مهندسی بی‌نهایت؛ 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 یک بافت خاص در بدن، نمی توانیم به راحتی T1 آن بافت را بدست آوریم، زیرا این دو کمیت کاملاً مستقل از یکدیگر هستند. به یاد داشته باشید 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 MRI انجام دهیم. برای انجام این کار، ما به دو پارامتر جداگانه نیاز داریم که از تفاوت های T2 و T1 استفاده می کنند. این دو پارامتر «زمان اکو» (TE) و «زمان تکرار» (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 ها در هر یک از بافت ها حرکت رو به جلو را در صفحه عمود بر میدان اصلی B0 انجام می دهند. علاوه بر این، هنگامی که اتم های هیدروژن خارج از فاز هستند، مغناطش در صفحه xy برای زمان *T2 کاهش می یابد.

فاصله زمانی بین پالس رادیویی اعمال شده برای برانگیختن اتم های هیدروژن و اندازه گیری سیگنال حاصل از چرخش آنها را زمان اکو می گویند. به عبارت دیگر، TE نشان دهنده زمان مورد نیاز برای اندازه گیری سیگنال MRI پس از تحریک اولیه است. با گذشت زمان بیشتر، ناهمگنی فاز و تفاوت بین دو بافت افزایش می یابد. در همان زمان، دو بافت مغناطش طولی یا مغناطش محور z با آهنگ های مختلف به دست می آورند. در نهایت بردار مغناطیسی دو پارچه در امتداد محور z قرار می گیرد. با تابش دومین پالس RF، دوباره می توانیم پروتون های هر دو بافت را در صفحه xy قرار دهیم. زمان بین اولین پالس RF و پالس دوم RF زمان تکرار یا TR نامیده می شود.

اجازه دهید نقش بارهای TR و TE در MRI را با یک مثال ساده 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 دارای زیر و بمی صدای متفاوتی است، هر بافت سیگنال متفاوتی 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 بدست آوریم. فرض کنید می خواهیم از مغز تصویربرداری کنیم، اگر TE کوتاه باشد، یک تصویر کلی از مغز داریم، اما اگر TE طولانی باشد، تصویر حاصل از مغز جزئیات بیشتری را نشان می دهد. یا فرض کنید می خواهیم از یک تومور در بدن یک 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 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 بخش 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 می شود که در نتیجه تصویر به دست آمده کیفیت بهتری خواهد داشت. دستگاه MRI می تواند میدان مغناطیسی تا 20 تسلا ایجاد کند. یادتان باشد رسیدن به این مقدار به راحتی به دست نمی آمد.

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. در نتیجه تصاویر تولید شده فاقد کیفیت جالب توجه بودند. سپس 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 زیادی دارند که سیم های معمولی را ذوب می کند.

برای حل این مشکل و داشتن جریان بالا، محققان از سیم پیچ های ابررسانا استفاده کرده اند. مواد رسانا تحت تأثیر دما قرار می گیرند، بنابراین 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 حقیقت، سیم پیچ ابررسانا در دستگاه MRI به منبع تغذیه الکتریکی خارجی مستقیم نیاز ندارد. در عوض، سیم پیچ ها فقط باید خنک نگه داشته شوند و انرژی کمی مصرف می کنند، در این صورت آهنربای MRI همیشه روشن می ماند.