דימות תהודה מגנטית

דימות תהודה מגנטית - חתך במישור החיצי

סרטון המציג סדרה של הדמיות של חתכי מוח
סדרה של הדמיות של חתכים רוחביים של מוח, מהקודקוד מטה.

סרטון המציג MRI של חלק מהראש בתלת-ממד
MRI תלת-ממדי של חלק מהראש.

דימות תהודה מגנטית (באנגלית: Magnetic Resonance Imaging, בראשי תיבות: MRI) הוא סוג של סריקה לא-פולשנית המשמשת להמחשת אברים פנימיים בגוף ללא שימוש בקרני רנטגן, למטרות אבחון רפואי, חקר המוח, פסיכיאטריה, מחקר ביולוגי ועוד. בשיטה זו משתמשים בשילוב של קרינת רדיו ושדה מגנטי חזק (גבוה מ-1 טסלה) כדי להשפיע על הספין של הפרוטונים באטומי המימן שנמצאים במולקולות המים בגוף. שינוי תכונות הספין תלוי ברקמה בה הוא נמצא (למשל חומר לבן או חומר אפור במוח) וכך, בעזרת מדידת שינוי הספין, ניתן לקבל הפרדה ברורה בין הרקמות השונות.

הבדיקה יעילה בעיקר לדימות מערכת העצבים המרכזית - המוח וחוט השדרה, והמפרקים, דוגמת הברך והכתף. בתמונת MRI רואים רק רקמות רכות: לא רואים עצמות אלא רק את מח העצם. דוגמאות לשימושים שכיחים: איתור גידולים במוח, אבחון של טרשת נפוצה, הערכת מצב מיניסקוסים בברכיים ודימות פריצת דיסק בעמוד השדרה. יתרון נוסף של ה-MRI הוא היכולת לראות ממצא (כגון גידול) מכל מבט - חיצי (חלוקה לשמאל ימין), חזיתי (קדמי-אחורי), אופקי (עליון-תחתון) או בשחזור תלת-ממדי.

בתחילה נקראה השיטה דימות תהודה מגנטית-גרעינית (NMRI). קהילת הרופאים חששה שהציבור הרחב יקשר שלא בצדק בין המילה "גרעינית" לבין פצצה גרעינית, רדיואקטיביות וכדומה, ולכן הוחלט להשמיט את המילה מהשם ומראשי התיבות. ממציאי המכשיר הם פול לוטרבר ופיטר מנספילד. שניהם יחד המציאו את השימוש בגרדיאנטים מרחביים כדי לקשר בין תדר לבין מיקום ^{[דרוש מקור]}. בשנת 2003 הוענק להם פרס נובל לרפואה על המצאת ה-MRI, עקב חשיבותו ככלי אבחוני‏‏.

שימושים

מכשיר MRI של חברת פיליפס

בשנים האחרונות פותחו יישומים נוספים ל-MRI בנוסף לצילומי אנטומיה, לדוגמה:

• דימות הלב בפעולה ומדידת תפקוד הלב
• אנגיוגרפיה - דימות כלי דם
• דימות תהודה מגנטית תפקודי (functional MRI, fMRI) - שימוש ייעודי במכשיר ה-MRI על מנת למדוד פעילות מוחית. חוקרים פיתחו שיטת עיבוד של סריקות ה-MRI המאפשרת לאתר שינויים מקומיים בזרימת הדם במוח, שמעידים על עוצמת הפעילות העצבית. שיטה זו מתבססת על השינוי שחל בתכונות המגנטיות של החלבון המוגלובין, בהתאם למספר מולקולות החמצן שהוא נושא. חוקרי המוח מנצלים תופעה זו כדי ללמוד אילו אזורים במוח פעילים כאשר מבצעים מטלות שונות. כך לדוגמה, ניתן לצלם את המוח בזמן מנוחה, ולאחר מכן לצלם את אותו אזור בזמן שמראים לנבדק תמונה או משמיעים לו קול מסוים. השוואה בין שתי תמונות ה-MRI מזהה את האזורים במוח שהיו בשימוש. מלבד חשיבותו ככלי לחקר המוח, fMRI הוא כלי חשוב לתכנון ניתוחי מוח. מתמונות fMRI המנתח יכול למשל לאתר את מיקומם המדויק של מרכזי הדיבור והשמיעה אצל חולה מסוים, כדי לתכנן את הניתוח כך שימזער את הנזק הנלווה להסרת הגידול.
• (diffusion weighted imaging (DWI - מדידת מקדם הפעפוע של המוח. הוכח שדרך דימות מקדם הפעפוע ניתן להבחין בין שבץ שנוצר כתוצאה מדימום ('המורגי') לבין שבץ שנוצר על ידי חסימת כלי דם ('איסכמי'). אבחנה זו קריטית כדי לתאם טיפול נכון ויעיל לנבדק. יש גם אינדיקציות שניתן להשתמש ב-DWI לצורך מיפוי החומר הלבן והחומר האפור במוח.

כיום נבחן השימוש ב-MRI colonography כדי לסייע בגילוי מוקדם של סרטן המעי הגס. שיטה זו אמורה להיות בטוחה ונוחה יותר מבדיקות הקולונוסקופיה הנמצאות כיום בשימוש‏.

מגבלות

• בגלל השימוש בשדה מגנטי חזק אין אפשרות לעבור סריקת MRI כאשר קיימות מתכות בגוף (למשל קוצב לב או סוגים מסוימים של התקן תוך רחמי). כמו כן, אנשים שיש חשש כי בגופם יש רסיסי מתכת או עברו ניתוחים כלשהם, יעדיפו בדיקת CT במקום בדיקות MRI.
• למרות התקוות הגדולות שתלו ב-MRI, השיטה אינה יכולה להבחין בין גידול סרטני ממאיר לגידול שפיר.

אופן הפעולה הפיזיקלי

דימות תהודה מגנטית מבוסס על תהודה מגנטית גרעינית (NMR). בנוכחות חומר שלגרעינים שלו יש מומנט מגנטי, מתרחשות מספר תוצאות:

• בנוכחות שדה מגנטי חיצוני $\vec B_0$, החומר מתמגנט. המגנטיזציה של החומר $\vec M$ פרופרציונלית לשדה החיצוני ($\vec M \propto \vec B$)
• אילו המגנטיזציה $\vec M$ הייתה מוצבת בזווית (שאינה אפס) ביחס לשדה $\ B_0$ המגנטיזציה תבצע פרצסיה (נקיפה) בתדר לרמור שפרופורציוני לעוצמת השדה החיצוני $\nu_{Larmor} \propto B_0$
• בנוכחות שדה מגנטי נוסף $\vec B_1$, הניצב לשדה-$\vec B_0$ ומסתובב מסביבו בתדר לרמור אזי המגנטיזציה $\vec M$ תתחיל לנטות מן הכיוון של $\vec B_0$. לשדה $\vec B_1$ נקרא "פולס RF". פולס RF של $90^0$ יסובב את המגנטיזציה $\vec M$ ב-$90^0$ מכיוון השדה $\vec B_0$.
• לאחר סיום פולס ה-RF, כל רכיב של המגנטיזציה $\vec M$ הניצב לכיוון $\ \vec B_0$ יבצע פרצסיה בתדר לרמור. תנועה זאת נקראת פרצסיה חופשית (free precession). באנטנה שנמצאת בקרבת מקום יושרה מתח שישתנה בתדר $\nu_{Larmor}$ על פי חוק פאראדיי.
• בנוסף לפרצסיה חופשית, רכיב המגנטיזציה המקביל לשדה חוזר בקצב אקספוננציאלי לערכו המקורי בשיווי משקל תרמי $\ (M_0)$. כמו כן, גם רכיב המגנטיזציה הניצב לשדה דועך לאפס בקצב אקספוננציאלי (אם כי לא בדיוק באותו קצב כמו קצב חזרת הרכיב המקביל למגנטיזציה).

בהדמיה, בנוסף לשדה החיצוני הקבוע והאחיד, מייצרים שדה מגנטי המשתנה ממקום למקום. בקירוב, השדה משתנה בצורה לינארית בחלל המגנט, ולכן שדה זה נקרא "גרדיאנט". כתוצאה מהגרדיאנט משתנה תדר הפרצסיה ממקום למקום. לדוגמה, אם הגרדיאנט הוא בציר X אזי

$\nu=(\frac{\gamma}{2\pi})\cdot B_0=(\frac{\gamma}{2\pi})\cdot G\cdot x$.

כאן $\ G$ הוא עוצמת הגרדיאנט. היות שכל מומנט בגוף מתנודד בתדר שונה (על פי מיקומו בציר ה-X), האות הכולל שנקלט באנטנה הוא סכום של תדרים רבים. במאה ה-19 פיתח פורייה טכניקה מתמטית לפרק אות לסכום של גלי סינוס בתדרים שונים. טכניקה זאת נקראת התמרת פורייה. בשנות ה-60 של המאה ה-20 פיתחו Cooley ו-Tukey, שני מדענים שעבדו בחברת IBM, שיטה נומרית יעילה מאוד לביצוע ההתמרה. שיטה זאת נקראת FFT. ב-MRI דוגמים את האות שנקלט באנטנה ומבצעים על האות התמרת פורייה מהירה. כתוצאה מהקשר בין תדר למקום (שנוצר על ידי שימוש בגרדיאנט) התרומה של תדר מסוים באות היא התרומה של מקום מסוים בגוף. כך ניתן לפענח איזה חלק מהאות בא מכל אזור ואזור שבגוף, ולהציג לרופא תמונה דו-ממדית או תלת-ממדית. עוצמתו של כל פיקסל בתמונה היא פונקציה של מספר גורמים - כמות החומר בעל מומנט מגנטי שיש שם, זמני רלקסציה, מקדם הדיפוזיה, זרימה, נוכחותם של חלקיקים פרומגנטיים מיקרוסקופיים ועוד.

משך זמן הסריקה תלוי בטכניקת הדימות. ישנן סריקות הנמשכות שניות בודדות ואחרות נמשכות עשרות דקות. בדרך כלל מבקש הרופא לבצע מספר סריקות לאותו נבדק בשיטות סריקה שונות (שמייצרות קונטרסטים שונים) ובגאומטריות וברזולוציות שונות, כגון תמונות מכיוונים שונים. התהליך כולו נמשך בין 20 עד 40 דקות ואין כמעט תופעות לוואי. לפעמים מזריקים לנבדק חומר פאראמגנטי (גדוליניום) שעשוי להגדיל את הקונטרסט במקרה של גידולים מסוימים.

בחירת פרוסה או נפח

בדרך כלל אין מעוניינים לקבל תרומה מכל החומר שנמצא בתוך האנטנה. כדי להשיג רזולוציה מרחבית יש להתמקד על פרוסה דקה של חומר. ניתן להשיג מטרה זו בהפעלת גרדיאנט בזמן שידור פולס ה-RF. בנוכחות הגרדיאנט משתנה תדר התהודה ממקום למקום ורק במקום מסוים תדר התהודה שווה לתדר של פולס ה-RF. בצורה מתמטית, אם הגרדיאנט מופעל בציר Z, החומר היחיד שיושפע ממנו נמצא בפרוסה הדו-ממדית שבה:

$\frac{\gamma}{2\pi}(B_0 + G \cdot Z ) = \nu_{rf}$

כיון שאין תלות ב-X ו-Y, המשוואה מגדירה פרוסה דו-ממדית. עובי הפרוסה נקבע על ידי רוחב הסרט של פולס ה-RF:

$\frac{\gamma}{2\pi} \cdot G \cdot \Delta Z = \Delta \nu_{rf}$

את כיוון הפרוסה משנים על ידי בחירת ציר הגרדיאנט שמופעל בזמן שידור ה-RF (‏X או Y או Z או צירוף של שניים או שלושה בו זמנית). במכשירים מסחריים ניתן בדרך כלל לשלוט ברוחב פרוסה על ידי שינוי עוצמת הגרדיאנט.

הפורמליזם של מרחב K

אחרי פולס עירור (כגון פולס RF של $90^0$) האות $\ S(t)$ הוא הסכום של התרומה של כל מומנט מגנטי, כשכל אחד תורם את "סינוס" תדר לרמור שלו באותו רגע. אם הגרדיאנטים משתנים בזמן, האות שווה ל:

$S(t) =\int d^3x \rho({\vec x}) e^{i\gamma{\vec x}\cdot\int_0^t{\vec G}(t)dt}= \int d^3x {\tilde \rho}({\vec k}(t))$

כלומר, בכל רגע ורגע אות ה-MRI שווה לערך של התמרת פורייה של המומנטים בחומר הנמדד. שיטות סריקה שונות מכסות את מרחב ה-K בצורות שונות. שיטת spin echo ושיטת gradient echo מכסות את המרחב שורה שורה (תמיד באותו כיוון). שיטת (echo planar imaging (EPI סורקת מספר שורות ברצף, כשחלקן נסרקות בכיוונים הפוכים. גם בשיטת fast spin echo סורקים מספר שורות של מרחב K אחרי כל פולס RF, אבל כל השורות נסרקות באותו כיוון.

מדוע אין MRI לאלקטרונים?

גם לאלקטרון יש מומנט מגנטי, הרבה יותר גדול מהמומנט של הפרוטון. קיימת תופעת (EPR (electron paramagmetic resonance אבל בגוף אי אפשר לנצלו לדימות. אלקטרונים תמיד באים בזוגות עם כיווני ספין הפוכים, וכתוצאה מכך אי אפשר לנצל את ה-EPR לדימות.

בישראל

עד לאחרונה פעלו בישראל 10 מכשירי הדמיה בלבד. זהו שיעור נמוך של מכשיר אחד ל-700 אלף נפש. בשל התור הארוך, מופעלים חלק מהמכשירים 24 שעות ביממה, ולעתים אף בשבתות‏‏. בקרוב ייפרסו 13 מכשירים נוספים בדגש על הפריפריה, ובכך יושג שיעור של מכשיר אחד ל-350 אלף נפש וזמן ההמתנה לבדיקה יתקצר‏‏.

ראו גם

• תהודה
• תהודה מגנטית גרעינית
• fMRI
• מגנטואנצפלוגרפיה (MEG)

לקריאה נוספת

• צבי פלטיאל, "דימות תהודה מגנטית גרעינית", פי האטום ג-4, יולי 1987.

קישורים חיצוניים

• עופר בן חורין, פיזיקת MRI : עיקרי פיזיקת ה-MRI, אופן יצירת הסקנים ובניית תמונות ה-MRI השונות.
• זאב לוז, דימות אדם - בעזרת תהודה מגנטית גרעינית, "מדע", כרך כ"ח 2
• עפר קפלן, מי מפחד מ-NMR? : רותמים את תופעת התהודה המגנטית הגרעינית לתועלת האדם
• פרופ' הנרי הלפרין, ‏הדמיה רפואית - MRI - וידאו, באתר הערוץ האקדמי, 12/06/2008
• דוידסון אונליין - מאגר מדע: כיצד פועל ה MRI? סרטון עם הסברים.
• היחידה ל-fMRI בבית-החולים הדסה בירושלים