أجهزة طبية

فكرة عمل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي MRI

روابط إعلانية

NMR
جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي MRI

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي هو جهاز تصوير مثل جهاز اشعة اكس او جهاز CT ولكن يستخدم المجال المغناطيسي وامواج الراديو للحصول على الصور دقيقة وتفصيلية وثلاثية الابعاد تمكن الطبيب من رؤية الأجزاء الداخلية لجسم الانسان من عظام ومفاصل والدم وخصوصا الانسجة الرقيقة مثل الدماغ بدون استخدام لاشعة اكس أو الحقن بالاصباغ لتعزيز التباين، ومن خلاله يمكن اكتشاف التغيرات التي قد تطرأ على بعض أعضاء الجسم نتيجة لمرض ما وذلك بالمقارنة مع الأعضاء السليمة.  وقد جاء اكتشاف هذا الجهاز في الثالث من يوليو عام 1977، حيث اعتبر حدثاً مذهلاً في عالم الطب الحديث.  حيث في ذلك التاريخ تم إجراء أول فحص باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي وقد استغرقت عملية التصوير اكثر من 5 ساعات ولم تكن تلك الصورة واضحة المقارنة بتلك التي نحصل عليها في ايامنا هذه.  ويرجع التطور في تكنولوجيا التصوير بالرنين المغناطيسي إلى جهود سبع سنوات للعلماء ريموند دامادين ولاري مانكوف ومايكل جولدسميث.  وقد اطلقوا على هذا الجهاز اسم Indomitable في بداية الأمر والذي يعني القوي للدلالة على الجهود المضنية التي بذلوها على مدار السبع سنوات من العمل والبحث لجعل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي حقيقة بعد ان كان مجرد فكرة.

التصوير بالرنين المغناطيسي هي تكنولوجيا معقدة وتعرف باسم MRI وهي اختصار للجملة Magnetic Resonance Imaging والتي في الحقيقة تعتمد على الظاهرة الفيزيائية المعروفة بالرنين المغناطيسي النووي والتي من الأجدر ان يكون اسم الجهاز الرنين المغناطيسي النووي ويختصر NMRI ولكن نظراً للواقع الكلمة النووي على المريض او المستمع فإن العلماء فضلوا الاكتفاء بالاسم MRI،  وفي هذه المقالة سوف نتعرف على فكرة عمل هذا الجهاز المتطور وماذا يحدث لجسم الانسان عندما يوجد في داخل هذا الجهاز؟ وماذا نرى بواسطته؟ ولماذا يجب على الشخص ان يبقى ساكنا طوال وقت مكوثه داخل الجهاز اثناء الفحص؟  هذه الاسئلة وغيرها الكثير سنحاول الاجابة عنها في هذه المقالة.

الفكرة والاساس

يبلغ طول جهاز التصوير بالزنين المغناطيسي (MRI) 3 أمتار وطوله 2 متر وارتفاعه 2 متر كما يحتوي على انبوبة افقية تمتد خلال مغناطيس، يستلقي المريض على ظهره على سرير خاص يمر ببطء من خلال الأنبوبة داخل المغناطيس.  وليس بالضروري ان يتم ادخال جسم المريض بالكامل داخل التجويف المغناطيسي وانما يعتمد ذلك على نوع الفحص المطلوب، وتختلف أجهزة MRIبالحجم والشكل حسب الجزء من الجسم المراد فحصه وتصويره حيث يتطلب وجود ذلك الجزء من الجسم في مركز التجويف المغناطيسي.

بالاضافة إلى وجود المغناطيس والذي سنتعرف لاحقا على دوره في جهاز MRI فإن مصدراً لأمواج الراديو يستخدم كمصدر لتوليد نبضات من الطاقة.  يقوم جهاز MRI بتصوير ادق التفاصيل في داخل جسم المريض بدقة نصف مليمتر ليكون صور ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد.

جهاز MRI يمكن الطبيب مشاهدة وفحص داخل جسم الانسان بدقة عالية بالمقارنة باجهزة التصوير الطبية المعروفة الأخرى.  حيث انه لا يترك اي تفاصيل الا ووفرها وبالتالي لا حاجة لاستخدام اجهزة تصوير اخرى اذا حصلنا على صورة بجهاز MRI كما أنه بتعديل بعض العوامل اثناء الفحص فإن جهاز MRI يسبب تغير في جلد الانسان مما ينتج عنه صور مختلفة تمكن الطبيب من استنتاج ما إذا كان ذلك طبيعيا أو غير ذلك. كما يمكن ان يتم تصوير تدفق الدم في كل جسم الانسان حتى في ادق الشعيرات الدموية مما يسمح بانجاز الدراسات على انظمة واجهزة الانسان الرئيسية كما تددر الاشارة إلى انه ليس بالضرورة حقن المريض بمادة التباين التي تستخدم في اجهزة التصوير الأخرى.

روابط إعلانية

المجال المغناطيسي

لمعرفة كيف يعمل جهاز MRI يجب ان نركز اولاً على المجال المغناطيسي المستخدم في الجهاز والذي يحتوي اسمه على كلمة مغناطيسي، فمصدر المجال المغناطيسي والذي سنتحدث عنه بعد قليل هو العنصر الرئيسي للجهاز ويشكل اكبر جزء فيه تركيبه.  وتصل شدة المجال المغناصيسي المستخدم في الجهاز ما يزيد عن 2 تسلا، والتسلا هي وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي والتي تساوي 10000 جاوس وللمعرفة تبلغ شدة المجال المغناطيسي للأرض 0.5 جاوس وهذا دلالة على ضخامة المجال المغناطيسي المستخدم في جهاز NMR.

ونظرا لارتفاع شدة المجال المغناطيسي المستخدم في جهاز MRI فإن الكثير من الاحتياطات التي يجب اخذها في عين الاعتبار قبل تشغيل الجهاز فهذا المجال قادرا على جذب القطع الحديدية مثل الدبابيس والمفاتيح والاقلام وادوات الطبيب الحديدية مثل المقص والمشرط وغيره من الادوات الصغيرة مما تجعلها تندفع في اتجاه المجال المغناطيسي بقوة كبيرة مثل الرصاصة في اتجاه التجويف المغناطيسي حيث يفترض وجود المريض المراد تصويره واذا اصطدمت تلك الاشياء باحد فإنها وبلا شك ستؤذيه، كما ان هذا المجال سيفسد بطاقات الاتمان واقراص الكمبيوتر المغناطيسية ويمحي كل البيانات التي عليها.

ولذلك قبل ادخال المريض والمختصين الى غرفة الجهاز فإنه يتم اجراء فحص دقيق للتخلص من الأشياء المعدنية التي قد يحملها المريض اما الاشخاص الذين زرعت في اجسامهم قطع معدنية لتثبيت العظام فإنه يسمح لهم استخدام الجهاز لان تلك القطع اصبحت ثابتة ولا يمكن ان تتحرك تحت تأثير المجال المغناطيسي وخاصة اذا مر عليها مدة تزيد عن 6 اسابيع واذا وجد نتيجة الفحص احتواء الجسم على اية معادن قابلة للحركة لايسمح للمريض بالتصوير بجهاز MRI ويتم تحويله الى وسيلة تصوير اخرى مثل CAT.

صور للدماغ باستخدام جهاز MRI لاعمار مختلفة حيث على اليسار لعمر 25 عام والوسط 86 عام واليمين 78 عام لدماغ شخص مصاب بمرض Alzheimer.

كذلك لا يسمح للمرأة الحامل باستخدام الجهاز لأنه لحتى الأن لم تجري بحوث على تأثير المجال المغناطيسي على الجنين ويخشى من تأثر خلايا الجنين بالمجال المغناطيسي وخصوصا وانها تكون في طور الانقسام والنمو.

روابط إعلانية

أجزاء جهاز MRI

ذكرنا في المقدمة أن المغناطيس يعد الجزء الرئيسي للجهاز وبه تجويف لادخال المريض داخله كما يتضح في الصورة وهناك ثلاث انواع من المغناطيسات التي يمكن استخدامها في اجهزة MRI.

صورة MRI لدماغ شخص مصاب بالسرطان في الدماغ

أنواع المغناطيس المستخدم

(1) المغناطيس الكهربي: ويحتوي على العديد من لفات من سلك حول اسطوانة فارغة ويمرر بالسلك تيار كهربي مما يعمل على توليد مجال مغناطيسي طالما استمر مرور التيار الكهربي في السلك. يتميز هذا النوع من المغاطيس بقلة تكلفته بالمقارنة بالمغناطيس المصنع من المواد فائقة التوصيل المستخدم في النوع الثالث ولكن يحتاج هذا المغناطيس إلى تيار كهربي كبير تصل قدرته إلى 50,000 وات نظراً لمقاومته المرتفعة نسبياً وهذا يجعل تكاليف التشغيل باهظة جدا وخصوصا أذا تطلب الامر الوصول إلى مجال مغناطيسي شدته 0.3 تسلا.

(2) المغناطيس الدائم: وهو ينتج مجال مغناطيسي طوال الوقت مما يعنى تكلفة تشغيل قليلة ولكن المشكلة تكمن في حجم المغناطيس ووزنه والذي يصل إلى اكثر من 7 طن لتوليد مجال مغناطيسي شدته 0.4 تسلا وهذا سبب في صعوبة تصنيعه واستخدامه.

(3) المغناطيس الفائق: وهو المغناطيس المستخدم عادة في اجهزة MRI ويستخدم مواد فائقة التوصيل لعمل ملف اسطواني حول اسطوانة كما في المغناطس الكهربي ولكن هنا التيار الكهربي اللازم اقل كثير من السابق وذلك لان مقاومة هذه الأسلاك معدومة.  وهذا النوع من الاسلاك الفائقة التوصيل تعمل عند درجات منخفضة جدا قريبة من الصفر المطلق وذلك من خلال تبريدها بسائل الهيليوم الذي تكون درجة حرارته 452.4 درجة مئوية تحت الصفر.  والمريض داخل المغناطيس لن يشعر بهذه البرودة القارصة لان المعناطيس معزول ومفرغ من الهواء ايضاً.  وبهذه الطريقة يمكن الوصول إلى مجال مغناطيسي بشدة 2 تسلا او اكثر ولكن المواد فائقة التوصيل مكلفة جداً وعملية التبريد المستمر بالهيليوم السائل مكلفة ايضاً

ولكن بالرغم من التكليف الباهظة يعتبر هذا النوع من المغناطسات الانسب والافضل للوصول الى 2 تسلا والذي يعني صور في غاية الوضوح والدقة.

قد تتسائل الان ما علاقة المجال المغناطيسي بالتصوير ووضوحه؟ وهذا ما سنجيب عنه ولكن بعد ان نكمل الشرح عن باقي اجزاء الجهاز.  المغناطيس يجعل الجهاز ثقيل جداً فانماذج القديمة منه كان وزنها يصل إلى 8000 كيلو جرام في حين ان الاجهزة الحديثة والمطورة وصل وزنها إلى 4500 كيلو جرام والجدير بالذكر ان ثمن الجهاز يزيد عن المليون دولار.

اذا الجزء الرئيسي من تركيب الجهاز هو المغناطيس الضخم الذي يولد مجالاً مغناطيسياً منتظماً. ولكن هناك نوع اخر من المغناطيس ويعتبر الجزء الثاني من تركيب الجهاز وهو مغناطيس يولد مجالاً مغناطيسيا متزايد بحيث شدته تتغير من 180 جاوس إلى 270 جاوس وهذا لا شك مجال مغناطسي صغير جداً بالمقارنة بما تحدثنا عنه في السابق ولاحقا سيتم شرح وظيفة ودور المجال المغناطيسي المنتظم والمتزايد.

صور MRI للاعضاء الداخلية لجسم الانسان

بينما يقوم المجال المغناطيسي المنتظم بغمر كامل جسم المريض فإن المغناطيس الثاني يعمل على توليد مجال مغناطيسي متغير.

اما الجزء الثالث من تركيب الجهاز هو مولد امواج الراديو التي تخترق جسم المريض عند اجراء التصوير. والشكل التالي يوضح الاجزاء الرئيسية لتركيب جهاز MRI والاجهزة الالكترونية المتحكمة في تشغيله.

مخطط للاجزاء الرئيسية لتركيب جهاز MRI والاجهزة الالكترونية المتحكمة في تشغيله

 

في الجزء الأول من هذا الموضوع حول جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي MRI شرحنا الاجزاء الرئيسية التي يتكون منها الجهاز وهي المغناطيس الدائم والذي يولد مجال مغناطيسي منتظم بقوة 2 تسلا والذي يكون من نوع المغناطيسيات المستخدمة للمواد فائقة التوصيل وهناك مغناطيس اخر لتوليد مجال مغناطيسي متغير والجزء الثالث هو جهاز توليد أمواج الراديو.

في هذا الجزء من المقال سوف نقوم بشرح كيف تعمل هذه الأجزاء مع بعضها البعض لتعطي الصور التي يستخدمها الطبيب في التشخيص للتأكد من سلامة المريض أو اصابته بمرض ما لا سمح الله.

كيف نحصل على الصور باستخدام MRI

 نعلم ان أية مادة ومنها جسم الانسان يتكون من بلايين الذرات المختلفة، ونواة هذه الذرات تتحرك حركة دورانية حول محور كما في الشكل الموضح ادناه حيث تشكل هذه الحركة شكل مخروط حول محور الدوران.

 

شكل يوضح ذرة الهيدروجين في حركة دورانية حول المجال المغناطيسي

ولنتخيل ان هذه البلايين من الانوية عشوائية في حركتها حيث ان كل نواة تتحرك حول محورها بصورة متسقلة عن النواة الأخرى، وكما نعلم ان الجسم مكون من مواد مختلفة وبالتالي من ذرات مختلفة ولكن جهاز MRI سيركز فقط علي ذرة الهيدروجين حيث انها الذرة المثالية لان النواة تحتوي على بروتون واحد وله عزم مغناطيسي كبير نسبياً وهذا يعني انه عندما تتعرض ذرة الهيدروجين إلى مجال مغناطيسي خارجي فإنها سوف تتأثر به بحيث يصبح اتجاه العزم المغناطيسي في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي او في عكسه. كما يحدث للابرة المغناطيسية في مجال مغناطيسي حيث تدور حول محورها وتستقر في النهاية في اتجاه المجال المغناطيسي كما يمكن اجبارها على ان تستقر في عكس اتجاه المجال المغناطيسي.

المجال المغناطيسي الكبير (2 تسلا) والموجه في اتجاه محور التجويف الذي يكون المريض بداخله في جهاز MRI.  وبالتالي فإن بروتونات ذرة الهيدروجين المكونة لجسم المريض سوف تتأثر بالمجال المغناطيسي وتترتب كما شرحنا سابقا بحيث يكون اتجاه عزمها المغناطيسي اما في اتجاه القدمين او في اتجاه الرأس.  ولهذا فإن اغلب هذه العزوم سوف تلغي بعضها البعض ولكن ليس كل العزوم تلغي بعضها البعض فقد تبقى بعض العزوم مفردة وتقدر نسبة هذه البروتونات التي تبقى مفردة ببروتون واحد لكل مليون بروتون، وقد يبدو هذا العدد قليل ولكن هذا يكفي لتكوين الصور المطلوبة وبدقة عالية.

كل بروتونات ذرة الهيدروجين تترتب في اتجاه المجال أو في عكس اتجاه المجال ولا يمكن ان يكون هناك ترتيب اخر.  العدد الأعظم من تلك البوترونات عزومها المغناطيسية تلغي بعضها البعض ولا يبقى إلا القليل كما في الشكل البروتون المميز باللون الأحمر فلا يوجد بروتون اخر بعكس اتجاهه ليلاشي عزمه المغناطيسي.

وظيفة امواج الراديو

يتم توجيه امواج الرديو على شكل نبضات على الجزء المراد فحصه من جسم الانسان بتردد مناسب لذرة الهيدروجين فقط وتستجيب له فقط البروتتونات المفردة التي ذكرناها من قبل وهذا الجزء يسمى الرنين resonance حيث تجعل نبضات امواج الراديو تلك البروتونات تأخذ اتجاه محدد وتدور بتردد يسمى تردد لارمور Larmour frequency وهو تردد الرنين لان تردد امواج الراديو تم اختيارها في مدى استجابة بروتونات ذرة الهيدروجين.

صورة لدماغ انسان باستخدام MRI وتوضح التباين العالي والوضوح مقارنة بصورة جهاز CT

 

يتم توليد امواج الراديو باستخدام ملفات مشكلة بأشكال خاصة حسب العضو المراد فحصه وللمتخصصين يمكنهم الاطلاع على اشكالها في الكتاب المشار له في المراجع (المرجع الأول).  والآن يأتي دور المجال المغناطيسي المتغير الذي يكون داخل المجال المغناطيسي المنتظم والذي تحدثنا عنه من قبل في اجزاء جهاز MRI ووظيفة هذا المجال المغناطيسي المتغير هو اختيار الجزء المراد تصويره بدقة عن طريق تشريحه إلى مقاطع رقيقة لتكوين الصور المجسمة.  وذلك دون الحاجة إلى تحريك الجهاز لتصوير الجسم من مختلف الاتجاهات كما يحدث في جهاز الاشعة المقطعية CT.

عندما تتوقف امواج الراديو فإن بروتونات ذرات الهيدروجين التي تأثرت بأمواج الراديو تعود إلى وضعها الأصلي قبل تشغيل نبضات امواج الراديو محررة الطاقة التي اكتسبتها، يتم التقاط هذه الطاقة بواسطة ملف توليد امواج الراديو وترسل إلى الكمبيوتر الذي يقوم بتحليلها باستخدام معادلات رياضية تعرف باسم تحويلات فورير Fourier transform وهكذا تتم ترجمتها إلى صورة.

 

إذا نستنتج من ذلك ما يلي

  1. المجال المغناطيسي المنتظم يعمل على ترتيب العزوم المغناطيسية لبروتونات ذرات الهيدروجين.
  2. امواج الراديو تعمل على التأثير على عزوم بروتونات ذرات الهيدروجين المفردة.
  3. المجال المغناطيسي المتغير يعمل على تقسيم الجزء المحدد من الجسم إلى شرائح رقيقة ليتمكن الطبيب من دراسة وفحص وتصوير المقطع الذي يريد من جسم الانسان.

مخطط توضيحي لمكونات جهاز التصوير باستخدام الرنين المغناطيسي MRI

 

 الحصول على الصور

كما في التصوير باشعة اكس او التصوير بالاشع المقطعية فإنه يتم حقن المريض بمادة لزيادة التباين الذي تعمل على توضيح الجزء المراد تصويره في الجسم وتميزه عن الأعضاء المجاورة كذلك هو نفس الحال في حالة التصوير بجهاز الرنين المغناطيسي ولكن المادة المستخدمة في هذه الحالة تختلف، حيث ان المادة المستخدمة في حالة التصوير باشعة اكس او الاشعة المقطعية التي تستخدم اشعة اكس ايضا فإن المادة المستخدمة تتأين اذا تعرضت لاشعة اكس مما يعني انها سوف توقف اشعة اكس من النفاذ من ذلك العضو الذي يحتوي على مادة التباين.  وبهذا نحصل على صورة لذلك العضو عن طريق الظل الذي تم تصويره. ولكن مادة التباين المستخدمة في الرنين المغناطيسي لها وظيفة مختلفة تماماً، فهي تعمل على تغير المجال المغناطيسي الموضعي للانسجة التي تفحص، وتصبح استجابة الانسجة الطبيعية مختلف عن الانسجة المصابة بمرض مما تعطي نتائج مختلفة.

 

مزايا جهاز MRI

يعتبر جهاز MRI من الاجهزة القيمة والمفيدة جداً للطبيب حيث تمكنه من رؤية داخل جسم الانسان بوضوح أكثر من تلك التي نحصل عليها من جهزة التشخيص الأخرى، ويستخدم هذا الجهاز في تشخيص الاصابة بالسرطان وكذلك الاصابة في الدماغ وفي المفاصل وفي العمود الفقري، كما يستخدم لاكتشاف الاصابة في الكتفين وفي الرسغ وفي الركبة والكوع ويمكن ان يتم حساب وتقدير كتلة الانسجة في الجسم. هذا بالاضافة الى المزايا الاخرى التي تجبر الطبيب على تفضيل استخدام هذا الجهاز.  كما ان جهاز MRI لايعتمد على أشعة مؤينة مما يعطي المريض الشعور بالاطمئنان ومادة التباين المستخدمة لا يوجد لها اثار جانبية تذكر كما في حالة جهاز CT.  كما يجدر الاشارة انه من مزايا جهاز MRIهو امكانية تصوير أي مستوى أو مقطع من جسم الانسان وبأي أتجاه وهذا يميز جهاز MRI عن جهاز CT الذي يقوم بتصوير مقاطع من الجسم في اتجاه واحد حسب موضع الجسم بالنسبة للجهاز اما في جهاز MRI فإن كل المقاطع تصور في كل الاتجاهات بدون حركة الجسم وبدون حركة الجهاز ايضاً.

 

عيوب جهاز MRI

بالرغم من الفوائد الجمة التي نحصل عليها من جهاز MRI إلا أنه يصاحبه بعض العيوب البسيطة والتي تتلخص في عدم امكانية تصوير الأشخاص ذوي الحجم الضخم وكذلك اذا وجد في الجسم مرابط معدنية، كما انه اذا وجد بطريق الخطء اي قطعة معدنية مثل مقص او مفك فإن الصور تتشوه جداً هذا بالاضافة الى ان الجهاز يصدر صوتا مزعجاً اثناء عمله بسبب التيار المستخدم لتوليد المجال المعناطيسي المتغير وكلما ازداد المجال المغناطيسي كلما ازداد الصوت الصادر وغالبا ما ينصح المريض بوضع مادة شمعية في اذنيه لتجنب سماع هذا الصوت أو الاستماع إلى الموسيقى.  كما ان المريض يجب ان يبقى ساكناً طوال مدة التصوير والتي تستغرق 20 دقيقة وقد تصل إلى 90 دقيقة واي حركة قد تسبب تشويه للصورة الناتجة. كما أن أجهزة MRI باهظة الثمن والفحص مكلف جداً

 

تطورات مستقبلية متوقع لجهاز MRI

تعد اجهزة MRI في اوجها فهي عمرها لا يتعد 20 عاما مقارنة باجهزة اشعة اكس التي مر عليها اكثر من 100 عام ولذلك التطوير على اجهزة MRI يعد محدودا لانها في افضل صورة ممكنة وتعطى نتائج ممتازة وصور دقيقة وواضحة.  ولكن من الممكن ان يتم تطوير أجهزة MRI اصغر حجماً ومخصصة لوظيفة مخددة مثل ان نجد اجهزة رنين مغناطيسي مخصصة لتصوير بعض اعضاء الجسم مثل تصوير الذراع أو العمود الفقري او الركبة أو الرقبة أو التجويف البطني أو القفص الصدري او الدماغ.  كذلك يعمل العلماء على استخدام اجهزة الرنين المغناطيسي على تصوير ذماغ الانسان اثناء قيامه باداء بعض المهام مثل الضغط على كرة او النظر إلى صورة لمعرفة كيف يعمل الدماغ.  وبالتالي فإن مستقبل اجهزة الرنين المغناطيسي موجهة إلى الابحاث العلمية التي يمكن ان تتم باستخدامه لفهم العديد من اسرار جسم الانسان.

 

وفي النهاية ارجو ان يكون الشرح وافي وخصوصا لغير المتخصصي في الفيزياء وأن تكون فكرة فكرة عمل جهاز الرنين المغناطيسي قد اتضحت، ولمن يرغب في الاطلاع على المزيد من المعلومات لإهذه المواقع المنتقاه تساعده باذن الله

 مراجع مفيدة

روابط إعلانية

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى