مقدمه:
تصویربرداری رزونانس یا تشدید مغناطیسی (MRI) نوعی روش تصویربرداری است که از میدان‌های مغناطیسی قوی و امواج رادیویی(RF) برای تولید تصاویر دقیق از ساختارهای داخلی، اندام‌ها و بافت‌های بیمار استفاده میکند؛
در ایــن روش امــواج رادیویـی (RF) بـه بـدن بیمـار فرسـتاده میشـود و باعـث تهیــج هســته های هیدروژن در بــدن میشــود. سپــس ایــن هســته هــای تهیــج شــده انــرژی را کــه از امــواج رادیویـی (RF) دریافـت کـرده بودنـد بـه بیـرون از بـدن منعکـس میکننـد که توسـط دسـتگاه MRI آشکارســازی شده و بــه تصویــر تبدیــل میشود.
امــواج رادیویی کــه در ایجـاد تصویــر مورد اســتفاده قــرار میگیرنــد جــزء امــواج الکترومغناطیــس میباشــند؛
ایــن امــواج از دو بخــش الکتریکــی(E) و مغناطیســی(B) عمـود بـر هـم تشـکیل شـده اند؛ یعنـی ایـن دو بخـش بـا فرکانـس یکسـان و اختـلاف فـاز 90 درجـه نسـبت بـه هـم حرکت میکنند.
توجه داشته باشید که فقط بخش مغناطیسی(B) این امواج در MRI کاربرد دارد.
اسپین ها و میدان الکترومغناطیس:
همانطور که از فیزیک بیاد دارید، هر ذره باردار اطرافش میدان الکتریکی دارد. حال اگر ذره باردار دور خودش بچرخد(حرکت اسپینی)، خطوط میدان الکتریکی اطراف خودش را قطع می کند و باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود. (چرخش در جهت 4 انگشت و میدان در جهت امتداد انگشت شست.)
چرخش اسپینی:
به چرخش هر ذره حول محور خودش، حرکت اسپینی گفته می شود.
الکترون ها بدور یک محور در جهت عقربه های ساعت و یا خلاف عقربه های ساعت، میچرخند. این چرخش یک ویژگی از الکترون را به نام اسپین (spin) بوجود می آورد.
برای تشکیل سیگنال رزونانس مغناطیسی لازم است که منبعی از پروتون‌های هیدروژن (پروتون در هسته اتم‌های هیدروژن که با مولکول‌های چربی و آب در ارتباط هستند) وجود داشته باشد.
پروتون هیدروژن دارای بار مثبت می باشد و حول محور خود می‌چرخد و حرکت اسپینی دارد. این پروتون در حال چرخش با بار مثبت، مانند یک آهنربای کوچک عمل میکند. بنابراین پروتون‌های هیدروژن در بدن انسان مانند یک آهنربای کوچک عمل میکنند.
میدان مغناطیسی اصلی:
میدان مغناطیسی اصلی یک سیستم MRI یا تشدید مغناطیسی توسط یک جریان الکتریکی بزرگ عبوری از سیم‌های رسانا که به شکل حلقه‌هایی در اطراف آهنربای سیستم تصویربرداری قرار دارند، شکل می‌گیرد.
در کاربرد های بالینی قدرت مگنت دستگاه بین 0.1 تا 3 تسلا بکار میرود که استاندارد فعلی 1.5 تسلا است که اندازه این میدان تقریباً 30,000 برابر میدان مغناطیسی زمین است.
حرکت تقدیمی یا فرفره ای (Precession):
وقتی یک پروتون که حول محور خودش در حال چرخش است در میدان مغناطیسی خارجی(مگنت MRI) قرار بگیرد، علاوه بر چرخش دور خودش(حرکت اسپینی)، شروع به چرخش دور میدان خارجی می کند. که به آن حرکت تقدیمی (precession) گفته می شود، به همین دلیل است که با میدان مغناطیسی خارجی هم راستا می شوند.
معادله لارمور:
فرکانس حرکت تقدیمی پروتون حول میدان مغناطیسی خارجی(تعداد چرخش‌های پروتون در ثانیه)، توسط معادله ای به نام معادله لارمور بدست می آید:
فرمول معادله لارمور:
w= فرکانس زاویه ای چرخش پروتون حول میدان خارجی برحسب رادیان بر ثانیه یا Hz
𝜸= نسبت ژیرومغناطیس
B0= میدان مغناطیسی خارجی
با توجه به مطالب بالا، پروتون‌های موجود در بدن انسان بدلیل دارا بودن بار مثبت، حول محور خود میچرخند و مانند آهنرباهای کوچک عمل میکنند.
این پروتون‌ها در حالت عادی جهت‌گیری تصادفی دارند و بدین ترتیب میدان‌های مغناطیسی آنها با یکدیگر جمع نمی‌شوند بلکه یکدیگر را خنثی میکنند.
هنگامی که پروتون‌های موجود در بدن، در یک میدان مغناطیسی قوی بنام B0 قرار گیرد، بعضی از آنها در جهت میدان مغناطیسی و برخی دیگر در جهت مخالف میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند.
در این حالت میدان مغناطیسی بسیاری از پروتون‌ها خنثی می‌شوند اما میدان مغناطیسی تعدادی از پروتون‌ها با میدان مغناطیسی اصلی همسو می‌شوند و یک بردار مغناطش خالص(NMV) ایجاد میکنند که به موازات میدان مغناطیسی اصلی قرار دارد و بنام بردار Mz یا بردار طولی شناخته می شود. این مغناطش خالص، منبع سیگنال MRI شده و برای تولید تصاویر MRI استفاده میشود.
پدیده تشدید:
حرکت مارپیچی مغناطیس های کوچک ایجاد شده توسط پروتون های بدن، دارای یک فرکانس بخصوص است، پس برای منحرف کردن این مغناطیس های کوچک از حالت اولیه، هر نوع انرژی و هر مقدار انرژی 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 که به این فرایند، تشدید گفته می شود.
پدیده تشدید به انتقال موثر انرژی کمک میکند.
بعنوان مثال، هل دادن کودک روی تاب را در نظر بگیرید:
کودک روی تاب با یک فرکانس خاص به سمت جلو و عقب حرکت میکند. اگر در زمان مناسب به تاب نیرو وارد شود، انرژی بطور موثر به نوسان و کودک منتقل میشود.
اگر انتقال نیرو به طور مداوم و در زمان مناسب به تاب اتفاق بیفتد، در تاب تشدید ایجاد میشود و این موضوع سبب میشود که انتقال موثر انرژی رخ دهد و تاپ بالاتر رود.
تولید سیگنال:
بــرای تولیــد ســیگنال، بایــد مغناطیــس طولــی کــه در اثــر میــدان خارجــی تولیــد شــده اســت بــه مغناطیــس عرضــی تبدیــل شود.
اعمال یک پالس RF با فرکانس لارمور، امکان جذب انرژی توسط پروتون‌ها را فراهم میکند و بنابراین باعث میشود که مغناطش خالص از راستای محور z منحرف شود.
بــرای تبدیــل مغناطیــس طولــی بــه مغناطیســی عرضــی از پالــس RF اســتفاده میشــود کــه فرکانــس آن بایـد بـا فرکانـس لارمـور پروتون هـا برابـر باشـد تـا بـه آن هـا انـرژی دهـد که بتوانند نسبت به میدان خارجی تغییر وضعیت دهند(پدیده تشدید رخ دهد).
در نهایت با قطع پالس RF، مغناطیس ها با حرکت مارپیچی به جهت میدان مغناطیس اولیه باز می گردند(یعنی بردار Mxy کاهش و بردار Mz رشد میکند) و چون در حین بازگشت، خطوط میدان مغناطیسی کویل را قطع می کنند، یک ولتاژ الکتریکی در کویل گیرنده القـاء می شود که این ولتاژ الکتریکـی همان سیگنال MRI است.
معمـولاً از RF پالـس 90درجـه اسـتفاده میشـود. چـون مغناطیـس خالـص طولــی را 90درجــه میچرخانــد و آن را در جهت محــور عرضــی(Mxy) قــرار میدهــد و به آن RF پالس 90درجه میگویند.
خلاصه مطلب:
