הדמיית תהודה מגנטית (MRI) - עיקרון הפעולה

בשנת 1973 פרסם כימאי אמריקני, פול לאוטרבור, מאמר בכתב העת Nature, שכותרתו "יצירת תמונה באמצעות אינטראקציה מקומית מושרה; דוגמאות המבוססות על תהודה מגנטית. " בהמשך יציע הפיזיקאי הבריטי פיטר מנספילד מודל מתמטי מתקדם יותר לרכישת דימוי של אורגניזם שלם, ובשנת 2003 יקבלו החוקרים את פרס נובל על גילוי שיטת ה- MRI ברפואה.

תרומה משמעותית ליצירת הדמיית תהודה מגנטית מודרנית תועבר על ידי המדען האמריקני ריימונד דמדיאן, אביו של מכשיר ה- MRI המסחרי הראשון וסופר היצירה "איתור גידול באמצעות תהודה מגנטית גרעינית", שפורסם בשנת 1971.

אך למען ההגינות, ראוי לציין כי הרבה לפני שחוקרים מערביים, בשנת 1960, המדען הסובייטי ולדיסלב איבנוב כבר הניח בפירוט את עקרונות ה- MRI, עם זאת הוא קיבל את תעודת המחבר רק בשנת 1984 ... בואו נשאיר את הדיון סביב המחבר, ונחשב סוף סוף את הכללי מתאר את עקרון הפעולה של דמות תהודה מגנטית.

יש הרבה אטומי מימן באורגניזמים שלנו, והגרעין של כל אטום מימן הוא פרוטון אחד, שיכול להיות מיוצג כמגנט קטן, שקיים בגלל נוכחותו של ספין ללא זרע על הפרוטון. העובדה שלגרעין אטום מימן (פרוטון) יש ספין פירושו שהוא מסתובב סביב צירו. ידוע גם שלגרעין המימן יש מטען חשמלי חיובי, והמטען המסתובב יחד עם המשטח החיצוני של הגרעין הוא כמו סליל קטן עם זרם. מסתבר שכל גרעין של אטום מימן הוא מקור זעיר לשדה מגנטי.

אם כעת מוצבים גרעינים רבים של אטומי מימן (פרוטונים) בשדה מגנטי חיצוני, אז הם יתחילו לנסות לנווט בשדה מגנטי זה כמו חצים של מצפנים. עם זאת, במהלך כיוון מחודש כזה, הגרעינים יתחילו לקדם (כמו שציר הגירוסקופ מתכוון כשמנסים להטות אותו), מכיוון שהרגע המגנטי של כל גרעין קשור לרגע המכני של הגרעין, עם נוכחות הסחרור שהוזכר לעיל.

נניח שגרעין מימן הונח בשדה מגנטי חיצוני עם אינדוקציה של 1 T. תדר ההחלמה במקרה זה יהיה 42.58 מגהרץ (זהו מה שנקרא תדר לרמור עבור גרעין נתון ועבור אינדוקציה של שדה מגנטי נתון). ואם כעת יש לנו השפעה נוספת על הליבה הזו עם גל אלקטרומגנטי בתדר של 42.58 מגהרץ, תופעה של תהודה מגנטית גרעינית תתרחש, כלומר משרעת ההחלמה תגדל, מכיוון שהווקטור של המגנטיזציה הכוללת של הגלעין יגדל.

ויש מיליארד מיליארדי מיליארדי גרעינים כאלה שיכולים לדלג ולהדהד. אך מכיוון שהרגעים המגנטיים של כל גרעיני המימן וחומרים אחרים בגופנו מתקשרים זה עם זה בחיי היומיום הרגילים, הרגע המגנטי הכולל של כל הגוף הוא אפס.

על ידי פעולה על פרוטונים על ידי גלי רדיו הם משיגים הגברה מהדהדת של התנודות (עלייה במשרעות הראשוניות) של פרוטונים אלה, ועם סיום הפעולה החיצונית, הפרוטונים נוטים לחזור למצבי שיווי המשקל הראשוניים שלהם ואז הם עצמם פולטים פוטונים של גלי רדיו.

לפיכך, במכשיר MRI הגוף של אדם (או גוף אחר או חפץ אחר הנחקר) הופך מעת לעת לקבוצת מקלטים רדיו או לקבוצה של משדרי רדיו. המכשיר בוחן באופן זה אתר אחר אזור, ובונה תמונה מרחבית של התפלגות אטומי מימן בגוף.וככל שעוצמת השדה המגנטי של הטומוגרף גבוהה יותר - ניתן לחקור אטומי מימן המלוכדים אטומים אחרים שנמצאים בקרבת מקום (כך עולה הרזולוציה של הדמות התהודה המגנטית).

טומוגרפיות רפואיות מודרניות מכילות מקורות לשדה מגנטי חיצוני אלקטרומגנטיות מוליכות-עלמקורר על ידי הליום נוזלי. בחלק מהטמוגרפים הפתוחים משתמשים מגנטים ניאודימיום קבוע.

אינדוקציה של השדה המגנטי האופטימלי במכונת MRI היא כעת 1.5 T, והיא מאפשרת לך לקבל תמונות באיכות גבוהה למדי של חלקים רבים בגוף. בעזרת אינדוקציה של פחות מ- 1 T לא ניתן יהיה לעשות תמונה באיכות גבוהה (ברזולוציה גבוהה מספיק), למשל, של האגן הקטן או חלל הבטן, אך שדות חלשים כאלה מתאימים להשגת תמונות MRI קונבנציונאליות של הראש והמפרקים.

לצורך הכיוון המרחבי הנכון, בנוסף לשדה מגנטי קבוע, סליל מגנטי משתמש גם בסלילי שיפוע, היוצרים הפרעה נוספת של שיפוע בשדה מגנטי אחיד. כתוצאה מכך האות התהודה החזק ביותר מקומי ליתר דיוק בקטע זה או אחר. פרמטרי ההספק והפעולה של סלילי שיפוע - האינדיקטורים המשמעותיים ביותר ב- MRI - הרזולוציה והמהירות של הטומוגרף תלויים בהם.