דימות תהודה מגנטית

דימות תהודה מגנטית (באנגלית: Magnetic Resonance Imaging; בראשי תיבות: MRI) הוא סוג של סריקה לא-פולשנית המשמשת להמחשת איברים פנימיים בגוף ללא חשיפה לקרינה מייננת, למטרות אבחון רפואי, חקר המוח, פסיכיאטריה, מחקר ביולוגי ועוד. בשיטה זו משתמשים בשילוב של קרינת רדיו ושדה מגנטי חזק (גבוה מ-1 טסלה) כדי להשפיע על הספין של הפרוטונים בגרעין אטומי המימן שנמצאים במולקולות המים שבגוף. שינוי תכונות הספין תלוי ברקמה בה הוא נמצא (למשל החומר הלבן או החומר האפור שבמוח) וכך, בעזרת שליחת פולס של גלי רדיו נוצרת תנועת נקיפה (פרצסיה) של ספין הפרוטון. הדבר גורם לפרוטון ליצור תהודה (רזוננס) הניתנת למדידה בעזרת סלילי הקלט של המכונה, ניתן לקבל הפרדה ברורה בין הרקמות השונות.

הבדיקה יעילה בעיקר לדימות מערכת העצבים המרכזית - המוח וחוט השדרה, וכן המפרקים, דוגמת הברך והכתף. בתמונת MRI רואים רק רקמות רכות: לא רואים עצמות אלא רק את מח העצם. דוגמאות לשימושים שכיחים: איתור גידולים במוח, אבחון של טרשת נפוצה, הערכת מצב מניסקוסים בברכיים ודימות פריצת דיסק בעמוד השדרה. יתרון נוסף של ה-MRI הוא היכולת לראות ממצא (כגון גידול) מזוויות מבט שונות - חיצי (חלוקה לשמאל ימין), חזיתי (קדמי-אחורי), אופקי (עליון-תחתון) או בשחזור תלת-ממדי.

בתחילה נקראה השיטה דימות תהודה מגנטית גרעינית (NMRI). קהילת הרופאים חששה שהציבור הרחב יקשר שלא בצדק בין המילה "גרעינית" לבין פצצה גרעינית, רדיואקטיביות וכדומה, ולכן הוחלט להשמיט את המילה מהשם ומראשי התיבות. ממציאי המכשיר הם פול לוטרבור ופיטר מנספילד. בשנת 2003 הוענק להם פרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה על המצאת ה-MRI, עקב חשיבותו ככלי אבחוני.

שימושים

בשנים האחרונות פותחו יישומים נוספים ל-MRI בנוסף לצילומי אנטומיה, לדוגמה:
 דימות הלב בפעולה ומדידת תפקוד הלב
 אנגיוגרפיה - דימות כלי דם
 דימות תהודה מגנטית תפקודי (Functional MRI, או בקיצור "fMRI") - שימוש ייעודי במכשיר ה-MRI על מנת למדוד פעילות מוחית. חוקרים פיתחו שיטת עיבוד של סריקות ה-MRI המאפשרת לאתר שינויים מקומיים בזרימת הדם במוח, שמעידים על עוצמת הפעילות העצבית. שיטה זו מתבססת על השינוי שחל בתכונות המגנטיות של החלבון המוגלובין, בהתאם למספר מולקולות החמצן שהוא נושא. חוקרי המוח מנצלים תופעה זו כדי ללמוד אילו אזורים במוח פעילים כאשר מבצעים מטלות שונות. כך לדוגמה, ניתן לצלם את המוח בזמן מנוחה, ולאחר מכן לצלם את אותו אזור בזמן שמראים לנבדק תמונה או משמיעים לו קול מסוים. השוואה בין שתי תמונות ה-fMRI מזהה את האזורים במוח שהיו בשימוש. מלבד חשיבותו ככלי לחקר המוח, fMRI הוא כלי חשוב לתכנון ניתוחי מוח. מתמונות fMRI המנתח יכול למשל לאתר את מיקומם המדויק של מרכזי הדיבור והשמיעה אצל חולה מסוים, כדי לתכנן את הניתוח כך שהנזק הנלווה להסרת הגידול יהיה מזערי.
 (Diffusion Weighted Imaging (DWI - מדידת מקדם הפעפוע של המוח. הוכח שדרך דימות מקדם הפעפוע ניתן להבחין בין שבץ מוחי שנוצר כתוצאה מדימום ('המורגי') לבין שבץ שנוצר על ידי חסימת כלי דם ('איסכמי'). אבחנה זו קריטית כדי לקבוע טיפול נכון ויעיל למטופל. יש גם אינדיקציות שניתן להשתמש ב-DWI לצורך מיפוי החומר הלבן והחומר האפור במוח.

כיום נבחן השימוש ב-MRI colonography כדי לסייע בגילוי מוקדם של סרטן המעי הגס. שיטה לא פולשנית זו אמורה להיות בטוחה ונוחה יותר מבדיקת קולונוסקופיה הנמצאת בשימוש כיום.

מגבלות וקשיים
 בגלל השימוש בשדה מגנטי חזק, אין אפשרות להשתמש בסריקת MRI כאשר קיימות מתכות בגוף (למשל קוצב לב או סוגים מסוימים של התקן תוך רחמי, אם כי קיימים מקרים יוצאי דופן שבהם מבצעים את הבדיקה בנוכחות קרדיולוג). כמו כן, אנשים שיש חשש כי בגופם יש רסיסי מתכת, יעדיפו בדיקת CT במקום בדיקת MRI.
 בדיקת MRI מיועדת לאבחון פתולוגיות ברקמות הרכות של גופנו ואינה יעילה בהדגמת עצמות (או לאבחן מה קורה בתוכן). לכן במקרים של שברים או פתולוגיות בתוך העצמות (שלא חודרות לרקמות מסביב) עדיף לבצע בדיקת דימות בעזרת קרינת רנטגן (צילומי רנטגן או CT).
 הכוח המגנטי החזק מאוד, המופעל במהלך הבדיקה, מחייב הסרת תכשיטים וחפצים ממתכת על ידי כל השוהים באזור הבדיקה. זאת, על מנת למנוע תאונות שעלולות להתרחש כתוצאה מהשפעת הכוח המגנטי.

אופן הפעולה הפיזיקלי

דימות תהודה מגנטית מבוסס על תהודה מגנטית גרעינית (NMR). בנוכחות חומר שלגרעינים שלו יש מומנט מגנטי, מתרחשות מספר תוצאות:
 בנוכחות שדה מגנטי חיצוני , החומר מתמגנט. המגנטיזציה של החומר  פרופורציונלית לשדה החיצוני ()
 אילו המגנטיזציה  הייתה מוצבת בזווית (שאינה אפס) ביחס לשדה  המגנטיזציה תבצע פרצסיה (נקיפה) בתדר לרמור שפרופורציוני לעוצמת השדה החיצוני 
 בנוכחות שדה מגנטי נוסף , הניצב לשדה- ומסתובב מסביבו בתדר לרמור אזי המגנטיזציה  תתחיל לנטות מן הכיוון של . לשדה  נקרא "פולס RF". פולס RF של  יסובב את המגנטיזציה  ב- מכיוון השדה .
 לאחר סיום פולס ה-RF, כל רכיב של המגנטיזציה  הניצב לכיוון  יבצע פרצסיה בתדר לרמור. תנועה זאת נקראת פרצסיה חופשית (free precession). באנטנה שנמצאת בקרבת מקום יושרה מתח שישתנה בתדר  על פי חוק פאראדיי.
 בנוסף לפרצסיה חופשית, רכיב המגנטיזציה המקביל לשדה חוזר בקצב אקספוננציאלי לערכו המקורי בשיווי משקל תרמי . כמו כן, גם רכיב המגנטיזציה הניצב לשדה דועך לאפס בקצב אקספוננציאלי (אם כי לא בדיוק באותו קצב כמו קצב חזרת הרכיב המקביל למגנטיזציה).

בהדמיה, בנוסף לשדה החיצוני הקבוע והאחיד, מייצרים שדה מגנטי המשתנה ממקום למקום. בקירוב, השדה משתנה בצורה ליניארית בחלל המגנט, ולכן שדה זה נקרא "גרדיאנט". כתוצאה מהגרדיאנט משתנה תדר הפרצסיה ממקום למקום. לדוגמה, אם הגרדיאנט הוא בציר X אזי

.

כאן  הוא עוצמת הגרדיאנט.

היות שכל מומנט בגוף מתנודד בתדר שונה (על פי מיקומו בציר ה-X), האות הכולל שנקלט באנטנה הוא סכום של תדרים רבים. ב-MRI דוגמים את האות שנקלט באנטנה ומבצעים על האות התמרת פורייה מהירה. כתוצאה מהקשר בין תדר למקום (שנוצר על ידי שימוש בגרדיאנט), התרומה של תדר מסוים באות היא התרומה של מקום מסוים בגוף. כך ניתן לפענח איזה חלק מהאות בא מכל אזור ואזור שבגוף, ולהציג לרופא תמונה דו-ממדית או תלת-ממדית. עוצמתו של כל פיקסל בתמונה תלויה במספר גורמים - כמות החומר בעל מומנט מגנטי שיש שם, זמני רלקסציה, מקדם הדיפוזיה, זרימה, נוכחותם של חלקיקים פרומגנטיים מיקרוסקופיים ועוד.

משך זמן הסריקה תלוי בטכניקת הדימות. ישנן סריקות הנמשכות שניות בודדות ואחרות נמשכות עשרות דקות. בדרך כלל מבקש הרופא לבצע מספר סריקות לאותו נבדק בשיטות סריקה שונות (שמייצרות קונטרסטים שונים) ובגאומטריות וברזולוציות שונות, כגון תמונות מכיוונים שונים. התהליך כולו נמשך בין 20 ל-40 דקות ואין לו כמעט תופעות לוואי. לפעמים מזריקים לנבדק חומר פאראמגנטי (גדוליניום) שעשוי להגדיל את הקונטרסט במקרה של גידולים מסוימים.

בחירת פרוסה או נפח
בדרך כלל אין מעוניינים לקבל תרומה מכל החומר שנמצא בתוך האנטנה. כדי להשיג רזולוציה מרחבית יש להתמקד על פרוסה דקה של חומר. ניתן להשיג מטרה זו בהפעלת גרדיאנט בזמן שידור פולס ה-RF. בנוכחות הגרדיאנט משתנה תדר התהודה ממקום למקום ורק במקום מסוים תדר התהודה שווה לתדר של פולס ה-RF. בצורה מתמטית, אם הגרדיאנט מופעל בציר Z, החומר היחיד שיושפע ממנו נמצא בפרוסה הדו-ממדית שבה:

כיוון שאין תלות ב-X ו-Y, המשוואה מגדירה פרוסה דו-ממדית. עובי הפרוסה נקבע על ידי רוחב הפס של פולס ה-RF:

את כיוון הפרוסה משנים על ידי בחירת ציר הגרדיאנט שמופעל בזמן שידור ה-RF (X או Y או Z או צירוף של שניים או שלושה בו זמנית). במכשירים מסחריים ניתן בדרך כלל לשלוט ברוחב פרוסה על ידי שינוי עוצמת הגרדיאנט.

הפורמליזם של מרחב K
אחרי פולס עירור (כגון פולס RF של ) האות  הוא הסכום של התרומה של כל מומנט מגנטי, כשכל אחד תורם את תדר לרמור שלו באותו רגע. אם הגרדיאנטים משתנים בזמן, האות שווה ל:

כלומר, בכל רגע ורגע אות ה-MRI שווה לערך של התמרת פורייה של המומנטים בחומר הנמדד. שיטות סריקה שונות מכסות את מרחב ה-K בצורות שונות. שיטת spin echo ושיטת gradient echo מכסות את המרחב שורה שורה (תמיד באותו כיוון). שיטת (echo planar imaging (EPI סורקת מספר שורות ברצף, כשחלקן נסרקות בכיוונים הפוכים. גם בשיטת fast spin echo סורקים מספר שורות של מרחב K אחרי כל פולס RF, אבל כל השורות נסרקות באותו כיוון.

סוגי תמונות ב-MRI 
דימות בעזרת MRI מייצר מספר תמונות עיקריות:

תמונה בשכלול T1 היא תמונה אשר מבוססת בעיקר על הבדלי דעיכת מגנטיזציה אורכית בין הרקמות. בסוג תמונה זה הניגודיות והבהירות מבוססות בעיקר על מאפיין T1 של הרקמות. תמונה זו נוצרת בדרך-כלל כאשר משתמשים בזמני TR ו-TE קצרים יחסית. תמונה בשכלול T2 היא תמונה אשר מבוססת בעיקר על הבדלי דעיכת מגנטיזציה רוחבית בין הרקמות. תמונה זו מבוססת בעיקר על מאפיין T2 של הרקמות והיא נוצרת כאשר משתמשים בזמני TR ו-TE ארוכים יחסית. סוג תמונה נוספת הוא תמונת PD, אשר מבוססת בעיקר על הבדלי כמות הפרוטונים בין הרקמות.

מדוע אין MRI לאלקטרונים?
גם לאלקטרון יש מומנט מגנטי, הרבה יותר גדול מהמומנט של הפרוטון. קיימת תופעת (EPR (electron paramagnetic resonance אבל בגוף אי אפשר לנצלו לדימות. אלקטרונים לרוב מסתדרים בזוגות עם כיווני ספין הפוכים, וכתוצאה מכך אי אפשר לנצל את ה-EPR לדימות.

בישראל
בשנת 2009 פעלו בישראל עשרה מכשירי הדמיה. זהו שיעור של מכשיר אחד ל-700 אלף נפש. בשל התור הארוך, מופעלים חלק מהמכשירים 24 שעות ביממה, ולעיתים אף בשבתות.

ב-2012, היו בישראל 14 מכשירי MRI נייחים וארבעה מכשירים בניידות שמסתובבות בין בתי החולים בפריפריה. בעשור השני של המאה ה-21 קודמה רכישה של 46 מכשירים חדשים, בנוסף לאלו שהיו לפני כן. ב-2019 פעלו בישראל 49 מכשירים בלבד.

בשנת 2015,עלות הרכישה של מכשיר MRI בישראל הייתה 6 מיליון ש"ח.

ב-2018 היו בישראל 5.2 מכשירים למיליון תושבים, לעומת ממוצע של 17 מכשירים במדינות ה-OECD. מספר הבדיקות לכל אלף תושבים היה 46.6 בישראל לעומת 74.1 ב-OECD. החלוקה הגאוגרפית של המכשירים אינה שוויונית, כאשר במרכז קיימים יותר מכשירים לכל אלף תושבים מאשר בפריפריה.

ראו גם
 תהודה
 תהודה מגנטית גרעינית
 מגנטואנצפלוגרפיה (MEG)
 QMRI

לקריאה נוספת
 צבי פלטיאל, "דימות תהודה מגנטית גרעינית", פי האטום ג-4, יולי 1987
 עופר בן חורין, "המדריך המלא - רפואה ופיזיקה נפגשות", הוצאת אחווה, 2016

קישורים חיצוניים

 
 
 MRI הפורטל הישראלי - פורטל הכולל הסברים פיזיקליים ורפואיים על בדיקות MRI ומידע על מצב ה-MRI בישראל
 , אפריל 2002
 אפרת ששון ותמר קציר, סריקה מכוונת, באתר "הידען", 9 בפברואר 2012
  ארז גרטי, איך ה-MRI פועל?, באתר "דוידסון Online" של מכון דוידסון לחינוך מדעי
 זאב לוז, דימות אדם - בעזרת תהודה מגנטית גרעינית, "מדע", כרך כ"ח 2, 1984
 
 
 עופר בן חורין, פיזיקת MRI – בדיקה בתהודה מגנטית

הערות שוליים

טכנולוגיה רפואית
ספקטרוסקופיה
דימות תהודה מגנטית
פיזיקה רפואית
מכשירי חשמל רפואיים