تصویربرداری تشدید مغناطیسی

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) یکی از تکنیک‌های تصویربرداری پزشکی در رادیولوژی است که برای تولید تصاویر از ساختارهای بدن و فرآیندهای فیزیولوژیک درون آن به کار می‌رود. دستگاه‌های MRI با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قوی، گرادیان‌های میدان مغناطیسی و امواج رادیویی، تصاویر اندام‌های بدن را ایجاد می‌کنند. MRI برخلاف سی‌تی اسکن (CT) و برش‌نگاری با گسیل پوزیترون (PET)، از پرتو ایکس یا پرتو یونیزان استفاده نمی‌کند. این روش در واقع کاربرد پزشکی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) است که در زمینه‌های دیگر مانند طیف‌سنجی NMR نیز به کار می‌رود.

MRI به‌طور گسترده در بیمارستان‌ها و کلینیک‌ها برای تشخیص پزشکی، تعیین مرحله بیماری و پیگیری درمان استفاده می‌شود. در مقایسه با CT، این روش کنتراست بهتری در نمایش بافت‌های نرم مانند مغز یا شکم فراهم می‌کند. با این حال، ممکن است برای بیماران کمتر راحت باشد، زیرا معمولاً زمان تصویربرداری طولانی‌تر و صدای دستگاه بلندتر است و بیمار باید درون یک لوله باریک قرار گیرد؛ هرچند طراحی‌های MRI باز تا حد زیادی این مشکل را کاهش داده‌اند. همچنین وجود ایمپلنت‌ها یا اجسام فلزی غیرقابل‌برداشت در بدن می‌تواند خطر ایجاد کند و برخی بیماران را از انجام MRI محروم سازد.

در ابتدا این روش «تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته‌ای» (NMRI) نام داشت، اما واژه «هسته‌ای» برای جلوگیری از برداشت‌های منفی حذف شد. برخی هسته‌های اتمی قادرند در میدان مغناطیسی خارجی، انرژی فرکانس رادیویی (RF) را جذب کنند؛ قطبش اسپینی حاصل می‌تواند سیگنال RF تولید کند که توسط سیم‌پیچ‌های رادیویی آشکارسازی می‌شود. به بیان دیگر، اسپین مغناطیسی پروتون‌های موجود در هسته‌های هیدروژن با امواج RF هم‌نوا می‌شود و تابش منسجم با جهت، انرژی (فرکانس) و فاز مشخص منتشر می‌کند. این تابش تقویت‌شده توسط آنتن‌های نزدیک به بدن بیمار دریافت می‌شود. در کاربردهای بالینی و پژوهشی، بیشتر از اتم‌های هیدروژن استفاده می‌شود، زیرا در بدن انسان و موجودات زنده به‌ویژه در آب و چربی فراوان هستند. به همین دلیل، بیشتر تصاویر MRI در واقع نقشه‌ای از موقعیت آب و چربی در بدن هستند. پالس‌های امواج رادیویی گذار انرژی اسپین هسته‌ای را تحریک می‌کنند و گرادیان‌های میدان مغناطیسی قطبش را در فضا مکان‌یابی می‌کنند. با تغییر پارامترهای توالی پالس، می‌توان کنتراست‌های متفاوتی میان بافت‌ها بر اساس ویژگی‌های آرامش هیدروژن ایجاد کرد.

از زمان توسعه در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، MRI به عنوان یک روش تصویربرداری چندمنظوره شناخته شده است. این فناوری علاوه بر کاربرد گسترده در پزشکی تشخیصی و پژوهش‌های زیست‌پزشکی، برای تصویربرداری از اشیای غیرزنده مانند مومیایی‌ها نیز استفاده می‌شود. روش‌های پیشرفته مانند MRI انتشار (Diffusion MRI) و MRI کارکردی (fMRI) دامنه کاربرد این فناوری را گسترش داده‌اند؛ به گونه‌ای که امکان بررسی مسیرهای عصبی و جریان خون در دستگاه عصبی را فراهم می‌کنند. افزایش مداوم تقاضا برای MRI در نظام‌های سلامت، نگرانی‌هایی دربارهٔ هزینه‌اثربخشی و تشخیص بیش‌ازحد ایجاد کرده است.

 تشریح 
بندانگشتی|چپ|چگونگی قرار گرفتن اسپین‌های هسته‌ای در میدان مغناطیسی و نوسان با فرکانس لارمور

اساس ام‌آرآی مبتنی بر حرکت اسپینی هسته‌های اتمی موجود در بدن است. این اسپین‌ها از اسپین‌های فردی پروتون‌ها و نوترون‌های درون هسته، ناشی می‌شود. با توجه با اینکه در اتم هیدروژن فقط یک پروتون وجود دارد، خود هسته یک اسپین خالص یا گشتاور زاویه‌ای دارد. اسپین‌ها هنگام قرار گرفتن در میدان مغناطیسی خارجی مرتب می‌شوند. برخی با میدان هم راستا می‌شوند، و تعداد کمتری از اسپین‌ها پاد موازی با میدان مغناطیسی هم راستا می‌شوند. سپس، اعمال یک پالس الکترومغناطیسی کوتاه‌مدت با بسامد در محدوده رادیویی (RF pulse) سبب ایجاد پدیده تشدید مغناطیسی هسته‌ای در اسپین‌ها شده، آنها را نسبت به میدان مغناطیسی اصلی خارجی منحرف کرده، و به حرکت تقدیمی وامی‌دارد. به زاویه‌ای که بین اسپین‌ها و میدان مغناطیسی خارجی ایجاد می‌شود، زاویه تکان (Flip angle) گفته می‌شود. در نهایت، حرکت تقدیمی اسپین‌ها باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی متناوب می‌شود و طبق قانون القاء فارادی اگر یک سیم‌پیچ گیرنده در نزدیکی این میدان مغناطیسی قرار گیرد، ولتاژ در سیم‌پیچ القاء شده و سیگنال ام‌آرآی تولید می‌شود.

با ام‌آرآی می‌توان در جهات فوقانی-تحتانی (اگزیال)، چپ‌راستی (ساژیتال) و پس‌وپیش (کورونال) و حتّی در جهات اُریب و مایل تصویربرداری کرد. یک سیستم ام‌آرآی از سه گروه میدان مغناطیسی استفاده می‌کند:
 میدان خارجی ثابت و قوی (B0)
 میدان ضعیف گرادیانی متغیر
 میدان حاصل از پالس رادیویی (B۱)

بندانگشتی|300px|اف ام آر آی

قدرت سیگنالی که در MRI به‌وجود می‌آید به دو عامل دانسیته پروتونها و زمان‌های استراحت T۱ و T۲ بستگی دارد. T۱ مدت زمانی است که ۶۳٪ ممان مغناطیسی طولی یک پروتون پس از برانگیختگی، از راستای عمود بر میدان به راستای موازات میدان مغناطیسی بازمی‌گردد. همچنین T۲ مدت زمانیست که ممان مغناطیسی عرضی یک پروتون پس از برانگیختگی، به ۳۷٪ مقدار اولیه خود تنزل می‌یابد. اکثر فرایندهای پاتولوژیک، موجب افزایش زمان استراحتِ T۱ و T۲ یا همان Relaxation time آن‌ها می‌شوند و لذا در مقایسه با بافت‌های طبیعی اطراف، در تصاویر T1-weighted سیگنال پایین‌تر (تیره رنگ تر) و در تصاویر T2-wighted سیگنال بالاتر (روشن‌تر یا سفیدتر) خواهند داشت.رادیولوژی بالینی آرمسترانگ، ویراست: 2004

 خطرهای ام‌آرآی 
برخلاف سایر دستگاه‌های تصویربرداری مثل اشعه ایکس و سی‌تی اسکن، ام آر آی از تشعشع یونیزه استفاده نمی‌کند. از این ابزار می‌توان برای تصویربرداری از جنین در دوران بارداری استفاده کرد بدون آن که اثری روی آن داشته باشد. از آن‌جایی که در فرایند ام آر آی از مغناطیس قوی استفاده می‌شود هر قطعه فلزی که در بدن وجود داشته باشد مثل ضربان ساز قلب، مفصل مصنوعی، دریچه مصنوعی قلب، حلزون مصنوعی گوش یا هر نوع صفحه و پیچ و مهره فلزی در بدن ممکن است خطرساز باشد، چون میدان مغناطیسی می‌تواند باعث جابجایی یا گرم شدن آن قطعه شود.

بنابراین لازم است تکنولوژیست ام‌آرآی سوالات لازم را قبل از انجام این فرایند از بیمار بپرسد. البته بیشتر قطعات فلزی که امروز در ایمپلنت‌های بدن استفاده قرار می‌شوند تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی قرار نمی‌گیرند و به اصطلاح MR-Safe هستند. علاوه بر این، هنگام اسکن، دستگاه ام آر آی صداهای بلندی تولید می‌کند که ممکن است باعث ناراحتی فرد شود، بنابراین استفاده از حفاظ گوش در طول این فرایند ضروری است.

 سیستم‌های امروزی 
سیستم‌های ام آرآی تشخیصی امروزه غالباً دارای قدرت میدان‌های ۰/۲، ۱، ۱/۵، و ۳ تسلا می‌باشند. سیستم‌های پژوهشی گستره بزرگتری را شامل شده و از ۰٫۰۵ تسلا تا ۱۴ تسلا را شامل می‌شوند.

در ایالات متحده آمریکا بیمارستان‌ها و مراکز خدمات بهداشتی اجازه استفاده از سیستم‌های تا ۴ تسلا را نیز برای یک بیمار دارند. اما از چهار تسلا به بالا صرفاً جنبه و کاربردهای تحقیقاتی دارد.

بزرگ‌ترین تولیدکننده‌های سیستم‌های ام آر آی امروزه شرکت‌های زیمنس (آلمان)، جنرال الکتریک (آمریکا)، توشیبا (ژاپن)، و فیلیپس (هلند) می‌باشند.

 تاریخچه 
بندانگشتی|تصویری از آرشیو اداره ثبت اختراعات آمریکا که متعلق به ریموند دامادیان، دانشمند آمریکایی و یکی از مخترعان سیستم‌های نوین ام آر آی است.
در سال ۱۹۵۰، حصول تصویر یک بعدی تشدید مغناطیسی توسط هرمن کار (Herman Carr) گزارش گردید. پال لاتربر، شیمیدان آمریکایی با کار بر روی تحقیقات پیشین، موفق به ابداع روش‌هایی برای تولید تصاویر دو بعدی و سه بعدی تشدید مغناطیسی گردید. سرانجام وی در سال ۱۹۷۳ اولین تصویر گرفته شده بر اساس تشدید مغناطیس هسته‌ای (NMR) خود را منتشر نمود.Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnet اولین تصویر مقطع نگاری از یک موش زنده در ژانویه ۱۹۷۴ منتشر گردید.

از سوی دیگر تحقیقات و پیشرفت‌های مهمی در زمینهٔ تصویر برداری بر اساس تشدید مغناطیسی هسته برای نخستین بار در دانشگاه ناتینگهام انگلستان صورت پذیرفت، جایی که پیتر منسفیلد فیزیکدان برجستهٔ آن مؤسسه با گسترش یک روش ریاضی موفق به کاهش زمان تصویربرداری و افزایش کیفیت تصاویر نسبت به روش بکارگرفته شده توسط لاتربر گردید. در همان زمان در سال ۱۹۷۱ دانشمند آمریکایی ارمنی‌تبار ریموند دامادیان استاد دانشگاه ایالتی نیویورک در مقاله‌ای که در مجلهٔ Science منتشر گردید، اعلام نمود که امکان تشخیص تومور از بافت‌های عادی به کمک تصویر برداری NMR میسر می‌باشد.

سرانجام جایزهٔ نوبل پزشکی سال ۲۰۰۳ به خاطر اختراع ام آر آی به پال لاتربر از دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاینبه مقاله زیر مراجعه شود:Lauterbur, P.C. , Nature, 1973; 242:190-191 و پیتر منسفیلد از انگلستان اعطا گردید.

 طرز کار 

چگونگی تولید تصویر ام آر آی فرایند بس پیچیده‌ای‌ست. در این روش از خاصیت ویژهٔ اسپین‌های هسته‌های هیدروژنی در میدان مغناطیسی (B0) استفاده می‌شود. اسپین‌ها تحت تأثیر میدان مغناطیسی پالس‌های الکترومغناطیسی (B۱) قرار گرفته و سپس از این حالت برانگیختگی به مرور به حالت اولیه خود بازمی‌گردند و در حین این فرایند انرژی خود را به شکل امواج متناوب مغناطیسی در مدت زمان مشخصی (T1 و T2) ساطع می‌کنند. در هر بافتی این مدت زمان متفاوت است. به‌طور مثال در ۱/۵ تسلا ثابت T1 برای بافت چربی ۲۶۰ میلی‌ثانیه و برای بافت ماده خاکستری مغز ۹۲۰ میلی‌ثانیه می‌باشد. بسته به اینکه چه نوع دنباله پالسی‌ای انتخاب شود، و پارامترهایی مثل زمان اکو و زمان تکرار چگونه تعیین شوند، با استفاده از تفاوت این مقادیر بین بافت‌های مختلف می‌توان کنتراست دلخواه را به تصویر کشید و توانایی یکتای ام‌آرآی در همین خاصیت ویژه نهفته است.

هر برش تصویری توسط فاز امواج دریافت شده به ترتیب در محورهای y و x کدگذاری می‌گردد. برای انجام کدگذاری فضایی احتیاج به میدان‌ها مغناطیسی متغیر می‌باشد که به کمک سیم‌پیچ‌های گرادیانی در هر لحظه تولید می‌گردد. اطلاعات دریافتی در فضای بسامد مکانی دریافت شده و نهایتاً به کمک تبدیلات فوریه ای به شکل تصویر درآورده می‌شوند.

 کیفیت تصویری ام آر آی 
معمولاً بهبود کیفیت تصویری در ام آر آی را با مقیاس‌هایی همانند قدرت تفکیک می‌سنجند و معمولاً نیز بهبود قدرت تفکیک با خود عواقبی همانند کاهش سیگنال مفید (SNR) به همراه دارد. اما می‌توان این مشکلات را با راه حل‌هایی همانند استفاده از سیستم‌های با قدرت میدان Bo بالاتر،Stuber M, Botnar RM, Fischer SE, et al. Preliminary report on in vivo coronary MRA at 3 Tesla in humans.Magn Reson Med 2002;48(3):425–429. ویا استفاده از ماده حاجب (contrast agents) مناسبHuber ME, Paetsch I, Schnackenburg B, et al. Performance of a new gadolinium-based intravascular contrast agent in free-breathing inversion-recovery 3D coronary MRA.Magn Reson Med 2003;49(1):115–121. تصحیح نمود.

 مقایسه 
بندانگشتی|چپ|تصویر ام آر آی یک میوهٔ کیوی
ام آر آی از بعضی نقاط برتری و از بعضی جهات دیگر نسبت به ابزار دیگر در فیزیک پزشکی ضعف دارد. در قیاس با سی تی اسکن این موارد عبارتند از:فنون تخصصی. فضل‌الله تورچیان.انتشارات نور دانش. ۱۳۸۲. ص۲۸۵

 برتری‌های ام‌آرآی در مقایسه با سی تی اسکن 
 تضاد تصویری (سایه‌روشن) بالاتر از سی تی اسکن.
 تهیه مقاطع تصویری از جهات مختلف (از جمله اریب).
 عدم استفاده از پرتوهای یونیزه‌کننده.
 مانند سی‌تی‌اسکن موجب سخت شدن باریکه پرتوها (آرتیفکت سخت، beam hardening) نمی‌شود.

 نقاط ضعف ام آر آی در مقایسه با سی‌تی‌اسکن 
 پر هزینه تر از سی‌تی‌اسکن، کمیاب‌تر، و کار با آن مشکل‌تر است.
 تصویرگیری زمان بیشتری می‌برد.
 در میدان‌های مغناطیسی پایین وضوح تصویری کمتری دارد.
 به دلیل طولانی‌تر بودن اسکن‌ها عوارض حرکتی بیشتری دارد.
 موجب مشکلات برای بیماران دارای اجسام فلزی در بدن خود می‌باشد.
 بیمار باید در حین انجام اسکن (ام آر آی) بی حرکت باشد. حرکات غیرقابل پیشگیری مانند تنفس، ضربان قلب و پریستالسیسم اغلب تصویر را مخدوش می‌سازند.
 برای بیماران دارای مشکلات تنفسی و کسانی که از محیط‌های بسته می‌ترسند، عبور از تونل تنگ دستگاه MRI مشکل است.

 اسکن‌های پایه MRI 
بندانگشتی|نمایش TE وTR یک سیگنال MR.
سیگنال‌های دریافتی توسط سیستم‌های MRI، حاوی اطلاعات بسیار زیادی بوده که می‌تواند در استخراج اطلاعات فیزیکی و شیمیایی جسم یا بافت مورد نظر، به کار گرفته شود. با توجه به اطلاعات مطلوب، سیستم MRI برنامه‌ریزی می‌گردد و در نهایت تصویرسازی به یکی از روش‌های زیر یا روش‌های ترکیبی نمایش داده می‌شود.

 MRI با وزن‌دهی T1 
اثر اصلی: زمان استراحت اسپین-لاتیس

این یک روش پایه در اسکن MRI می‌باشد، برای مثال، در این روش تصویر سازی، تفاوت دو بافت چربی و آب، به صورت تیره‌تر بودن آب نسبت به بافت چربی در عکس‌برداری به کمک دنباله اکو گردایان (GRE) با TE کوتاه و TR کوتاه می‌باشد.

 MRI با وزن‌دهی T2 
اثر اصلی: زمان استراحت اسپین-اسپین

این روش نیز یکی از روش‌های اصلی تصویرسازی MRI می‌باشد. در این روش نیز مانند وزن‌دهی T1، چربی و آب قابل تفکیک بوده با این تفاوت که چربی تیره‌تر و آب روشن‌تر در تصویر ظاهر می‌گردد. برای مثال در مطالعه مغز و ستون فقرات، مایع مغزی نخاعی به صورت روشن‌تر در تصویر ظاهر می‌گردد. این روش برای شرایطی با TE و TR طولانی مناسب می‌باشد.

در این روش، از توالی اکو گرادیان (GRE) با TE و TR طولانی استفاده می‌گردد.

 MRI با وزن‌دهی چگالی اسپین ها-چگالی پروتون 
این روش به نام چگالی پروتون نیز شناخته می‌شود. کنترست در تصاویر حاصل از این روش تصویر سازی، حاصل از مقادیر T1 وT2 نبوده و تنها به اختلاف چگالی اسپین‌های اتم هیدروژن موجود در بافت‌ها وابسته می‌باشد. در این روش TE کوتاه و TR طولانی می‌باشد.Magnetic resonance imaging. (2012, February 10). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 07:01, February 15, 2012, from http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetic_resonance_imaging&oldid=476118369

 روش‌ها و کاربردهای دیگر 
 تصویربرداری مولکولی و fMRI 

بندانگشتی|یک تصویر اف‌ام‌آرآی دید فوقانی-تحتانی.

این روش برای اولین بار در بهار سال ۱۹۹۱ در مرکز بیمارستان massachusetts در بوستون آمریکا به منظور نقشه‌برداری از فعالیت‌های مغزی مورد آزمایش قرار گرفت. در این روش غیر تهاجمی تصاویری بر اساس تغییرات محلی در جریان خون مغز گرفته می‌شود. 

 طیف‌نگاری (MRS) 

 آنژیوگرافی (MRA) 

 تصویر برداری تشدید مغناطیسی موازی (PMRI) 

 جستارهای وابسته 
 افکنش شدت بیشینه
 دنباله‌های پالسی
 کدگذاری فضایی
 آرتیفکت در تصویرسازی تشدید مغناطیسی

 منابع 

 پیوند به بیرون 

 The Basics of MRI. Underlying physics and technical aspects.


رده:اختراع‌های آمریکایی
رده:اختراع‌های سده ۲۰ (میلادی)
رده:پرتوشناسی
رده:زیست‌مغناطیس
رده:سرماشناسی
رده:معرفی‌شده‌های ۱۹۷۳ (میلادی)
رده:مقاله‌های دارای ویدئو
رده:مناقشه‌های اکتشاف و اختراع