پزشکی و استفاده روزافزون از تشدید مغناطیسی هسته‌ای در آن

كاربرد روش‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) در علوم پزشكی، در سال‌های اخیر شتاب كم سابقه‌ای داشته است. امكان استفاده از NMR در پزشكی بالینی اولین بار توسط دامادیان در سال 1971 گزارش شد. در این گزارش دامادیان نشان داد كه زمان‌های واهلش پروتونی طولانی (1Tو 2T) بافت‌های غده‌ای را می‌توان به عنوان معیاری برای تشخیص بافت‌های سالم از بافت‌های بدخیم به كار برد. در سال 1973 لاتربور با استفاده از گرادیان‌های خطی میدان مغناطیسی برهم‌نهیده به منظور كد بندی فضایی داده‌های حاصل از تشدید مغناطیسی هسته‌ای، روشی برای تشكیل تصاویر توموگرافی مقطعی ارائه داد. تا سال 1977 امكان 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 فیزیك‌دان‌های دانشگاهی پیش‌قدم بودند. تا سال 1986 در نتیجه پژوهش‌های شدید در دانشگاه‌ها و صنایع، توانایی تكنولوژیكی لازم برای تصویر گیری كارا با قدرت تفكیك زیاد و برای تحلیل طیف نمودی شرایط مهم آناتومیكی و آسیب شناختی فراهم آمده بود. هم اكنون بیش از 450 واحد تصویرگیری تشدیدی در سراسر دنیا در بیمارستان‌های عمومی خصوصی و در مراكز پزشكی دانشگاه‌ها – به كار گرفته شده است. قیمت این دستگاه‌ها بسته به مشخصات میدان مغناطیسی و وضعیت محل نصب از 500000 تا 2000000 دلار است. اجزای اصلی یك سیستم تصویرگیری بالینی تمام – بدن عبارت‌اند از: (الف) یك آهنربا با دهانه بزرگ كه شدت میدان آن در واحدهای تجارتی از حداقل T02ر0 تا حداكثر T2 می‌رسد (برای تولید میدان‌های بزرگ‌تر از T3ر0 معمولاً از آهنرباهای ابر رسانشی استفاده می‌شود)؛ (ب) سیم پیچ‌هایی برای تولید گرادیان میدان مغناطیسی، كه برای كدبندی فضایی و انتخاب برش لازم است؛ (ج) سیم پیچ‌های فرستنده و گیرنده در فركانس رادیویی (rf)؛ و (د) كامپیوتر برای كنترل سیستم و بازسازی تصاویر با استفاده از روش‌های تبدیل فوریه.
اكثر روش‌های تصویرگیری بالینی تا به امروز متكی به تشدید مغناطیسی پروتون بوده است تصاویری كه به این طریق ایجاد می‌شود می‌تواند نماینده چگالی پروتون‌های متحرك در یك برش نازك از بدن باشد؛ این تصاویر را می‌توان با استفاده از رشته تپ‌های (پالس‌های) rf متفاوت، از جمله پژواك‌های اسپینی، با توجه به زمان‌های واهلش پروتون (1T و 2T) متوسط‌گیری كرد. شكل تصویری از یك برش عرضی به ضخامت یك سانتی‌متر را كه از چشم‌ها می‌گذرد نشان می‌دهد كه با روش پژواك اسپینی و متوسط‌گیری با زمان 2T در میدان T5ر1 به دست آمده است. توجه كنید كه مایع زجاجیه چشم كه 2T طولانی دارد روشن به نظر می‌رسد در صورتی كه عدسی آن كه بلورینتر است و 2T كوتاه‌تری دارد تاریك جلوه می‌كند. این تصویر با استفاده از یك سیم پیچ rf محیطی كه سر را احاطه می‌كند گرفته شده است. پیشرفت‌های اخیر در تصویرگیری تشدیدی شامل طرح و توسعه سیم پیچ‌های سطحی بوده است. با به كار بردن یك سیم پیچ گیرنده در مجاورت نزدیك 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 پیكسل‌های كوچك‌تر به افزایش در قدرت تفكیك تبدیل كرد. 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 مركبی است كه در آن چندین تصویر از ستون فقرات كه به كمك پیچه‌های سطحی گرفته شده با یك عكس كامل سر (با استفاده از فنون عكاسی) وصل شده است. همان طور كه ملاحظه می‌شود، برخلاف توموگرافی كامپیوتری (CT) با پرتوهای ایكس كه در آن انتخاب صفحه تصویر به حركت جراثقالی دستگاه محدود می‌شود، در تصویر‌گیری تشدیدی با تنظیم الكترونیكی گرادیان میدان می‌توان صفحات تصویر را در هر وضعیتی انتخاب كرد (از جمله میانی، از جلو، مایل، و همچنین عرضی). تصاویری كه نشان داده شده‌اند نمایانگر قدرت تفكیك فضایی (كمتر از یك میلی‌متر) و تباین موجود در تصاویر تشدیدی‌اند. با توسعه این روش‌های اساسی تصویرگیری به ناحیه‌های كوچك، اخیراً زمینه برای میكروسكوپی تشدیدی هم فراهم آمده و به ازای هر پیكسل در صفحات تصویر خارج از موجود زنده، تفكیك‌هایی تا حدود μm10 به نمایش گذاشته شده است. میكروسكوپی تشدیدی، امكان تصویرگیری از تك سلول‌ها (تخم قورباغه) و در نتیجه تمایز دقیق هسته سلول و نواحی مختلف داخل سیتوپلاسم را فراهم كرده 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 كنترل علامت EKG استفاده شده است. با این روش می‌توان در هر مرحله از سیكل قلب یك تصویر ایست – شروع از قلب گرفت و با اتصال این تصاویر، یك رشته عكس متحرك (سینمایی) از قلب در حال ضربان به دست آورد. روش‌های متعددی برای مشاهده (دیداری) جریان خون وجود دارد. یك روش شامل استفاده از بستگی پدیده NMR به فاز حالت اسپینی و به كار بردن آن به عنوان یك پارامتر اطلاعاتی برای مشخص كردن جریان سیستم است. این فاز وابسته به سرعت تبانی در تصویر تشدیدی تولید می‌كند. این تباین همراه با تكنیك‌های تفریقی كنترل و تصویرگیری الكتروكاردیو گرافیكی برای مطالعات آنژیوگرافیك تشدیدی غیر تهاجمی مورد استفاده قرار گرفته است. كارهای دیگری كه شامل استفاده از روش‌های جمع آوری سریع اطلاعات می‌شود امكان تجسم نقش‌های جریان دینامیكی را از طریق فیلم‌های سینمایی تشدیدی با زمان واقعی فراهم كرده است.
در ابتدا، تصویرگیری تشدیدی از نظر جمع آوری اطلاعات یك روش نسبتاً كند به حساب می‌آمد. حتی با روش تصویرگیری چند برشی كه امروزه متداول است، به علت محدودیت‌های بنیادی مربوط به زمان‌های واهلش (كه در تصویرگیری تشدیدی از بدن مسئله‌ای است چون مریض نفس می‌كشد و حركت می‌كند) برای تصویرگیری از یك رشته نوعی 16 برشی زمانی در حدود دوازده دقیقه لازم است. در این زمینه، رشته تپ‌های سریع و مخصوصی پیشنهاد شده است كه می‌توانند یك تصویر كامل را در زمان‌هایی در حدود 2T گردآوری كنند. اما قدرت تفكیك 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 پژواك‌های اسپین متأثر از گرادیان‌های میدان استفاده می‌شود. تصاویر تك برشی كه N/S نسبتاً بالایی هم دارند فعلاً در مدت 2 تا 5 ثانیه قابل حصول‌اند، در حالی كه با استفاده از روش‌های جمع آوری سریع اطلاعات در سه بعد می‌توان رشته تصاویر كاملی از برش‌های چندگانه را در 4 دقیقه به دست آورد. و بالاخره نقش هسته‌هایی غیر از هیدروژن و امكان به دست آوردن اطلاعات تشخیصی به كمك تحلیل طیفی گونه‌های مختلف بیومولكولی در درون بافت‌ها در تشدید مغناطیسی هسته‌ای پزشكی اهمیت روزافزونی پیدا كرده است. تصویرگیری تشدیدی از توزیع سدیوم طبیعی 23 در سر انسان گزارش شده است. فلوئور 19 را كه مقدار طبیعی آن در موجودات زنده خیلی كم است – می‌توان به چندین شكل بیولوژیكی مناسب به عنوان یك عامل تباین قوی برای تصویرگیری NMR به بدن وارد كرد. فعلاً كاربردهای تشدید مغناطیسی فلوئور 19 تحت بررسی وسیع است. پدیده‌های انتقال شیمیایی كه منجر به طیف پیچیده چند قله‌ای NMR برای یك هسته به خصوص می‌شوند معیاری برای شناسایی محیط اطراف مولكول‌اند و امكان تشخیص گونه‌ای مختلف بیوشیمیایی و محصولات حاصل از متابولیسم آن‌ها را فراهم می‌كنند. در واقع روش‌هایی ابداع شده‌اند كه تصویرگیری از انتقال‌های شیمیایی و در نتیجه تصویرگیری از یك جزء طیفی خاص را امكان‌پذیر می‌كنند. مثلاً در مورد هیدروژن، برای پروتون‌های مقید در آب و برای پروتون‌های مقید در چربی می‌توان تصاویر متفاوتی تولید كرد.