دکتر ریموند دامادیان (Raymond Damadian)، پزشک و دانشمند، سال‌ها تلاش کرد تا دستگاهی بسازد که بتواند با استفاده از آهن‌ربا، بدن انسان را بدون نیاز به جراحی اسکن کند. او به همراه چند دانشجوی فارغ‌التحصیل، یک آهن‌ربای ابررسانا ساخت و یک سیم‌پیچ آنتن را شکل داد. از آنجایی که هیچ‌کس نمی‌خواست اولین فردی باشد که وارد این دستگاه شود، دامادیان خودش داوطلب شد تا اولین بیمار باشد.
با این حال، وقتی وارد دستگاه شد، هیچ اتفاقی نیفتاد. دامادیان سال‌ها تلاش خود را برای اختراعی شکست‌خورده می‌دید، اما یکی از همکارانش جسورانه پیشنهاد کرد که شاید او برای دستگاه خیلی بزرگ باشد. یک دانشجوی فارغ‌التحصیل لاغراندام داوطلب شد تا امتحان کند و در سوم ژوئیه ۱۹۷۷، اولین اسکن ام‌آر‌آی بر روی یک انسان انجام شد. تولید یک تصویر، تقریباً پنج ساعت طول کشید و آن دستگاه اصلی که «Indomitable» نام داشت، اکنون متعلق به مؤسسه اسمیتسونیان (Smithsonian) است.
در تنها چند دهه، استفاده از اسکنرهای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (magnetic resonance imaging) یا به اختصار MRI به شدت افزایش یافته است. پزشکان ممکن است برای تشخیص بیماری‌هایی مانند اسکلروز چندگانه یا ام اس (multiple sclerosis)، تومورهای مغزی، پارگی رباط‌ها، تاندونیت (tendonitis)، سرطان و سکته مغزی، اسکن ام‌آر‌آی را تجویز کنند. اسکن ام‌آر‌آی بهترین روش برای دیدن داخل بدن انسان بدون بریدن آن است.
ممکن است برای شما که آماده می‌شوید برای یک اسکن ام‌آر‌آی بروید، این امور چندان راحت نباشد. شما باید جواهرات و کارت‌های اعتباری خود را درآورید و سوالات دقیقی درباره تمام وسایل فلزی که ممکن است در بدنتان وجود داشته باشد، پاسخ دهید. شما روی یک صفحه کوچک قرار می‌گیرید و به داخل سوراخی هل داده می‌شوید که به نظر نمی‌رسد به اندازه کافی برای یک نفر بزرگ باشد. شما در معرض سر و صدای زیاد قرار می‌گیرید و باید کاملاً بی‌حرکت دراز بکشید، در غیر این صورت، مجبور خواهید بود دوباره این کار را انجام دهید. و با هر دقیقه، نمی‌توانید جلوی این فکر را بگیرید که در حالی که بدنتان در این دستگاه است، چه اتفاقی برای آن می‌افتد. آیا واقعاً این همه زحمت بهتر از تکنیک‌های تصویربرداری دیگری مانند اشعه ایکس یا سی‌تی اسکن است؟ ریموند دامادیان چه کار بزرگی کرده است؟
آهنرباهای ام‌آر‌آی: ایفاگران نقش اصلی
اسکنرهای ام‌آر‌آی از نظر اندازه و شکل متفاوت هستند و برخی از مدل‌های جدیدتر بزرگتر از حد معمول هستند. با این حال، طراحی اصلی همه آن‌ها یکسان است و بیمار به داخل لوله‌ای هل داده می‌شود که قطر آن تنها حدود ۲۴ اینچ (۶۰ سانتی‌متر) است (منبع: Hornak). اما داخل این لوله چیست؟
بزرگ‌ترین و مهم‌ترین جزء سیستم ام‌آر‌آی، آهن‌ربا است. یک لوله افقی – همان لوله‌ای که بیمار وارد آن می‌شود – از جلو به عقب از میان آهن‌ربا عبور می‌کند. اما این فقط یک آهن‌ربای معمولی نیست – ما در اینجا با یک سیستم فوق‌العاده قوی سروکار داریم، سیستمی که قادر به تولید یک میدان مغناطیسی بزرگ و پایدار است.
قدرت یک آهن‌ربا در یک سیستم ام‌آر‌آی با استفاده از واحدی به نام تسلا اندازه‌گیری می‌شود. واحد اندازه‌گیری دیگری که معمولاً برای آهن‌رباها استفاده می‌شود، گاوس است (۱ تسلا = ۱۰،۰۰۰ گاوس). امروزه آهنرباهای مورد استفاده در سیستم‌های ام‌آر‌آی، میدان مغناطیسی ۱.۵ تا ۷.۰ تسلا یا ۱۵،۰۰۰ تا ۷۰،۰۰۰ گاوس ایجاد می‌کنند. وقتی متوجه می‌شوید که میدان مغناطیسی زمین ۰.۵ گاوس است، می‌توانید قدرت این آهن‌رباها را درک کنید.
بیشتر سیستم‌های ام‌آر‌آی از آهن‌ربای ابررسانا استفاده می‌کنند که شامل بسیاری از سیم‌پیچ‌هایی است که جریان الکتریکی از طریق آن‌ها عبور می‌کند و میدان مغناطیسی تا ۲.۰ تسلا را ایجاد می‌کند. حفظ چنین میدان مغناطیسی بزرگی به انرژی زیادی نیاز دارد که با ابررسانایی، یا کاهش مقاومت در سیم‌ها تا نزدیک صفر، انجام می‌شود. برای این کار، سیم‌ها دائماً در هلیوم مایع با دمای ۴۵۲.۴ درجه فارنهایت زیر صفر (۲۶۹.۱ درجه سانتی‌گراد زیر صفر) غوطه‌ور هستند (منبع :Coyne). این سرما توسط خلاء عایق‌بندی می‌شود. اگرچه آهنرباهای ابررسانا گران هستند، اما این میدان مغناطیسی قوی امکان تصویربرداری با کیفیت بالا را فراهم می‌کند و ابررسانایی باعث اقتصادی‌شدن کارکرد سیستم می‌شود.
دیگر قسمت‌های دستگاه ام‌آر‌آی
دو نوع آهن‌ربای دیگر نیز در سیستم‌های ام‌آر‌آی به میزان بسیار کمتری استفاده می‌شوند. آهنرباهای مقاومتی (Resistive magnets) از نظر ساختاری شبیه آهنرباهای ابررسانا هستند، اما فاقد هلیوم مایع هستند. این تفاوت به معنای نیاز به مقدار زیادی برق است که کارکرد آن‌ها را در بالای سطح ۰.۳ تسلا بسیار پرهزینه می‌کند. آهنرباهای دائمی (Permanent magnets) میدان مغناطیسی ثابتی دارند، اما برای ایجاد میدان بزرگ آنقدر باید سنگین باشند که ساختن آهن‌ربایی که قادر به حفظ یک میدان مغناطیسی بزرگ باشد دشوار خواهد بود.
همچنین سه آهن‌ربای گرادیانی یا متغیر (gradient magnet) در داخل دستگاه ام‌آر‌آی وجود دارد. این آهن‌رباها در مقایسه با میدان مغناطیسی اصلی، قدرت بسیار کمتری دارند؛ قدرت آن‌ها ممکن است از ۱۸۰ گاوس تا ۲۷۰ گاوس متغیر باشد. در حالی که آهن‌ربای اصلی یک میدان مغناطیسی شدید و پایدار در اطراف بیمار ایجاد می‌کند، آهنرباهای گرادیانی یک میدان متغیر ایجاد می‌کنند که امکان اسکن قسمت‌های مختلف بدن را فراهم می‌کند.
بخش دیگری از سیستم ام‌آر‌آی، مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌ها است که امواج رادیویی را به بدن بیمار منتقل می‌کند. برای قسمت‌های مختلف بدن مثل زانو، شانه، مچ دست، سر، گردن و غیره سیم‌پیچ‌های مختلفی وجود دارد. این سیم‌پیچ‌ها معمولاً با شکل قسمت تحت تصویربرداری بدن مطابقت دارند یا حداقل در طول معاینه بسیار نزدیک به آن قرار می‌گیرند. سایر قسمت‌های دستگاه شامل یک سیستم کامپیوتری بسیار قوی و یک میز بیمار است که بیمار را به داخل محفظه هدایت می‌کند. اینکه سر یا پای بیمار اول وارد شود، به این بستگی دارد که کدام قسمت بدن نیاز به بررسی دارد. هنگامی که قسمت مورد نظر بدن برای اسکن در مرکز (یا تقریباً در مرکز) میدان مغناطیسی قرار گرفت، اسکن می‌تواند آغاز شود.
در طول اسکن چه اتفاقی می‌افتد؟ در ادامه خواهیم گفت.
اتم‌های هیدروژن و ممان یا گشتاور مغناطیسی
هنگامی که بیماران به داخل دستگاه ام‌آر‌آی می‌روند، میلیاردها اتم تشکیل‌دهنده بدن انسان را هم با خود به درون دستگاه می‌برند. برای تأمین اهداف اسکن ام‌آر‌آی، ما فقط به اتم هیدروژن اهمیت می‌دهیم که در بدن فراوان است زیرا بدن عمدتاً از آب و چربی تشکیل شده است. این اتم‌ها، به طور تصادفی، مانند یک فرفره، در حال چرخش یا پیش‌روی روی محور خود هستند. اتم‌ها در جهات مختلف حرکت می‌کنند، اما وقتی در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، در جهت میدان ردیف یا هم‌راستا می‌شوند.
این اتم‌های هیدروژن دارای ممان مغناطیسی (magnetic moment) قوی هستند، به این معنی که در یک میدان مغناطیسی، آن‌ها در جهت میدان ردیف می‌شوند. از آنجایی که میدان مغناطیسی به طور مستقیم در مرکز دستگاه است، پروتون‌های هیدروژن به گونه‌ای ردیف می‌شوند که به سمت پاها یا سر بیمار اشاره می‌کنند. حدود نیمی از آن‌ها به هر طرف می‌روند، بنابراین اکثر پروتون‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند – یعنی برای هر اتم ردیف‌شده به سمت پاها، یک اتم به سمت سر ردیف شده است. تنها چند پروتون از هر میلیون پروتون خنثی نشده باقی می‌مانند. این چندتا تعداد زیادی به نظر نمی‌رسد، اما وجود تعداد زیاد اتم‌های هیدروژن در بدن، برای ایجاد تصاویر بسیار دقیق کافی است. این اتم‌های جفت‌نشده هستند که برای ما مهم هستند.
دیگر چه اتفاقی در درون دستگاه ام‌آر‌آی می‌افتد؟
در قدم بعدی، دستگاه ام‌آر‌آی یک پالس فرکانس رادیویی (RF) اعمال می‌کند که مخصوص هیدروژن است. سیستم، این پالس را به سمت ناحیه‌ای از بدن که می‌خواهیم بررسی کنیم هدایت می‌کند. هنگامی که پالس اعمال می‌شود، پروتون‌های جفت‌نشده، انرژی را جذب می‌کنند و دوباره در جهت دیگری می‌چرخند. این همان قسمت رزونانسِ (تشدید) ام‌آر‌آی است. پالس RF آن‌ها را مجبور می‌کند با یک فرکانس خاص، در یک جهت خاص بچرخند. فرکانس خاص رزونانس فرکانس لارمور (Larmour frequency) نامیده می‌شود و بر اساس بافت خاصی که تصویربرداری می‌شود و قدرت میدان مغناطیسی محاسبه می‌شود.
تقریباً در همان زمان، سه آهن‌ربای دیگر (آهنرباهای گرادیانی) وارد عمل می‌شوند. آن‌ها به گونه‌ای در داخل آهن‌ربای اصلی چیده شده‌اند که وقتی به سرعت و به شیوه‌ای خاص روشن و خاموش می‌شوند، میدان مغناطیسی اصلی را در حد کوچکی تغییر می‌دهند. این بدان معناست که می‌توانیم دقیقاً ناحیه‌ای را که می‌خواهیم تصویر آن را داشته باشیم انتخاب کنیم؛ این ناحیه به عنوان “برش” شناخته می‌شود. به یک قرص نان با برش‌هایی به نازکی چند میلی‌متر فکر کنید – برش‌های ام‌آر‌آی به همان اندازه دقیق و ظریف هستند. برش‌ها را می‌توان از هر قسمت بدن و در هر جهتی گرفت که به پزشکان مزیت بزرگی نسبت به هر روش تصویربرداری دیگری می‌دهد. این موضوع همچنین بدان معناست که شما برای گرفتن تصویر از جهت دیگر بدن نیازی به حرکت ندارید – دستگاه می‌تواند همه چیز را با آن آهنرباهای گرادیانی (gradient magnets) دستکاری کند.
اما دستگاه در حین اسکن صدای زیادی ایجاد می‌کند که شبیه به چکش‌کاری سریع و مداوم است. این به دلیل افزایش جریان الکتریکی در سیم‌های آهنرباهای گرادیان است که با میدان مغناطیسی اصلی مخالفت می‌کند. هر چه میدان اصلی قوی‌تر باشد، صدا بلندتر است. در بیشتر مراکز ام‌آر‌آی، شما می‌توانید یک دستگاه پخش موسیقی برای رفع سر و صدا بیاورید و البته به بیماران گوشی‌های گوش‌گیر هم داده می‌شود.
هنگامی که پالس RF خاموش می‌شود، پروتون‌های هیدروژن به آرامی به حالت یا تنظیمات طبیعی خود در میدان مغناطیسی باز می‌گردند و انرژی جذب شده از پالس‌های RF را آزاد می‌کنند. وقتی این کار را انجام می‌دهند، سیگنالی می‌دهند که سیم‌پیچ‌ها آن را دریافت می‌کنند و به سیستم کامپیوتری ارسال می‌کنند. اما چگونه این سیگنال به تصویری تبدیل می‌شود که معنی دارد؟
عکس‌های ام‌آر‌آی و نحوه کارکرد آن‌ها
اسکنر ام‌آر‌آی می‌تواند یک نقطه بسیار کوچک را در داخل بدن بیمار انتخاب کند و اساساً از آن بپرسد: “شما چه نوع بافتی هستید؟” سیستم نقطه به نقطه، بدن بیمار را بررسی می‌کند و نقشه انواع بافت را می‌سازد. سپس با استفاده از فرمولی ریاضی به نام تبدیل فوریه (Fourier transform)، همه این اطلاعات را برای ایجاد تصاویر دو بعدی یا مدل‌های سه بعدی ادغام می‌کند. کامپیوتر سیگنال را از پروتون‌های چرخان به عنوان داده‌های ریاضی دریافت می‌کند؛ داده‌ها به یک تصویر تبدیل می‌شوند. این همان قسمت “تصویربرداری” ام‌آر‌آی است.
سیستم ام‌آر‌آی برای اینکه میدان مغناطیسی محلی در بافت مورد بررسی را تغییر دهد از کنتراست تزریقی یا رنگ استفاده می‌کند. بافت‌های طبیعی و غیر طبیعی به این تغییر جزئی واکنش متفاوتی نشان می‌دهند و سیگنال‌های متفاوتی به ما می‌دهند. این سیگنال‌ها به تصاویر منتقل می‌شوند؛ یک سیستم ام‌آر‌آی می‌تواند بیش از ۲۵۰ سایه‌روشن را برای نمایش بافت‌های مختلف نمایش دهد (منبع: Coyne). این تصاویر به پزشکان اجازه می‌دهند تا انواع مختلف ناهنجاری‌های بافت را بهتر از حالت بدون کنتراست تجسم کنند. می‌دانیم که وقتی “A” را انجام می‌دهیم، بافت طبیعی مانند “B” به نظر می‌رسد – اگر چنین نباشد، ممکن است ناهنجاری وجود داشته باشد (یعنی اگر تصویر به صورتی که انتظار داریم نباشد پس احتمالاً یک ناهنجاری وجود دارد-م).
اشعه ایکس برای نشان دادن استخوان شکسته به پزشکان بسیار مؤثر است، اما اگر پزشکان بخواهند به بافت نرم بیمار، از جمله اندام‌ها، رباط‌ها و سیستم گردش خون نگاه کنند، احتمالاً به ام‌آر‌آی نیاز خواهند داشت. و همانطور که قبلاً ذکر کردیم، یکی دیگر از مزایای اصلی ام‌آر‌آی توانایی آن در تصویربرداری در هر زاویه و برشی از بدن است. به عنوان مثال، توموگرافی کامپیوتری (CT) به یک صفحه، یعنی صفحه محوری محدود است (در مثال قرص نان، صفحه محوری مانند برش معمولی یک قرص نان است). یک سیستم ام‌آر‌آی می‌تواند تصاویر محوری و همچنین تصاویر ساجیتال (برش نان از پهلو به صورت طولی) (sagitall) و کرونال (به لایه‌های یک کیک لایه ای فکر کنید) (coronal) یا هر درجه‌ای بین آن‌ها را بدون حرکت دادن بیمار ایجاد کند.
اما برای ایجاد این تصاویر با کیفیت بالا، بیمار نمی‌تواند زیاد حرکت کند. اسکن‌های ام‌آر‌آی نیاز دارند که بیماران ۲۰ تا ۹۰ دقیقه یا بیشتر بی‌حرکت بمانند. حتی حرکت بسیار جزئی قسمت مورد اسکن، می‌تواند باعث ایجاد تصاویر تحریف‌شده شود که باید تکرار شوند. و این کیفیت بالای ام‌آر‌آی هزینه بالایی دارد؛ سیستم‌های ام‌آر‌آی خرید بسیار گران‌قیمتی هستند و بنابراین معاینات نیز بسیار گران هستند.
اما آیا هزینه‌های دیگری هم وجود دارد؟ در مورد ایمنی بیمار چطور؟ آیا به خطر می‌افتد؟
مسائل ایمنی ام‌آر‌آی
شاید شما نگران تأثیر طولانی مدت مخلوط شدن همه اتم‌های خود باشید، اما پس از خارج شدن از میدان مغناطیسی، بدن و شیمی آن به حالت عادی باز می‌گردد. هیچ خطر بیولوژیکی شناخته‌شده‌ای برای انسان‌ها از قرار گرفتن در معرض میدان‌های مغناطیسی قوی استفاده‌شده در تصویربرداری پزشکی امروز وجود ندارد. این واقعیت که سیستم‌های ام‌آر‌آی از تشعشع یونی‌کننده (تابش یون‌ساز) (ionizing radiation)، مانند سایر دستگاه‌های تصویربرداری، استفاده نمی‌کنند، برای بسیاری از بیماران آرامش خاطر است، و این واقعیت درباره مواد کنتراست ام‌آر‌آی دارای عوارض جانبی بسیار کمی هستند نیز صادق است. اکثر مراکز، ترجیح می‌دهند زنان باردار را تصویربرداری نکنند، زیرا تحقیقات محدودی در مورد اثرات بیولوژیکی میدان‌های مغناطیسی بر جنین در حال رشد وجود دارد. تصمیم در مورد اسکن یا عدم اسکن یک بیمار باردار با مشورت بین رادیولوژیست ام‌آر‌آی و متخصص زنان و زایمان بیمار اتخاذ می‌شود.
با این حال، اگر اقدامات ایمنی دقیق رعایت نشود اتاق ام‌آر‌آی می‌تواند مکان بسیار خطرناکی باشد. کارت‌های اعتباری یا هر چیز دیگری با کدگذاری مغناطیسی پاک می‌شوند. اشیاء فلزی، اگر به اتاق اسکن برده شوند، می‌توانند به پرتابه‌های خطرناک تبدیل شوند. به عنوان مثال، گیره‌های کاغذ، خودکار، کلید، قیچی، جواهرات، گوشی پزشکی و هر چیز کوچک دیگری می‌توانند بدون هشدار از جیب‌ها و بدن خارج شوند و سپس با سرعت بسیار بالا به سمت دهانه آهن‌ربا پرتاب شوند.
اشیاء بزرگ نیز خطرناک هستند – نمونه‌هایی از جاروبرقی‌ها، پایه‌های سرم، برانکاردهای بیمار، مانیتورهای قلب و بی‌شماری از اشیاء دیگر همگی به داخل میدان‌های مغناطیسی ام‌آر‌آی کشیده شده‌اند. در سال 2001، یک پسر جوان در حین اسکن به علت پرتاب شدن یک کپسول اکسیژن به داخل حفره مغناطیسی کشته شد (منبع: McNeil). یک بار هم، یک تفنگ از غلاف یک پلیس بیرون پرید و نیروی آن باعث شلیک شدن تفنگ شد. اما هیچ کس آسیب ندید.
برای اطمینان از ایمنی، بیماران و پرسنل پشتیبانی باید قبل از ورود به اتاق اسکن به طور کامل از نظر اشیاء فلزی بررسی شوند. با این حال، بیماران اغلب ایمپلنت‌هایی در داخل خود دارند که حضور آن‌ها در معرض میدان مغناطیسی قوی را بسیار خطرناک می‌کند. این موارد عبارتند از:
- قطعات فلزی در چشم که بسیار خطرناک هستند زیرا حرکت این قطعات می‌تواند باعث آسیب به چشم یا کور شدن شود.
- ضربان‌سازها (pacemakers) که ممکن است در حین اسکن یا حتی نزدیک دستگاه دچار نقص شوند.
- کلیپ‌های آنوریسم (Aneurysm clips) در مغز که اگر آهن‌ربا آن‌ها را حرکت دهد، ممکن است شریان بسیار ظریفی را که برای ترمیم روی آن قرار داده شده‌اند، پاره کنند.
- ایمپلنت‌های دندان، اگر مغناطیسی باشند.
بیشتر ایمپلنت‌های جراحی مدرن، از جمله منگنه‌ها، مفاصل مصنوعی و استنت‌ها، از مواد غیر مغناطیسی ساخته شده‌اند و حتی اگر مغناطیسی نباشند، ممکن است برای اسکن تأیید شوند. اما به پزشک خود اطلاع دهید، زیرا برخی از سخت‌افزارهای ارتوپدی در ناحیه اسکن می‌توانند باعث ایجاد اعوجاج در تصویر شوند.
مترجم: مهرداد الهی
نویسندگان: Todd A. Gould, RT-(R)(MR)(ARRT) & Molly Edmonds
منبع: howstuffworks.com
