پزشکی و استفاده روزافزون از تشدید مغناطیسی هسته‌ای در آن

کاربرد روش‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) در علوم پزشکی، در سال‌های اخیر شتاب کم سابقه‌ای داشته است. امکان استفاده از NMR در پزشکی بالینی اولین بار توسط دامادیان در سال 1971 گزارش شد. در این گزارش دامادیان نشان داد که زمان‌های واهلش پروتونی طولانی (1Tو 2T) بافت‌های غده‌ای را می‌توان به عنوان معیاری برای تشخیص بافت‌های سالم از بافت‌های بدخیم به کار برد. در سال 1973 لاتربور با استفاده از گرادیان‌های خطی میدان مغناطیسی برهم‌نهیده به منظور کد بندی فضایی داده‌های حاصل از تشدید مغناطیسی هسته‌ای، روشی برای تشکیل تصاویر توموگرافی مقطعی ارائه داد. تا سال 1977 امکان گرفتن تصاویر مقدماتی از اندام‌های بدن انسان فراهم آمد و در سال 1980 اولین نتایج دقیق از تصویر سر انسان منتشر شد. در نیل به این پیشرفت‌های اخیر عمدتاً فیزیک‌دان‌های دانشگاهی پیش‌قدم بودند. تا سال 1986 در نتیجه پژوهش‌های شدید در دانشگاه‌ها و صنایع، توانایی تکنولوژیکی لازم برای تصویر گیری کارا با قدرت تفکیک زیاد و برای تحلیل طیف نمودی شرایط مهم آناتومیکی و آسیب شناختی فراهم آمده بود. هم اکنون بیش از 450 واحد تصویرگیری تشدیدی در سراسر دنیا در بیمارستان‌های عمومی خصوصی و در مراکز پزشکی دانشگاه‌ها – به کار گرفته شده است. قیمت این دستگاه‌ها بسته به مشخصات میدان مغناطیسی و وضعیت محل نصب از 500000 تا 2000000 دلار است. اجزای اصلی یک سیستم تصویرگیری بالینی تمام – بدن عبارت‌اند از: (الف) یک آهنربا با دهانه بزرگ که شدت میدان آن در واحدهای تجارتی از حداقل T02ر0 تا حداکثر T2 می‌رسد (برای تولید میدان‌های بزرگ‌تر از T3ر0 معمولاً از آهنرباهای ابر رسانشی استفاده می‌شود)؛ (ب) سیم پیچ‌هایی برای تولید گرادیان میدان مغناطیسی، که برای کدبندی فضایی و انتخاب برش لازم است؛ (ج) سیم پیچ‌های فرستنده و گیرنده در فرکانس رادیویی (rf)؛ و (د) کامپیوتر برای کنترل سیستم و بازسازی تصاویر با استفاده از روش‌های تبدیل فوریه.
اکثر روش‌های تصویرگیری بالینی تا به امروز متکی به تشدید مغناطیسی پروتون بوده است تصاویری که به این طریق ایجاد می‌شود می‌تواند نماینده چگالی پروتون‌های متحرک در یک برش نازک از بدن باشد؛ این تصاویر را می‌توان با استفاده از رشته تپ‌های (پالس‌های) rf متفاوت، از جمله پژواک‌های اسپینی، با توجه به زمان‌های واهلش پروتون (1T و 2T) متوسط‌گیری کرد. شکل تصویری از یک برش عرضی به ضخامت یک سانتی‌متر را که از چشم‌ها می‌گذرد نشان می‌دهد که با روش پژواک اسپینی و متوسط‌گیری با زمان 2T در میدان T5ر1 به دست آمده است. توجه کنید که مایع زجاجیه چشم که 2T طولانی دارد روشن به نظر می‌رسد در صورتی که عدسی آن که بلورینتر است و 2T کوتاه‌تری دارد تاریک جلوه می‌کند. این تصویر با استفاده از یک سیم پیچ rf محیطی که سر را احاطه می‌کند گرفته شده است. پیشرفت‌های اخیر در تصویرگیری تشدیدی شامل طرح و توسعه سیم پیچ‌های سطحی بوده است. با به کار بردن یک سیم پیچ گیرنده در مجاورت نزدیک ناحیه تصویرگیری می‌توان به بهبود قابل ملاحظه‌ای در نسبت علامت (سیگنال) به نوفه (N/S) دست یافت. این افزایش در N/S را می‌توان با انتخاب پیکسل‌های کوچک‌تر به افزایش در قدرت تفکیک تبدیل کرد. از سیم‌پیچ‌های سطحی برای تصویرگیری اندام‌های به خصوصی مثل چشم، گوش، ستون فقرات، زانو، و پستان استفاده شده است.
تصویر صفحه سر فصل اخبار عبارت از تصویر مرکبی است که در آن چندین تصویر از ستون فقرات که به کمک پیچه‌های سطحی گرفته شده با یک عکس کامل سر (با استفاده از فنون عکاسی) وصل شده است. همان طور که ملاحظه می‌شود، برخلاف توموگرافی کامپیوتری (CT) با پرتوهای ایکس که در آن انتخاب صفحه تصویر به حرکت جراثقالی دستگاه محدود می‌شود، در تصویر‌گیری تشدیدی با تنظیم الکترونیکی گرادیان میدان می‌توان صفحات تصویر را در هر وضعیتی انتخاب کرد (از جمله میانی، از جلو، مایل، و همچنین عرضی). تصاویری که نشان داده شده‌اند نمایانگر قدرت تفکیک فضایی (کمتر از یک میلی‌متر) و تباین موجود در تصاویر تشدیدی‌اند. با توسعه این روش‌های اساسی تصویرگیری به ناحیه‌های کوچک، اخیراً زمینه برای میکروسکوپی تشدیدی هم فراهم آمده و به ازای هر پیکسل در صفحات تصویر خارج از موجود زنده، تفکیک‌هایی تا حدود μm10 به نمایش گذاشته شده است. میکروسکوپی تشدیدی، امکان تصویرگیری از تک سلول‌ها (تخم قورباغه) و در نتیجه تمایز دقیق هسته سلول و نواحی مختلف داخل سیتوپلاسم را فراهم کرده است.
در سال گذشته تحقیقات مربوط به قلب و موضوع وابسته به آن، یعنی تصویرگیری از جریان خون، مورد توجه زیادی واقع شده است. برای گردآوری اطلاعات NMR از روش کنترل علامت EKG استفاده شده است. با این روش می‌توان در هر مرحله از سیکل قلب یک تصویر ایست – شروع از قلب گرفت و با اتصال این تصاویر، یک رشته عکس متحرک (سینمایی) از قلب در حال ضربان به دست آورد. روش‌های متعددی برای مشاهده (دیداری) جریان خون وجود دارد. یک روش شامل استفاده از بستگی پدیده NMR به فاز حالت اسپینی و به کار بردن آن به عنوان یک پارامتر اطلاعاتی برای مشخص کردن جریان سیستم است. این فاز وابسته به سرعت تبانی در تصویر تشدیدی تولید می‌کند. این تباین همراه با تکنیک‌های تفریقی کنترل و تصویرگیری الکتروکاردیو گرافیکی برای مطالعات آنژیوگرافیک تشدیدی غیر تهاجمی مورد استفاده قرار گرفته است. کارهای دیگری که شامل استفاده از روش‌های جمع آوری سریع اطلاعات می‌شود امکان تجسم نقش‌های جریان دینامیکی را از طریق فیلم‌های سینمایی تشدیدی با زمان واقعی فراهم کرده است.
در ابتدا، تصویرگیری تشدیدی از نظر جمع آوری اطلاعات یک روش نسبتاً کند به حساب می‌آمد. حتی با روش تصویرگیری چند برشی که امروزه متداول است، به علت محدودیت‌های بنیادی مربوط به زمان‌های واهلش (که در تصویرگیری تشدیدی از بدن مسئله‌ای است چون مریض نفس می‌کشد و حرکت می‌کند) برای تصویرگیری از یک رشته نوعی 16 برشی زمانی در حدود دوازده دقیقه لازم است. در این زمینه، رشته تپ‌های سریع و مخصوصی پیشنهاد شده است که می‌توانند یک تصویر کامل را در زمان‌هایی در حدود 2T گردآوری کنند. اما قدرت تفکیک فضایی و N/S حاصل از این روش چندان خوب نیست. طی دو سال گذشته فعالیت شدیدی در زمینه توسعه و تدقیق روش‌های جدید و سریع تصویرگیری تشدیدی در جریان بوده است. راه‌های متعددی برای تولید تپ‌های به خصوص پیدا شده است. در این روش‌ها معمولاً از تپ‌های rf با زاویه محدود و از پژواک‌های اسپین متأثر از گرادیان‌های میدان استفاده می‌شود. تصاویر تک برشی که N/S نسبتاً بالایی هم دارند فعلاً در مدت 2 تا 5 ثانیه قابل حصول‌اند، در حالی که با استفاده از روش‌های جمع آوری سریع اطلاعات در سه بعد می‌توان رشته تصاویر کاملی از برش‌های چندگانه را در 4 دقیقه به دست آورد. و بالاخره نقش هسته‌هایی غیر از هیدروژن و امکان به دست آوردن اطلاعات تشخیصی به کمک تحلیل طیفی گونه‌های مختلف بیومولکولی در درون بافت‌ها در تشدید مغناطیسی هسته‌ای پزشکی اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. تصویرگیری تشدیدی از توزیع سدیوم طبیعی 23 در سر انسان گزارش شده است. فلوئور 19 را که مقدار طبیعی آن در موجودات زنده خیلی کم است – می‌توان به چندین شکل بیولوژیکی مناسب به عنوان یک عامل تباین قوی برای تصویرگیری NMR به بدن وارد کرد. فعلاً کاربردهای تشدید مغناطیسی فلوئور 19 تحت بررسی وسیع است. پدیده‌های انتقال شیمیایی که منجر به طیف پیچیده چند قله‌ای NMR برای یک هسته به خصوص می‌شوند معیاری برای شناسایی محیط اطراف مولکول‌اند و امکان تشخیص گونه‌ای مختلف بیوشیمیایی و محصولات حاصل از متابولیسم آن‌ها را فراهم می‌کنند. در واقع روش‌هایی ابداع شده‌اند که تصویرگیری از انتقال‌های شیمیایی و در نتیجه تصویرگیری از یک جزء طیفی خاص را امکان‌پذیر می‌کنند. مثلاً در مورد هیدروژن، برای پروتون‌های مقید در آب و برای پروتون‌های مقید در چربی می‌توان تصاویر متفاوتی تولید کرد.