MRI – איך הוא עובד?

אז בואו נתחיל בבסיס:

סורק ה-MRI מעניין כל כך משום שהוא טומן בחובו שילוב של התפתחויות טכנולוגיות רבות שחלו במאה העשרים: מפיזיקה קוונטית וגלים אלקטרומגנטיים, פולסי רדיו ותהודה, ועד עיבוד תמונות וכוח מחשוב. בפוסט זה נענה על השאלה MRI איך הוא עובד? ולא, אין צורך לדעת פיזיקה ברמה גבוהה על מנת להבין זאת (-: הכל כתוב בשפה פשוטה (ואם לא הבנתם, נשמח לשאלות!).

סריקת ה-MRI מתבססת על עיקרון התהודה המגנטית. החלקיק התת-אטומי המעורב במהלך סריקה זו הוא הפרוטון היחיד אשר נמצא בתוך אטום המימן.

למה דווקא מימן? הסיבה היא שמימן הינו היסוד הנפוץ ביותר בגוף וכיוון שהוא אחת המולקולות המרכיבות תרכובת כימית חשובה ביותר בשם…, נכון, מים. המים הם מאפיין אשר כמותו שונה בכל רקמה ורקמה. כמו כן, הימצאות או העדר לא תקינים של כמות מים מאפיינת פתולוגיות רבות. למשל, רקמה דלקתית או גידול לרוב מכילים יותר מים מרקמה תקינה. סיבה נוספת שבעטיה סריקת ה-MRI הינה ספציפית למימן היא עצם העובדה שהיכולת למדוד את אטום המימן בעזרת תהודה מגנטית, טובה יותר או ברורה יותר מיסודות אחרים.

מה אנחנו מודדים במהלך סריקת ה-MRI? למעשה אנחנו מודדים את הספין (spin; סחריר בעברית) של פרוטון המימן לאחר שהתווספה לו נקיפה (precession; פרסציה).

הספין הוא התנאי הראשון לתופעת התהודה המגנטית. אפשר להגיד שספין של חלקיק הוא סיבוב החלקיק סביב צירו, אם כי זו הדרך שלנו להקל על תיאור הדברים. למעשה ספין הוא תכונה מופשטת שאי-אפשר להעניק לה ביטוי מוחשי מדויק. היא מוגדרת כתכונה של חלקיק הקשורה למגנטיות ומאפשרת היווצרות שדה מגנטי סביבו.

התנאי השני, שבלעדיו לא יתכן סיגנל תהודה מגנטית הוא הנקיפה. נקיפה מוגדרת כשינוי כיוון ציר הסיבוב של גוף מסתובב, במקרה שלנו הוספת תנועה לספין הפרוטון. אנחנו מכירים את נקיפתו של כדור הארץ, שכמו הפרוטון לא רק מסתובב סביב עצמו אלא גם מתנהל בתנועה הדומה לתנועה שעושה סביבון כמה שניות לפני שהוא נופל. את הנקיפה של פרוטוני אטום המימן אנחנו משיגים בעזרת מגנט חיצוני חזק (מגנט ה-MRI).

אז מה קורה בעצם לפרוטוני המימן בתוך גוף האדם כאשר הוא מוכנס לבדיקה בתוך המגנט (נקרא לו בפוסט זה "השדה המגנטי החיצוני") של סורק ה-MRI?

מתרחשים בו שתי תהליכים מרכזיים:

ראשית כל, כפי שכבר הוזכר, הספין של הפרוטונים מקבל נקיפה ושנית, הפרוטונים מתחלקים לשתי אוכלוסיות: אוכלוסייה במצב אנרגטי גבוה (high energy state), הנמצאת במצב אנטי-מקביל לשדה המגנטי החיצוני, ואוכלוסייה במצב אנרגטי נמוך (low energy state), הנמצאת במצב מקביל אליו (אפקט זה נקרא אפקט זימן; Zeeman effect). ההפרש האנרגטי בין שני המצבים נקרא אנרגיית מעבר (energy difference).

יותר פרוטונים מעדיפים להסתדר במצב מקביל לשדה המגנטי החיצוני מאשר במצב אנטי-מקביל אליו (כאשר אנחנו נמצאים בכוח מגנטי של טסלה אחד, בתנאים מסוימים, על כל מיליון ושבעה פרוטונים שמסתדרים עם כיוון השדה המגנטי, יש מיליון פרוטונים שמסתדרים בכיוון ההפוך לשדה המגנטי). את היחס בין שתי אוכלוסיות הפרוטונים אפשר לתאר באמצעות התפלגות בולצמן (Boltzmann distribution). בזכות התפלגות זו נוצר כוח מגנטי ספציפי של פרוטוני הגוף, אלא שכוח זה אינו יכול להימדד מאחר שהוא באותו הכיוון של השדה המגנטי החיצוני, ולכן אנחנו זקוקים למניפולציה שתטה אותו- אלו פולסי רדיו בתדר התהודה של פרוטוני המימן.

MRI איך הוא עובד?

סרטוט 1: הנקיפה של הפרוטון בהשפעת שדה מגנטי.
זכויות הסרטוט שמורות לעופר בן חורין

לאחר שהנבדק שוכב בתוך מגנט ה-MRI, אנחנו מתחילים את הבדיקה בעזרת ביצוע של סריקות (Scans). במהלך כל סריקה אנחנו שולחים לעבר הפרוטונים פולסי רדיו בתדר התהודה של פרוטוני המימן בגופנו. תדר התהודה מחושב לפי משוואה אשר נקראת "משוואת נקיפת לרמור" (Larmor precession equation). משוואה זו מחשבת את תדירות פרוטוני המימן כמכפלה של עוצמת הכוח המגנטי (הנמדדת ביחידות טסלה) במקדם שערכו ספציפי לכל יסוד הנקרא "היחס או הקבוע הגירומגנטי" (gyromagnetic ratio). רק לסבר את האוזן, תדירות התהודה, כלומר תדירות סיבוב הנקיפה של הפרוטון בגרעין אטום המימן עבור שדה מגנטי של טסלה אחד היא 42.577 מגה-הרץ.

MRI איך הוא עובד?

סרטוט 2: משוואת נקיפת לרמור
זכויות הסרטוט שמורות לעופר בן חורין

פולס הרדיו, בשל היותו בתדר התהודה של הפרוטונים, מעביר אליהם אנרגיה וכך גורם אצלם לשני שינויים מרכזים: ראשית, הוא מקפיץ חלק או את כל הפרוטונים במצב האנרגטי הנמוך למצב אנרגטי גבוה (תהליך הקרוי "עירור"; excitation). שנית, הוא מכניס את ספיני הפרוטונים למופע משותף, לתנועה סינכרונית.

כאשר מפסיקים את פולס הרדיו, מתבצעים תהליכים אשר קרויים "תהליכי דעיכה" או "תהליכי חזרה למצב הראשוני" (relaxation processes). במהלך תהליכים אלו, הפרוטונים אשר קפצו למצב אנרגטי גבוה דועכים בחזרה למצבם הראשוני, ואז כוחם המגנטי הכולל, שלפני פולס הרדיו היה לאורכו של ציר השדה המגנטי החיצוני (ציר Z), סובב בתנועת נקיפה במישור האופקי (מישור XY) תוך כדי חזרה לציר Z. תנועת נקיפה זו מייצרת סיגנל FID (Free Induction Decay), סיגנל אלקטרומגנטי שדועך לאפס בתבנית מסובכת תוך כדי אינטראקציה עם שדות מגנטיים מקומיים משתנים. את הסיגנל הזה, אשר מאפייניו מושפעים על-ידי הגרדיאנטים העוזרים לקודד אותו מרחבית, קולטים סלילים חיצוניים, ואז התמרת פורייה מפרקת אותו למרכיביו ומתרגמת אותו לספקטרום הנמצא במרחב התדירויות. תרגום זה, לאחר עיבוד ממוחשב נוסף, מיוצג על-גבי תמונה. כך נוצרת אפשרות למדוד את השדה המגנטי של הפרוטונים, לאפיין אותם לפי סביבתם ולהדגים זאת בתמונה מייצגת.

קיימים שני סוגי "דעיכות" או שני סוגי "חזרה למצב הראשוני" ב-MRI. התהליך הראשון נקרא תהליך שיקום המגנטיזציה האורכית אשר מתרחש בזמן T1 והתהליך השני הוא תהליך דעיכת המגנטיזציה הרוחבית אשר מתרחש בזמן T2. על מנת להצליח להשוות בין הרקמות בקצב התהליכים הללו, הוגדרו קבועי זמן לכל תהליך וכך ניתן לקבל תמונות המבוססות בעיקר על קצב תהליך מסוים (תמונה בשכלול T1 ותמונה בשכלול T2). תמונה נוספת שיכול סורק ה-MRI לספק מבוססת על השוואת כמות הפרוטונים בין הרקמות (תמונה בשכלול PD; Proton Density).

את ההסבר המלא והמקיף ניתן למצוא בספר "MRI המדריך המלא-רפואה ופיזיקה נפגשות". הספר כולל גם פרק מושגי יסוד נרחב המקל את ההבנה ומלווה בסרטוטים רבים ותמונות להמחשה, מידע רב על עתיד המחקר בתחום ה-MRI, בטיחות, ההיסטוריה של הסורק, בדיקות מיוחדות המבוצעות בו, סקירת שילובים וטכנולוגיות הקשורות אליו (כגון fMRI, DTI) ועוד נושאים רבים נוספים. את הספר ניתן לרכוש בדף רכישת הספר באתר זה.