بأهمية اكتشاف البوصلة: التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير الوظيفي MRG

كما غيّر اكتشاف البوصلة المستفيدة من المجال المغناطيسي للأرض في القرن 12. تاريخ العالم، بإتاحة اكتشاف قارات جديدة، غيّر التصوير بالرنين المغناطيسي تاريخ الطب أيضاً. فهو يقيس استجابة ذرة الهيدروجين الموجودة في جزيئات الماء للمجال المغناطيسي، وقد أسهم إسهاماً كبيراً في اكتشاف البنية التفصيلية لأعضائنا وكيفية عملها.

تاريخ موجز للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRG)

اكتشف Nikola Tesla ‏(1856 – 1943)، المجال المغناطيسي الدوار. وهذا أحد الاكتشافات الأساسية في الفيزياء.

في عام 1956، أُعلن عن وحدة Teslaفي مبنى Rathaus في ميونخ من قبل لجنة العمل التابعة للجنة الكهروتقنية الدولية. وتُعاير جميع أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRG) بوحدات Tesla. تُقاس قوة المجال المغناطيسي بوحدات Tesla أو Gauss. وكلما زادت قوة المجال المغناطيسي، أي المغناطيس، زادت قوة الإشارات الراديوية المستخرجة من ذرات الجسم، وبالتالي ارتفعت جودة صور MR؛ كما تزداد سرعة التصوير ويقصر وقته بوضوح. وربما سمع كثير منا تعابير مثل 1.5 Tesla و3 Tesla eMaR. وتعبر هذه الوحدات عن القوة المغناطيسية لجهاز MRG. 

• MRG منخفض المجال = أقل من 0.2 Tesla
• MRG متوسط المجال = من 0.2 إلى 0.6 Tesla
• MRG عالي المجال = من 1.0 إلى 1.5 Tesla
• MRG فائق ارتفاع المجال = 3 و7 Tesla

ملاحظة: في 12 أكتوبر 2017، وافقت FDAلأول مرة على استعمال MRG بقوة 7 Tesla. ويمكنكم في الشكل أدناه رؤية فرق دقة التصوير بين MRG بقوة 3 و7 Tesla.

رصد الأستاذ Isidor I. Rabi، الذي كان يعمل في جامعة Columbia في نيويورك، عام 1937 الظاهرة الكمية المسماة الرنين المغناطيسي النووي (NMR). وفهم أن نواة الذرة تُظهر وجودها بامتصاص موجات الراديو أو إصدارها حين تتعرض لمجال مغناطيسي قوي بما يكفي. وقد حصل الأستاذ Isidor I. Rabi على جائزة نوبل عن أعماله.

أما الدكتور Raymond Damadian، الذي كان يعمل في مركز Downstate الطبي في Brooklyn، فقد اكتشف أن إشارة الهيدروجين في النسيج السرطاني تختلف عنها في النسيج السليم. لأن الأورام تحتوي ماءً أكثر، والماء الأكثر يعني ذرات هيدروجين أكثر. وعند إيقاف جهاز MRG، يصدر النسيج السرطاني موجات راديوية مدة أطول من النسيج السليم. وهذه هي الآلية التي تجعل النسيج السرطاني والطبيعي يبدوان مختلفين في تصوير MR.

أنتج Paul Lauterbur، وهو كيميائي في جامعة ولاية نيويورك، أول صورة بالرنين المغناطيسي عام 1973. وأُجري أول فحص MR لإنسان في 3 يوليو 1977.

كيف يعمل MR؟

التصوير بالرنين المغناطيسي (MRG) تقنية تشخيص طبي تنتج صوراً لجسم الإنسان باستخدام مبدأ الرنين المغناطيسي النووي. ويمكنها إنشاء صور مقطعية رقيقة لأي جزء من الجسم من أي زاوية واتجاه. وتحقق ذلك بتعريض الجسم لمجال كهرومغناطيسي قوي.

كما تغير القضبان المغناطيسية الصغيرة داخل البوصلة اتجاهها بحسب المجال المغناطيسي للأرض، تتصرف بروتونات ذرة الهيدروجين في جزيئات الماء الموجودة بكثرة داخل كل خلية من أجسامنا كقضبان مغناطيسية بيولوجية صغيرة تحت تأثير المجال المغناطيسي القوي. يمتلك البروتون خصائص مغناطيسية أساسية.

تُحصل صورة MR عبر 4 مراحل:

1. يُوضع الجسم في مجال مغناطيسي ثابت، مما يخلق حالة مغناطيسية مستقرة في جسم الإنسان.
2. يرسل جهاز MRG موجات راديوية إلى الجسم لتغيير اتجاه البروتونات بنمط محدد.
3. يوقف جهاز MRG موجات الراديو ويسجل البث الكهرومغناطيسي للجسم. 4. تُستخدم الإشارة المنقولة مع التصوير المقطعي المحوسب لإنشاء صور داخلية للجسم.

في الشكل أدناه يمكنكم مقارنة صور منطقة أسفل الظهر للشخص نفسه بالأشعة السينية التقليدية والتصوير المقطعي المحوسب وMRG

صورة MR ليست صورة فوتوغرافية. إنها في الواقع خريطة أو صورة محوسبة للإشارات الراديوية الصادرة عن جسم الإنسان. يُستخدم الإشعاع في التصوير المقطعي المحوسب التقليدي، لكن MR يستخدم موجات راديوية غير ضارة. وأهم ما يجب الانتباه إليه في MRG هو إبقاء الأشياء المعدنية خارج مجال الفحص، لأن الشخص سيدخل في مغناطيس هائل. كما يمكن أن يُتلف MR أشياء مثل بطاقات الائتمان، لأن رموزها المغناطيسية قد تتأثر بمغناطيس MRG.

التصوير بالرنين المغناطيسي أداة تشخيص قوية في سوق التصوير الطبي، بوصفه الإجراء المفضل لإظهار الأنسجة الرخوة (وخاصة الدماغ والنخاع الشوكي وأعضاء البطن والنسيج العضلي). وتنتج صناعة MRG أكثر من 2.000 جهاز سنوياً.

يمثل أطباء الأعصاب أحد تخصصات الطب التي تعتمد بدرجة كبيرة على MRG للتشخيص الصحيح لأمراض الجهاز العصبي المركزي (الدماغ والنخاع الشوكي). ومن التخصصات الأخرى المعتمدة على تقنية MRG جراحة الأعصاب وجراحة العظام. وفي طب السرطان أيضاً، ولا سيما في تصوير الأورام الموجودة في الدماغ والكبد والعظام أو النقائل ، يتفوق MRG على وسائل التصوير الأخرى.

أحدث ما وصل إليه التصوير بـMR: التصوير الوظيفي MRG ‏(fMRG)

نحو نهاية سنوات 80، أصبح MRG معياراً في المستشفيات والمختبرات لتصوير تشريح الأنسجة المختلفة من العضلات إلى الدماغ. لكنه كان يعطي فقط صورة تشريحية جيدة جداً للأعضاء، ولا يقدم معلومات عن وظائفها. التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) وغيره من الأجهزة القادرة على إعطاء معلومات عن وظائف الأنسجة، كانت تتطلب حقن مادة في الدورة الدموية.

في سنوات 90، نشر Seiji Ogawa وزملاؤه سلسلة اكتشافات حولت MRG إلى نمط تصوير منخفض التكلفة نسبياً يكشف النشاط الفسيولوجي في الدماغ، وأطلقت ثورة في دراسة الدماغ والسلوك.

استفاد Ogawa وزملاؤه من 2 من الظواهر الفسيولوجية المستمدة من ملاحظات أُجريت قبل سنوات. أولاً، اقترح Charles Roy وCharles Sherrington عام 1890 أن نشاط الدماغ الاستقلابي قد يرتبط بدورته الدموية. وظهرت في دراسات لاحقة رؤية أدق: يتصرف الجهاز الوعائي بدقة أكبر لإيصال الدم المؤكسج إلى المناطق التي يزداد فيها النشاط العصبي. أي تتغير أوعية الدماغ لإيصال مزيد من الأكسجين إلى المنطقة العاملة منه. وثانياً، أفاد Linus Pauling وCharles Coryell في 1936 بأن الهيموغلوبين يمتلك خصائص مغناطيسية مختلفة في شكليه المؤكسج وغير المؤكسج. وانطلاقاً من هاتين الفكرتين، أظهر Ogawa وزملاؤه في ثلاثة مقالات نُشرت في سنوات 90 كيف يستطيع الرنين المغناطيسي الوظيفي كشف نشاط الأعضاء.

يُنقل الأكسجين إلى الأعضاء في الجسم كله بواسطة بروتين الهيموغلوبين داخل كريات الدم الحمراء. وفي الدم النظيف يكون الهيموغلوبين مؤكسجاً، بينما تقل كمية الأكسجين التي يحملها في الدم غير النظيف، و تبعاً لمستويات الأكسجين في خلايا الدم تتشكل صور مختلفة في MRG الوظيفي. ويُسمى هذا التأثير blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) أي تباين الاعتماد على مستوى أكسجة الدم. اعتقد Ogawa وفريقه أنهم يستطيعون تتبع نشاط الدماغ إذا قاسوا هذا التباين. وأظهروا في تجربة على الفئران أن إشارة البروتون القادمة من جزيئات الماء تتغير في المناطق النشطة من الدماغ، وأن ذلك يمكن تصويره أيضاً.

بعد 2 سنة من إثبات المبدأ الرائد هذا، أظهرت 3 مجموعات مستقلة (بما فيها فريق Ogawa)، بشكل شبه متزامن، تغيرات تباين BOLD في الدماغ البشري.

أثناء فحص fMRG، تظهر المنطقة القذالية (الخلفية) من الدماغ نشطة لدى شخص تُعرض عليه صورة، بينما حين يُطلب منه تحريك إصبعه تظهر القشرة الحركية (المنطقة الجانبية العلوية) عند ملتقى الفص الجبهي بالفص الجداري نشطة.

ومن أبرز الباحثين في العالم في مجال fMRG الأستاذ الدكتور، المولود في Tire بإزمير، Kâmil Uğurbil. مُنح Kamil Uğurbil لقب الأستاذ في عمر 27، ولا يزال يرأس القسم الذي أسسه قبل نحو 30 سنة في جامعة Minesota الأمريكية. ويشارك Uğurbil في اجتماعات علوم الأعصاب في بلدنا ويلقي المحاضرات، وقال في إحدى كلماته عن المستوى الذي بلغه fMRG اليوم: «يُسمع شخص يدخل جهاز MR صوتاً، لنقل إنه صوت طائر. ونحن في الخارج لا نعرف ما هذا الصوت. وبالتقنية التي اكتشفناها، نستطيع بفضل التغيرات التي نقيسها في الدماغ فهم ما يسمعه الشخص بالداخل بدرجة كبيرة جداً، وإن لم يكن بصورة مطابقة تماماً. وبالمثل، نتيح للمصابين بالشلل تلبية احتياجاتهم الأساسية بواسطة يد روبوتية تعمل بقوة التفكير».

يُذكر Seiji Ogawa وKamil Uğurbil، بفضل أعمالهما في مجال fMRG، بين الأسماء التي قد تحصل على جائزة نوبل مستقبلاً.

أصبح تصوير تباين BOLD، أو التصوير الوظيفي MRG كما يُعرف على نطاق واسع، الركيزة الأساسية لعلم الأعصاب المعرفي. وأصبح قياس أنشطة الدماغ بدقة مرتفعة جداً خياراً متاحاً. وتحسنت الدقة أيضاً بعتاد MRG المتطور وتقنياته وطرق تحليله. ومن التوصيف المفصل لوظائف الدماغ البصرية لدى الإنسان إلى الوظائف المعرفية العليا مثل التعرف إلى الوجوه والتعاطف والوعي بالذات، لا تزال الإمكانات التي يكشفها fMRG تسحر عالم علوم الأعصاب.