دستگاه ام‌آرآی چگونه کار می‌کند؟

دستگاه‌های ام‌آرآی (MRI)، به بخشی جدایی‌ناپذیر از تحقیقات علمی و تشخیص‌های بالینی تبدیل شده‌اند. صدها هزار نفر، به‌طور مستقیم یا به واسطه‌ کشف‌هایی که این فناوری ممکن کرده، جان خود را مدیون آن هستند. برای برخی این سؤال پیش آمده که چنین وضوح شگفت‌انگیزی از درون بدن انسان، چگونه بدون استفاده از پرتوهای خطرناک ایکس حاصل می‌شود.

به گزارش خبرآنلاین، شاید تصور کنید چیزی که همه درباره‌ی دستگاه‌های ام‌آرآی می‌دانند، این است که با میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی کار می‌کنند. در واقع، این موضوع در نام کامل آن‌ها هم آمده؛ همان تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی (MRI). با این حال، به‌نظر می‌رسد تعداد قابل‌توجهی از افراد یا این موضوع را نمی‌دانند یا فراموش می‌کنند؛ چرا که گاهی گزارش‌هایی از حوادث فاجعه‌بار منتشر می‌شود، مانند زمانی که کسی در کمال ناباوری با یک اسلحه‌ی پر یا زنجیری سنگین وارد اتاق MRI می‌شود.

بیشتر ما دست‌کم می‌دانیم که میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی در این دستگاه‌ها نقش دارند. اما این‌که چنین میدان‌هایی چگونه باعث ایجاد تصاویری دقیق از اندام‌های درونی بدن می‌شوند، چیز واضحی نیست.

نقشه‌برداری از اسپین

دستگاه‌های ام‌آرآی از ویژگی‌ای در پروتون‌ها بهره می‌برند که به آن «اسپین» گفته می‌شود. می‌توان درباره‌ی درستیِ این نام بحث کرد، اما در فیزیک کوانتومی، اسپین باعث می‌شود که پروتون‌ها دارای یک «گشتاور مغناطیسی» کوچک باشند، می‌توان آن را شبیه یک آهنربای میله‌ای بسیار کوچک تصور کرد. وقتی این پروتون‌ها در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی بسیار قوی قرار می‌گیرند، گشتاور مغناطیسی آن‌ها در راستای میدان تنظیم می‌شود. این فرآیند هیچ آسیبی به بدن نمی‌زند، چون باعث جابه‌جایی فیزیکی پروتون‌ها نمی‌شود؛ تنها جهت‌گیری مغناطیسی‌شان مطابق با میدان تغییر می‌کند.

در این مرحله، دستگاه با استفاده از امواج رادیوییِ پرانرژی، جهت‌گیری برخی از این پروتون‌ها را تغییر می‌دهد، به‌گونه‌ای که یا در خلاف جهت میدان قرار می‌گیرند یا نسبت به آن زاویه‌ی قائمه پیدا می‌کنند. این تغییر، پروتون‌ها را به حالتی پرانرژی می‌برد؛ درست مثل زمانی که جسمی را در میدان گرانشی بالا می‌برید و به آن انرژی پتانسیل می‌دهید. وقتی امواج رادیویی قطع می‌شوند، پروتون‌ها به حالت اولیه‌ی خود بازمی‌گردند و دوباره در راستای میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند. در این فرآیند، انرژی پتانسیلی که به‌دست آورده بودند را به‌صورت مقدار بسیار کوچکی از انرژی الکترومغناطیسی آزاد می‌کنند؛ آن‌هم به شکل امواج رادیویی که خودشان تولید می‌کنند.

اگر همه‌ی پروتون‌ها به‌طور یکسان با امواج رادیویی هم‌راستا می‌شدند و هم‌زمان به وضعیت اولیه بازمی‌گشتند، این پدیده ارزش چندانی نداشت. اما در واقعیت، پروتون‌هایی که به‌تنهایی وجود دارند، یعنی هسته‌ی اتم هیدروژن در این شرایط رفتاری متفاوت با پروتون‌هایی دارند که همراه با نوترون‌ها یا پروتون‌های دیگر در یک هسته قرار دارند. انرژی آزادشده از بازگشت این پروتون‌ها قابل شناسایی است و اتم‌های هیدروژن سیگنالی مشخص و متمایز از سایر اتم‌ها تولید می‌کنند؛ از جمله به‌دلیل تفاوت در سرعت این فرآیند.

در نتیجه، دستگاه ام‌آرآی می‌تواند تمرکز اتم‌های هیدروژن را در بخش‌های مختلف بدن شناسایی کند؛ و از آن‌جا که آب و چربی در بدن حاوی مقادیر زیادی هیدروژن هستند، می‌توان با این روش، آن‌ها را مشخص کرد. غلظت هیدروژن در اندام‌های مختلف و نیز در بافت‌های سالم و سرطانی، متفاوت است. بنابراین، تصاویر ام‌آرآی می‌توانند وجود ناهنجاری‌هایی را آشکار کنند که نشانگر بیماری باشند. در برخی موارد، برای افزایش وضوح تصویر از مواد حاجب مانند گادولینیوم استفاده می‌شود. این مواد با خاصیت مغناطیسی خاص خود باعث می‌شوند چرخش پروتون‌ها سریع‌تر هم‌راستا شود. البته از آن‌جا که این ترکیبات باید به‌صورت وریدی تزریق شوند، تنها در شرایطی به کار می‌روند که واقعاً ضروری باشد.

آیا ام‌آرآی ایمن است؟

میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و امواج رادیویی‌ای که می‌توانند اسپین هسته‌ی اتم‌های ما را تغییر دهند، در نگاه اول ترسناک به‌نظر می‌رسند. با این حال، دستگاه‌های ام‌آرآی از بسیاری از روش‌های تصویربرداری دیگر به‌ویژه اشعه‌ی ایکس که در سی‌تی‌اسکن به‌کار می‌رود ایمن‌تر هستند. پرتوهای یون‌ساز اشعه‌ی ایکس می‌توانند به دی‌ان‌ای آسیب بزنند یا باعث اختلال در عملکرد سلول‌ها شوند؛ موضوعی که در صورت استفاده‌ی بیش از حد، خطر بروز سرطان را افزایش می‌دهد. در مقابل، اگر درباره‌ی ام‌آرآی نگرانی‌ای وجود داشته باشد، بیشتر به هزینه‌های بالای آن مربوط می‌شود تا خطرات احتمالی برای سلامتی.

البته، دو استثنا در این‌باره وجود دارد. نخست، وجود فلز در میدان مغناطیسی دستگاهt به‌ویژه فلزات فرومغناطیسی مانند آهن است. همانطور که پیش‌تر اشاره شد، بردن اشیایی مثل اسلحه یا زنجیر به داخل اتاق ام‌آرآی اتفاقی نادر اما بسیار خطرناک است. برخی ضربان‌سازهای قدیمی قلب یا ایمپلنت‌های خاص نیز می‌توانند در مجاورت این میدان، به‌طور فاجعه‌باری عمل کنند.

دومین مورد، به افرادی برمی‌گردد که دچار ترس از فضاهای بسته (کلاستروفوبیا) هستند. این وضعیت می‌تواند با صدای بلند کویل‌های مغناطیسی که در طول اسکن تولید می‌شود، تشدید شود. البته برخی از دستگاه‌های مدرن با طراحی‌های بازتر و ساکت‌تر، این مشکل را تا حدی برطرف کرده‌اند که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

بحران هلیوم

برای تولید میدان‌های مغناطیسی قدرتمند در دستگاه‌های ام‌آرآی، به آهن‌رباهای بسیار قوی نیاز است. در حالی‌که از نظر تئوری می‌توان این میدان‌ها را با آهن‌رباهای دائمی ایجاد کرد، استفاده از ابررساناها (سوپرکاندکتورها) به‌مراتب آسان‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است. گرچه «ابررساناهای دمای بالا» ساخته شده‌اند که البته همچنان بسیار سرد محسوب می‌شوند، اما برای داشتن پایدارترین حالت ابررسانایی، لازم است دما به کمتر از ۹ کلوین (۴۴۳ درجه فارنهایت زیر صفر) برسد و این کار عملاً فقط با هلیوم مایع امکان‌پذیر است.

با اینکه در زمان شکل‌گیری منظومه شمسی، هلیوم دومین عنصر رایج بود، سبک بودن و بی‌واکنشی آن باعث شده که تمام هلیوم اولیه‌ی جو زمین مدت‌ها پیش به فضا برود. هلیومی که اکنون در اختیار داریم، حاصل واپاشی هسته‌ای عناصر رادیواکتیو است؛ جایی که تابش آلفا پس از جذب الکترون، به اتم هلیوم تبدیل می‌شود. این اتم‌ها گاهی در شکاف‌های زیرزمینی، که معمولاً گاز متان هم در آن‌ها یافت می‌شود گیر می‌افتند.

در حال حاضر، مقدار قابل‌استخراجی از هلیوم روی زمین وجود دارد که اگر فقط برای MRI استفاده شود، هزاران سال کافی خواهد بود. اما هلیوم کاربردهای دیگری نیز دارد، از بادکنک‌های مهمانی گرفته تا تجهیزات پیشرفته‌ی علمی که به خنک‌سازی با هلیوم متکی‌اند.

به همین دلیل، نگرانی‌های زیادی مطرح شده مبنی بر اینکه اگر هلیوم را به‌درستی مدیریت یا قیمت‌گذاری نکنیم، در آینده با کمبود آن روبه‌رو خواهیم شد. اگر در مراسمی دیدید که بادکنک‌های هلیومی به آسمان فرستاده می‌شوند و یکی از اپراتورهای MRI یا متخصصان تصویربرداری عصبی، با نگاهی گرفته به صحنه خیره شده‌اند، احتمالاً در ذهن‌شان نه تنها سرنوشت جانداران دریایی پس از افتادن بادکنک‌ها به دریا را مرور می‌کنند، بلکه به آینده‌ای بدون ام‌آرآی هم فکر می‌کنند، آینده‌ای که در آن، منبع ارزشمند هلیوم را به سادگی هدر داده‌ایم.

ام‌آرآی باز (Open MRI)

برخی از دستگاه‌های ام‌آرآی بدون استفاده از ابررسانا کار می‌کنند و به‌جای آن، به آهن‌رباهای دائمی متکی هستند. دلیل این طراحی هنوز کمبود هلیوم نیست، بلکه بیشتر به این خاطر است که دستگاه‌های ام‌آرآی معمولی می‌توانند باعث اضطراب در افراد مبتلا به کلاستروفوبیا (ترس از فضاهای بسته) شوند، به‌ویژه اگر نسبت به صداهای بلند هم حساس باشند.

استفاده از آهن‌رباهای دائمی باعث ایجاد میدان‌های مغناطیسی ضعیف‌تر و در نتیجه تصاویر با وضوح پایین‌تر می‌شود. با این حال، این روش امکان ساخت دستگاه‌هایی با فضای بازتر را فراهم می‌کند که می‌توانند تجربه‌ی راحت‌تری را برای بیمار رقم بزنند. علاوه بر این، در این نوع دستگاه‌ها نیازی به مصرف هلیوم هم وجود ندارد.

منبع: iflscience

طرز تهیه خورش آلو هویج به روش تبریزی

بیشتر بخوانید:

این فناوری مغناطیسی کنترل مغز می‌تواند اشتها و رفتار را تغییر دهد

دانشمندان شکل جدیدی از مغناطیس را کشف کردند

تماشاخانه

چطور مصرف آب و برق را در خانه به حداقل برسانیم؟ (فیلم)

مرگ آبخوان ها در کمین؛ 5 تا 10 سال تا نقطه بی بازگشت؟! (فیلم)

فیلم های دیگر