دسرطاني ناروغیو د پېـژند نې فزیکي کړنلارې (۳)
په بېنوا کي دلیکني شمیره : 27229پوهنوال ډاکترنظرمحم د سلطانزی
دخبریدو نیټه : 2009-06-30
(لکچرنوټ : درېیمه برخه)
لیکوال : پوهنوال ډاکترنظرمحمد سلطانزی ځدراڼ
دجرمني هیواد، نېټه : 28-June-2009
۳- : دهستې م
ناطيسي ريزونانس انځور کښلو فيزيکي بنسټ :
( Nuclear magnetic resonance imaging (NMRI)
دهستې مقناطيسي ريزونانس توموگرافي فيزيکي بنسټ په دې ولاړدی چې که ديوې مادې داټومونو په هستوکې دپروتونو او نيوترونو شمېر يو تاک میره وي، نو په طبيعي ډول همدغه هسته کټ مټ د یومقناطیس په شان خواص لري او دخپل محورپه شاوخوا يوځانګړی څرخيدونکی حرکت تر سره کوي دغه ډول زاویوي حرکت د هستې سپين (Nuclear spin) په نامه سره یاديږي . لکه چې پورته ورته اشاره وشوه داټوم هسته (زړی) دپروتونو اونيوترونو څخه جوړه ده چې نوموړو ذرو ته نوکلیون (Nucleons) هم ويل کیږي . دنوکليونو نوموړی حرکت چې دلته به د هستې سپين (Nuclear spin) پر ځای دهستې څرخیدل نوم و کړو په ورځني ژوند کې د کوچنیانو دلوبې کولويوې آلې سره ورته بيلگه کېدای شي، چې د سيلی يا لاټو Top په نوم سره يادیږي . دلوبې کولو یوه داسې لاټو چې د ځمکې جاذبې قوې تراغېز ې لاندې يو څرخیدونکی حرکت تر سره کوي په ۱ شکل کې ښوول شو ېده .
۱ - شکل : په کيڼ اړخ کې دځمکې پر مخ يوه سيلۍ يا لاټو (Top) ديوې خوا په خپل محور تاویږي (Spin) او دبلې
خوا دځمکې د جاذبې قوې په اساس د عمودي محور په شاوخوا يو څرخیدونکی حر کت يانې پریڅيـسيون مو
ن (precession motion) هم تر سره کوي (1) .په ښي اړخ کې
يوپروتون په مقناطيسي ساحه کې ورته خوځیدنه کوي .
په ۲ - شکل کې داتوم هستې دسپین (spin) ان ژي E یو لیول Spin energy level ښوول شوی دی چې په یوه مقناطیسی ساحه B کې پروت دی اوڅرخیدونکی حرکت ترسره کوي . تر هغه مهاله چې داتوم هسته دبهرني مقناطیس ساحې تراغیزې لاندې نه وي راغلې نو په دووبرخوباندې دسپین انرژي لیول ویشتوب هم نه لیدل کیږی . دسپین انرژي دغه حالت پرته دبهرنی مقناطیسي ساح ې په E سره ښيو .
خوکله چې داتوم هسته په بهرنۍ مقناطیسي ساحه کې پریوځی نو دپروتونواونیوت
ونوسپین ماکروسکوپیک مقناطسیت macroscopic magnetization منځ ته راځي اودانرژي لیول E په دوه برخوویشل کیږي
. دسپین انرژي ټیټ لیول په منفي E- اودانرژي لوړلیول په مثبت E+ سر ښیو. دپروتونواونیوت
ونوسپین داسې ترتیب کیږي چې یوشمیریې په ټیټه انرژي لیول کې پراته وي اودمقناطیست وکټوریې یانې سپین سمت پورته
خواته اوړي . بلخوادیوشمیرنوروپروتونو اونیوترونوسپین ښکته خواته سمت ښيي او دمقناطیست وکټور یانې
سپین سمت یې ښکته خواته کیږي. په مقناطیسي ساحه کې پروتون اونیوترون هڅه کوي چې دانرژي په ټیټ لیول E-
کې پریوځي په دې مانا چې ټیټ انرژي لیول ته وړاندې توب ورکوي . پایله یې داده چې دلوړمثبت انرژي لیول E
+ په پرتله ډیرسپین دانرژي ټیټ منفي لیول E- ته ټوپ وهي . د مقناطسیت جوړیدنې نوموړې کړنلاره ترهغه م
هاله دوام کوي ترڅوچې ددواړوانرژي لیولونوترمنځ یوثابت خو ټاکلی تناسب په بله وینا تعادل منځ ته را
ي . څرنګه چې دټیټې انرژي سپین شمیر دلوړانرژي سپین شمیر په پرتله ډیردي نودهستې سپین سیستم ټولیزه ان
ژی راښکته کیږي . دهستې سپین انرژي لانوره هم منفي خواته ځي کله چې د مقناطسیت جوړیدنې په ترځ کې دهستې پ
وتونو اونیوترونوسپین د انرژي یوه برخه شاوخوااتومونوته هم ولیږدول شي . دیادولوړده چې سپین په جوړه
توګه دپورته خوانه ښکته خواته اوبرخلاف دښکته خوانه پورته خواته ټوپونه وهي . د۲- شکل څخه مالومیږي چې مثبت
انرژي لیول کې پینځه سپین ښکته خواته مقناطیسي وکټورونه لري اوپه منفي انرژي لیول کې اته سپين شتون لري چې
مقناطیسي وکټورونه یې پورته خواته سمت ښيي . څرنګه چې دموازي متقابل وکټورونومحصله وکټورصفردی نوپه پایله
کې یواځې درې سپین پاتې کیږي چې په منفي انرژي لیول کی پراته دي او مقناطیسي وکټورونه یې پورته خواته سمت لري .
دغه درې سپین اضافګي سپین دي چې جوړه نه لري . همدالامل دی چې دهغوي وکټورونه سره جمع کیږی اودصفر نه
مخالف محصله وکټورلاس ته راځي . دهمدغواضافګي سپینونوشمیردلاندوفکټورونوسره تړاولري :
دنسجونوپه یوه ح
جم کې دپروتونوکثافت سره سم سیخ داضافګي سپینوشمیرډیرښت مومي
دبهرنۍ مقناطیسي ساحې دځواک سره سم
سیخ داضافګي سپینوشمیرډیرښت مومي
دتودوخي د زیاتوالي سره داضافګي سپینوشمیرکمښت مومي
که ومنوچې دبدن
دتودوخي درجه عادي قیمت ولري اودبهرنۍ مقناطیسي ساحې اندازه دځمکې مقناطیسي ساحې په پرتله شل زره واره لوړه
اودیوتیسلا (1 Tesla) سره مساوي قیمت ولري نودریاضي شمیرنې ښیي چې دیوملیون پروتونوڅخه یوازې شپږ اضافګي سپین
پیداکیږي چې مقناطیسي وکټورونه یې پورته خواته وي . یوازې دغه اضافګي سپین ددې وړتیا لري چې دنسجونودعکس
اخیستلوپه موخه ورڅخه ګټه پورته شی . په دې مانا چې دنسجونودرې بعده اناتومي جوړښت، دناروغیوشتون
اودغړودکارکولومیتابالیزم دعکس په توګه راښيي . په بله ژبه موږویلای شوچې که دبهرنۍ مقناطیسي
وې ساحه یوتیسلاقیمت ولري نوداضافګي سپینونوشمیرشپږبرخې په یوملیون کې دي . په انګلیسي ژبه داسې 6 parts per
million = 6 ppm پرلیکه کیږي .
بیلګه : په یوملي مترمکعب نسجونوکې دهایدروجن هستې لږڅه اوه شپیته ضرب دلس
په طاقت داتلس پروتونونه شتون لري . نوموړی عدد په ریاضي توګه داسې لیکل کیږي :1019 protons 6,7 ×
که دمقناطیسي ساحې قوه یوتیسلا Tesla وي نوداضافګي سپینواندازه چې سمت یې پورته
خواته وي شپږ و( 6 ppm ) ته رسیږي . په بله وینا څلورسوه بیلیونه 400 billions کوچني
سپین مقناطیسونه m سره یوځای کیږي اویومحصله ماکروسکوپیک مقناطسیت macroscopic magnetization = M
منځ ته راځي .
لنډیز: يو ملي متر مکعب او به ( 1mm3 H2o) لږ څه اووه ضرب د لس په طاقت د نونس
(6,7×1019 protons/mm3) پرو تو نونه لري .
الف شکل : دهستې دوه قطبه مقناطيس (Magnetic dipole) په خپل محور باندې را
څرخي چې دهستې سپين (Spin) په نوم يادیږي
ب شکل : کله چې د باندې خواڅخه کومه مقناطيسي ساحه په يوه ماده اغېز ه
وه نه کړي، نو داټوم هستې دوه قطبه مقناطيسونه هرې خواته د یو احسائيوي ويشتوب له مخې خواره واره پراته
وي
ج شکل : خو کله چې د باندې خواڅخه يوه مقناطيسي ساحه په يوه ماده اغېز ه وکړي، نو داټوم هستې دوه قطبه م
ناطيسونه د باندنۍ مقناطيسي ساحې د ليکو په اوږدوکې موازي (Parallel) شکل غوره کوي . نوموړې هستې ديوې خوا په خپل
محور راڅرخي او دبلې خوا د مقناطيسي ساحې په چاپيره هم يو گرزيدونکی حرکت تر سره کوي . (شمال= N او جنوب =
S )
( ۳-شکل)
۳- شکل : په
پورتني شکل کې د يو نوکليون څرخیدونکی حرکت ښوول شوی دی . د اټوم په هسته (زړی) کې نيوترونه اوپ
وتونه د انرژي په ټاکلو مدارونوکې پراته دي او په خپل محورڅرخيږي . ټول هغه اټومونه چې د هغوی په هستوکې د پ
وتونو اونیوترونو شمېر يو جفت عدد وي (Even number) د هستې څرخيدل (سپين) يې صفرقيمت لري . دا ځکه چې د يونوکليون څرخید
وویکټور لوری پورته خواته او دبل نوکليون څرخیدلوویکټور لوری ښکته خواته دی يانې د يو بل سره مخالف لوری ل
ي، نو له دې کبله دهغوی د څرخیدلو(سپين) ویکټورمجموعه خـنـثي کیږي اود ویکټورمطلقه قيمت يې د صفر سره م
ساوي کیږي . خوټول هغه اټومونه چې په هستوکې د پروتونو اونیوترونو شمېر يو تاک عدد وي نو دځان لپاره يوځانگړی
فيزيکي کميت لري چې د هستې سپين (Nuclear spin) ورته ويل کیږي . نوموړی مطلب په لنډ ډول داسې ليکو :
يوازې
هغه اټومونه چې په هسته (زړي) کې د نوکليونو تاک شمېر(Odd number) ولري د هستې څرخیدنې (Nuclear spin) خاوندان دې او
يمت يې د صفر سره برابر ندی . هغه اټومونه چې نوموړي خواص ولري او په بدن کې په زياته کچه شتون لري عبارت دي له :
هايدروجن، نايتروجن، سوډيم او فوسفور . خو په نوموړو ټولو اټومونو کې ډېرکۍ برخه هايدروجن تشکيلوي . نو له دې
کبله د هستې څرخيدلو په کړنلاره کې د عکس اخېستلوپه موخه يوازې د هايدروجن اټوم پروتون ونډه لري .
په عادی
حالت کې، يا نې بې له مقناطيسي ساحې څخه، د بدن د نوموړوهستونوکليونونه د خپل محورپه شاوخوا، او د فضا په يوه نا
ټاکلي لوري کې په غير منظم ډول څرخيږي . د بېلگې په ډول په ۳ـ ب شکل کې يوه ماده ښوول شو ېده ، چې د هستې څرخيدلو
ویکټورونو څوکې يې د يوه احسائيوي ويشتوب له مخې هرې خوا ته خورې ورې دي او دهستې څرخيدنې وکټورونو (Vectors) سم
تونه موازي شکل نه لري .
کله چې يو پروتون اويونيوترون په خپل محور څرخيږي، نو په پايله کې يو مقناطيسي
دوه قطبه مومېنتDipol moment چې د ميو μ په توري سره يې ښيو، پخپله ورسره منځته راځي . دا په دې مانا چې
داټوم هستې لکه کوچني مقناطیسونه دي، چې په خپل محور څرخيږی . بلخوا هريو اټوم خپل ځانته يو ټاکلی فريکونسي
لري، دا ځکه چې د هغوی مقناطیسي مومنت د يوه بل څخه توپير لري . نوموړی مقناطيسي مومنت په خپل وار سره يوه م
ناطيسي ساحه (Bnuc) توليدوي . د بېلگې په ډول د اوبو (H2O) يو ماليکول دهايدروجن اټوم پروتون په طبيعي توگه ،يو م
ناطيسي مومېنټ ( Magnetic moment) لري، چې که په يوه مقناطيسي ساحه B کې کېښوول شي، نودپوتنسيلې انرژي (Epot )
خاوند کيږي . د هايدروجن هستې نوموړې انرژي د هغه د مقناطيسي مومېنټ ميو μ او د باندنۍ مقناطيسي ساحې
B د شدت سره سم سيخ متنا سب ده يانې (EPot = μ B) . که څه هم د هايدروجن اټوم هسته (زړی) يو کمزوری م
ناطیس لري، خو په عادي حالت کې دانسان بدن پخپله، که څه هم ډېره برخه يې د هايدروجن اټوم څخه جوړه ده، په م
جموع کې مقناطيسي خاصیت نه ښئي . دا ځکه چې په بدن کې د هايدروجن اټوم هستې په ملياردونو مقناطيسي دوه قطبونه
(Magnetic Dipols) يا مقناطیسي ديپول په نا منظم توگه سره خواره واره پراته دي او محـصله مقناطیسي ډيپول مومنت يې
صفر دی .
خو کله چې د بدن نوموړي مقناطيسي دوه قطبونه په يوه بهرنۍ ستاتيک مقناطیسي ساحه (B ) کې کیښوول
ي، نو دنوموړې ساحې او د هستې مقناطيسي ساحې (Bnuc) تر منځ غبرگون منځته راځي اوپه پايله کې دهايدروجن اټوم هستې م
ناطیسي لوری سم سيخ کيږي (۳- ج شکل) .
دبدن اټومونو هغه هستې چې دڅرخېدنې يانې (Spins) قيمت يې دصفر س
ه مساوې نه وې، نود هغوی مقناطیسي دوه قطبونه د باندنۍ مقناطيسي ساحې د ليکو په اوږدوکې موازي (Parallel) شکل
غوره کوي اود څرخيدلو لوری يې، د باندني مقناطیس شمال څخه جنوب خواته سميږي . په داسې حال کې چې د هايدروجن
اټوم ځينې نورې هستې هم شته دي، چې دهغوی مقناطیسي دوه قطبونه د باندنۍ مقناطيسي ساحې په اوږدوکې ضد موازی
(Antiparallel) شکل ځانته غوره کوي . دا په دې ما نا چې د نوموړو هستود څرخيدلولوری د باندنۍ مقناطيسي ساحې د جنوب څخه
مال خوا ته سميږي . په ۳-ج شکل کې د هستو مقناطیسي دوه قطبونو موازي او ضد موازي څرخيدنې ښوول شوې دي .
د
بېلگې په ډول که چیرته د تودوخي درجه 37°C اود باندنۍ مقناطيسي ساحې شدت يو تیسلا (1Tesla) ومنو، نود
هايدروجن اټوم هستو موازي څرخيدنې د ضد موازي څرخيدنې په پرتله لږ څه اووه برخې په مليون تشکيلوي (7 ppm) . دا په
دې مانا چې د بدن یوې برخې د يوملیون اټومونو څخه يوازې اوه اټومونو شته دې، چې دهغوی مقناطیسي دوه قطبونه م
وازی شکل لري اود هغوی د پوتنسيلې انرژي سیگنالونه د اندازه کولو وړدي . د يو مليون اټومونو څخه ټول هغه
هستې چې د هغوی دهستې څرخيدلووکتورونه، په يوه لوري کې پراته وي، سره جمع کیږي، اوټول هغه وکټورونه چې د يو بل
سره مخالف لوری ولري، مجموعه يې خنثی کيږي . په پایله کې يوازې اوه هستې پاتې کيږي، چې د هغوی په مرسته سره د م
اگنېتيک ريزونانس کړنلاره سر ته رسيږي . ددغواوو هستودڅرخیدنې مجموعي مقناطیسي سيگنالونوڅخه د
عکس اخېستنې په موخه کار اخېستل کیږی . دنوموړو اووهستو مقناطيسي انرژي اندازه کول په تخنيکي لحاظ ډېر
سخت تماميږي، اوددې اړ تيا ليدل کيږی چې په زرگونو ځله زوروره شي . دبلې خوا په نسجونو کې داټوم هستې په ځانگړي
توگه نه بلکې په يوه کيمياوي مرکب (گډ) کې خوندي پټې شوې وي .
۲- : د لارمور فريکونسي (Larrmor frequency = ωL)
:
که چیرته دبدن په يوه برخه کې چې هلته پوره هايدروجن موجودوي، دباندې خوا څخه دوخت په تړاو
يوه ثابته او ډېره زوروره مقناطيسي ساحه B ،چې قيمت يې د بېلگې په ډول د ځمکې د مقناطيسي ساحې په پرتله يو زرځله
وړه وي، په کارواچول شي نو د همغې برخې پروتونو(H+) مقناطيسي مومنټ يو ټاکلې موازي لوری ځانته غوره کوي
(Alignment) . په دې ترځ کې د هايدروجن اټوم هسته (زړی) په يوه وخت کې دوه ډوله حرکتونه تر سره کوي . لومړی
داچې په خپل محورباندې څرخيږي (Spin) دوهم دا چې دهايدروجن اټوم هريو پروتون (H+) د باندنۍ مقناطيسي
ساحې د ليکو په شاوخوا په يوه ټاکلي فريکوينسي (frequency) سره يو څرخيدونکی حرکت پيل کوي . نوموړی څرخېدونکی ح
کت د يوې سيلی سره ورته دی او له دې کبله ورته د پرېسيزيون موشن (precession motion) يانې د سيلی حرکت ويل کيږي
.په يوه ثانيه کې د څرخيدلو شمېر، د څېړونکو هستود پرېسيزيون فريکوېنسي (precession frequency) په نامه سره
يادیږي .
0 = B0
(Larmorfrequency)
لارمورفریکونسي
(۴- د شکل)
۴- د شکل : ديوې هستې دوه قطبه مقناطیس په خپل محور
را څرخي (Spin) اوهم ورسره جوت د باندنۍ مقناطيسي ساحې H0=B0 په چاپيره يو گرزيدونکی پرې سيسیون (precession motion)
حرکت تر سره کوي . (1)
(۵- شکل)
۵- شکل : کله چې يوپروتون اوياالکترون په مقناطیسي ساحه کې پريوځي ،نويو پ
ېسيزیون (precession motion) ح
کت تر سره کوي . داځکه چې په نوموړوذروباندې یوگرزیدونکی مومانت ( torques = μ×B) اغیزه کوي . الکترون اوپروتون
پخپله هم د یوطبیعي مقناطیس په ډول خواص لري(1) .
دبېلگې په توگه که يو پروتون په يوتیسلا
(Tesla= 1T) زوروره مقناطيسي ساحه (B) کې کیږدو،نود پرېسيزيون (څرخیدونکی) فريکوېنسي يې په لاندې ډول تر
اسه کولای شو .
داټوم هستود پرېسيزيون فريکوېنسي (precession frequency) چې د بهرنۍ مقناطيسي (B) ساحې ليکو په
اوخوا يې سرته رسوي، يو بل نوم هم ورکړشوی دی او د لارمور ف
يکوينسي
&nb
sp;
(Larrmor frequency = ωL)
په نامه سره یادیږی . نوموړی فريکوینسي، په هم هغه کچه نورهم زيا تيږي، څومره چې د بهرنۍ مقناطيسي (B) ساحې شدت زياتيږي . دا په دې مانا چې د لارمور فريکونسي ωL د به ني مقناطيس (B) شدت سره سم سيخ متناسب دی اود يوه بل سره لاندې اړیکې لري .
(ددرېیمې برخې پای )
(په د
ناوی)
پوهنوال ډاکترنطرمحمدسلطانزی ځدراڼ
اخځلیک :
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_magnetic_resonance_imaging
JRCunningham, The Physics of Radiology,
Charles Thomas Publischer, 1983 USA
Bushberg Jerrold T; et al “The essential physics of medical imaging”; Williams & Wilkins, Baltimore 2001 .
Sauer, Rolf:
Strahlentherapie und Onkologie 2004 (Urban & Fischer)
T .Laubenberger,“Technik der medizinischen Radiologie“ Deutscher Ärzte Verlag 1986
http://www.e-mri.org/nmr/nuclear-spin.html