دوربین به نام دوربین گاما میزان تشعشعات اشعه گامای ساطع شده از بیمار را شمارش می کند که نشان دهنده میزان جذب اکتیویته در آن عضو مورد نظر است. یک بیماری خاص مثلاً تومور سرطانی می تواند در شمارش این تشعشعات تغییر به وجود آورد و بیماری تشخیص داده می شود.
نحوه کار دستگاه MRI
اشعه X در پزشکی، تصاویر اندام ها را نشان دهد. در این سیستم برای جلوگیری از آسیب رسیدن به سلول های بدن، از مقدار کمی تشعشع استفاده می شود. فناوری کاملاً متفاوت و کامل تر از آن، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (Magnetic Resonance Imaging) است که به اختصار MRI نامیده می شود. در این روش، می توان تصاویری با جزئیات کامل از بافت های نرم بدن و بدون نیاز به اشعه ایکس ارائه داد. MRI بر مبنای تشدید مغناطیسی هسته ای، تکنیکی پیشرفته برای بررسی ساختار مولکولی است. البته با توجه به اضطراب عمومی درباره انرژی هسته ای و مواد رادیواکتیو، عبارت هسته ای از نام این نوع جدید تصویربرداری حذف شده است.
حرکت تقدیمی پروتون ها
در هر اتم، سه نوع حرکت وجود دارد:
- چرخش الکترون ها حول محور خود
- چرخش الکترون ها به دور هسته
- چرخش هسته به دور محور چرخش
هسته هایی که تعداد نوکلئون (مجموع پروتون و نوترون ها) آنها فرد است، به دور محور خود حرکت چرخشی دارند. این هسته ها را می توان مانند یک آهنربای کوچک با قطب های N و S در نظر گرفت. به این دلیل است که گفته می شود هسته، یک دو قطبی مغناطیسی است. در بدن انسان چندین اتم وجود دارند که دارای این ویژگی هستند. در تصویرسازی به غیر از اینکه هسته از نظر مغناطیسی باید فعال باشد فراوانی لازم در نمونه را نیز باید داشته باشد. هسته اتم هیدروژن هم میدان مغناطیسی دارد، هم در تمام بدن پخش است و چون هسته کوچک است، ممان مغناطیسی آن بزرگتر می باشد و در نتیجه در تصویربرداری می تواند بکار رود.
برای درک MRI، مولکولی مانند آب را در نظر بگیرید که در خود، اتم هیدروژن دارد. همانطور که می دانید هسته اتم هیدروژن، پروتون است. پروتون ها یک زاویه چرخش (Spin) مشخصی (رو به بالا) دارند. اکنون تصور کنید ما مولکول آب را بین دو قطب آهنربا قرار می دهیم؛ در این حالت هسته اتم هیدروژن (پروتون ها) نیز در میدان مغناطیسی قرار می گیرند و چرخش آنها در جهت میدان مغناطیسی تغییر می کند.
وقتی پروتون ها به این شکل حرکت می کنند، بر اساس مکانیک کوانتوم می توانند دو جهت داشته باشند. به دلیل وجود میدان مغناطیسی، این دو جهت گیری اندکی به تفاوت انرژی ها مربوط است. اگر ما امواج رادیویی را به این پروتون ها بتابانیم، پروتون های با انرژی کمتر نمی توانند فوتون های رادیویی را که به سویشان پرتاب می شود، جذب کنند. (مکانیک کوانتومی به ما می گوید که انرژی فوتون ها با فرکانس آنها متناسب است.) با مشاهده جزئیات این انرژی جذبی می توان فهمید که برای مثال پروتون ها در آب یا در چربی است. اگر تعداد زیادی از اندازه گیری ها را تحلیل کنیم، می توانیم تصویر برشی از اندام را بدست آوریم. توجه کنید که جزئیات بافت های نرم دیده می شود. تصاویر MRI مشخصه هایی به کوچکی یک میلیمتر را نیز نشان می دهند.
با اعمال میدان مغناطیسی توسط دستگاه MRI زاویه چرخش هسته اتم های هیدروژن یک جهته می شود و با قطع این میدان، هسته ها دوباره به همان زاویه چرخشی سابق خود باز می گردند. در این بازگشت، تغییر میدان مغناطیسی ضعیفی تولید می شود که سیم پیچ دستگاه آن را دریافت کرده و پس از تقویت به صورت اطلاعات الکتریکی به کامپیوتر مرکزی ارسال می کند.
میلیاردها هسته اتم را در نظر بگیرید. که با چرخش ها تصادفی در هر جهت پراکنده شده اند. در بدن انسان نیز انواع متنوعی از اتم ها وجود دارند، ولی ما در تصویربرداری به روش MRI تنها با اتم هیدروژن سر و کار داریم؛ زیرا به دلیل داشتن تنها یک پروتون در هسته و نیز داشتن ممان مغناطیسی، اتم ایده آلی به شمار می رود. ممان مغناطیسی؛ یعنی زمانی که هسته اتم در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد، اتم ها تمایل شَدیدی به هم خط شدن با آن میدان خواهند داشت.
در داخل تونل پویشگر دستگاه MRI، میدان مغناطیسی دقیقاً در جهت محور لوله برقرار می شود. این بدان معنی است که اگر بیمار به پشت بخوابد، پروتون های اتم هیدروژن در بدن بیمار، در قسمت سر یا پای او قرار می گیرند. درصد عظیمی از پروتون ها اثر یکدیگر را خنثی می کنند؛ شاید تنها یک پروتون از هر میلیون پروتون موجود به صورت خنثی نشده باقی بماند، اما همین تعداد اتم هیدروژن نیز برای تشکیل تصاویر شگفت انگیز ما کافی هستند.
ساختمان دستگاه MRI
دستگاه MRI لوله ای است که بوسیله آهنربای دایره ای شکل دواری احاطه شده است. این آهنربا میدان مغناطیسی ایجاد می کند. در اینجا امواج رادیویی با طول موج های متفاوت، سطح نمونه را جاروب می کنند. انتهای نمونه با جذب انرژی از موج رادیویی هم فرکانس با چرخش آنها، به حالت انرژی بالاتری می روند و در راستای میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند.
با قطع میدان، این هسته ها به حالت اولیه خود بر می گردند. در این هنگام است که از ماده، امواج الکترومغناطیسی با بسامد رادیویی مشخص تابش می شود که توسط سیم پیچ دیگری عمل دریافت انجام می شود. این سیم پیچ، سپس امواج دریافتی را به جریان الکتریکی تبدیل می کند. سپس این جریان ها تقویت می شوند و به عنوان سیگنال های MRI به کامپیوتر داده می شود. کامپیوترها با استفاده از سیستم تبدیلی این داده ها را به تصویر تبدیل می کنند. این تصویر، بسیار دقیق است و تغییرات بسیار کوچک را نیز نشان دهد.
فناوری فرکانس رادیویی
دستگاه MRI، یک تپ (فرکانس رادیویی) که تنها ویژه اتم هیدروژن است، اعمال می کند. این تپ، دقیقاً به طرف قسمتی از بدن هدف گیری می شود، که باید تصویرسازی شود. تپ رادیویی موجب جذب انرژی برای بر عکس شدن Spin (زاویه چرخش) پروتون ها می گردد. به این عمل تشدید می گویند. تپ، پروتون ها را مجبور می کند تا در یک فرکانس معین و در یک جهت مشخص چرخش داشته باشند. زمانی که تپ ها قطع می شوند، پروتون های هیدروژن به آهستگی شروع به برگشتن به حالت طبیعی خود می کنند و انرژی ذخیره شده خود را آزاد می نمایند. در این حالت، آنها از خود سیگنالی ساطع می کنند که سیم پیچ ثانویه آنها را دریافت می کند و به کامپیوتر ارسال می نماید (مانند عملی که در فلزیاب های القاء پالس روی می دهد). سیستم سپس این داده ها را به تصاویر قابل ثبت روی فیلم تبدیل می کند. این معنای عبارت تصویربرداری به شیوه تشدید مغناطیسی (MRI) است!
مزایا MRI
به چه دلیل پزشک معالج شما، MRI را تجویز می کند؟ زیرا تنها راه دیگری که بتوان داخل بدن را بهتر مشاهده کرد، آن است که بدن را قطعه قطعه کنند!
MRI برای موارد زیادی مانند بیماری MS، تشخیص تومورهای غده هیپوفیز و مغز، تشخیص عفونت های مغزی، ستون فقرات و مفاصل، تشخیص پارگی لیگامان های مچ، زانو و قوزک پا، تشخیص صدمات شانه، تشخیص آسیب های تاندون، تشخیص تورم های بافت های نرم بدن، تشخیص تومورهای استخوانی، کیست ها، دیسک های متورم یا صدمه دیده ستون فقرات و نیز تشخیص حملات قلبی در مراحل ابتدایی وسیله ایده آلی محسوب می شود. این واقعیت که MRI از پرتوهای یونیزه کننده استفاده نمی کند، یک اطمینان خاطر برای بسیاری از بیماران است.
یک مزیت دیگر MRI توانایی تصویربرداری از تمام جهات می باشد. تصویربرداری به شیوه CT Scan تنها به یک سطح محدود می شود اما در سیستم MRI می توان تصاویر مقطع طولی و عرضی و یا حتی هر زاویه دلخواه از هر مقطع را تهیه کرد و البته همه این کارها بدون حرکت دادن بیمار از جای خود مقدور است.
اگر تاکنون تصویر رادیولوژی با اشعه ایکس از شما گرفته باشند، می دانید که برای گرفتن هر تصویر جدید، باید بدن شما را حرکت دهند. سه آهنربای گرادیان به دستگاه MRI این اجازه را می دهند که محل تصویر را دقیقاً انتخاب نماید و هر جهت گیری مورد نظر در انتخاب برش ها را اعمال نماید.
معایب MRI
با اینکه پویشگرهای MRI برای تشخیص های طبی و ارزیابی وضعیت بافت ها ایده آل می باشند، معایبی نیز دارند. از جمله: ریسک بکار بردن این دستگاه برای برخی از بیماران بالا است و بنابراین تمام بیماران، نمی توانند با MRI تصویربرداری شوند، مثلاً بیماران دارای دستگاه تنظیم ضربان قلب و بیمارانی که از لحاظ جثه بیش از حد بزرگ و سنگین باشند، در تصویربرداری مشکل دارند. بیماران بسیاری در دنیا هستند که از بررسی شدن توسط MRI می ترسند و رفتن درون یک دستگاه MRI برای آنان خاطره بدی خواهد بود.
دستگاه در طی پویش، سر و صدای ناهنجار زیادی تولید می کند. این اصوات ناهنجار شبیه به چکش زدن بی وقفه و پی در پی به گوش می رسد. البته به بیماران گوشی یا هدفون استریو داده می شود تا صدای ناهنجار را نشنوند. این اصوات، به دلیل القای جریان الکتریکی بوسیله میدان مغناطیسی اصلی در سیم های آهنرباهای گرادیان به وجود می آید و هرچه میدان مغناطیسی اصلی شَدیدتر باشد، صدای بیشتری تولید می شود. در بررسی ها و پویش های MRI بیمار باید در طی زمانی طولانی (از 20 تا 90 دقیقه حتی بیشتر) کاملاً بی حرکت باشد. حتی یک جنبش خیلی کوچک در منطقه تصویربرداری می تواند موجب خراب شدن تصویر شود، به شکلی که تصویربرداری مجدد مورد نیاز خواهد بود.
ایمپلنت های ارتوپدی (پیچ ها، صفحات، مفاصل مصنوعی) در محیط پویش، می توانند اعوجاج های (انحراف – کجی) شَدیدی در تصویر، به وجود آورند. این پروتزها همچنین موجب ناهمگنی میدان مغناطیسی اصلی می شوند. سیستم های MRI بسیار گران قیمت و در نتیجه تصویربرداری با آنها نیز مستلزم صرف هزینه بالا می باشد. با وجود این، مزایای بی شمار MRI برای بسیاری از بیماران بر معایب محدود آن ارجحیت دارد.
آینده MRI
به نظر می رسد محدوده چشم انداز آینده MRI تنها می تواند در ذهن ما باشد. در حالی که میدان عمل گسترده ای دارد. می توان گفت این فناوری هنوز در دوران نوزادی خود است؛ زیرا در مقایسه با عمر بیش از صد سال پرتوهای ایکس، استفاده از آن تنها در حدود دو دهه همگانی شده است.
پویشگرهای بسیار کوچک ویژه قسمت خاصی از بدن، در حال شکل گیری هستند. به عنوان مثال، در بعضی مناطق، پویشگرهایی که به سادگی می توان زانو، پا یا دست خود را در داخل آن قرار داد، در حال بهره برداری هستند. توانایی ما در پدیدارسازی سیستم های سرخرگی و سیاهرگی، روز به روز در حال بیشتر شدن است. نقشه برداری آنی از مغز شخصی که در حال انجام عمل خاصی مانند فشار دادن یک توپ یا نگاه کردن به نوع خاصی از تصاویر می باشد، محققان را در فهم بهتر طرز کار مغز، یاری داده است.
پیش بینی آینده MRI را می توان بسیار خوش بینانه تلقی نمود؛ MRI زمینه ای است که آینده نامحدودی دارد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «دستگاه MRI چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
