تصویرنگاریِ درون در پزشکی

زمانی که آیزاک آسیموف داستان «سفر شگفت انگیز» را در سال 1966 میلادی می‌نوشت شالوده‌ی داستانش مبتنی بر خیال‌پردازی‌های علمی بود: «یک گروه پزشکی بر یک زیر دریایی سوار می‌شوند و پس از آن که اندازه‌اشان هزاران بار کوچک می‌شود به جریان خون دانشمند مشهوری تزریق می‌شوند که لخته خونی یکی از رگ‌های مغزی‌اش را مسدود کرده است. آنها سپس با استفاده از نقشه‌های سه بُعدی دقیقی که با پرتونگاری تهیه شده‌اند راه خود را در مسیر پر پیچ و خم سیاه‌رگ‌ها و سرخ‌رگ‌ها و مجاری لنفاوی به سوی لخته پیدا می‌کنند.» اگرچه بشر هنوز نتوانسته است ابعاد خود و ابزارهایش را تا این حد کوچک کند و به نظر هم نمی‌رسد هرگز موفق به این کار شود اما نه تنها تهیه‌ی نقشه‌های سه بعدی از درون بدن برای دانشمندان ممکن شده است بلکه در ابزارهای تصویرنگاری امروزی حتی لازم نیست از پرتوهای ایکس که گاهی ممکن است زیان‌آور باشند استفاده شود. این یکی از جنبه‌هایی است که حتی آسیموف قادر به پیش‌بینی آن نبود.
دانش پرتوشناسی (رادیولوژی) و استفاده از اشعه برای مشاهده‌ی اعضای درونی بدن از زمانی که فیزیک‌دان آلمانی ویلهلم کونراد رونتگن در سال 1895 پرتوهای نافذ ایکس را کشف کرد پا گرفت. پرتو به قسمتی از بدن که باید تصویری از آن به دست آید تابانده می‌شود. بافت‌های طبیعیِ چگال‌تر نظیر استخوان‌ها یا عوارض غیرطبیعی چگال مانند سنگ‌های کلیه و کیسه‌ی صفرا بیش از بافت‌های نرم پرتو را در خود جذب می‌کنند و به این ترتیب پرتو را کمتر از خود عبور می‌دهند. به این ترتیب سایه‌ای از آنها بر فیلم پرتونگاری نمایان می‌شود. اگر چگالی بافت‌هایی نظیر لوله‌ی گوارش یا رگ‌های خونی به اندازه‌ای نباشد که سایه‌ای از آنها بر فیلم تشکیل شود می‌توان با مصرف خوراکی‌های ویژه یا تزریق موادی به نام مواد حاجب که جاذب اشعه باشند سایه‌ی این بافت‌ها را پررنگ‌تر کرد.
هرچند در بسیاری موارد، پرتونگاری ساده از ارزشمندترین کمک‌های تشخیصی است اما این روش کاستی‌هایی هم دارد. یکی از این کاستی‌ها دوبعدی بودن تصویر است. طبیعت عکس‌برداری در رادیولوژی کلاسیک ایجاب می‌کند که سه بُعد در دو بُعد دیده شود. بسیار محتمل است اطلاعات تشریحی و آسیب‌شناسی عمدتاً در بعد سوم نهفته باشد که تنها مجبوریم به طور غیر طبیعی آنها را در سطحی دو بعدی تشخیص دهیم. مثلاً اگر کسی را پیدا کنید که تا به حال صندلی ندیده باشد بعید است بتوانید تنها با نشان دادن تصویری از سایه‌ی آن روی دیوار، شکل سه بُعدی آن را به او بفهمانید. چنین شخصی یا باید قبلاً صندلی دیده باشد یا اگر خیلی باهوش باشد باید چندین سایه را از چندین زاویه‌ی مختلف ببیند و شکل آن را استنتاج کند.
مسئله‌ی بُعد همواره در تاریخ رادیولوژی مد نظر بوده است. نخستین تجربه برای رفع این نقیصه ابداع توموگرافی (برش نگاری) بود که تا حدود زیادی تصویر تجمعی را به تصویر نوموگرافیک تبدیل نمود. در برش نگاری، تصویری که به دست می‌آید دیگر سایه‌ی دو بعدی جسمی سه بعدی نیست بلکه عملاً عکس برشی از بدن است که ممکن است در هر یک از سه جهتِ فضا باشد. معروف‌ترین برش نگاری همان برش نگاری کامپیوتری یا سی تی اسکن است که فیزیک‌دان انگلیسی، گودفری هاونسفیلد، در 1972 آن را برای کاربرد در طب عرضه کرد و در 1979 جایزه‌ی پزشکی نوبل را به طور اشتراکی نصیب او کرد.
برش نگاری کامپیوتری، تلفیقی از پرتوشناسی از یک سو، و ریاضیات و کامپیوتر از سویی دیگر است. در این روش به جای آن که پرتوهای ایکس در سطح وسیعی تابانده شوند چندین باریکه در کنار یک‌دیگر به صورت یک صفحه به نحوی گسیل می‌شوند که صفحه‌ی آنها از مقطعی از بدن که قرار است از آن تصویر تهیه شود عبور کند. در آن طرف بدنِ بیمار، این باریکه‌ها به گیرنده‌هایی برخورد می‌کنند و هر گیرنده متناسب با شدت باریکه‌ای که به آن رسیده است تولید جریان الکتریکی می‌کند. هرچه چگالی بافتی که باریکه از آن گذشته است کمتر باشد اشعه‌ی کمتری جذب آن می‌شود و با رسیدن این اشعه‌های جذب نشده به گیرنده، جریان الکتریکی بیشتری تولید می‌شود. کامپیوتر، این جریان‌های الکتریکی متعدد را برحسب شدتشان به صورت داده‌های رقمی ذخیره می‌کند. سپس دستگاه پرتونگاری حول بدن بیمار کمی دوران می‌کند و همین عمل درست در همان مقطع (اما از زاویه‌ی دوران یافته) تکرار می‌شود و داده‌های رقمی جدید نیز توسط کامپیوتر ذخیره می‌شود. حال نوبت آن می‌رسد که کامپیوتر با پردازش داده‌های به دست آمده، تصویر مقطع مورد نظر را به صورت مجموعه‌ای از تعداد زیادی نقطه‌ی ریز بازسازی کند. برای روشن شدن این روش به مثال ساده شده‌ی زیر توجه کنید.
فرض کنید مقطعی که می‌خواهیم تصویر آن‌ را به این روش به دست آوریم اصلاً متشکل از چهار ناحیه باشد که در یک سطح قرار گرفته‌اند. اجازه دهید این چهار ناحیه‌ی مجاور را بالا-چپ، بالا-راست، پایین-راست، و پایین-چپ بنامیم. فرض کنید پرتوی با شدت 50 واحد را نخست از بالا به صورت افقی از دو ناحیه‌ی بالایی عبور دهیم و شدت پرتو رد شده از این دو ناحیه به اندازه‌ی 33 واحد افت کند. در این صورت می‌توانیم بگوییم مجموع چگالی‌های دو ناحیه‌ی بالا-چپ و بالا-راست برابر (و در واقع متناسب) است با 33. حال پرتو را به طور عمودی از دو ناحیه‌ی چپ عبور می‌دهیم و متوجه افت شدتی برابر با 45 واحد می‌شویم. یعنی جمع چگالی‌های دو ناحیه‌ی چپ برابر است با 45. حال پرتو را به صورت قطری از بالا-چپ و پایین-راست رد می‌کنیم و متوجه افت شدتی برابر با 40 می‌شویم که جمع چگالی‌های این دو ناحیه خواهد بود. و در مرحله‌ی آخر، پرتو را به صورت قطری از دو ناحیه‌ی بالا-راست و پایین-چپ رد می‌کنیم و متوجه افت شدتی برابر با 22 می‌شویم که مجموع چگالی‌های این دو ناحیه است. حال چهار معادله‌ی جمعِ چگالی، مربوط به چگالی‌های چهار ناحیه (به عنوان مجهول) داریم که به راحتی حل شده و چگالی هر ناحیه را به صورت عددی به دست می‌دهد (در این مثال: 28=بالا-چپ، 5=بالا-راست، 17=پایین-چپ، و 12=پایین-راست). هرگاه به نسبت، به عددهای بزرگتر رنگ‌های روشن‌تر و به عددهای کوچک‌تر رنگ‌های تیره‌تر نسبت دهیم و این چهار ناحیه را به این ترتیب رنگ کنیم تصویری خام از مقطع مزبور به دست آورده‌ایم که نواحی چگالتر (که مثلاً مربوط به استخوان است) سفیدترند.
در این مثال در واقع ساده‌ترین حالت ممکن را در نظر گرفتیم در حالی که در برش نگاری واقعی با کامپیوتر کافی است بدانید که به طور متوسط در هر دَوَران تعداد باریکه‌ها نه یکی که صدها باریکه است، و تعداد نواحی نه چهارتا که صدها هزار است، و تعداد معادلاتی که کامپیوتر باید از داده‌های به دست آمده استخراج و حل کند نه چهار تا که صدها هزار معادله است. دقیقاً به همین دلیل است که در دستگاه‌های برش نگاری، گران‌ترین قسمت دستگاه، نرم افزار یا برنامه‌ای است که طبق آن کامپیوتر تصویر را بازسازی می‌کند.
عیب دیگری که در پرتونگاری ساده و هم‌چنین در برش نگاری کامپیوتری وجود دارد آثار زیان‌بار ناشی از تابش اشعه است. به سادگی می‌توان دریافت که یافتن روش‌های تصویرنگاری بی‌خطر چقدر اهمیت دارد. اولین موفقیتی که در این زمینه به دست آمد استفاده از امواج فراصوتی به جای پرتوهای ایکس بود. از آن‌جا که در این روش دیگر اطلاق پرتو مناسبتی نداشت کم‌کم اصطلاح طب تصویری برای نام‌گذاری تمامی روش‌های تصویرنگاری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. در فراصوت نگاری یا اولتراسونوگرافی، از بلورهای بارابرقی یا پیزوالکتریک استفاده می‌شود که جریان الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی با بسامد یک تا ده میلیون هرتز تبدیل می‌کنند. این ارتعاشات به صورت امواج فراصوتی که قابل شنیدن نیستند به بدن تابانده می‌شوند. امواج فراصوتی به بدن نفوذ می‌کنند. بافت‌های مختلف بر حسب مشخصات خود به گونه‌های مختلف موجی که به آنها می‌رسد را بازتاب می‌کنند. این پژواک‌ها به وسیله‌ی همان بلورهای پیزوالکتریک به جریان‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند و به کامپیوتر داده می‌شوند. (امواج فراصوتی باید در قسمت‌هایی از بدن تابانده شود که استخوان جلوی موج واقع نیست تا مانع عبور موج شود.) با محاسبه‌ی زمانی که طول می‌کشد تا هر یک از پژواک‌های متوالی برگردند می‌توان دریافت که هر یک از بافت‌های ایجاد کننده‌ی این پژواک‌ها در چه عمقی از بدن قرار دارند و شدت هر پژواک تا حدودی بیان‌گر چگالی آن بافت است. درواقع اصول فراصوت نگاری همانی است که متفقین در جنگ جهانی دوم برای شناسایی زیردریایی‌های آلمانی از آن استفاده می‌کردند.
روش تصویرنگاری بسیار دقیقی که در سال‌های اخیر توجه تمامی محافل پزشکی را به خود جلب کرده است و حقیقتاً باید آن را درخشان‌ترین نتیجه‌ی همکاری فیزیک‌دان‌ها، پزشکان و متخصصان کامپیوتر دانست تصویرنگاری تشدید مغناطیسی یا ام آر آی است. کلمه‌ی ام آر متشکل از حروف اول کلمات Magnetic Resonance (تشدید مغناطیسی) است. مبنای این روش، گرفتن سیگنال از داخل بدن است. روش تشدید مغناطیسی از ابتدا برای استفاده در پزشکی ابداع نشد. در 1946 دو نفر به نام‌های پرسل و بلاک به طور مستقل در امریکا این پدیده را کشف کردند و اولین استعمال آن در شیمی بود که در آن هنگام به تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) موسوم شد. اما از زمانی که در سی سال گذشته در طب تصویری کاربرد پیدا کرد آن را در پزشکی تصویرنگاری تشدید مغناطیسی (MRI) نامیدند.
در این روش، تشکیل تصویر مبتنی بر رفتار هسته‌های اتم‌هاست. پروتون‌ها و نوترون‌های درون هسته‌های اتم‌ها هرکدام یک دوقطبی مغناطیسی (یا آهن‌ربای) کوچک هستند. در حالت عادی، جهت‌گیری آنها در هسته‌ها و در کل ماده کتره‌ای است و در کل، ماده خاصیت مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهد؛ درواقع این دو قطبی‌های مغناطیسیِ کوچک هم‌دیگر را در حالت معمولی خنثی می‌کنند. اما هنگامی که ماده یا درواقع مجموعه‌ی این دوقطبی‌ها در معرض یا میدان مغناطیسی خارجی قرار گیرند بسته به شدت میدان مغناطیسی اِعمال شده، دوقطبی‌های ریز مغناطیسی در جهت میدان مغناطیسی منظم می‌شوند. البته عوامل بازدارنده‌ی چندی در این میان وجود دارد مثل پیوندهای اتمی و مولکولی و نیز حرکت‌های گرمایی اتم‌ها. بنابر این هر چه میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده شدیدتر باشد تعداد دوقطبی‌های مغناطیسی ریز که در جهت میدان خارجی منظم‌تر می‌شوند بیشتر خواهد بود. در MRI شدت این میدان مغناطیسی خارجی از پانزده صدم تا یک و نیم تسلا می‌باشد (تسلا واحد شدت میدان مغناطیسی است). برای این که قدرت چنین میدانی را بتوانید تصور کنید کافی است بدانید که شدت میدان مغناطیسی زمین فقط در حدود پنج صدهزارم تسلاست. اگر چه می‌توان با آهنرباهای دائمی یا الکتریکی میدان‌هایی با شدت یک دهم تا سه دهم تسلا به دست آورد اما سیم‌پیچ‌های اَبَر رسانا میدان‌های بسیار قوی‌تر و یکنواخت‌تری نولید می‌کنند.
وقتی دوقطبی‌های مغناطیسی هسته‌ای در حضور میدان مغناطیسی خارجی در امتداد این میدان منظم شدند (که کمیت و کیفیت نظمشان به شدت میدان خارجی بستگی دارد) نوبت آن است که به وسیله‌ی عاملی خارجی به طور موقت آنها را از حالت نظم خارج کنیم تا آنها در راه بازگشت به نظم مجددشان تحت میدان مغنایسی خارجی، شروع به تابش امواج الکترمغناطیسی کنند که سپس این امواج در بیرون از بدن آشکارسازی و ثبت و تحلیل شود. این تلنگر به این دوقطبی‌های منظم شده را تابش امواج رادیویی فرستاده شده به داخل بدن، می‌زند این همان سیگنالی است که منشأ آن درون بدن است و نسجی را از نسج دیگر متمایز می‌کند. موج رادیویی در جهت عمود بر میدان مغناطیسی خارجی فرستاده می‌شود تا هستک‌هایی را که با میدان خارجی هم‌جهت شده بودند منحرف و از حالت تعادل خارج کند. وقتی تابش موج رادیویی پایان یابد هستک‌ها مجدداً سعی می‌کنند با میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت گردند و در این فرایند انرژی اضافه‌ای را که از موج رادیویی گرفته بودند به صورت موج رادیویی پس می‌دهند. این همان سیگنالی است که برای تصویرسازی بدن نیاز داریم. موجِ پس داده شده به وسیله‌ی همان سیم‌پیچی که آن را فرستاده بود دریافت می‌شود و متناسب با شدت موج به جریان الکتریکی تبدیل می‌شود. بنا بر این برخلاف برش‌نگاری کامپیوتری که مبتنی بر سنجش میزان جذب پرتو در بافت‌های مختلف است تصویرنگاری تشدید مغناطیسی بر پایه‌ی اندازه گیری مقدار تابشی است که پس داده می‌شود.
بسامد موج رادیوییِ ارسال شده بستگی به شدت میدان خارجی و نوع هسته‌ای که بررسی می‌شود دارد. مثلاً برای پروتون هیدروژن در میدانی به شدت یک تسلا، این بسامد برابر است با چهل و دو میلیون و شش‌صد هزار هرتز. از طرف دیگر قدرت سیگنالی که پس داده می‌شود به عواملی بستگی دارد که یکی شدت میدان مغناطیسی دستگاه است. برای همین دستگاه‌هایی که می‌توانند شدتی یک و نیم تسلایی ایجاد کنند در مقایسه با دستگاه‌های سه دهم تسلایی تصویرهای خیلی بهتری می‌دهند. عامل دیگر آزادی نسبی هستک‌ها یا دوقطبی‌های ریز جهت منظم شدن با میدان خارجی است. به همین دلیل بافت‌های نرم‌تر که این آزادی در آنها بیشتر است امواج قوی‌تر پس می‌فرستند تا بافت‌های سختی مثل استخوان.
امواج دریافت شده، به روشی مشابه با آن‌چه در مورد برش نگاری کامپیوتری گفته شد به صورت داد‌های رقمی به کامپیوتر فرستاده می‌شوند و تصویر برشی از مقطع مورد نظر به دست می‌آید. از آن‌جا که اساس تصویرگیری در ام آر آی بسیار اختصاصی، یعنی غلظت دقیق هستک‌ها در بافت‌های مختلف، است، قدرت تفکیک آن بسیار بالاست به حدی که به وسیله‌ی آن می‌توان حتی ماده‌ی خاکستری مغز را از ماده‌ی سفید آن تشخیص داد. ضمناً از آنجا که تاکنون به طور کلی آسیبی در ارتباط با استفاده از میدان‌های مغناطیسی در بدن تشخیص داده نشده است می‌توان گفت که در تصویرنگاری تشدید مغناطیسی هم بی‌ضرری روش فراصوت‌نگاری وجود دارد و هم دقت چندین برابر شده‌ی روش برش نگاری کامپیوتری.
در حال حاضر رادیولوژی یکی از مترقی‌ترین و جذاب‌ترین رشته‌های پزشکی است و بهترین فارغ‌التحصیلان دانشکده‌های پزشکی دنیا مشتاقانه داوطلب تحصیل در آن و تحقیق در قست‌هایی مثل CT، اولتراسوند، MRI، طب هسته‌ای، رادیولوژی ترمیمی، و سایر رشته‌های تخصصی مربوطه هستند.

منبع: