تصویربرداری تشدید مغناطیسی یا ام آر آی (MRI) برای پزشکان این امکان را فراهم می‌کند تا با استفاده از آهنربا و امواج رادیویی با جزئیات شگفت‌انگیزی درون بدن انسان را مشاهده کنند. اولین اسکنر ام آر آی که برای تصویر برداری از بدن انسان استفاده شد در سال 1977 در نیویورک ساخته شد. از آن زمان به بعد این فناوری پیشرفت زیادی کرده است و اکنون از MRI برای بررسی داخل بدن انسان به صورت مکرر استفاده می‌شود. مزیت دستگاه‌های MRI برخلاف دستگاه‌های تصویر برداری اشعه ایکس یا سی‌تی اسکن این است که اشعه‌ای به بدن داده نمی‌شود و به این دلیل است که استفاده از این روش تشخیصی بیش از پیش مورد توجه متخصصین قرار گرفته است.
در سالهای اخیر، تکنیکهای MRI بخصوص در زمینه تصویربرداری سطح بالا مانند 7 تسلا، 9 تسلا و یا حتی قدرت میدان بالاتر به سرعت پیشرفت کرده اند. توسعه تکنیک های MRI به بهبود عملکرد همراه در سخت افزار سیستم نیاز دارد که عمدتا شامل آهنربا اصلی (مگنت)، سیم پیچ گرادیان و سیم پیچ فرکانس رادیویی (RF) است. در این قسمت قصد داریم تا سخت افزار اصلی تشکیل دهنده یک دستگاه ام آر آی را شرح دهیم. دستگاه ام آر آی MRI System را به طور کلی میتوان به قسمتهای زیر تقسیم بندی نمود:
سیستم های آهنربای MRI های اولیه عمدتا از ساختارهای فرومغناطیسی استفاده می کردند. استفاده از حجم زیادی از ماده فرومغناطیسی باعث می شود وزن و اندازه سیستم نسبتاً زیاد باشد و هزینه نصب سیستم نیز بسیار بالا برود. با توسعه روزافزون فن آوری های مربوط به تولید آهنرباهای بهینه، ساختار محافظ فعال (Active Shield) با موفقیت برای سیستم آهنربای میدان قوی ساخته شده است، که به اندازه 5 خط گاوس، دامنه را کاهش می دهد. به طور کلی، آهنربای ابررسانا از سیم پیچ های الکتریکی و سیم پیچ محافظت شده متعددی تشکیل شده است. سیم پیچ الکتریکی داخلی، به طور کلی از طریق جریان، سیم پیچ اولیه نامیده می شود.
سیم پیچ الکتریکی بیرونی، از طریق جریان معکوس، سیم پیچ محافظ نامیده می شود. دستیابی به میدان مغناطیسی بالا با استفاده از ترکیبی از هسته آهنی و سیم پیچ ابررسانا آسان است. اما نگه داشتن این سیستم آهنربای ابررسانا نیازمند دمای صفر کلوین است یعنی 273- سانتی گراد!!! تنها راه برای این که به این دما در طبیعت برسیم، بایستی از هلیوم مایع استفاده کنیم. این سیستم برودتی برای نگه داشتن سیم ابررسانا در محیط برودتی و اطمینان از عملکرد ایمن آهنربای ابررسانا استفاده می شود.
مجموعه سیم پیچ گرادیان یا گرادیان کویل –Gradient Coil- یک جز مهم در یک دستگاه MRI استاندارد است که زمینه های مغناطیسی شیب خطی را تولید می کند که روی یک میدان مغناطیسی یکنواخت قوی قرار می گیرند. میدان مغناطیسی یکنواخت توسط یک آهنربا اصلی تولید می شود که با جهت ترجیح پروتون همسو می شود. میدان مغناطیسی شیب دار فوقانی اندکی فرکانس یا فاز ترجیح پروتون را تغییر می دهد، بنابراین اطلاعات مکانی یک جسم تصویر شده را در فرکانس مرتبط با موقعیت در فضا رمزگذاری می کند.
به طور کلی، گرادیان میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های گرادیان لازم است تا آنجا که ممکن است خطی باشد، و یک سیم پیچ گرادیان با طراحی مناسب نیز باید دارای القا کم، مقاومت کم، بازده بالا باشد. این امر مخصوصاً در تصویربرداری کیفیت بالا و تصویربرداری سریع ضروری است زیرا همه پارامترهای سیم پیچ باید بسیار بهینه شوند.
سیم پیچ های گرادیان سه محوره توسط رزین اپوکسی در یک مجموعه گرادیان محصور شده فیکس می شوند ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. در یک مونتاژ گرادیان یکپارچه، دستگاه های خنک کننده و یک سینی شیم (shim) نیز نصب شده است. رزین اپوکسی سخت تا حد زیادی مانع از ارتعاش سیم پیچ های گرادیان می شود، که از پیچ خوردگی و تغییر شکل سیم پیچ های گرادیان تحت نیروی قوی لورنتس جلوگیری می کند.در یک مجموعه گرادیان، سه سیم پیچ گرادیان وجود دارد که کویل های x، y و z نامیده می شوند. شکل زیر مجموعه ای از سیم پیچ های شیب دار محافظ فعال را نشان می دهد (در اینجا سیم پیچ گرادیان محافظ فعال یک الگوی سیم پیچ است که شامل هر دو سیم پیچ اولیه و سیم پیچ محافظ است). رنگ های قرمز و آبی سیم پیچ های گرادیان را نشان می دهد که جریان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت جریان دارد.
کویل RF از مولفه های اصلی سیستم MRI است که به عنوان فرستنده و همچنین گیرنده در شکل گیری تصاویر نهایی عمل می کند. انواع مختلف سیم پیچ RF وجود دارد. تفاوت بین سیم پیچ ها در قسمت های مختلف بدن انسان و قدرت های مختلف میدان است.
می توان کلیه کویل ها را در ام ار ای به دو دسته تقسیم بندی کرد. کویل سطح و کویل حجم. برای کویل های سطح، که شکل آن معمولاً یک دایره است، که ساخت کویل را تسهیل می کند. کویل های سطحی غالباً به عنوان گیرنده استفاده می شوند، دلیل این امر این است که میدانی که تولید می کنند ناهمگن است و این امر به ضرر فرآیند تصویربرداری است. اما نسبت سیگنال به نویز (SNR) کویل های سطحی بالاتر از کویل های حجمی است.
این امر تا حدی به این دلیل است که کویل های سطح معمولا می توانند نزدیک به منطقه تصویربرداری واقع شود. امروزه از کویل های سطحی به صورت تنها برای دریافت سیگنال استفاده نمی شود. بلکه از یک دسته کویل سطح، که ما آن را آرایه حلقه می نامیم، برای عملکرد بهتر دریافت و همچنین انتقال استفاده می شود. تصویری از کویل سطح در شکل زیرنشان داده شده است.
نوع دیگر سیم پیچ RF یا RF Coil ، کویل حجم است و محبوب ترین کویل حجمی کویل قفس پرنده است که در شکل زیر نشان داده شده است. یک ویژگی برجسته از کویل قفس پرنده، استراتژی های تحریک چهارگوشه ای آن به لحاظ مکانی و زمانی است. فن آوری متمایز تحریک، یک میدان قطبی دایره ای ایجاد می کند، که می تواند منجر به یک میدان B1 بسیار یکنواخت شود.
یک کویل حجم دیگر به نام کویل TEM ممکن است در MRI فوق العاده زیاد استفاده شود همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. TEM عمومی ترین اصطلاح برای “خط انتقال” است و می توان آن را از طریق انواع مدار مانند خطوط کواکسیال، خطوط نوار، نوارهای میکرو یا راهنماهای موج تحقق بخشید.
ر کویل های قفس پرنده، حلقه های انتهایی “مسیر بازگشت” جریان روی پله ها را تشکیل می دهند. اما در فرکانس های بالا، حلقه های انتهایی می توانند مشکل ساز شوند. القا و فرکانس تشدید کویل های پرنده با اندازه حلقه های انتهایی محدود می شود. و حلقه های انتهایی مربوط به قطر سیم پیچ است.
میدان مغناطیسی تولید شده توسط حلقه های انتهایی همراه با میدان B0 است که برای تحریک هسته غیرمولد است. بنابراین، در کویل های TEM، حلقه های انتهایی توسط سپر جایگزین می شوند تا به عنوان مسیر بازگشت عمل کنند. نیروی القایی و فرکانس تشدید کویل TEM مستقل از قطر سیم پیچ است. یک کویل TEM می تواند به قطر دلخواه ساخته شود، بدون تأثیر بر فرکانس. بنابراین، استفاده از آن در تصویربرداری فوق العاده انعطاف پذیر است. کویل TEM را می توان به عنوان یک آرایه سلفی متشکل از عناصر خط انتقال در نظر گرفت. امپدانس هر عنصر می تواند به صورت جداگانه اصلاح شود. راکتانس بین هر عنصر را می توان برای دستیابی به کاربردهای تصویربرداری موازی کنترل کرد.
به جرات می توان گفت که اهمیت مبحث کولینگ و خنک سازی در دستگاه ام ار ای از تمام دستگاه های تصویربرداری دیگر بیشتر است. فرآیند خنک سازی دستگاه ام ار آی به سه بخش تقسیم می شود. در بخش وال، همانطور که قبلا گفته شد، داخل دستگاه ام ار آی هلیوم مایع با دمای بسیار پایین وجود دارد. پس برای نگه داشت هلیوم در این دما یک تکنیک بسیار دقیق مورد نیاز است.
این تکنیک به سردسازی پیوسته یا re-condensing مشهور است. اما این تنها بخشی از فرایند خنک سازی ام ار ای است. بخش مهم دیگر آن خنک سازی گرادیان است. بخش سوم خنک سازی، خنک سازی فضا ها و قطعات مختلف بیرونی دستگاه می باشد. ما در ادامه به معرفی اجمالی هریک از این بخش ها می پردازیم.
تمام دستگاه های تصویربرداری MRI حاوی سیم پیچ های مغناطیسی ابررسانا هستند. این سیم پیچ ها باید برای افزایش خواص ابررسانایی در آلیاژهای فلزی تا حدود 273- درجه سانتیگراد سرد شوند. دمای پایین خنک سازی با گردش هلیوم مایع در اطراف سیم پیچ های مغناطیسی حاصل می شود.
یک دستگاه تصویربرداری MRI با اندازه متوسط تقریباً 1700 لیتر هلیوم دارد. از دستگاه مکانیکی موسوم به “کلد هد یا Cold Head” برای به حداقل رساندن از دست دادن هلیوم استفاده می شود. دستگاه پس از تماس با آهن ربا دوباره هلیوم گازی را به حالت مایع متراکم می کند. در اصل نگه داشت دمای بسیار پایین با استفاده از کاهش شدید فشار رخ می دهد.
در طول یک اسکن ام ار ای، دیواره های حفره داخلی دستگاه MR به طور چشمگیری گرم می شوند. این گرمایش در درجه اول توسط جریان های گردابی و گرمایش مقاومتی هنگام عبور جریان از شیب های (گرادیان ها) تصویربرداری ایجاد می شود.
سیم پیچ های گرادیان توسط تقویت کننده های قدرتمند مدولار عرض پالس (PWM) واقع در اتاق تکنیک، می شوند. برای برنامه های تصویربرداری مختلف، رسیدن به حداکثر ولتاژهای تغذیه سیم پیچ به 2500 ولت و جریان های بیش از 1000 آمپر خیلی دور از انتظار نیست. در نتیجه این گرمای گرادیان شدید ایجاد می شود، حداکثر دمای سیم پیچ داخلی به 55-60 درجه سانتی گراد می رسد. بنابراین طراحی خنک کننده گرادیان برای دستگاه های با گنتری پهن (70 سانتی متر) امروز چالش برانگیزتر است.
امروزه تمامی دستگاه های ام ار ای مدرن از نوعی خنک کننده سیال برای کاهش دمای گرادیان استفاده می کنند. این امر به طور کلی با گردش آب غیر یونیزه یا محلول اتیلن گلیکول از پمپ تبادل گرما (“چیلر”) واقع در اتاق تجهیزات مجاور دستگاه حاصل می شود. آب از طریق لوله ها یا کانال ها در ارتباط نزدیک با سیم پیچ های گرادیان جریان دارد همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است. برخی از دستگاه ها علاوه بر این، شامل خنک ساز هوای مجاورگرادیان نیز هستند.
به منظور خنک سازی و کاهش دمای کارآمدتر در گرادیان ها طراحی پوسته هایی که سیم پیچ های گرادیان روی آن قرار میگیرند، نیز بسیار تاثیر گذار است. این پوسته ها امروزه بیشتر از مواد سرامیکی آلومینا با خاصیت هدایت حرارتی کاملاً برتر نسبت به کامپوزیت های فایبرگلاس پلاستیک قدیمی ساخته می شوند.
علاوه بر گرم شدن گرادیان ها، گرما از طریق حرارت تولیدی از جریان محافظ مدار RF نیز حاصل می شود. سپر RF بین گرادیان و سیم پیچ RF قرار دارد و در هنگام انتقال RF برای جدا کردن این دو قسمت استفاده می شود. محافظ RF نزدیک سیم پیچ نازک RF است و بنابراین در نزدیکی دیواره داخلی پلاستیک گنتری قرار دارد. بنابراین باید مراقب بود که بیماران با وزن و سایز زیاد دیواره داخلی گنتری دستگاه را لمس نکنند، زیرا به ندرت سوختگی در بیماران زمانی که بدن بیمار بخشی از حلقه جریان گردابی را لمس کرده، رخ داده است.
علاوه بر کنترل دمای محیط اطراف دستگاه MRI، در طی کار دستگاه باید گرما از چندین فرآیند دیگر نیز حذف شود. این فرآیندها شامل:
– کمپرسور هلیوم برای فشرده سازی هلیوم گازی قبل از گردش مجدد آهنربا MRI استفاده می شود. برای حفظ کارایی مدار هلیوم باید بار حرارتی از خود موتور این کمپرسور نیزبرداشته شود. یعنی یک مسیر خنک کاری برای خنک کردن موتور کمپرسور هلیوم دستگاه ام ار ای نیاز است.
– کابینت ها و تقویت کننده های RF گرمای الکتریکی تولید می کنند که برای محافظت از تجهیزات در برابر خرابی های مربوط به گرما، باید آنها را از بین برد.
– خنک سازی مستقیم در اطراف سیم پیچ های مغناطیسی برای از بین بردن گرمای محیط و بهبود کارایی خنک سازی آهنربا استفاده می شود (با کنترل HVAC دمای اتاق)
ام آر آی بدون استفاده از هرگونه اشعه یونیزه انجام می‌شود و بنابراین بیمار در معرض اثرات مضر تابش یونیزه قرار نمی‌گیرد. با این همه در حالی که هیچ خطر شناخته شده‌ای برای سلامتی فرد در اثر قرار گرفتن موقت در محیط ام آر آی وجود ندارد محیط MR شامل یک میدان مغناطیسی استاتیک قوی که با گذشت زمان تغییر می‌کند (گرادیان میدان پالس تولید شده) و انرژی حاصل از فرکانس رادیویی است که هر کدام دارای نکات ایمنی خاصی هستند و لازم است موارد زیر در روند تشخیص با دستگاه MRI رعایت شود:
دستگاه MRI ترکیبی از آهنربا، فرستنده رادیویی و گیرنده قوی است. در فرآیند تصویربرداری ام آر آی جریان الکتریکی از طریق سیم‌پیچ ارسال می‌شود. سوئیچینگ یا روشن و خاموش شدن جریان سبب می‌شود که سیم‌پیچ‌ها با صدای بلند کلیک منبسط شوند. صداها بسته به نوع دنباله‌های مورد استفاده در دستگاه MRI متفاوت هستند و برخی از آنها بلندتر از بقیه هستند.
منظور از دنباله در ام آر آی یک تنظیم مشخص از توالی پالس و گرادیان پالس در دستگاه است که منجر به تولید تصویر خاص در ام آر آی می‌شود.
در حالی که سر و صدا با روشن و خاموش شدن جریان تولید می‌شود باید این نکته را به خاطر داشته باشید که آهنربا همیشه روشن است. در حقیقت آهنربای اصلی همیشه روشن است و به همین دلیل هرکسی که می‌خواهد وارد اتاق اسکن شود باید از نظر همراه داشتن وسایل آهنی چک شود تا به فرد و دستگاه آسیبی وارد نشود. همچنین تمام تجهیزات مورد استفاده در محیط MRI غیرآهنی است.
در روز MRI می‌توانید مثل همیشه غذا بخورید، بنوشید و هر دارویی را مصرف کنید مگر اینکه چیزی غیر از این موضوع از طرف پزشک به شما سفارش شده باشد.
در برخی موارد ممکن است از شما خواسته شود که حداکثر 4 ساعت قبل از ام ار ای چیزی نخورید و ننوشید و گاهی ممکن است از شما خواسته شود که مقدار نسبتاً زیادی آب بنوشید. این موضوع بستگی دارد به بافتی که قرار است مورد بررسی قرار گیرد.
همچنین هنگامی که به کلینیک یا مرکز تصویربرداری می‌روید معمولاً از شما خواسته می‌شود که یک پرسشنامه درباره سلامتی و سابقه پزشکی خود پر کنید. این موضوع به کادر پزشکی کمک می‌کند تا اطمینان حاصل کنند که MRI شما در امنیت کامل انجام می‌شود.