به اهمیت کشف قطب‌نما: تصویربرداری تشدید مغناطیسی و ام‌آر‌آی عملکردی

همان‌طور که اختراع قطب‌نما در قرن 12. با استفاده از میدان مغناطیسی زمین، کشف قاره‌های تازه را ممکن و تاریخ جهان را دگرگون کرد، تصویربرداری تشدید مغناطیسی که واکنش اتم هیدروژن موجود در مولکول آب به میدان مغناطیسی را اندازه می‌گیرد نیز با کمک بزرگ به شناخت ساختار دقیق و عملکرد اندام‌ها، تاریخ پزشکی را تغییر داده است.

تاریخچه کوتاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRG)

Nikola Tesla (1856 – 1943)، میدان مغناطیسی دواررا کشف کرد. این یکی از کشف‌های بنیادی فیزیک است.

در 1956، واحد تسلاتوسط کمیته اقدام کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک در تالار شهر مونیخ اعلام شد. تمام دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRG) با «واحدهای تسلا» کالیبره می‌شوند. قدرت میدان مغناطیسی با واحد Tesla یا Gauss سنجیده می‌شود. هرچه میدان یا آهن‌ربا قوی‌تر باشد، سیگنال رادیویی گرفته‌شده از اتم‌های بدن قوی‌تر و کیفیت تصویر MR بالاتر می‌شود؛ همچنین سرعت تصویربرداری بیشتر و مدت آن به‌طور چشمگیر کمتر می‌شود. شاید بسیاری از ما اصطلاحات 1.5 Tesla و 3 Tesla ام‌آر‌آی را شنیده باشیم. این واحدها قدرت مغناطیسی دستگاه MRG را بیان می‌کنند. 

• MRG میدان ضعیف = کمتر از 0.2 Tesla
• MRG میدان متوسط = از 0.2 تا 0.6 Tesla
• MRG میدان قوی = از 1.0 تا 1.5 Tesla
• MRG میدان بسیار قوی = 3 و 7 Tesla

نکته: در 12 اکتبر 2017، FDAبرای نخستین بار استفاده از MRG با قدرت 7 Tesla را تأیید کرد. در شکل زیر تفاوت وضوح MRG با قدرت 3 و 7 Tesla را می‌بینید.

پروفسور Isidor I. Rabi در دانشگاه کلمبیای نیویورک، در 1937 پدیده کوانتومی موسوم به تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) را مشاهده کرد. او دریافت هسته اتم هنگام قرار گرفتن در میدان مغناطیسی به‌اندازه کافی قوی، با جذب یا گسیل امواج رادیویی حضور خود را نشان می‌دهد. او برای پژوهش‌هایش جایزه نوبل گرفت.

دکتر Raymond Damadian در مرکز پزشکی Downstate بروکلین، کشف کرد سیگنال هیدروژن بافت سرطانی با بافت سالم متفاوت است، زیرا تومورها آب بیشتری دارند. آب بیشتر یعنی اتم هیدروژن بیشتر. وقتی دستگاه MRG خاموش می‌شود، بافت سرطانی مدت طولانی‌تری از بافت سالم امواج رادیویی گسیل می‌کند. این سازوکار زیربنای متفاوت دیده شدن بافت سرطانی و طبیعی در تصویربرداری MR است.

Paul Lauterbur، شیمی‌دان دانشگاه ایالتی نیویورک، در 1973 نخستین تصویر تشدید مغناطیسی را ساخت. نخستین اسکن MR انسان در 3 ژوئیه 1977 انجام شد.

MR چگونه کار می‌کند؟

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRG) روش تشخیصی پزشکی است که با اصل تشدید مغناطیسی هسته‌ای از بدن انسان تصویر می‌سازد. می‌تواند از هر بخش بدن، از هر زاویه و جهت، تصاویر برش نازک ایجاد کند. این کار با قرار دادن بدن در میدان الکترومغناطیسی قوی انجام می‌شود.

همان‌گونه که میله‌های کوچک آهن‌ربایی قطب‌نما نسبت به میدان مغناطیسی زمین جهت عوض می‌کنند، پروتون‌های اتم هیدروژن در مولکول‌های آب فراوانِ درون هر سلول بدن نیز تحت اثر میدان قوی مانند میله‌های کوچک آهن‌ربایی زیستی رفتار می‌کنند. پروتون خواص مغناطیسی بنیادی دارد.

تصویر MR در 4 مرحله به دست می‌آید:

1. بدن در میدان مغناطیسی ثابت قرار می‌گیرد و وضعیت مغناطیسی پایداری در بدن ایجاد می‌شود.
2. دستگاه MRG برای تغییر جهت پروتون‌ها به نظم مشخص، امواج رادیویی به بدن می‌فرستد.
3. دستگاه MRG امواج رادیویی را متوقف و انتقال الکترومغناطیسی بدن را ثبت می‌کند. 4. سیگنال منتقل‌شده برای ساخت تصاویر درون بدن با توموگرافی کامپیوتری استفاده می‌شود.

در شکل زیر می‌توانید تصاویر رادیوگرافی معمولی، توموگرافی کامپیوتری و MRG ناحیه کمر یک فرد را مقایسه کنید

تصویر MR عکس نیست؛ در واقع نقشه یا تصویر کامپیوتری سیگنال‌های رادیویی گسیل‌شده از بدن انسان است. توموگرافی کامپیوتری معمولی از پرتو استفاده می‌کند، اما MR امواج رادیویی غیرمضر به کار می‌برد. مهم‌ترین نکته در MRG آن است که چون وارد آهن‌ربای بزرگی می‌شوید، اشیای فلزی بیرون از محدوده اسکن بمانند. وسایلی مانند کارت اعتباری نیز ممکن است آسیب ببینند، زیرا کدهای مغناطیسی تحت اثر آهن‌ربای MRG قرار می‌گیرند.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی، به‌عنوان روش ترجیحی نمایش بافت نرم، به‌ویژه مغز، نخاع، اندام‌های شکمی و عضله، ابزار تشخیصی قدرتمندی در بازار تصویربرداری پزشکی است. صنعت MRG سالانه بیش از 2.000 دستگاه تولید می‌کند.

نورولوژی یکی از تخصص‌هایی است که برای تشخیص درست بیماری‌های دستگاه عصبی مرکزی، یعنی مغز و نخاع، بسیار به MRG وابسته است. جراحی مغزواعصاب و ارتوپدی نیز بر این فناوری تکیه دارند. در پزشکی سرطان نیز MRG به‌ویژه برای تصویربرداری تومورها یا متاستازها در مغز، کبد و استخوان بر روش‌های دیگر برتری دارد.

پیشرفته‌ترین پردازش تصویر با MR: ام‌آر‌آی عملکردی (fMRG)

در اواخر دهه 80، MRG برای تصویربرداری آناتومیک بافت‌های مختلف، از عضله تا مغز، در بیمارستان و آزمایشگاه به استاندارد تبدیل شد. اما فقط تصویر آناتومیک بسیار خوبی از اندام‌ها می‌داد و اطلاعاتی درباره عملکرد نمی‌داد. توموگرافی گسیل پوزیترون (PET) و دستگاه‌های مشابه که می‌توانستند درباره عملکرد بافت‌ها اطلاعات بدهند، به تزریق ماده در گردش خون نیاز داشتند.

در دهه 90، Seiji Ogawa و همکاران مجموعه‌ای از کشفیات منتشر کردند که MRG را به روشی نسبتاً ارزان برای آشکار کردن فعالیت فیزیولوژیک مغز تبدیل کرد و انقلابی در مطالعه مغز و رفتار آغاز کرد.

Ogawa و همکاران از 2 پدیده فیزیولوژیک برآمده از مشاهدات سال‌ها قبل بهره بردند. نخست، Charles Roy و Charles Sherrington در 1890 پیشنهاد کرده بودند که فعالیت متابولیک مغز ممکن است با گردش خون آن مرتبط باشد. مطالعات بعدی دیدگاه دقیق‌تری ارائه کردند: سامانه عروقی برای رساندن خون اکسیژن‌دار به نواحی دارای فعالیت عصبی بیشتر، دقیق‌تر عمل می‌کند. یعنی عروق مغز تغییر می‌کنند تا اکسیژن بیشتری به ناحیه فعال برسد. دوم، Linus Pauling و Charles Coryell در 1936 گزارش کردند شکل اکسیژن‌دار و بدون اکسیژن هموگلوبین خواص مغناطیسی متفاوت دارند. Ogawa و همکاران با تکیه بر این دو ایده، در سه مقاله دهه 90 نشان دادند تشدید مغناطیسی عملکردی چگونه می‌تواند فعالیت اندام‌ها را شناسایی کند.

در سراسر بدن، اکسیژن با پروتئین هموگلوبین درون اریتروسیت‌ها، یعنی گلبول‌های قرمز، به اندام‌ها منتقل می‌شود. در خون پاک هموگلوبین اکسیژن‌دار است، اما در خون ناپاک مقدار اکسیژن حمل‌شده کمتر است و بسته به سطح اکسیژن سلول‌های خونی، در MRG عملکردی تصویر متفاوتی شکل می‌گیرد. این اثر را وابسته به سطح اکسیژن خون (blood-oxygenation-level-dependent؛ BOLD) کنتراست می‌نامند. Ogawa و تیمش فکر می‌کردند با اندازه‌گیری این کنتراست می‌توانند فعالیت مغز را پیگیری کنند؛ در آزمایش موش نشان دادند سیگنال پروتون مولکول‌های آب در نواحی فعال مغز تغییر می‌کند و قابل تصویربرداری است.

پس از 2 سال از این اثبات اصل پیشگامانه، 3 گروه مستقل، از جمله تیم Ogawa، تقریباً همزمان تغییرات کنتراست BOLD را در مغز انسان نشان دادند.

حین fMRG، در فردی که عکس می‌بیند ناحیه پس‌سری مغز فعال دیده می‌شود، اما وقتی از او می‌خواهند انگشتش را حرکت دهد، قشر حرکتی در محل اتصال لوب پیشانی و آهیانه‌ای، یعنی ناحیه کناری‌ـ‌بالایی، فعال دیده می‌شود.

یکی از پیشگام‌ترین پژوهشگران جهان در fMRG، پروفسور دکتر متولد تیره ازمیر، Kâmil Uğurbilاست. او در 27 سالگی عنوان پروفسور گرفت و هنوز ریاست بخشی را دارد که حدود 30 سال پیش در دانشگاه مینه‌سوتای آمریکا تأسیس کرد. او در نشست‌های علوم اعصاب کشور ما نیز شرکت و سخنرانی می‌کند و درباره جایگاه امروزی fMRG گفته است: «برای کسی که وارد دستگاه MR می‌شود صدایی، مثلاً صدای پرنده، پخش می‌کنند. ما بیرون نمی‌دانیم چه صدایی است. با فناوری‌ای که یافته‌ایم، از تغییرات اندازه‌گیری‌شده در مغز تا حد بسیار زیادی، اگرچه نه کاملاً دقیق، می‌فهمیم فرد داخل چه می‌شنود. به همین ترتیب، با دست رباتیک کنترل‌شونده با فکر، به افراد فلج امکان برآوردن نیازهای اساسی می‌دهیم.»

Seiji Ogawa و Kamil Uğurbil به دلیل پژوهش‌هایشان در fMRG از نامزدهای احتمالی دریافت نوبل در آینده شمرده می‌شوند.

تصویربرداری کنتراست BOLD، یا نام رایج آن MRG عملکردی، به پایه علوم اعصاب شناختی تبدیل شده است. سنجش فعالیت مغز با وضوح بسیار بالا گزینه‌ای در دسترس شد. وضوح با تجهیزات، روش‌ها و شیوه‌های تحلیل پیشرفته MRG نیز بهبود یافت. امکانات آشکارشده با fMRG، از توصیف دقیق عملکردهای بینایی مغز انسان تا کمک به شناخت کارکردهای عالی مانند تشخیص چهره، همدلی و خودآگاهی، همچنان جهان علوم اعصاب را مسحور می‌کنند.