تاریخچه MRI

سر جوزف لارمور (1942-1857) معادله‌ای را توسعه داد. در این معادله فرکانس زاویه‌ای چرخش‌های هسته‌ای متناسب با بزرگی میدان مغناطیسی است. [رابطه لارمور]
ایزایدر اسحاق ربی (دانشگاه کلمبیا) در دهه 1930 موفق به شناسایی و اندازه‌گیری حالت‌های چرخش اتم‌ها و مولکول‌ها و تعیین لحظات مکانیکی و مغناطیسی هسته‌ها شد.
فلیکس بلوچ (دانشگاه استنفورد) و ادوارد پورسل (دانشگاه هاروارد) ابزارهایی را ایجاد کردند که می‌توان رزونانس مغناطیسی را در مواد عمده مانند مایعات و مواد جامد اندازه‌گیری کرد. (هر دو برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک در سال 1952 شدند). [تولد طیف‌سنجی NMR]
در اوایل دهه 70، ریموند دامادان (دانشگاه ایالتی نیویورک) دستگاه NMR خود را نشان داد که زمان‌های آرامش متفاوت  T1 بین بافت‌های طبیعی و غیرطبیعی از یک نوع مشابه و همچنین بین انواع مختلف بافت‌های طبیعی وجود دارد.

• در سال 1973، پل لاوتربور (دانشگاه ایالتی نیویورک) تکنیک تصویربرداری جدیدی را که او زوگماتوگرافی نامیده بود، توصیف کرد. با استفاده از شیب در میدان مغناطیسی، این تکنیک قادر به تولید یک تصویر دو بعدی بود. (از طريق تجزیه‌وتحلیل ویژگی‌های امواج راديویي منتشر شده، می‌توان منشاء آن‌ها را تعيين کرد.) پيتر منسفيلد همچنين استفاده از شیب‌های ميدان مغناطيسي و تحليل رياضي اين سیگنال‌ها را براي تکنيک تصويربرداري مفیدتر توسعه داد. (به لاوتربور و پیتر منسفیلد جایزه نوبل سال 2003 در پزشکی اهدا شد.)
• در سال 1975 ریچارد ارنست NMR دو بعدی را با استفاده از رمزگذاری فرکانس و فاز و تبدیل فوریه معرفی کرد. به‌جای طرح لاوتربور، او به‌موقع شیب میدان مغناطیسی را تغییر داد. [این روش بازسازی پایه تکنیک‌های جاری MRI است.]در سال 1977، اولین تصاویر را ارائه کردند. یک مقطع از طریق یک انگشت توسط پیتر منسفیلد و اندرومادزلی همچنین می‌توانست اولین تصویر را از میان شکم ارائه دهد.
• در سال 1977، ریموند دامادین (بعد از 7 سال) اولین اسکنر MR  را تکمیل کرد. در سال 1978، شرکت FONAR را تأسیس کرد که اولین اسکنر تجاری MRI را در سال 1980 تولید کرد. Fonar در سال 1981 به‌طور عمومی به فروش رفت.
• سال 1981: شرینگ درخواست ثبتِ Gd-DTPA  را ارائه کرد.
• سال 1982: اولین تصویربرداری "انتقال مغناطیسی" توسط رابرت مولر ارائه شد.
• در سال 1983، توشیبا از وزارت بهداشت و رفاه در ژاپن برای اولین سیستم تجاری MRI تأییدیه گرفت.
• در سال 1984، شرکت فونار تاییدیه FDA را برای نخستین اسکنر MRI خود گرفت.
• در سال 1986،  جرگن هنیگ، نورث و هارتموت فریدبرگ (دانشگاه فرایبورگ) RARE (به دست آوردن سریع جذب با آرام‌سازی) تصویربرداری را معرفی کردند. اکسل هائس، جنس فرام ، دیتر ماتایی، ولفگانگ هانیک و دیتمار مربولت (موسسه ماکس پلانک، گوتینگن) دنباله‌ای از فلاش (زاویه دید سریع) را توسعه دادند.
• در سال 1988: MAGNEVIST  شرینگ اولین بار توسط FDA تایید شد.
• در سال 1991، FMRI به‌طور مستقل توسط مرکز تحقیقات رزونانس مغناطیسی (CMRR) دانشگاه مینه سوتا و مرکز MR بیمارستان عمومی ماساچوست (MGH) توسعه یافت.
• از سال 1992 تا 1997 Fonar برای نقض اختراع ثبت شده از طرف تقریباً هر یک از رقبای خود در صنعت MRI از جمله شرکت چند ملیتی توشیبا، زیمنس، شیمادزو، فیلیپس و جنرال الکتریک پرداخت شده است.

دستگاه ام آر آی

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی یا دستگاه ام آر آی (MRI) مبتنی بر پدیده تشدید مغناطیسی است و برای تصویربرداری تشخیص پزشکی از حدود سال 1977 استفاده می‌شود. 
اولین دستگاه‌های ام آر ای MRI توسعه‌یافته، تونل‌های باریک بلند بودند. درعین‌حال آهنرباها کوتاه‌تر و پهن‌تر شدند. علاوه بر این طراحی مگنت کوتاه، دستگاه‌های MRI باز نیز ایجاد شدند. در ماشین‌های MRI با طراحی باز معمولاً مگنت‌ها به‌طور افقی یا عمودی  مخالف  هم نصب‌شده و در طول آزمون MRI هوا و فضای بیشتری را در اطراف بیمار به دست می‌آورند.
اجزای سخت‌افزاری اولیه همه‌ی دستگاه‌های ام آر آی MRI آهنربا هستند که یک میدان مغناطیسی با ثبات و بسیار شدید تولید می‌کنند، زغال‌های گرادیان، میدان متغیر و فرکانس رادیویی (RF)  ایجاد می‌کنند که برای انتقال انرژی و رمزگذاری موقعیت مکانی استفاده می‌شود. یک کامپیوتر عملکردهای اسکن MRI را کنترل می‌کند و اطلاعات را پردازش می‌کند.
محدوده‌ی  استفاده از بزرگی میدان مغناطیسی برای تصویربرداری پزشکی از 0.15 تا 3  تسلا است. آهنرباهای MRI باز معمولاً میدان  با بزرگی  0.2 تا 0.35 تسلا دارند. دستگاه‌های MRI با میدان مغناطیسی بالاتر معمولاً با آهنرباهای ابررسانای کوتاه مجهز هستند که میدان‌های همگن با ثبات بالا را فراهم می‌کنند.

انواع مختلف آهنربا:

آهنربای مقاومتی

یک نوع آهنربایی که از اصول الکترومغناطیس برای تولید میدان مغناطیسی استفاده می‌کند. به‌طورمعمول مقادیر جریان بزرگ و سرد کردن قابل‌توجه  کویل‌های مغناطیسی مورد نیاز است. آهنربای مقاومتی نیازی به کرایوژن ندارد، اما نیاز به یک منبع تغذیه ثابت برای حفظ میدان مغناطیسی همگن دارد و می‌تواند بسیار گران باشد.
آهنرباهای مقاومتی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: آهن- هسته و هسته -هوا.
الکترومغناطیس آهن- هسته‌ای مزایای یک میدان مغناطیسی عمودی را فراهم می‌کند و یک میدان حاشیه محدود با اثرات موشکی کوچک، اگر وجود داشته باشد، به دلیل مسیر بازگشت جریان شار بسته آهن را ایجاد می‌کنند.
الکترومغناطیس هوا -هسته میدان‌های افقی گرا را نشان می‌دهد که دارای میدان‌های حاشیه‌ای بزرگ (مگر اینکه از نظر مغناطیسی محافظت شده) و مستعد اثرات موشکی هستند. آهن‌ربای مقاومتی به‌طورمعمول محدود به حداکثر بزرگی میدان 0.6 تسلا است.

آهنربای دائمی

آهنربایی که میدان مغناطیسی آن از مواد دائمی فرو مغناطیسی (آهنرباهای دائمی) منشأ می‌گیرد تا یک میدان مغناطیسی بین دو قطب آهنربا ایجاد کند. هیچ نیازی به برق اضافی یا خنک‌کننده وجود ندارد و ساختار آهن-هسته آهنربا منجر به یک میدان حاشیه محدود می‌شود و هیچ تأثیر موشکی ندارد. از نظر وزن، آهنرباهای دائمی معمولاً به حداکثر میدان‌های میدان مغناطیسی 0.4 T محدود می‌شوند. معایب اصلی یک آهنربای دائمی هزینه‌های خود آهنربا و ساختارهای پشتیبان و تغییرات مختلف در میدان مغناطیسی هستند. همگن بودن میدان می‌تواند یک مشکل در آهنربای دائمی باشد.

آهنربای ابررسانایی

آهنرباهای ابررسانایی الکترومغناطیسی هستند که بخشی از آن‌ها از مواد ابررسانا ساخته می‌شوند و بنابراین شدت میدان مغناطیسی بسیار بالاتری دارند.
سیم‌پیچ کویل آهنربای ابررسانا از سیم‌های یک ابررسانای نوع 2 ساخته‌شده است (بیشتر از نایوبیم تیتانیوم - تا 15 تسلا و دمای بحرانی کمتر از 10 کلوین است). این کویل‌ها در دمای نزدیک صفر مطلق کلوین، مقاومت ندارند.
هلیوم مایع (4.2 K) معمولاً به‌عنوان یک خنک‌کننده (بعضی‌اوقات بعلاوه نیتروژن مایع کریوژن مایع به‌عنوان سپر حرارتی متوسط ​​برای کاهش سرعت جوش هلیوم مایع استفاده می‌شود) که در نتیجه آن را دوباره پر می‌کند (فواصل: هلیوم مایع ~ 3 ماه، نیتروژن مایع ~ 2 هفته). آهنربای ابررسانا بدون کریوژن با سیستم خنک‌کننده چرخه- بسته در افق وجود دارد. آهنرباهای ابررسانا به‌طورمعمول میدان مغناطیسی بیش از 0.5 T را نشان می‌دهند، و تا 3 T به‌صورت پزشکی عمل می‌کنند و دارای جهت‌گیری افقی هستند که باعث می‌شود که آن‌ها به اثرات موشکی بدون محافظ مغناطیسی قابل‌توجه برسند.
اکثریت آهنرباهای ابررسانا بر پایه‌ی آلیاژ نایوبیم-تیتانیوم (NbTi) هستند که بسیار قابل‌اعتماد هستند و برای مدت‌زمان طولانی نیاز به میدان‌های بسیار یکنواخت و با ثبات دارند اما برای دستگاه‌های کریوژنیک هلیوم مایع نیاز به نگهداری هادی‌ها در دمای حدود 4.2 کلوین (286.8 - سلسیوس) است. برای حفظ این دما، آهنربا محصور شده و توسط یک کریوژن حاوی هلیوم مایع (گاهی اوقات نیز نیتروژن) سرد می‌شود.
کویل‌های گرادیان برای ایجاد یک تغییر خطی در میدان در امتداد یک جهت و راندمان بالا، ولتاژ پایین و مقاومت کم، مورد استفاده قرار می‌گیرند، برای به حداقل رساندن نیازهای جاری و رسوب گرما. یک کوپل ماکسول معمولاً تغییرات خطی را در میدان در امتداد محور z تولید می‌کند؛ در دو محور دیگر بهتر است با استفاده از کویل زین مانند کویل Golay انجام شود.
کویل‌های فرکانس رادیویی استفاده شده برای تحریک هسته‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند؛ کویل سطحی و کویل حجمی. عنصر اساسی برای رمزگذاری فضایی، کویل شیب اسکنر ام آر ای MRI مسئول رمزگذاری کنتراست‌های تخصصی مانند اطلاعات جریان، اطلاعات انتشار و مدولاسیون مغناطیس برای برچسب زدن فضا است.
مبدل آنالوگ به سیگنال رزونانس مغناطیسی هسته را به یک سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. سیگنال دیجیتال سپس به پردازنده تصویر برای تبدیل فوریه فرستاده می‌شود و تصویر اسکن MRI بر روی مانیتور نمایش داده می‌شود.

نویسنده : مهندس فرشاد امامقلی