آدرس

تهران - قلهک

۰۹۹۱۶۸۸۸۷۹۲

ارتباط مستقیم با ما

شنبه تا پنج شنبه 08:00 تا 20:00

ساعات کاری ما

عضویت در خبرنامه

درخواست مشاوره

در این مقاله چه می‌خوانیم؟

کاربردهای فرکانس رزونانس در دستگاه­های تشخیص پزشکی

1- مقدمه. 1

1-1- تصویربرداری رزونانس مغناطیسی ((MRI)Magnetic Resonance Imaging) (1, 2). 1

2-1- هایپرترمیا با استفاده از فرکانس رزونانس ذرات فلزی (3). 7

3-1-  رزونانس مغناطیسی هسته ((NMR)Nuclear Magnetic Resonance) (4). 8

4-1-  دستگاه بیورزنانس (VRT) Vegetative nerve Resonance Test 10

2-  منابع. 10

1- مقدمه

فرکانس رزونانس یا همان فرکانس طبیعی فرکانسی است که یک نوسانگر را با بالاترین دامنه به نوسان وادار می سازد. طی این عمل انرژی توسط نوسانگر جذب می گردد که می بایست انرژی به دست آمده به نحوی (چه تابشی چه غیر تابشی) از دسترس سیستم خارج گردد تا سیستم به حالت اولیه خود برگردد. آسایش تابشی و غیر تابشی کاربردهای وسیعی جهت اعمال تشخصیی و ارتقاء سلامت دارد که در ادامه به کابرد برخی از این آسایش ها می پردازیم

1-1- تصویربرداری رزونانس مغناطیسی ((MRI)Magnetic Resonance Imaging) (1, 2)

تکنیک MRI برای نخستین بار در سال 1974 کشف شد و اولین استفاده بالینی آن در سال 1977 انجام شد (MRI های مورد استفاده در بالین 5/1 و 3 تسلا هستند. چگالی شار میدان مغناطیسی زمین 00003/0 تسلا است). این تکنیک می تواند با بکارگیری میدان های مغناطیسی و میدان های فرکانس رادیویی انجام گیرد. هسته اتم ها به دلیل باردار بودن می توانند به هنگام چرخش میدان مغناطیسی تولید کنند. هسته اتم هیدروژن یا به عبارتی پروتون (هسته اتم هیدروژن فاقد نوترون است و لذا به کل آن پروتون می گویند) به دلیل اسپین خود می تواند یک ممان دوقطبی مغناطیسی داشته باشد. بیشترین مولکول تشکیل دهنده بدن انسان آب است و پروتون های مولکول های آب موجود در بدن در حالت آزاد دارای ممان های مغناطیسی راستاهای تصادفی هستند.

1-1

شکل 1. راستا و جهت گیری های تصادفی ممان های مغناطیسی پروتون ها قبل از اعمال میدان مغناطیسی.

نکته: فرکانس روزنانس: فرکانسی از یک نوسانگر است که در آن فرکانس نوسانگر تمایل دارد با بالاترین دامنه نوسان کند. فرکانس لارمور: هر اتمی با اسپین خاص خود دارای فرکانس زاویه ای طبیعی خاص خود است. به این فرکانس طبیعی فرکانس لارمور می گویند.

پس از اعمال میدان مغناطیسی، ممان های مغناطیسی در راستای میدان مغناطیسی اعمال شده مرتب خواهند شد.

1-2

شکل 2. پس از قرار گیری در میدان مغناطیسی، ممان های مغناطیسی با میدان هم راستا می شوند

در این حالت از انجایی که خود ممان های مغناطیسی دارای ممنتوم زاویه ای خاص خود هستند قرار گیری در میدان مغناطیسی موجب خواهد شد تا ممنتوم زاویه ای آنها اندکی تغییر کند و موجب کردد تا ممان های مغناطیس علاوه بر چرخش حول خود (اسپین هسته)، حول یک محور نیز چرخش داشته باشند (حرکت تقدیمی). به این چرخش که برای هر اتمی ویژه است، فرکانس لارمور اطلاق می گردد.

1-3

شکل 3. حرکت تقدیمی و اسپین هسته مربوط به پروتون

حال اگر یک فرکانس رادیویی به این پروتون های اعمال گردد (در زاویه 90 درجه با راستای میدان مغناطیسی اعمال شده) و هم فرکانس با فرکانس لارمور باشد موجب خواهد شد تا تمامی ممان های مغناطیسی در صفحه Z به صفحه X-Y منتقل شوند. به این فرکانس، فرکانس رزونانس می گویند. از انجایی که رزونانس در اینجا مربوط به ممان های مغناطیسی است به رزونانس مغناطیس شهرت یافته است.

1-4

شکل 4. پس از اعمال فرکانس رادیویی برابر با فرکانس لارمور در راستای صفحه X-Y، ممان های مغناطیسی در صحفه Z به راستای X-Y حرکت خواهند کرد.

 در تکنیک MRI مدت زمان کاهش یا افزایش مغناطیس شوندگی در دو صحفه Z و یا X-Y مورد ارزیابی قرار می گیرد. دو زمان آسایش T1 و T2 در این تکنیک اندازه گیری می شوند. زمان T1 نشان دهنده افزایش مغناطیس شوندگی در راستای Z و زمان T2 نشان دهنده کاهش مغناطیس شوندگی در راستای صحفه X-Y است(هنگامی ثبت می گردد که مغناطیس شوندگی به 37 درصد مقدار اولیه خود برسد).

1-5

شکل 5.  افزایش مغناطیس شوندگی در صفحه Z (مغناطیس شوندگی طولی)

1-6

شکل 6. ثبت زمان T1

1-7

شکل 7. ثبت زمان T1 و T2 سریعتر برای بافت چربی نسبت به آب

در بافت چربی به دلیل آب کمتر مدت زمان کوتاهی طول می کشد تا مغناطیس شوندگی در راستای Z به حد ماکزیمم خود برسد. به عبارتی زمان T1 برای چربی نسبت به آب زودتر رسم خواهد شد. زمان T2 برای بافت چربی نیز زودتر رسم خواهد شد چرا که به دلیل میزان آب کمتر مغناطیس شوندگی در صفحه X-Y زودتر کاهش پیدا خواهد کرد.

1-8

شکل 8. ثبت زمان T2

مکانیسم های تشکیل تصویر در MRI:

(1): چگالی پروتون: در این مورد جریان اولیه را اندازه گیری می کنیم

(2): زمان آسایشT1. به این زمان آسایش اسپین-شبکه نیز می گویند. در این مورد انرژی جذب شده از میدان به هنگام بازگشت به صفحه Z به محیط داده می شود. این زمان آسایش به ثابت ژئومگنتیک و همچنین تحرک شبکه بستگی دارد. از همین رو، برای مواد جامد و مایعات ویسکوز که تحرک کمی دارند، این زمان بیشتر است.

(3): زمان آسایشT2. به این زمان آسایش اسپین-اسپین می گویند (خارج از فاز شدن ممان های مغناطیسی بخاطر تعامل با یکدیگر). با گذشت زمان ممان های مغناطیس در حال چرخش در این محور، از هم فاز بودن خارج شده و اختلاف فاز پیدا می کند تا جایی که برایند مغناطش هسته ها صفر می گردد.

نکته: معمولا زمان آسایش اسپین – شبکه بزرگتر از زمان آسایش اسپین – اسپین است

1-9

شکل 9. خارج از فاز شدن و هم فاز شدن ممان های مغناطیسی با گذر زمان به ترتیب در مغناطیس شوندگی عرض (transversal magnetization) و طولی (longitudinal magnetization).

1-10

شکل 10. استفاده از رزونانس مغناطیسی در دستگاه MRI

 2-1- هایپرترمیا با استفاده از فرکانس رزونانس ذرات فلزی (3)

هایپرترمیا به صورت کلی به معنای افزایش دمای بدن به بیش از میزان طبیعی آن است. دمای بالای بدن به طور معمول باعث بیماری می شود، مثل تب و یا شوک گرمایی، اما افزایش کنترل شده‌ی دما در بعضی از موارد برای ارتقاء سلامت به در ویژه سرطان به کار می‌رود. گرما درمانی، فرآیندی شامل افزایش دمای بافت های حاوی تومور معمولا تا بیش از 42 سانتی گراد است و هدف آن از بین بردن یاخته های سرطانی است. این فرآیند ارتقاء سلامت به طور معمول با سایر روش های ارتقاء سلامت در سرطان مثل پرتودرمانی و شیمی درمانی همراه می‌شود. توانایی کنترل توزیع انرژی در داخل بافت های زنده با گسترش ابزار های الکترونیک و راژمان های مدل سازی در دهه‌های گذشته بسیار مورد توجه بوده و پیشرفت قابل ملاحضه ای داشته است. از هایپرترمیا به دو شکل کلی موضعی و منطقه ای برای درمان سرطان استفاده می‌شود. عدم توزیع حرارت در تمامی یاخته های توموری، ناکافی بودن مقدار گرمای تولیدی و نیز تیمار حرارتی ناخواسته یاخته های سالم، مهم ترین چالش های روش های فعلی هایپرترمیا است.

1-11

شکل 11. هایپرترمی بافت های توموری.

پلاسمون سطحی ذرات فلزی موجب خواهد شد تا نور ورودی پس از به رزونانس در آوردن پلاسمون های سطحی، به گرما تبدیل شود و موضع مورد نظر را گرم کند. این پدیده همان هایپرترمی (گرما درمانی) با استفاده از ذرات فلزی است.

3-1-  رزونانس مغناطیسی هسته ((NMR)Nuclear Magnetic Resonance) (4)

رزونانس (تشدید) مغناطیسی هسته‌ای یک پدیده فیزیکی است که بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی کار می کند. پدیده NMR بر اساس این حقیقت بنا نهاده شده است که هسته ی اتم ها خواص مغناطیسی دارند و از این خاصیت می توان برای به دست آوردن اطلاعات شیمیایی استفاده کرد. ذرات زیر اتمی در مکانیک کوانتومی (پروتون، الکترون و نوترون) دارای اسپین هستند. در برخی اتم ها (مانند S32،O16 و C12) به دلیل خنثی کردن اسپین یکدیگر، هسته اتم ها در مجموع فاقد اسپین خواهد بود. با این حال در بسیاری از اتم ها (مانند H1، C13، P31،N15، F19) هسته دارای اسپین است. به منظور تعیین این که کدام هسته دارای اسپین است و کدامیک خیر از قائده زیر پیروی می کنیم:

اگر تعداد نوترون ها و تعداد پروتون های هر دو با هم یکسان باشد، هسته فاقد اسپین خواهد بود. اگر مجموع تعداد نوترون ها و پروتون ها یک عدد فرد باشد، آنگاه هسته دارای اسپین غیر صحیح (2/1، 2/3، 2/5و …) خواهد بود و اگر تعداد نوترون های یک عدد فرد و تعداد پروتون های اتم نیز یک عدد فرد باشد آنگاه هسته اتم دارای اسپین صحیح خواهد بود (1، 2 و …)

به هنگام اعمال یک میدان مغناطیسی قوی، انرژی هسته‌های عناصر مشخصی  به علت خواص مغناطیسی این ذرات به دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می‌شوند.

1-12

شکل 12. شکافتگی میان ترازهای هسته ای پس از اعمال میدان مغناطیسی در روش NMR

تعداد جهت گیری دوقطبی های مغناطیسی ناشی از اسپین هسته یک اتم با میدان مغناطیسی اعمال شده از رابطه 2I+1 پیروی خواهد کرد. (I: عدد اسپین). به عنوان مثال برای یک اتم منفرد با عدد اسپینی 2/1 دو حالت ممکن است وجود داشته باشد. حالتی (1) دوقطبی مغناطیسی همجهت با میدان مغناطیسی اعمال شده باشد  (بصورت α یا 2/1+ و دارای تراز انرژی پایینتر)  و حالت (2) دوقطبی مغناطیسی غیرهمجهت با میدان مغناطیسی اعمال شده باشد (بصورت β یا 2/1- و دارای تراز انرژی بالاتر).

1-13

شکل 13. تفاوت میان اسپین های مختلف هسته ای در روش NMR

با اعمال میدان مغناطیسی هسته های با جهت گیری همجهت با میدان، از میدان اعمال شده انرژی جذب کرده و به تراز بالاتر که غیر همجهت با میدان است تغییر جهت خواهند داد. هسته غیر همجهت از آنجا که در حالت ناپایدار قرار دارد می بایست به حالت پایدار خود برگردد. برگشت به حالت پایه با رهایش انرژی صورت خواهد گرفت و می تواند به صورت یک سیگنال توسط آشکارگر، آشکار گردد و برای بررسی اطلاعات شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. برای بدست آوردن تعداد هسته در تراز بالاتر () نسبت به تعداد هسته در تراز پایین تر () از رابطه بولتزمن استفاده می کنیم

رابطه 1.

  قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده

K ثابت بولتزمن

T دما

به عنوان مثال برای پروتون در دمای اتاق و با میدان مغناطیسی 4/1تسلا این نسبت 9/0 خواهد بود که نشان می دهد که تعداد هسته ها در تراز بالا و پایین در حضور این میدان تقریبا یکسان بوده و لذا تعداد هسته هایی که در تراز پایین قرار دارند بسیار اندک خواهد بود (از این رو سیگنال های دریافت شده بسیار بسیار ضعیف خواهد بود). به عبارتی از هر 4 میلیون اسپین تنها 123 اسپین در تراز انرژی پایینتر قرار خواهند داشت. این حقیقت نشان می دهد که یا باید میزان نمونه را افزایش داد یا اینکه مدت زمان گرفتن آنالیز را افزایش داد (CW-NMR). اگر تعداد سیگنال گیری را در یکا زمان افزایش دهیم و متوسط گیری انجام دهیم خواهیم توانست نسبت سیگنال به نویز را افزایش دهیم (FT-NMR).

4-1-  دستگاه بیورزنانس (VRT) Vegetative nerve Resonance Test

دستگاه VRT قادر است امواج نه تنها قلب و مغز بلکه ،کبد ،کلیه ،ریه، معده، روده ،طحال، لوزالمعده و … را بررسی نماید. در دستگاه VRT، پنجاه و چهار هزار فرکانس گوناگون مریوط به اندام­های بدن و تمامی میکرو ارگانیسم­ها و هزاران تست آلرژن جای داده شده است.

1-14

شکل 14. دستگاه بیورزونانس VRT

2-  منابع

1.            Raghunathan P, Jagannathan N. Magnetic resonance imaging: Basic concepts and applications. Current Science. 1996;70(8):698-708.

2.            Olsson LE, Johansson M, Zackrisson B, Blomqvist LK. Basic concepts and applications of functional magnetic resonance imaging for radiotherapy of prostate cancer. Physics and Imaging in Radiation Oncology. 2019;9:50-7.

3.            Kaur P, Aliru ML, Chadha AS, Asea A, Krishnan S. Hyperthermia using nanoparticles–promises and pitfalls. International Journal of Hyperthermia. 2016;32(1):76-88.

4.            Günther H. NMR spectroscopy: basic principles, concepts and applications in chemistry: John Wiley & Sons; 2013.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *