مهندسی بی نهایت؛ دستگاه MRI: جادوی مغناطیس در دنیای پزشکی

مجدداً توجه داشته باشید که این دو فرآیند کاملاً مستقل از یکدیگر رخ می دهند. یعنی با دانستن T2 برای یک بافت خاص در بدن، نمی توانیم به راحتی T1 آن بافت را بدست آوریم، زیرا این دو کمیت کاملاً مستقل از یکدیگر هستند. فراموش نکنید که ما فقط می توانیم سیگنال عمود بر میدان مغناطیسی اصلی B0 را اندازه گیری کنیم. بنابراین برای اندازه گیری مغناطش آن باید آن را بر B0 عمود کنیم.

اکنون به مرحله ای رسیده ایم که می توانیم تصویربرداری MRI را انجام دهیم. برای انجام این کار به دو پارامتر جداگانه نیاز داریم که از تفاوت های T2 و T1 استفاده می کنند. این دو پارامتر «Time of Echo» (TE) و «Time of Repetition» (TR) نامیده می شوند. دو بافت مجزا در بدن را در نظر بگیرید که هر کدام دارای پروتون هایی هستند که در امتداد محور z قرار گرفته اند. حالا پالس RF را روی دو بافت می تابانیم. پروتون های داخل هر یک از بافت ها حرکت رو به جلو را در صفحه عمود بر میدان اصلی B0 انجام می دهند. علاوه بر این، با خارج از فاز بودن اتم های هیدروژن، مغناطش در صفحه xy در زمان *T2 کاهش می یابد.

فاصله زمانی بین پالس رادیویی اعمال شده برای برانگیختن اتم های هیدروژن و اندازه گیری سیگنال حاصل از اسپین آنها را زمان اکو می گویند. به عبارت دیگر، TE نشان دهنده مدت زمانی است که سیگنال MRI بعد از تحریک اولیه اندازه گیری می شود. با دادن زمان بیشتر، ناهمگنی فاز و تفاوت بین دو بافت افزایش می یابد. در همان زمان، دو بافت دارای مغناطیس طولی یا مغناطیس در امتداد محور z با آهنگ های مختلف می شوند. در نهایت بردار مغناطیسی دو بافت در امتداد محور z قرار می گیرد. با تابش دومین پالس RF، می توانیم یک بار دیگر پروتون های دو بافت را در صفحه xy قرار دهیم. زمان بین اولین پالس RF و پالس دوم RF زمان تکرار یا TR نامیده می شود.

بیایید با یک مثال ساده نقش زمان های TR و TE را در تصویربرداری MRI روشن کنیم. فرض کنید در یک مهمانی هستید و می خواهید با افراد مختلفی ملاقات و صحبت کنید. زمان TE برابر است با مدت زمانی که شما منتظر صحبت کردن هر فرد هستید. اگر TE کوتاه باشد، فقط ابتدای کلمات هر فرد را می شنوید، اما اگر طولانی و طولانی باشد، کلمات فرد را کاملتر و با جزئیات بیشتر می شنوید. حالا دیگر با شخص مورد نظر صحبت نمی کنید و بعد از مدتی دوباره با او صحبت می کنید، زمان بین مکالمه اول و دوم همان TR است. بافت های مختلف بدن مانند افراد مختلف در یک مهمانی هستند. همانطور که هر فرد تن صدای متفاوتی دارد، هر بافت سیگنال مشخصی تولید می کند که با سیگنال های تولید شده توسط بافت های دیگر رقابت می کند.

با تنظیم TE و TR می توانیم اطلاعات متفاوتی از بافت ها به دست آوریم. فرض کنید می خواهیم از مغز تصویربرداری کنیم، اگر TE کوتاه باشد، تصویر کلی از مغز داریم، اما اگر TE بلند باشد، تصویر به دست آمده از مغز جزئیات بیشتری را نشان می دهد. یا فرض کنید می خواهیم از یک تومور داخل بدن بیمار عکس بگیریم. یک TR کوتاه به ما می گوید که تومور چقدر فعال است، اما یک TR طولانی اطلاعاتی در مورد رشد تومور و تهاجم به بافت های اطراف به ما می دهد.

گفتیم که بافت ها سیگنال های مختلفی به ما می دهند، دلیل این امر به دلیل تجمع متفاوت آب و چربی در بافت های مختلف است. اتم های موجود در چربی در مقایسه با اتم های هیدروژن در آب دارای خواص ذاتی و فعل و انفعالات دافعه ای هستند. این تفاوت به تکنسین های MRI اجازه می دهد تا کنتراست های متفاوتی را بین بافت های مختلف بدن ایجاد کنند. با تنظیم زمان های T1 و *T2، TE و TR می توانیم تصاویر مختلفی از قسمت های مختلف بدن تهیه کنیم.

در قسمت قبل گفتیم که می توانیم دستگاه MRI را به عنوان یک آهنربای بزرگ در نظر بگیریم. اما سوال اصلی این است که چگونه در MRI میدان مغناطیسی با قدر 1.5 تا 3 تسلا ایجاد کنیم؟ با افزایش میدان مغناطیسی B0 سیگنال های دریافتی از بافت های مختلف تقویت شده و در نتیجه تصویر به دست آمده کیفیت بهتری خواهد داشت. دستگاه MRI می تواند میدان مغناطیسی تا 20 تسلا ایجاد کند. فراموش نکنید که رسیدن به این مقدار به راحتی حاصل نشد.

MRIهای اولیه از آهنرباهای دائمی برای ایجاد میدان مغناطیسی استفاده می کردند، اما این آهنرباها فقط می توانستند میدان مغناطیسی تا 0.5 تسلا ایجاد کنند. بنابراین تصاویر ایجاد شده از کیفیت جالبی برخوردار نبودند. در مرحله بعد، محققان از آهنرباهای الکتریکی به جای آهنرباهای دائمی برای دستیابی به میدان مغناطیسی قوی تر استفاده کردند. اما آهنرباهای الکتریکی نمی توانند میدان مغناطیسی به بزرگی 1.5 تسلا ایجاد کنند. زیرا میدان های مغناطیسی بزرگ نیاز به جریان های بالایی دارند که سیم های معمولی را ذوب می کند.

برای حل این مشکل و داشتن جریان بالا، محققان از سیم پیچ های ابررسانا استفاده کردند. دما بر مواد رسانا تأثیر می گذارد، به طوری که با کاهش دما، مقاومت آنها کاهش می یابد. اما ابررساناها یک ویژگی منحصر به فرد دارند. مقاومت آنها در دمای نزدیک به 273- درجه سانتیگراد یا صفر مطلق صفر می شود. در این حالت، جریان الکتریکی در یک حلقه ساخته شده از مواد ابررسانا می تواند برای همیشه جریان داشته باشد. در واقع، سیم پیچ ابررسانا در دستگاه MRI به طور مستقیم به هیچ نیروی الکتریکی خارجی نیاز ندارد. در عوض، سیم پیچ ها فقط باید با صرف مقداری انرژی خنک نگه داشته شوند، در این صورت آهنربای MRI به طور دائم روشن می ماند.