مبدأ عمل جهاز الرنين المغناطيسي 2

الجزء الثاني

مراجعة لبعض القواعد المذكورة في الجزء الأول:

القاعدة الأولى: للتصوير بالرنين المغناطيسي نحتاج إلى 1) مجال مغناطيسي قوي strong magnetic field و2) موجات راديو radio frequency.

القاعدة الثانية: يتم أخذ إشارة الرنين المغناطيسي من البروتونات المتواجدة في الهيدروجين. علماً أن ذرة الهيدروجين تتكون من بروتون واحد فقط. 

القاعدة الثالثة: الكهرباء والمغناطيس هما وجهان لعملة واحدة بحسب قوانين الكهرومغناطيسية Electromagnetism. يستطيع التيار الكهربائي أن يخلق مجال مغناطيسي. والعكس صحيح فالمجال المغناطيسي المتغير يستطيع أن يخلق تيار كهربائي في ظاهرة فيزيائية تسمى بالحث الكهرومغناطيسي Electro-magnetic Induction.

القاعدة الرابعة: الحركة المغزلية تجعل من البروتون وكأنه مغناطيس له قطبين أحدهما شمالي والآخر جنوبي بالإضافة إلى مجال مغناطيسي

القاعدة الخامسة: على الرغم من وجود مجال مغناطيسي للبروتونات داخل جسم الإنسان إلان أن مجموع محصلتها المغناطيسية يساوي صفر. وذلك لأنها اتجاه مجالاتها المغناطيسية تكون مبعثرة وتلغي تأثير بعضها بعضاً.

القاعدة السادسة: عندما يتم وضع البروتونات (جسم الإنسان) داخل مجال مغناطيسي قوي يسمى بالمجال المغناطيسي الخارجي أو الرئيسي B0(جهاز الرنين المغناطيسي) أغلبها تنتظم في نفس إتجاه المجال المغناطيسي. المتبقي ينتظم عكس إتجاه المجال المغناطيسي. البروتونات التي عكس المجال المغناطيسي تلغي عدد مساوي من البروتونات التي بإتجاه المجال المغناطيسي. وبما أن عدد الأخيرة أكثر، تكون النتيجة النهائية هي أن محصلة إتجاه المجالات المغناطيسية الكلية للبروتونات تكون مع إتجاه المجال المغناطيسي الرئيسي.

القاعدة السابعة: عند وضع البروتونات في مجال مغناطيسي خارجي يصبح لدينا متجه يمثل المحصلة المغناطيسية لجميع البروتونات التي تكون مع إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. يسمى هذا المتجه بـ المغنطة الطولية Longitudinal Magnetization. 

القاعدة الثامنة: البروتونات عند وضعها في المجال المغناطيسي الرئيسي تكتسب حركة دورانية تسمى precession حول خطوط المجال المغناطيسي. هذه الحركة لها تردد محدد يختلف بإختلاف قوة المجال المغناطيسي. العلاقة طردية فلكما زادت شدة المجال المغناطيسي زادت تردد حركة لارمور الدورانية.

القاعدة التاسعة: عندما تكون المغنطة الطولية في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي نسمي هذه الحالة بحالة الإتزان. لايمكن أخذ أي إشارة من هذه الحالة ولابد من إستثارة البروتونات لكي تكون في إتجاه مغاير للمجال المغناطيسي الرئيسي للحصول على إشارة.

القاعدة العاشرة: يتم إستثارة البروتونات المرغوبة بإرسال تردد موجات راديو RF مساوي لتردد حركة لارمور الدورانية للبروتونات precessional frequency. تكتسب البروتونات الطاقة وتكون قادرة على تغيير إتجاه مجالاتها المغناطيسية بعيداً عن المجال المغناطيسي الرئيسي. في حالة الإستثارة تختفي المغنطة الطولية وتزيد المغنطة العرضية.

القاعدة الحادية عشرة: بعد إيقاف موجات الراديو RF تخسر البروتونات الطاقة التي أكتسبتها من هذه الموجات وتعود لوضعها الطبيعي لحالة الإتزان. إشارة الرنين المغناطيسي هي هذه الخسارة في الطاقة.

فيزياء الرنين المغناطيسي

ملخص لكيفية أخذ إشارة الرنين المغناطيسي


    إذا كان كل  ما ذكر في الأعلى واضح لديك. فإن هذا هو الفكرة الرئيسية الكبرى للتصوير بـ الرنين المغناطيسي بشكل عام. في هذا الجزء والجزء القادم سأكتب عن تفاصيل أخذ الإشارة. أو بالأصح الإشارات. فنحن لا نستفيد من الصورة أبدأ إذا كانت تحتوي على إشارة واحدة فقط. جسم الإنسان يتكون من مكونات مختلفة بها جزيئات مختلفة. فهناك الماء والدهن والعظم والدم …. إلخ. تختلف إشارة الرنين المغناطيسي بإختلاف تركيب الجزيئات. لذلك تكون صورة الرنين المغناطيسي عبارة عن طيف عريض بين الأبيض و الأسود نستطيع من خلاله التمييز بين الأعضاء والأنسجة المختلفة.

    أما في حالة أن ما تم ذكره حتى الآن غير واضح. فلا تقلق فسوف أعيد هنا بعض ما قد تم شرحه في الجزء الأول بشئ من الإيجاز. لعل أن يكون في الإيجاز فائدة في تلقي المعلومة أكثر من التفصيل. وأريد أن أقول أن فيزياء الرنين المغناطيسي قد تحتاج إلى القراءة أكثر من مرة لكي يتم فهمها وإستيعابها بالإضافة إلى الرجوع لأكثر من مصدر. أنصحك بالتنويع في دراسة الرنين المغناطيسي مابين الكتب ومواضيع الإنترنت وفيديوهات اليوتيوب.

    في بداية الجزء الثاني سأعرج على ماسبق ذكره في الجزء الأول بشئ من الإيجاز بالإضافة إلى شرح أكبر لتفاصيل نشوء المغنطة الطولية والمغنطة العرضية وكيف يتم تلاشيها (نقصانها حتى تزول كاملاً). في الحقيقة كنت قد أردت فقط الإشارة لهذا الموضوع بخطوط عريضة. لكن نظراً للإقبال المميز على الموضوع وعدم وجود موضوع مشابهه له باللغة العربية، أرتأيت أن هذا التفصيل مهم وسيساعدنا أكبر على فهم كيف نستطيع أخذ إشارات مختلفة من أنسجة الجسم المختلفة لكي تصبح لدينا صورة رنين مغناطيسي مفيدة. لذلك سيكون الجزء الثاني تمهيداً للجزء القادم.

      فهم كيف تحدث المغنطة الطولية والمغنطة العرضية وكيف تتلاشى هو الأساس في فهم كيف تتكون صور T1-T2-PD. بسبب طول الموضوع السابق وجدتني مضطراً للإختصار خوفاً من أن التفصيل أكثر في ما هو مفصل أصلاً سيؤدي للتشتيت وعدم الفهم.  لنشاهد تفاصيل حدوث المغنطة الطولية والعرضية بالعرض البطئ وبشكل متأني. خطوة بخطوة.

من البداية

    لنبدأ من البداية، لقد عرفنا أن بروتونات الهيدروجين تكون في جسم الإنسان كمغناطيسات صغيرة. في الوضع الطبيعي تكون إتجاهات المحصلة المغناطيسية لبروتونات الهيدروجين مبعثرة في جميع الإتجاهات مما يلغي خواصها المغناطيسية. لكن عند وضع المريض داخل جهاز الرنين المغناطيسي تكون هذه البروتونات على إحد حالتين: إما موازية لإتجاه المجال المغناطيسي الخارجي B0 أو معاكسة له. البروتونات التي لديها طاقة منخفضة (تستسلم) تصبح في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. لكن البروتونات التي لديها طاقة عالية (لنقل تتحدى مجازياً) تتوجه عكس إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي وذلك لأن لديها طاقة كافية لمقاومة إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. في جسم الإنسان عدد البروتونات التي لديها طاقة ضعيفة (ستصبح في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي)أكثر من البروتونات التي لديها طاقة عالية.

المثال الأول:

      لتقريب الفكرة بشكل عملي أكثر، لنفرض أن لدينا 12 بروتون مبعثرة إتجاهاتها في جسم المريض. سبعة من هذه البروتونات لديها طاقة ضعيفة أما الخمسة الأخرى فلديها طاقة عالية. هذه البروتونات ليس لها أي تأثير في جسم الإنسان لأنها مبعثرة. عند وضعها داخل جهاز الرنين المغناطيسي فأن 7 منها ستكون في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. وخمسة تكون عكس إتجاه المجال الخارجي.

فيزياء الرنين المغناطيسي

سبعة من البروتونات تدور في إتجاه المجال المغناطيسي الرئيسي والخمسة الأخرى تدور عكس المجال المغناطيسي.

خمسة من البروتونات سوف تلغي تأثير خمسة من البروتونات في الإتجاه المعاكس. يتبقى بروتونان في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي سوف يكون مجموع محصلاتها عبارة عن متجه مغناطيسي vector يكون في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. كما هو موضح باللون البرتقالي في الأسفل وأسمه المغنطة الطولية longitudinal magnetization M0 . وهذا هو بالضبط كيف تحدث المغنطة الطولية.

الرنين

المغنطة الطولية تكون مجموع محصلة البروتونات المتبقية في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي

تذكر بأن عدد البروتونات التي لديها طاقة ضعيفة (مع إتجاه المجال المغناطيسي) دائماً أكثر من عدد البروتونات ذات الطاقة العالية (عكس المجال المغناطيسي) . لذلك دائماً تتكون لدينا مغنطة طولية عند وضع المريض داخل جهاز الرنين المغناطيسي.

معلومة إضافية: لمن يسأل نفسه عن نسبة أو عدد البروتونات في إتجاه المجال المغناطيسي لـ عدد البروتونات التي عكسه. أقول لكل 10.000.007 بروتون في إتجاه المجال المغناطيسي يوجد 10.000.000 (10 ملايين) بروتون في عكس إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. إذن المحصلة المتبقية هي 7 بروتونات في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي تصنع المغنطة الطولية M0. لكن بما أن البروتونات في جسم المريض أكثر من 20 مليون بكثير فإن هذه السبعة تكون في الحقيقة عبارة عن ملايين البروتونات إن لم يكن أكثر! 

ملاحظة: البروتونات في حركة مستمرة وكذلك إتجاهات مجالاتها المغناطيسية بالإضافة إلى المغنطة الطولية التي تنتجها البروتونات. الرسوم في الأعلى هي للتوضيح فقط وكأننا نلتقط صورة لجسم يتحرك.

    الآن بعد تكون المغنطة الطولية داخل جهاز الرنين المغناطيسي تحدث حالة الإتزان. حالة الإتزان هي الحالة الطبيعية للبروتونات في غياب أي مؤثر خارجي (ماعدا المجال المغناطيسي الخارجي B0)تبقى حالة الإتزان كما هي و حتى تتم إستثارتها بواسطة موجات الراديو RF.

%d8%b1%d8%a7%d8%af-%d9%83%d9%84%d8%a7%d8%b3_15

    يتم إرسال موجات راديو RF فتحصل حالة الإستثارة وتنتقل المغنطة الطولية إلى المغنطة العرضية. تسمى موجات تردد الراديو بإسم 90 degree RF pulse وذلك لأنها تجعل المغنطة الطولية تتحرك بزاوية 90 درجة لكي تصبح المغنطة العرضية.

معلومة إضافية: مبدئياً في الرنين المغناطيسي يوجد نوعان فقط من موجات تردد الراديو 90 درجة أو 180 درجة. ويمكن معرفة وظيفتها من إسمها. فالأول يحرك المغنطة الطولية لتصبح بزاوية 90 درجة (هذا ماسنركز عليه الآن) والآخر بزاوية تقدر بـ 180 في الجهة المعاكسة (له إستخدامات أخرى قد اتطرق إليها لاحقاً). توجد أيضاً موجات راديو بزوايا أكبر من 180 ولكن ليس لها أي إستخدام يستفاد منه في الرنين المغناطيسي في المجال الطبي وتستخدم في المجالات البحثية. 

فيزياء الرنين المغناطيسي

لكن ماذا حدث للبروتونات لكي تجعل المغنطة الطولية تختفي وتولد مغنطة جديدة ألا وهي المغنطة العرضية؟ بمعنى آخر كيف أختفت المغنطة الطولية وحدثت المغنطة العرضية؟

المثال الثاني: (تلاشي المغنطة الطولية وتكون المغنطة العرضية)

    لنفرض أنه لدينا خمس بروتونات في حالة الإتزان وتُكون جميعها المغنطة الطولية. لنتذكر أن هذه البروتونات لديها طاقة ضعيفة ، لذلك هي تكون مع إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

رنين

خمسة بروتونات تدور في إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي يتم إستثارتها بواسطة موجات تردد الراديو

تكتسب البروتونات هذه الطاقة الإضافية (طاقة موجات تردد الراديو) بحيث إثنان منهما يصبح له طاقة كبيرة بحيث (يتحدان) يستيطعان أن يكونوا في عكس إتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. لنلاحظ أيضاً في الصورة التي في الأسفل تراجع قوة المغنطة الطولية. فلم يعد يصنع المغنطة الطولية خمس بروتونات، بل ثلاث بروتونات فقط.

المجال المغناطيسي الخارجي

بروتونان يكتسبان الطاقة بشكل كافي لهما بحيث يستطيعان معاكسة المجال المغناطيسي الخارجي.

لكن الآن نحن نلاحظ أن المغنطة الطولية قد تناقصت لكنها لم تزل موجودة! أيضاً المغنطة العرضية لم تنشأ بعد رغم أننا أرسلنا موجات تردد الراديو RF. هذا يعني إكتساب الطاقة لم يكن كافي للإنشاء المغنطة العرضية. إذن ماهو الشئ الناقص؟

 لموجات تردد الراديو RF لها تأثير آخر على البروتونات بالإضافة إلى إعطائها للطاقة. التأثير الآخر هو جعلها تتحرك في نفس الطور in-phase. أي تتحرك بشكل متماثل ومتناغم مع بعضها البعض. هذا التأثير يكون على كلا البروتونات التي مع أو عكس أتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

موجات الراديو

تلاشي المغنطة الطولية ونشوء المغنطة العرضية بسبب موجات الراديو

www.GIFCreator.me_j6eWN9

english-class-mri-technique-fig4-excitation-dyn

نلاحظ أنه البروتونات لم تغير اتجاه مجالاتها المغناطيسية بشكل منفرد نحو المغنطة العرضية. وإنما الذي تغير هو مجموع المحصلة المغناطيسية  مما أنشأ مغنطة عرضية.


ملاحظة: المغنطة الطولية و المغنطة العرضية هي عبارة عن قوة vector ناتجة من أو مجموع محصلة مغناطيسية في إتجاه معين. علينا دائما تصور تأثير البروتونات كحزمة وليست منفردة. لذلك في الرنين المغناطيسي نتعامل فقط مع المحصلة المغناطيسية وهي مجموع قوة جميع المجالات المغناطيسي للبروتونات .

قوة المغنطة العرضية في المثال الذي في الأعلى هو 5 بروتونات. أيضاً المغنطة الطولية قوتها في المثال الذي في الأعلى 5 بروتونات


القاعدة الثانية عشرة: لموجات تردد الراديو RF تأثيران على البروتونات: الأول هو إعطاء بعضها الطاقة بحيث تكون قادرة على الدوران عكس المجال المغناطيسي الرئيسي. التأثير الثاني هو جعلها تدور في نفس الطور in-phase. إذن النتيجة النهائية هي تلاشي المغنطة الطولية ونشوء المغنطة العرضية.

كما نعرف سابقاً أنه تحدث حالة الإسترخاء للبروتونات بعد إيقاف موجات تردد الراديو RF عنها.

فيزياء الرنين المغناطيسي

    وكما قلت سابقأ أن إشارة الرنين المغناطيسي تحدث عند الإسترخاء مع خسارة طاقة موجات تردد الراديو RF المكتسبة. لكن كما ناقشنا ماذا حدث بالضبط فيما يتعلق بكيفية نشوء المغنطة العرضية ونقصان المغنطة الطولية. هنا (في حالة الإسترخاء) سنتحدث ونشرح العكس. كيف تختفي المغنطة العرضية وترتفع المغنطة الطولية؟ ومتى تكون إشارة الرنين المغناطيسي؟

     عندما يتم إيقاف موجات تردد الراديو RF تخسر البروتونات التي أكتسبت الطاقة وتعود إلى وضعها الطبيعي في حالة الإتزان. يحدث هذا على مرحلتان. أولاً تخرج البروتونات عن مرحلة الدوران في نفس الطور لتكون في خارج الطور out of phase. ومن ثم يعود اتجاه البروتونات (مجالها المغناطيسي) للدوران مرة اخرى في اتجاه المجال المغناطيسي الرئيسي. أي أنه مايحدث للبروتونات هو عكس ما حصل لها بعد تعرضها لموجات تردد الراديو RF.

الرنين المغناطيسي

تفاصيل خسارة المغنطة العرضية ونشوء المغنطة الطولية. الإنتقال من حالة الإستثارة إلى حالة الإتزان بعد إيقاف موجات تردد الراديو

قبل الدخول في شرح الزمن الأول والزمن الثاني يتبقى فقط أن اتحدث قليلاً عن إشارة الرنين المغناطيسي وتوضيح الفرق بين الإشارة الضعيفة والقوية وكيف تظهر على الصورة.

متى تكون إشارة الرنين المغناطيسي وكيف نستطيع التفريق بين نسيجين مختلفين؟

في الرنين المغناطيسي نحن فقط نستطيع تصوير أو إلتقاط المغنطة العرضية. لماذا؟ أيضاً لابد أن تكون البروتونات في نفس الطور in-phase لكي نأخذ إشارة الرنين المغناطيسي.

الإجابة: كما ذكرنا في الجزء الأول، لأننا لا نستطيع تمييز إشارة الرنين المغناطيسي المغمورة في إتجاه المجال المغناطيسي الرئيسي . تذكر مثال السيارات العديدة والمخرج في الجزء الأول.

أكرر مرة أخرى أن مستقبل إشارة الرنين المغناطيسي (ملف التردد RF coil) يستقبل الإشارة فقط من المغنطة العرضية. إذا كانت المغنطة العرضية أكبر تكون الإشارة أكبر. وكلما صغرت المغنطة العرضية قلت معها الإشارة حتى تختفي تماماً.

1

كما نعلم أن صورة الرنين المغناطيسي هي تدرج بين اللونيين الأبيض والأسود. اللون الأبيض في الصورة يعني أن الإشارة قوية . واللون الأسود يعني عدم وجود الإِشارة. تدرج الطيف الرمادي بين الأبيض والأسود يعكس قوة الإشارة. كلما كانت الأشارة أقوى كانت أقرب للبياض كما هو موضح في الصورة ادناه.

صورة الرنين المغناطيسي

اللون الأبيض في صورة يعني أن الإشارة عالية (مغنطة عرضية كاملة) أما الأسود فيعني قلة أو عدم وجود الإشارة وتدرج الرمادي يعكس بقية الأنسجة

الرنين

صورة الرنين المغناطيسي تدرج في الطيف الرمادي مابين الأبيض والأسود

عودة المغنطة العرضية إلى المغنطة الطولية له زمن معين لكل نسيج. يختلف هذا الزمن بإختلاف نوع النسيج أو المادة. بعض الأنسجة تعود بسرعة والبعض الآخر يعود ببطء. لنفرض أنه لدينا نسيجين مختلفين أحدهما له زمن عودة بطئ (أ) والآخر له زمن عودة لسريع (ب) كما هو موضح في الأسفل.

2

النسيج الأول لو زمن رجوع سريع والنسيج الآخر له زمن عودة بطئ- يرجع على أقل من مهله :d

نلاحظ أن النسيج ب قد عاد إلى حالة الإتزان بشكل أسرع من النسيج أ. لكن كيف يمكننا تطبيق ذلك على صور الرنين المغناطيسي؟

لنفرض أننا أخترنا التصوير عند زمن محدد بعد إيقاف RF ولنسميه زمن الصدى TE (time to echo) :

4

إذن يمكننا التحكم بزمن الصدى للحصول على الصورة الأمثل التي نريد. على سبيل المثال لو أخترنا أوقات أخرى لحصنا على الصور التالية:

مثال إفتراضي بين نسيجين إفتراضيين

5

في الأعلى، في الصورة الأولى، كان التصوير والمغنطة العرضية في أوجها بالنسبة للنسيجين. لذلك كلاهما سيظهر باللون الأبيض في الصورة. هذا يعطينا صورة غير مرغوبة لعدم وجود تباين بين الأنسجة. مافائدة الصورة إن لم توضح مكونات النسيج؟! من هنا نستنتج إنه للحصول على صورة جيدة لا بد من الإنتظار لوقت معين (نستطيع تحديده بحسب نوع الصورة التي نريد، سنعرف ذلك في الجزء الثالث) أقول مجدداً أنه لا بد من الإنتظار لوقت معين نسميه وقت الصدى TE وإلا لن نحصل على التباين بين الأنسجة.

في الصورة الثانية، حصلنا على بعض التباين بين النسيجين عند إختيار زمن صدى قليل. الوضع نفسه تقريباً في الصورة الثالثة والرابعة. في الصورة الخامسة، عندما كان زمن الصدى TE طويل جداً تلاشت المغنطة العرضية تماماً ولم يعد بإمكاننا الحصول على أي إشارة.

القاعدة الثالثة عشرة: إشارة الرنين المغناطيسي هي المغنطة العرضية وقوتها. كلما زادت المغنطة العرضية كانت إشارة الرنين المغناطيسي قوية وزاد اللون الأبيض في الصورة. وكلما كانت ضعيفه أو غير موجودة كانت غامقه أو سوداء في الصورة. نستطيع توقيت (اختيار) وقت التصوير (وقت الصدى TE) بحيث نتحكم بقوة الإشارة وضعفها في الأنسجة المختلفة. وهذا يمكننا من رؤية التباين بين الأنسجة المختلفة. 

     أحب أن اذكر أن المثال الذي في الأعلى هو مثال إفتراضي لتقريب الصورة. سأذكر العوامل التي تتدخل في تكوين صورة الرنين المغناطيسي لاحقاً. خاصة أنه يوجد عامل آخر مهم جداً وهو وقت الإعادة TR (time to repeat) لكن هذا تمهيد لفكرة أنه بإختلاف زمن التصوير ممكن أن نحصل على صور متعددة . مثلاً نستطيع إختيار الوقت المناسب لكي يكون السائل النخاعي الشوكي في الدماغ CSF أبيض وأنسجة الدماغ سوداء وتسمى هذه الصورة بـ صورة الزمن الثاني الموزونة (الصور الثانية من اليسار ادناه). أو العكس عندما تكون السوائل في الدماغ سوداء بينما نسيج الدماغ أبيض، تسمى هذه بـ صورة الزمن الأول الموزونة (الصورة الأولى على اليسار). إختلاف انواع الصور يمكننا من تشخيص أمراض مختلفة قد لا تظهر في أحد الصور وتكون واضحة في الأخرى. وسأناقش كيف يتم أخذ هذه الصور بالتفصيل لاحقاً بمشيئة الله.

6

أي صورة تفضل؟

الآن أعتقد أن لدينا الخلفية المناسبة لمناقشة ظاهرة الزمن الأول T1 وظاهرة الزمن الثاني T2 وهما تقريباً إعادة ماذكرناه بالأعلى في تفصيل حالة الإسترخاء لكن مع توضيح بعض النقاط.

سأتوقف هنا وسأجعل البقية في جزء ثالث لطول الموضوع

الجزء الأول – الجزء الثاني – الجزء الثالث

فيزياء الرنين المغناطيسي الموضوع الرئيسي

Advertisements