فهم الفيزياء وراء ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي وجهاز الرنين المغناطيسي النووي

- من كتاب عوفر بن هورين "التصوير بالرنين المغناطيسي الدليل الكامل - لقاء الطب والفيزياء"

إن كتاب "الدليل الكامل للتصوير بالرنين المغناطيسي - لقاء الطب والفيزياء" هو نتاج مشروع مدته خمس سنوات يهدف إلى جعل "ما وراء الكواليس" لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي في متناول القارئ الإسرائيلي. يعرض الكتاب، الذي يزيد طوله عن 300 صفحة، فيزياء الماسح الضوئي (الذي يعادل بشكل أساسي فيزياء جهاز الرنين المغناطيسي النووي وفيزياء الرنين المغناطيسي الوظيفي)، وتنوع اختباراته وتطبيقاته، ولمحة تاريخية شاملة، و نظرة عامة على الأبحاث التي يتم إجراؤها حاليًا في المختبرات في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم من أجل التنبؤ بشكل صحيح بالمستقبل في هذا المجال، والسلامة في التصوير بالرنين المغناطيسي، وحالة التصوير بالرنين المغناطيسي في إسرائيل اعتبارًا من عام 2016 والعديد من المواضيع الأخرى. يحتوي الكتاب على أمثلة ورسوم توضيحية وصور ومعجم كامل وفهرس يستخدم كأداة مرجعية لكل مهتم بالتعرف والتعلم والتعمق في مجال التصوير بالرنين المغناطيسي، مما يكتسب ميزة كبيرة في فهم القضايا المتعلقة بهذا التطور. مجال.

عوفر بن حورين، مؤلف الكتاب، والذي نشرت كتاباته أيضا على موقع حيدان، لديه حوالي 20 عاما من الخبرة في عمليات التصوير بالرنين المغناطيسي، وأبحاث الأدوية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي والتدريب. وهو منخرط أيضًا في مجال توصيل العلوم وهو معروف بقدرته على تبسيط وشرح القضايا المعقدة وجعلها سهلة الفهم. يمكنكم قراءة المزيد والاطلاع على نماذج من الكتاب على الرابط المرفق وشرائه على www.mriguide.co.il. تم تأليف الكتاب بمساعدة كريمة من البروفيسور أهارون بلانك من التخنيون، والدكتورة دافنا بن بشت من مركز أبحاث وظائف الدماغ (fMRI) في إيخيلوف، والدكتور سكوت كليوز، أخصائي الأشعة الغزوية من جامعة فلوريدا في الولايات المتحدة، وغيرها الكثير.

فيما يلي بعض الصفحات من بداية الفصل الرئيسي من كتاب "الفيزياء وراء التصوير بالرنين المغناطيسي":

يركز الفصل الذي أمامك على المبادئ الفيزيائية التي يعتمد عليها تشغيل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي، أي على نظرية الرنين المغناطيسي والإضافات المتعلقة بالتصوير بالرنين المغناطيسي مثل التدرجات وطريقة ترجمة البيانات المادية إلى صورة. من المهم أن نتذكر أنه لسنوات عديدة كان الاستخدام الرئيسي لظاهرة الرنين المغناطيسي هو توصيف بنية المواد الكيميائية والبيولوجية المختلفة وليس التصوير الطبي، وبالتالي فإن معظم الفصل يصف أيضًا فيزياء الرنين المغناطيسي النووي.

الأساس - الدوران، النقيفات، معادلة النقيفات لارمور وتأثير زيمان

قبل أن نبدأ الرحلة الرائعة إلى تعقيدات فيزياء التصوير بالرنين المغناطيسي الفعلية، سنقدم عملية فحص التصوير بالرنين المغناطيسي، وهي عملية بسيطة جدًا في الأساس:

1. ضع الشخص داخل المغناطيس.
2. نقل موجة الراديو.
3. إيقاف انتقال الموجة.
4. التقط الإشارة التي تبعثها بروتونات جسم الشخص، وقم بتحويلها إلى صورة.
وبالتالي، كل ما هو مطلوب لإنشاء رنين مغناطيسي هو مجال مغناطيسي خارجي، وجهاز إرسال راديوي، وجهاز استقبال راديوي.
الآن سوف نتوسع أكثر، ونصف بإيجاز مراحل العملية الفيزيائية وراء الإجراءات المذكورة أعلاه:

1. المغناطيس الموجود في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي قوي ومتجانس نسبيًا. يؤثر المغناطيس على البروتونات الموجودة في جسمنا ويجعلها تصطف في اتجاهه أو في الاتجاه المعاكس.
2. ترسل نبضة راديوية بتردد يحدث رنين بينها وبين البروتونات. يسمح هذا الرنين بمرور الطاقة إلى البروتونات وتغيير اتجاهها.
3. أثناء عودة البروتونات إلى اتجاهها الأصلي، فإنها تنبعث منها الطاقة التي تلقتها أثناء عمليات الاضمحلال، مصحوبة بانبعاث إشارة. تعتمد قوة الإشارة على البيئة والجزيء والأنسجة التي توجد فيها.
4. يتم استقبال الإشارة عن طريق ملفات الاستقبال وتصنيفها حسب المنطقة التي جاءت منها بمساعدة التدرجات والتحليل الرياضي. هذه هي الطريقة التي يتم بها إنشاء صورة التصوير بالرنين المغناطيسي.

وفي فصل المفاهيم العنصرية، تعرفنا على الذرة، المكون الأساسي للعناصر، ورأينا أنها تتكون من غلاف ونواة: يحتوي الغلاف على الإلكترونات، بينما يوجد داخل النواة البروتونات والنيوترونات. تحتوي نواة ذرة الهيدروجين على بروتون واحد. ناقشنا أيضًا البروتون وخصائصه الدورانية والدورانية. والآن سنكرر النقاط التي تهمنا في هذا السياق.

• الدوران هو، على سبيل التوضيح، الحركة الدورانية للبروتون حول نفسه. وهي كمية متجهة، أي أن لها اتجاه، وهي موجودة حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي.

• عندما يتم إدخال البروتونات في مجال مغناطيسي، تحدث عمليتان: دوران البروتونات، والتي كانت تشير حتى الآن في اتجاهات عشوائية، أصبحت الآن كلها مرتبة بالتوازي مع المجال المغناطيسي: في اتجاهه أو في الاتجاه المعاكس. كما أن الدوران يحصل على التواء: فبالإضافة إلى دورانه حول محوره، فإنه يحصل أيضًا على حركة دائرية مخروطية الشكل. لتذكيرك، فإن الدوران هو ناقل، وهو الآن على المستوى المجهري (أي عند النظر إلى بروتون واحد)، مكون طولي مهيمن في اتجاه محور المجال المغناطيسي الخارجي، أو المحور Z، أو في اتجاه محور المجال المغناطيسي الخارجي. الاتجاه المعاكس له، وأيضا مكون عرضي، ضعيف نسبيا، يتحرك في المستوى XY لنظام المحور.

وفي الأقسام التالية سنركز على كل من هذه العمليات ونتعمق فيها.

البروتونات في مجال مغناطيسي خارجي
عندما يتم وضع شخص ما في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي، يقوم السرير بنقله إلى الجهاز، وهو في الواقع مغناطيس عملاق. يؤثر المغناطيس، كما ذكرنا، على جميع دورات بروتونات الهيدروجين في جسمنا.
يتم تمييز القوة المغناطيسية الخارجية بـ B0 ويسمى المحور الذي تتحرك عبره هذه القوة بالمحور Z. يكون اتجاه المحور Z على طول الجسم الموجود في الماسح الضوئي: من قدميه إلى رأسه. وهكذا فإن البروتونات الموجودة في جسم الشخص، يشير بعضها نحو الساقين والبعض الآخر نحو الرأس.
كما هو مكتوب أعلاه، عندما يتم إدخال جسم ما في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي، فإن القوة المغناطيسية الخارجية تسبب دوران البروتونات في ظاهرتين رئيسيتين:

1. تتوقف عن الإشارة في اتجاهات عشوائية وتشير جميعها نحو أو ضد المجال المغناطيسي. ظاهرة تسمى تأثير زيمان.
2. يتم توبيخهم.

وسنشرح كل ظاهرة من هذه الظواهر بالتفصيل.

تأثير زيمان

وبطبيعة الحال، تشير دورات بروتونات الهيدروجين بشكل عشوائي في اتجاهات مختلفة، ولكن بمجرد وضعها في مجال مغناطيسي، يتغير كل شيء. إذا كان الأمر كذلك، فعندما ندخل البروتونات إلى مجال مغناطيسي، فإنها ستصطف بشكل موازٍ للمجال المغناطيسي، وبقدر متساوٍ (لكن ليس متساويًا تمامًا؛ سنشرح ذلك لاحقًا)، في اتجاهين:

1. في حالة موازية، أي في نفس اتجاه اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.
2. في حالة مضادة للتوازي، أي في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

من الأسهل على البروتونات أن تتعامل في حالة موازية للمجال المغناطيسي، مما يعني أنها تحتاج إلى طاقة أقل للوصول إلى هذه الحالة. ولهذا السبب يطلق عليها حالة الطاقة المنخفضة. ومن ناحية أخرى، فإن البروتونات التي تصطف في حالة عكسية موازية للمجال تكون في حالة طاقة عالية، مما يعني أنها تحتاج إلى المزيد من الطاقة للوصول إلى هذه الحالة. البروتونات، في معظمها، "لا تحب العمل بجد"، لذا فإن حالة الطاقة المنخفضة هي الأكثر تفضيلاً، ولهذا السبب نجد عددًا أكبر قليلاً من البروتونات في حالة موازية للمجال المغناطيسي، مقارنة بالحالة المضادة. - الموازي له.
وتسمى ظاهرة انقسام البروتونات إلى حالتين من الطاقة في وجود مجال مغناطيسي بتأثير زيمان، بينما يسمى فرق الطاقة بين الحالتين بفرق الطاقة. يمكن وصف النسبة بين مجموعتي البروتونات باستخدام توزيع بولتزمان.

 هناك حالات تستطيع فيها نوى ذرية معينة ترتيب نفسها في أكثر من حالتين. ويرتبط هذا بقيمتها الدورانية. النوى الذرية التي تبلغ قيمة دورانها 1/2، مثل نواة ذرة الهيدروجين، سوف ترتب نفسها في حالتين.

ما هي البروتونات التي تشارك في عملية الرنين المغناطيسي؟

إن سبينات البروتونات في الحالة المعاكسة للتوازي تلغي سبينات البروتونات في الحالة الموازية، باستثناء سبينات تلك البروتونات الزائدة. تسمى البروتونات الزائدة، التي تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي والتي لا يتم إلغاء دورانها بواسطة البروتونات المقابلة، بالسبينات المحاذية. المجال المغناطيسي المشترك الذي يقومون بإنشائه هو المجال المستخدم لإنشاء الرنين المغناطيسي.
تبدو كمية هذه البروتونات صغيرة؛ عندما نكون عند قوة مغناطيسية قدرها تسلا واحد، في ظل ظروف معينة، لكل مليون وسبعة بروتونات تصطف مع اتجاه المجال المغناطيسي، هناك مليون بروتون تصطف في الاتجاه المعاكس للمجال المغناطيسي. وبالتالي، لا يوجد سوى سبعة بروتونات زائدة، تدور بشكل متوازي، لإنتاج إشارة الرنين المغناطيسي. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه الملايين من البروتونات كثيرة جدًا، فإن كمية البروتونات الزائدة ليست صغيرة على الإطلاق.
إذا كنا لا نزال نريد زيادة عدد البروتونات الزائدة، فيمكن القيام بذلك بطريقتين:

1. خفض درجة الحرارة.
2. زيادة قوة المجال المغناطيسي الخارجي.

كلما خفضنا درجة الحرارة وزدنا قوة المجال المغناطيسي الخارجي، كلما زاد عدد البروتونات الزائدة لدينا. ومع ذلك، حتى لو واصلنا العمل في درجة حرارة الغرفة وبكثافة مغناطيسية ليست عالية، فسيظل لدينا الكثير من البروتونات الزائدة، والتي يمكننا استخدامها لاحقًا في الإشارة التي ستنبعث منها. تجدر الإشارة إلى أنه في ظل هذه الظروف، ستكون الطاقة الانتقالية منخفضة وسيكون تأثير الرنين المغناطيسي، أي الإشارة المنبعثة، ضعيفًا جدًا؛ ولذلك، هناك حاجة إلى مغناطيس قوي.

يمكنك قراءة المزيد من العينات المجانية عن فيزياء التصوير بالرنين المغناطيسي واختبارات وتطبيقات الماسح الضوئي والماضي والحاضر والمستقبل في هذا المجال، في كتاب "التصوير بالرنين المغناطيسي الدليل الكامل - لقاء الطب والفيزياء" على موقع الدليل، ومن حيث يمكن شراؤها أيضًا.