پایان نامه فیزیک MRI

رشته مهندسی پزشکی –گرایش بیو الکتریک

فیزیک MRI

داستان MRI   به سال 1946 برمی گردد که felix bloch در مقاله خود که برنده جایزه نوبل شد به بیان برخی ویژگی های جدید برای هسته اتمی پرداخت. وی اعلام کرد که هسته همانند یک مغناطیس(آهنربا) عمل می کند و یک ذره باردار نظیر پروتون، دور محور خود می گردد و دارای میدان مغناطیسی می باشد که همان گشتاور مغناطیسی نیز نامیده می شود. وی یافتۀ خود را طی معادلات Bloch به رشته تحریر درآورد. در سال 1950، تئوری های وی از نظر تجربی، قابل بیان بود و در سال 1960، طیف سنج های رزونانس مغناطیسی هسته ای برای پاسخ های تحلیلی معرفی شدند. طی سالهای 70-1960 طیف سنج های NMR استفاده گسترده ای در تحقیقات صنعتی و آکادمیکی داشتند. طیف سنجی نیز برای تحلیل پیکربندی مواد کاربردی بر طیف NMR استفاده می شود. در اواخر دهه 1960، ریموند دامادیان کشف کرد که بافت بدخیم پارامترهای متفاوت NMR نسبت به بافت نرمال دارد، پس برمبنای این تفاوت ها تعیین ویژگی بافتی امکان پذیر می‌باشد. وی اولین تصویر NMR تومور موش را را در سال 1974 معرفی نمود. و سیستم وی نیز اولین اسکنر NMR ابر رسانا را ایجاد و همچنین اولین عکس به بدن انسان را ارائه نمودند که 5 ساعت طول می کشید تا اسکن شود(مطابق شکل1).

در همان زمان، پل لوتر بور در زمینه های مشابه، پیشرو بود. اینها افرادی بودند که MRI را ایجاد و ارائه کردند. بعدها، نام NMR به عکسبرداری رزونانس مغناطیسی(MRI) تغییر پیدا کرد چرا که تصور میشد لغت هسته ای، پذیرش جالبی در بین عموم ندارد. در اوایل 1980، تولیدکنندگان تجهیزات عکسبرداری پزشکی به تحقیق و تولید اسکنر MRI پرداختند که برحسب تکامل به پیشرفت های زیادی از آن زمان تاکنون واقع شده است. سخت افزار و نرم افزار سریع تر شده و کاربرد آنها نیز هوشمندانه و ساده تر گردیده است. به علت تکامل توالی های پیشرفته پالس MRI، کاربردهای زیادی برای MRI ارائه شد نظیر آنژیوگرافی MR، عکسبرداری عملکردی و اسکن انتشاری. تکامل MR هنوز هم انجام می شود و تنها زمان تعیین می کند که آینده این تجهیزات چه خواهد بود.

چرا MRI؟

در هنگام استفاده از اشعه X برای عکس برداری چیز زیادی قابل دیدن نیست. تصویر مسطح و خاکستری می باشد. رزولوشن کنتراست کلی تصویر اشعه X، ضعیف می باشد. برای افزایش کنتراست، باید محیط کنتراست را ایجاد  نمود مثل محیط بر مبنای ید یا باریم. با دستکاری پارامترهای KV و  mAمی توان کنتراست تصویر را بهینه سازی کرد. با اسکنرهای CT، می توان تصاویری با کنتراست بهتر ایجاد نمود و ضایعات را در بافت نرم بررسی کرد. مزایای اصلی MRI، همان رزولوشن کنتراست عالی می باشد. با MRI می توان تفاوت های کنتراست جزئی در بافت نرم را شناسایی کرد و با دستکاری پارامترهای MR، می توان توالی پالسی را جهت پاتولوژی قطعی، بهینه نمود و همچنین تصاویر را می توان در هر صفحه ای گرفت که با اشعه X یا CT امکان ناپذیر می باشد. رزولوشن فضایی تصاویر اشعه X بافیلم اشعه X، عالی می باشد. رزولوشن فضایی MRI در مقایسه با اشعه X ضعیف است. در حالت عمومی می توان از اشعه X و CT برای نگاه کردن به ساختارهای استخوان استفاده کرد در حالیکه MRI برای بررسی ضایعات بافت نرم بسیار مفید می باشد.

سخت افزار

اسکنرهای MRI تنوع گسترده ای دارند و شما با گزینه های مختلفی روبرو هستید و می توانید نوع دائمی ، مقاوم و ابررسانا داشته باشید. و یا مغناطیسهایی از نوع آزاد یا بور (Bore) که دارای هلیم می باشند (ویا فاقد هلیم) و همچنین دارای مقاومت میدانی بالا یا پایین می باشند انتخاب کنید. انتخاب مغناطیس بسته به نوع کاربرد شما و پولتان دارد. مغناطیس یا آهنرباهای دارای میدان بالا کیفیت تصویر بهتری در کنار اسکن خوب و دامنه گسترده کاربردها ارائه می کنند اما نسبت به نوع میدان پایین، گرانتر هستند.

انواع آهنربا

آهنربای دائمی از ماده ای تشکیل شده و به گونه ای مغناطیسی گشته که میدان مغناطیسی خود را از دست نمی دهد. مقاومت میدانی آن بسیار پایین و بین 3/0-T064/0 می باشد[واحد تسلا]. آهنربای دائمی دارای طراحی باز هستند که برای بیمار راحت ترین می باشد. شکل 2 نشاندهنده دسترسی T064/0 می باشد. Access اولین اسکنر MRI باز(آزاد) جهان می باشد.

آهنرباهای مقاوم دارای مغناطیسهای الکترونی بسیار بزرگ می باشند همانند مغناطیس های کاربردی برای بلند کردن ماشین ها، مغناطیس های مقاوم دو نوعهند: هتسۀ هوایی و هستۀ آهنی. مقاومت میدانی می تواند تا 3/0 تسلا باشد که گرمای زیادی تولید می کند و نیازمند سرمایش آبی هستند. همچنین به توان بالایی نیاز دارند و برای حفظ توان، در صورت عدم استفاده سوئیچ آف می شوند و معمولا دارای طراحی باز هستند که باعث کاهش کلاستروفوبیا می شود. شکل 3 نشان دهنده نوع هیتاچی 3/0 تسلا (هسته

هوایی)میباشد.

آهنرباهای شایع امروزی ابررسانا هستند و میدان مغناطیسی نیز توسط جریانی ایجاد می شود که در حلقۀ سیم جریان می یابد. سیم نیز با یک سرد کننده نظیر هلیم مایع احاطه شده تا مقاومت الکتریکی را کاهش دهد. در 4 کلوین، سیم الکتریکی،مقاومت خود را از دست میدهد.پس از انرژی دار شدن سیستم میدان مغناطیسی خود را از دست نمیدهد.ابر رسانا بودن باعث مقاومت بالای مغناطیسی تا 12تسلا میشود که در محیطهای بالینی تا 5/1تسلا کار می کنند و بیشتر آنها از نوع Bore هستند. شکل 4 نحوه ایجاد ابررسانا را نشان می دهد. تعدادی وسایل واکیوم، هسته را احاطه کرده اند. این حفاظها برای پیشگیری از جوش آمدن سریع هلیم، ضروری هستند. مزیت دیگر نیز همگنی بالای میدان

مغناطیسی می باشد. 

در سال 1997، توشیبا اولویت آهنربای ابررسانای جهان را معرفی کرد. سیستم تنها از آلیاژ فلزی خاص استفاده می کند که دمای پایینی را هدایت می کند و دیگر نیازی به پر کردن هلیمی نمی باشد. طراحی باز نیز باعث کاهش اختلال سیستم میشود. شکل 6 نشان دهندۀ سیستم T35/0OPRAT توشیبا می باشد که طراحی باز را با مزایای مرتبط با مغناطیس های ابررسانا ترکیب کرده است. مزیت دیگر امکان انجام فرآیندهای دیگر(مداخله ای) در حین اسکن می باشد. شکل 7 نشان دهنده سیستم «دابل دونات» ابررسانای شرکت جنرال الکتریک با Tesla 5/0 می باشد که در آن جراح مابین دو قطب آهنربا می ایستد. با وجود طراحی خوب، دو سیستم Tesla 5/1 بکاربری آنرا بسیار پر هزینه کرده است. ترکیب دو طراحی بالا و پایین مناسب تر می باشد و زمان تعیین می کند که بسته به هزینه عملیاتی کدام تکنیک سودمندتر می باشد. 

کوئل های RF

این کوئلها برای انتقال و دریافت امواج رادیو فرکانسی در اسکنر MRI نیاز می باشد. کوئل های RF از مهمترین اجزاء هستند که بر کیفیت تصویر اثر می گذارند. اسکنرهای موجود MRI دامنه ای از کوئل ها را دارند. دو نوع RF داریم: کوئل های حجمی و سطحی.

نوع حجمی

طراحی این کوئل ها از نوع زین اسبی می باشد که میدان یکپارچه RF را درون کوئل تضمین می کند و باید دارای مساحت قابل تعیین باشند و آنها گاهی صرفاً برای دریافت استفاده می شوند شکل 8 دو نوع کوئل حجمی را نشان می دهد. کوئل رأسی نوعی کوئل انتقالی/دریافتی می باشد و کوئل زانوئی نیز  صرفاً   کوئل دریافتی(گیرنده) می باشد

کوئل های سطحی نزدیک منطقه بررسی قراردارند که همانند مفصل ماندیبولی-آهیانه ای می باشند(و یا اربیتی/شانه ای) کوئل از حلقه تکی یا دوتائی تشکیل شده (از سیم مسی) که سیگنال بالایی برای نسبت نویز دارند(SNR) و تصاویری با رزولوشن بالا را نیز ارائه می کنند. عیب آن اینست که یکپارچگی حلقه ای فوراً از بین می رود، در مورد کوئل سطحی دایره ای، نفوذ عمق حدود نصف قطر می باشد. شکل 9 نمونه هایی از کوئل های

سطحی را نشان می دهد.

کوئل های درجه دوم

کوئل های پلاریزه دایره ای یا درجه دوم دارای شکل زینی و یا مثل کوئلی سطحی هستند و حاوی دو حلقه سیمی هستند که در زوایای راست هم واقع شده اند و 2√سیگنال بیشتر نسبت به کوئل های تک حلقه ی ارائه می کنند. که بیشتر کوئل های حجمی امروزه، درجه دوم هستند کوئل های شکل 8 از این نوع می باشند.

کوئل های آرایه فازی

این کوئل ها از نوع سطحی چندگانه تشکیل شده اند و دارای بالاترین SNR می باشند اما منطقه حساس محدودی دارند. با ترکیب نوع سطحی 6 و 4 می توان کوئلی با منطقه حساس بزرگ ایجاد نمود. شکل 10 طراحی دو کوئل آرایه فازی را نشان می دهد.

سایر سخت افزارها

سخت افزار زیادی برای کار سیستم MRI نیاز می باشد. بخش عمده، زنجیره رادیو فرکانس(RF) می باشد که سیگنال RF انتقالی به بیمار را ایجاد می کند. کوئل گیرنده نیز بخشی از زنجیرۀ RF می باشد. دامنه فرکانس در MRI مشابه انتقال رادیوئی می باشد. به همین خاطر اسکنرهای MRI در قفس فارادی قرار گرفته اند تا از ورود امواج رادیویی به اتاق اسکن جلوگیری شود.چرا که باعث تداخل بر تصویر میگردند.(گویی که mri مشابه نگاه کردن تلوزیون با یک رادیو میباشد!)همچنین به یک پردازشگر برای پردازش سیگنال نیاز می باشد و همچنین باید فرآیند اسکن را نیز کنترل کرد.

بحث در مورد فیزیک

تصمیم گیری در مورد زمان توضیح در مورد فیزیک MRI مشکل می باشد. بهتر است که از همان ابتدا اینکار را انجام داد چرا که سرآغاز همه کارهای موفق اینگونه است! اما در مورد فیزیک MRI کمی قضیه فرق می کند. چرا که اول باید نقطه شروع تعیین شود و میزان اطلاعات نیز مشخص گردد چرا که با افراد جدیدی در این حرفه ممکن است سرکار و داشته باشیم که نیاز به دانستن مبانی فیزیکMRI دارند. همچنین اطلاعات زیادی نیز برای ارائه وجود دارد. در شروع ممکن است سخت و پیچیده به نظر برسد ولی چندان هم مشکل نیست.

مغناطیسی شدن

کار را با نگاهی به اطراف آغاز می کنیم. چه می بینیم؟ در بین کلیه میزبانان چندان با MRI کاری نداریم ما البته اطلاعات کمی در مورد زمین داریم مثل موارد زیر:

1-زمین، توپ عظیمی می باشد که در فضا شناور می باشد نه چندان تصادفی که البته این، خود قصه خاص خودش را دارد.

2-زمین ماهی می باشد که دور زمین گردش می کند.

3-زمین دارای بار الکتریکی می باشد که منفی یا مثبت بودن آن اهمیتی ندارد.

4-زمین، حول محور خود می چرخد که کمی جالب می باشد.

5-آب زیادی در زمین وجود دارد(حدود 70%) و به نظر میرسد که بیشتر آن سرازیر می شود.

پس، این بار الکتریکی عظیم و توپ گردان در فضا شناور است. از روی دروس فیزیک مدرسه به خاطر می آوریم که بار الکتریکی میدان مغناطیسی ایجاد می کند و زمین نیز دارای میدان مغناطیسی می باشد. مقاومت میدان مغناطیسی زمین کوچک است  30 در قطب ها و  70 در استوا. پس بطور خلاصه، زمین مغناطیس میله ای عظیمی با قطب های شمال و جنوب می باشد و نباید فراموش کرد که کاملاً آبکی و خیس می باشد!(به علت وجود آب) شاید بپرسید این مسأله چه ارتباطی با MRI دارد که بعداً آنرا توضیح خواهم داد. حال نگاهی به خود می اندازیم. موارد مشترک ما با زمین چیست؟ با نگاهی دقیق می بینیم که توپهای کوچکی وجود دارد که حول محورهای ما چرخش می کنند و دارای بار الکتریکی هستند و حتی ماه شناور نیز اطراف آن وجود دارد که همانا اتم ها هستند و اتم ها نیز کاملاً مرتبط با MRI می باشند چرا که ما از آنها برای ایجاد تصویر MR خود استفاده می کنیم. چیز مشترک دیگر آب می باشد. بدن ما از 80% آب تشکیل شده است. از درس شیمی میدانیم که عناصر متفاوتی وجود دارد(110) آب نیز شامل 2 هیدروژن و 1 اکسیژن می باشد. هیدورژن نیز دارای هسته می باشد که پروتون نامیده می شود(و الکترون) پروتون از نظر الکتریکی باردار می باشد و حول محور خود می گردد. پس ما با زمین شباهت هایی داریم.

(شکل ها در فایل اصلی قابل مشاهده است)