فيزياء الرنين المغناطيسى الجزء الثالث

في هذا الجزء الأخير من فيزياء الرنين المغناطيسي :

• ظاهرة إسترخاء الزمن الأول T1-Relaxation
• صورة الزمن الأول الموزونة T1-wighted image
• ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني T2-Relaxation
• صورة الزمن الثاني الموزونة T2-wighted image
• صورة كثافة البروتون Proton Density image

مبدئياً يمكننا القول بأنه يوجد ثلاث أنواع رئيسية في صور الرنين المغناطيسي:

1. صورة الزمن الأول الموزونة T1-Weighted Image
2. صورة الزمن الثاني الموزونةT2-Weighted Image
3. صورة كثافة البروتون الموزونة Proton Density Weighted Image

نلاحظ أنه تختلف الألوان في هذه الصور. هذا ليس إختلاف في النوافذ windowing كما في الأشعة المقطعية أو الأشعة السينية. بل كل صورة تختلف عن الصورة في العوامل ومكونات الصورة . نلاحظ أنه في الصورة التي على اليمين أنه لا يمكننا مشاهدة السائل النخاعي الشوكي CSF وتم تضعيف الإشارة الخارجة منها، أما نظيرتها التي في المنتصف فتوضح جميع السوائل بما فيها الـ CSF باللون الأبيض. هذا بسبب أن الأمراض تختلف مكوناتها ولذلك للتشخيص الكامل لا بد من أخذ عدة أنواع من الصور. طبعاً هذا لا يحدث في أنواع الأشعة الأخرى، هذا ما يجعل جهاز الرنين المغناطيسي مميز وكأنه أكثر من جهاز.

يوجد ثلاث خصائص (رئيسية – يوجد عوامل اخرى) تتحكم في التباين في صور الرنين المغناطيسي. كل صور الرنين المغناطيسي لا بد أن توجد فيها هذه الخصائص، لكن بنسب مختلفة. هذه الخواص الثلاثة هي صفات داخلية (أو ظواهر) في البروتونات تختلف بإختلاف بروتونات نسيج عن آخر. ماهي هذه الخصائص؟

1. إسترخاء الزمن الأول T1-Relaxation Time
2. إسترخاء الزمن الثاني T2-Relaxation Time
3. كثافة البروتونات في النسيج Proton Density

ملاحظة: يوجد اختلاف بين ظاهرة الزمن الأول T1-Relaxation وصورة الزمن الأول الموزونة T1-weighted image. مع العلم أنه يوجد علاقه بينهما سنتعرف عليها لاحقاً، ولكنهما ليس نفس الشئ. كذلك نفس الإختلاف ينطبق على ظاهرة الزمن الثاني وصورة الزمن الثاني الموزونة. 

     أقول مجدداً جميع صور الرنين المغناطيسي لا بد أن يكون فيها جميع هذه الخصائص أو الظواهر. لكن تختلف النسبة. هذه الخصائص كلها تتعلق ببعضها البعض ويرتبط حدوث احدها بحدوث الآخر كما سنشاهد لاحقاً . لكن يمكننا بتغيير عدة عوامل أن نستطيع أن نلعب في النسب بين ظاهرة وأخرى. على سبيل المثال، إذا أردنا أن نأخذ صورة الزمن الأول الموزونة فإننا نستطيع تغيير بعض العوامل لزيادة ظاهرة الزمن الأول في الصورة وإضعاف ظاهرتي الزمن الثاني وكثافة البروتون وهكذا.

القاعدة الرابعة عشر: يوجد ثلاث أنواع رئيسية من صور الرنين المغناطيسي يتحكم فيها ثلاث ظواهر تكون من الخواص الداخلية في البروتونات:

• صورة الزمن الأول الموزونة ويتحكم فيها بشكل رئيسي ظاهرة الزمن الأول.
• صورة الزمن الثاني الموزونة ويتحكم فيها بشكل رئيسي ظاهرة الزمن الثاني
• صورة كثافة البروتون الموزونة ويتحكم فيها بشكل رئيسي عدد البروتونات في النسيج

ماهو سبب تسمية الصور بالموزونة weighted ؟

كما قلت سابقاً أن أي نوع من الصور تكون فيه جميع الخصائص أو الظواهر الثلاثة لكن أحدها يكون بنسبة أكبر. يمكن التحكم بذلك بعدة عوامل وكأننا نستخدم ميزان لإختيار الصورة التي نريد. التلاعب أو التحكم بوقت هذه العوامل يُمكننا من زيادة تأثير أحد هذه الظواهر في الصورة وتضعيف الظاهرتين الأخرى.

العوامل الرئيسية التي تتحكم في التباين في صور الرنين المغناطيسي: (سأذكر إثنان هما الأهم في هذه المرحلة)

• زمن التكرار TR repetition time : المقصود هنا هو تكرار موجات تردد الراديو RF. هذا يعني وقت الإنتظار بين موجات تردد الراديو RF. هذا يعني أنها ليست موجة واحدة فقط بل متعاقبة، هذا يمكننا من التحكم بالصورة
• زمن الصدى TE echo time. هو الوقت الذي نصور فيه (وقت التصوير ويسمى هنا صدى، لأننا نحن نعطي موجات راديو ثم ترجع لنا عند الإسترخاء ونصورها) المقصود هنا مدة وقت الإنتظار بعد إرسال موجة تردد الراديو RF لكي نأخذ الصورة. نستطيع التحكم في ذلك أيضاً. سنتعلم كيف يحدث ذلك لا حقاً بالتفصيل.

القاعدة الخامسة عشر: يوجد عاملان رئيسيان للتحكم بالتباين أو نوع صورة الرنين المغناطيسي:

1. زمن التكرار TR
2. زمن الصدى TE

---

ظاهرة إسترخاء الزمن الأول T1-Relaxation

     ينتج هذا الإسترخاء نتيجة خسارة الطاقة من البروتونات إلى محيطها وهذا ما يسمى Spin-Lattice Energy Transfer. عندما تخسر البروتونات الطاقة يحدث ضعف تدريجي في المغنطة العرضية حتى تختفي بشكل كامل مع إكتمال نظيرتها المغنطة الطولية. هذا يعني الرجوع لحالة الإتزان. تختلف سرعة رجوع المغنطة العرضية إلى المغنطة الطولية بين الأنسجة. لكن في الرنين المغناطيسي يكون الماء water و الدهن fat طرفا نقيض وكل ما عداهما يكون في المنتصف. لذلك دائماً سأناقش الفرق في وقت الإسترخاء بين الماء والدهن.

     يكون زمن الإسترخاء بالنسبة للبروتونات في الدهن خلال ظاهرة إسترخاء الزمن الأول قصير. أي يحدث إسترخاء بسرعة (مما يعني حدوث تلاشي للمغنطة العرضية بشكل سريع). أما الماء فهو العكس. الوقت الذي تستغرقه بروتونات الماء للإسترخاء في ظاهرة الزمن الأول يعتبر طويل (لذلك تستغرق بروتونات الماء وقت طويل للعودة)

دعني أقول ذلك بصيغة اخرى، بعد إستثارة البروتونات الموجودة في الدهن والماء بواسطة موجات تردد راديو RF تصبح جميعها في المغنطة العرضية بشكل كامل. بعد إيقاف موجات تردد الراديو RF تعود البروتونات الموجودة في الدهن بشكل اسرع من البروتونات الموجودة  في الماء. لو انتظرنا ولم نفعل شئ، سيعود الدهن أولاً ومن ثم سيعود الماء للمغنطة الطولية.

الدهن والماء لهما وقت إسترخاء مختلف، الدهن يعود أسرع من الماء

لكن كيف نأخذ صورة الزمن الأول الموزونة T1-weighted images؟

      الحقيقة أننا لا ننتظرها حتى تعود بشكل كامل في ظاهرة الزمن الأول، لأننا نريد أن نستغل الفرق في المغنطة العرضية بين الدهن والماء وتمثيل ذلك على صورة الزمن الأول الموزونة. (لو انتظرنا وقت طويل سنزيد من ظاهرة الزمن الثاني في الصورة. سنعرف ذلك لاحقاً) يكون ذلك من خلال تكرار إرسال موجة تردد راديو RF بعد زمن معين نسميه زمن التكرار TR. هنا علينا أن لا ننتظر طويلاً لإرسال موجة تردد الراديو RF الثانية، لأنه لو انتظرنا طويلاً سيعود كلاهما للمغنطة الطولية وسيتلاشى الفرق بين الدهن والماء. لهذا السبب يكون وقت التكرار TR متحكماً في ظاهرة الزمن الأول.  لذلك ننتظر وقت قصير ونرسل موجة تردد الراديو الثانية.

تذكر: يتم أخذ إشارة الرنين المغناطيسي عند المغنطة العرضية فقط!

     عندما ننتظر وقت TR قصير يكون هناك فرق بين الدهن والماء، الدهن رجع مسافة أطول من الماء لأنه أسرع. لكن عندما نرسل موجة تردد راديو RF آخرى يتم إبعاد الماء مسافة أبعد عن الدهن كما في الصورة في الأسفل. بذلك يكون الدهن أقرب للمغنطة العرضية من الماء. عندها ننتظر وقت صدى قصير TE لإستغلال هذه النقطة عندها نلتقط صورتنا. بهذا تكون الإشارة في الدهن أعلى من الإشارة في الماء. وهذا يعطينا صورة الزمن الأول الموزونة T1-wighted image.

بواسطة موجة تردد الراديو الثانية يتم إبعاد الماء بمساحة أكبر عن الدهن. يكون الدهن أقرب من المغنطة العرضية والإشارة منه أكبر، أما الإشارة من الماء فتكون ضعيفة لأنه بعيد عن المغنطة العرضية

بما أن الإشارة من الدهن أكبر، فإنه يظهر على صورة الزمن الأول الموزونة باللون الأبيض. أما الماء فيكون لونه أسود في الصورة لأنه بعيد عن المغنطة العرضية. ولو أخذنا صورة الزمن الأول الموزونة على الدماغ فإن نسيج الدماغ (دهن) يكون أبيض أما السائل النخاعي الشوكي CSF (ماء) فيكون أسود. تشتهر هذه الصورة بأنه صورة التشريح لأنها توضح المكونات بشكل واضح. مثلاً في الدماغ المادة الرمادية تكون لونها في الصورة رمادي. أما المادة البيضاء فتكون بيضاء في الصورة. (صورة الزمن الثاني الموزونة العكس)

ملاحظة: كما قلت سابقاً الدهن والماء هما على طرفا نقيض وبقية الأنسجة تكون فيما بينهما. لكن الصورة بشكل عام تكون بتدرج الرمادي لتعكس مختلف الأنسجة.

القاعدة السادسة عشر: تعتمد ظاهرة إسترخاء الزمن الأول على عودة المغنطة الطولية لحالة الإتزان. في ظاهرة إسترخاء الزمن الأول T1-Relaxation بعد إيقاف موجات تردد الراديو RF تعود البروتونات المتواجدة في الدهن إلى حالة الإتزان بشكل سريع. أما البروتونات التي في الماء فتعود بشكل بطئ. تكون خسارة الطاقة هنا للأنسجة المجاورة spin-lattice relaxation.

معلومة اضافية: لكي لا تنسى، المثال الذي في الأسفل سيساعدك على التذكر بشكل اسهل. من كتاب mri made easy

القاعدة السابعة عشر: زمن التكرار TR هو المتحكم الأساسي في صورة الزمن الأول الموزونة T1-weighted image. لا بد أن يكون زمن التكرار TR وزمن الصدى TE قصيران للحصول على صورة الزمن الأول الموزونة. يكون فيها الدهن عالي الإشارة باللون الأبيض، أما الماء فيكون ضعيف الإشارة باللون الأسود.

إستخدام الرسم البياني

       الكتب تلجأ لوصف الكلام الذي في الأعلى أيضاً بإستخدام الرسم البياني. سأعرج على هذه الطريقة لكي تكون المعلومة لديك مكتملة ولكي تكون هذه الرسوم مألوفة لديك عندما تجدها في الكتب. وهي طريقة علمية جداً. أكرر أنني لن أشرح شئ جديد ولكنني سأعيد شرح السابق بطريقة أخرى وهي الرسم البياني.

      تعتمد ظاهرة الزمن الأول على على عودة المغنطة الطولية إلى وضعية الإتزان (هنا لننسى المغنطة العرضية قليلاً ونركز على المغنطة الطولية، لكن تذكر أنه على الرغم أن المغنطة الطولية هي المهمة في الزمن الأول، إلا أن الإشارة التي نلتقطها هي المغنطة العرضية، كلاهما مرتبط ببعض لكن التوقيت يختلف) . مع وجود موجات تردد الراديو RF تكون المغنطة الطولية تقريباً صفر. بعد إيقاف RF تتم عودة أو صعود المغنطة الطولية بشكل تدريجي حتى تكون في بشكل كامل عند وصولها لحالة الإتزان كما في الصور ادناه.

يمكننا رسم هذه العلاقة بواسطة الرسم البياني لتكون هكذا:

نلاحظ أن المغنطة الطولية تزيد مع زيادة الوقت

صورة متحركة توضح ظاهرة إسترخاء الزمن الأول:

وإذا ما أخذنا في الإعتبار الدهن والماء:

للتذكير: صورة الرنين المغناطيسي لا تتكون من فقط دهن وماء. هذا يستخدم للتبسيط. انظر الصورة ادناه لتقريب الفكرة أكثر:

---

ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني T2-Relaxation

    أما بالنسبة لظاهرة الزمن الثاني فإنها تعتمد على تلاشي ونقصان في المغنطة العرضية نتيجة لخسارة البروتونات الطاقة إلى البروتونات المجاورة لها ويمكن تسميتها بـ spin-spin relaxation. في ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني (كما في ظاهرة الزمن الأول) تحدث خسارة الطاقة للبروتونات المجاورة نتيجة لفقد البروتونات خاصية الدوران في نفس الطور in phase. يكون زمن خسارة البروتونات للطاقة بالنسبة للدهون قصير. أما بالنسبة للماء فيكون الزمن طويل.

خسارة البروتونات لخاصية الدوران في نفس الطور، هذا يؤدي إلى تقلص في المغنطة العرضية حتى قبل صعود المغنطة الطولية

نقصان المغنطة العرضية نتيجة خروج البروتونات عن الدوران في نفس الطور

يمكننا رسم العلاقة بين المغنطة العرضية والزمن في ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني كالتالي:

تتناقص المغنطة العرضية مع مرور الزمن في ظاهرة الزمن الثاني

أما للمقارنة بين الدهن والماء فإن العلاقة تكون كالتالي:

في صورة الزمن الثاني الموزونة نختار زمن صدى طويل لأن فيه يكون زيادة في التباين بين النسيجين

     هذا يعني أن المغنطة العرضية للدهن تتلاشى بشكل أسرع من المغنطة العرضية للماء في ظاهرة الزمن الثاني. بصيغة أخرى، بروتونات الماء تستغرق وقت أطول لخسارة الطاقة للبروتونات المجاورة مقارنة بالدهن.

القاعدة الثامنة عشرة: تعتمد ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني على تلاشي أو نقصان المغنطة العرضية. في ظاهرة إسترخاء الزمن الثاني T2-Relaxation بعد إيقاف موجات تردد الراديو RF تفقد البروتونات أولاً خاصية الدوران في نفس الطور in-phase  ويصبح لها dephasing. يكون زمن خسارة البروتونات للطاقة بالنسبة للدهون قصير. أما بالنسبة للماء فيكون الزمن طويل. تكون خسارة الطاقة هنا للبروتونات المجاورة spin-spin relaxation.

صور الزمن الثاني الموزونة T2-weighted image

العامل المتحكم في صورة الزمن الثانية الموزونة هو وقت الصدى TE. لا بد أن يكون طويل بحيث يكون هناك تباين بين الماء والدهن في الصورة. فلو اخترنا وقت صدى قصير يكون التباين قليل بين الدهن والماء. نلاحظ في الرسم البياني اعلاه أن الإشارة في الماء هي أعلى من الإشارة من الدهن. وهذا ما يعطينا صورة الزمن الثاني الموزونة. الماء يكون أبيض والدهن اسود. زمن الإعادة TR لا بد أن يكون طويل كذلك. لماذا؟

T2 Weighted Image

معلومة إضافية(توضيح): لأننا لو أخترنا زمن تكرار TR قصير فإننا سنسمح بخواص ظاهرة الزمن الأول بالظهور على صورتنا. ونحن لا نريد ذلك. نحن نريد الحصول على صورة الزمن الثاني الموزونة ويكون ذلك بـ :

• نختار زمن صدى طويل TR فهو العامل المتحكم في ظاهرة الزمن الثاني.
•  نختار وقت تكرار TR طويل لكي نتفادى أو نخفف من ظاهرة الزمن الأول.

القاعدة التاسعة عشرة: زمن الصدى TE هو المتحكم الأساسي في صورة الزمن الثاني الموزونة T2-weighted image. لا بد أن يكون زمن التكرار TR وزمن الصدى TE طويلان للحصول على صورة الزمن الثاني الموزونة. يكون فيها الماء عالي الإشارة باللون الأبيض، أما الدهن فيكون ضعيف الإشارة باللون الأسود. 

---

الفرق بين صورة الزمن الأول الموزونة  و  صورة الزمن الثاني الموزونة

T1 Weighted Image VS T2-Weighted Image

---

صورة كثافة البروتون الموزونة Proton Density Weighted Image

     نريد صورة تعطي الفرق في الخواص بين كثافة (تركيز أو أعداد) البروتونات في الأنسجة. للحصول على  هذه الصورة لا بد من إختيار زمن التكرار TR وزمن الصدى TE المناسب لكي نقلل من تأثير ظاهرة الزمن الأول وظاهرة الزمن الثاني في الصورة. تكون الصورة معتمدة بشكل كبير على كثافة البروتونات في الأنسجة.

    للحصول على ذلك نختار وقت تكرار TR طويل، ووقت صدى قصير. الأول لتقليل تأثير ظاهرة الزمن الأول والثاني لتقليل تأثير ظاهرة الزمن الثاني. تكون الأنسجة قليلة الكثافة في البروتونات غامقة أو سوداء. أما الأنسجة كثيرة البروتونات فتكون بلون فاتح أو بيضاء.

PD Density Weighted

القاعدة العشرين: صورة كثافة البروتون الموزونة PD-weighted image  تعطي الفرق في الخواص بين كثافة (تركيز أو أعداد) البروتونات في الأنسجة. للحصول على  هذه الصورة لا بد من إختيار زمن التكرار TR وزمن الصدى TE المناسب لكي نقلل من تأثير ظاهرة الزمن الأول وظاهرة الزمن الثاني في الصورة. تكون الصورة معتمدة بشكل كبير على كثافة البروتونات في الأنسجة. للحصول على ذلك نختار وقت تكرار TR طويل، ووقت صدى قصير. الأول لتقليل تأثير ظاهرة الزمن الأول والثاني لتقليل تأثير ظاهرة الزمن الثاني. تكون الأنسجة قليلة الكثافة في البروتونات غامقة أو سوداء. أما الأنسجة كثيرة البروتونات فتكون بلون فاتح أو بيضاء.

---

ملخص التحكم في العوامل:

ولمن يريدون الدقة ويسألون كم يكون وقت العوامل بالتحديد؟ بدلاً عن القول بـ زمن قصير و زمن طويل. علماً أن الوقت يكون بوحدة الميلي ثانية.

---

نهاية موضوع فيزياء الرنين المغناطيسي

     هذه هي الخطوة الأولى في فهم الرنين المغناطيسي. ولاشك أنها خطوة كبيرة. قد يريد البعض الإستزادة أكثر، لذلك سيتم تحميل بعض الكتب الإنجليزية المقترحة من قبلي وتجربتي معها وماذا انصح به. كتب الرنين المغناطيسي الإنجليزية متعددة (على قلتها مقارنة بالعلوم الأخرى) إلا أن كل منها له اسلوب معين في توصيل المعلومة.

     يمكن استخدام الفيزياء الكلاسيكية classical physics في تفسير ظاهرة الرنين المغناطيسي، وهو ما تبنيت بعضه في كتابتي هنا لسهولتها ومباشرتها في الشرح خاصة أننا نحن كتقني أشعة نريد فقط المفاهيم الأسياسية للعمل على جهاز التصوير بكفاءة. يمكن تفسير فيزياء الرنين المغناطيسي أيضاً بواسطة فيزياء ميكانيكا الكم quantum mechanics المختصة بتفسير الظواهر على مستوى الذرات وأصغر من ذلك. وهذا قد يهم العاملين في الأبحاث في هذا المجال. هذه نقطة احببت ايضاحها لكي لا يتم اللبس.