Slug-Mapper: Magnetic Scanner for Ultra Low-Field MRI Scanners

لطالما اعتمد التصوير الطبي على آلات ضخمة وثابتة تتطلب نقل المرضى إلى غرف متخصصة. تستخدم هذه الأجهزة، المعروفة باسم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، مغانط قوية لإنشاء صور تفصيلية للأنسجة الرخوة داخل جسم الإنسان. ويتضمن المبدأ الأساسي محاذاة الدورات المغناطيسية الصغيرة للذرات داخل جزيئات الماء في الجسم، ثم الاستماع إلى الإشارات الخافتة التي تنبعث منها أثناء عودتها إلى حالة الراحة. وبينما تعد هذه التكنولوجيا قوية للغاية، فإن الآلات التقليدية باهظة الثمن، ويصعب نقلها، وغالبًا ما تكون غير متوافقة مع معدات دعم الحياة، مما يجعلها غير متاحة للعديد من المرضى الذين يعانون من حالات حرجة أو أولئك الموجودين في مناطق نائية. ولحل هذه المشكلة، يعمل العلماء على تطوير ماسحات ضوئية ذات مجال منخفض للغاية تعمل بمغانط أضعف بكثير. هذه الأنظمة الجديدة صغيرة بما يكفي ليتم دفعها إلى جانب سرير المريض، ولكن المقايضة هي أن المجالات المغناطيسية الأضعف تنتج صورًا أكثر ضجيجًا وأقل وضوحًا، مما يتطلب فهمًا دقيقًا جدًا للبيئة المغناطيسية لتعمل بشكل صحيح.

في ورقة بحثية حديثة، يتناول جوناثان موريس، وهو باحث جامعي في جامعة كاليفورنيا، سانتا كروز، الحاجة الماسة للمعايرة في هذه الأنظمة المحمولة. حيث قدم جهازًا يسمى "Slug-Mapper"، وهو أداة مفتوحة المصدر ومنخفضة التكلفة مصممة لرسم خريطة للمجال المغناطيسي داخل ماسح ضوئي ذي مجال منخفض للغاية بدقة متناهية. يعمل الجهاز عن طريق تحريك مستشعر عبر الفراغ، أو التجويف، داخل الماسح الضوئي، حيث يقيس قوة المغناطيس عند كل نقطة في شبكة ثلاثية الأبعاد. وتنشئ هذه العملية خريطة تفصيلية تكشف عن الأماكن التي يكون فيها المجال المغناطيسي غير منتظم، مما يسمح للمهندسين بتصحيح هذه العيوب. ومن خلال استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد أعيد توظيفها، وحاسوب صغير، وقطع إلكترونية جاهزة، بنى موريس نظامًا يمكنه توصيف البيئة المغناطيسية "فوكسل بفوكسل" (voxel by voxel)، وهو مصطلح يُستخدم لوصف البكسلات الثلاثية الأبعاد الصغيرة التي تشكل الصورة النهائية. وتعمل هذه الأداة على سد الفجوة بين بناء نموذج أولي وتحقيق المعايرة عالية الجودة اللازمة للاستخدام الطبي، مما يجعل تطوير تقنية الرنين المغناطيسي المحمولة أكثر سهولة وتكلفة.

يكمن التحدي في هذه الماسحات المحمولة في طبيعة المجال المغناطيسي نفسه. فمن أجل الحصول على صورة واضحة، يجب أن يكون المجال المغناطيسي داخل الماسح الضوئي منتظمًا تمامًا. وإذا كان المجال غير منتظم، فإن الإشارات القادمة من أجزاء مختلفة من الجسم تصبح مشوهة، مما يؤدي إلى صور ضبابية أو غير قابية للاستخدام. في الآلات التقليدية عالية الطاقة، يتم تحقيق هذا الانتظام باستخدام مغانط فائقة التوصيل ضخمة تتطلب هليوم سائلًا باهظ الثمن للحفاظ على برودتها. وتتجنب الماسحات ذات المجال المنخفض للغاية هذا التعقيد باستخدام مغانط دائمة مرتبة في نمط محدد، يسمى غالبًا مصفوفة "هالباخ" (Halbach array)، والتي تركز المجال المغناطيسي في مركز الماسح الضوئي بينما تلغيه في الخارج. ومع ذلك، حتى مع هذه الترتيبات الذكية، نادرًا ما يكون المجال مثاليًا. ولإصلاح هذه العيوب، يستخدم المهندسون عملية تسمى "التسوية" (shimming)، والتي تتضمن إضافة مغانط صغيرة أو ضبط ملفات كهرومغناطيسية لتنعيم المجال. ولكن قبل أن يتمكنوا من إصلاح المجال، يجب عليهم معرفة مكان المشكلات بالضبط، وهنا يأتي دور "Slug-Mapper".

قام موريس ببناء "Slug-Mapper" باستخدام طابعة Prusa i3 ثلاثية الأبعاد كأساس لحركته. كانت ميكانيكا الطابعة الموجودة دقيقة بما يكفي لتحريك مستشعر بسلاسة في اتجاهين، ولكن لرسم خريطة لكامل الحجم داخل الماسح الضوئي، كانت هناك حاجة إلى بُعد ثالث. أضاف موريس آلية "ترس وقضيب" (rack and pinion) مدفوعة بمحرك خطوي لتحريك المستشعر صعودًا وهبوطًا. يتم التحكم في النظام بأكمله بواسطة "Raspberry Pi Zero"، وهو حاسوب صغير وبأسعار معقولة، والذي يتواصل مع متحكم "Arduino" لإدارة حركات المحرك وقراءة البيانات من مقياس مغناطيسية ثلاثي المحاور. هذا المستشعر، الذي يكتشف قوة واتجاه المجالات المغناطيسية، مثبت على الجزء المتحرك من الطابعة. وبينما يتحرك الجهاز عبر تجويف الماسح الضوئي، فإنه يأخذ قياسات على فترات تبلغ بالضبط مليمترًا واحدًا في كل اتجاه، ليبني صورة كاملة ثلاثية الأبعاد للمشهد المغناطيسي.

عملية تشغيل الجهاز مباشرة ولكنها تتطلب إعدادًا دقيقًا. يبدأ المستخدم بوضع رأس الطابعة ثلاثية الأبعاد عند نقطة بداية محددة داخل تجويف الماسح الضوئي والتأكد من استواء الآلة. وبمجرد تحديد أبعاد المنطقة المراد مسحها في البرنامج، يقوم الجهاز بتشغيل نص برمجي (script) ينسق حركة الطابعة والمحرك مع جمع البيانات من مقياس المغناطيسية. يتحرك النظام نقطة بنقطة، مسجلًا قوة المجال المغناطيسي في كل موقع. ثم تُجمع هذه البيانات في شبكة ثلاثية الأبعاد تظهر التباينات في المجال المغناطيسي. وباستخدام هذه الخريطة، يمكن للمهندسين تحديد الأماكن التي يكون فيها المجال قويًا جدًا أو ضعيفًا جدًا وتطبيق التصحيحات باستخدام "التسوية السلبية"، التي تتضمن وضع مغانط ثابتة، أو "التسوية النشطة"، التي تستخدم ملفات كهرومغناطيسية قابلة للتعديل لضبط المجال في الوقت الفعلي.

تتجاوز أهمية هذا العمل الجهاز نفسه. فمن خلال توفير طريقة لرسم خريطة المجال المغناطيسي باستخدام مكونات متاحة وغير مكلفة، خفض موريس حاجز الدخول لتطوير تقنية الرنين المغناطيسي المحمولة. وتفصل الورقة البحثية كيفية تجميع النظام، بدءًا من تثبيت نظام التشغيل على الحاسوب وصولًا إلى توصيل المستشعرات وتركيب الأجزـ الميكانيكية. كما توضح الإجراء القياسي لتشغيل المسح، مما يضمن دقة النتائج وقابليتها للتكرار. ويشير المؤلف إلى أنه على الرغم من بناء الجهاز لأنظمة المجال المنخفض للغاية، إلا أن المبادئ تنطبق على أي إعداد للتصوير بالرنين المغناطيسي يتطلب توصيفًا دقيقًا للمجال. إن القدرة على تصور وقياس البيئة المغناطيسية الداخلية للماسح الضوئي هي خطوة حاسمة للانتقال من مجرد نموذج أولي تقريبي إلى أداة طبية موثوقة.

في نهاية المطاف، يمثل "Slug-Mapper" حلاً عمليًا لمشكلة هندسية معقدة. فهو يسمح للباحثين برؤية القوى المغناطيسية غير المرئية التي تتحكم في جودة صورة الرنين المغناطيسي ويوفر البيانات اللازمة لتصحيحها. ومع استمرار تطور الماسحات ذات المجال المنخفض للغاية، ستلعب أدوات مثل هذا الجهاز دورًا أساسيًا في جعل التصوير الطبي عالي الجودة أكثر قدرة على التحمل وتكلفة أقل. وتخلص الورقة إلى اقتراح أن العمل المستقبلي قد يتضمن دمج نماذج التعلم الآلي لتحسين إعادة بناء الصور وتوسيع نطاق الجهاز لدعم التصور في الوقت الفعلي. وفي الوقت الحالي، يقف الجهاز كدليل على كيف يمكن للأجهزة مفتوحة المصدر والهندسة الإبداعية أن تساعد في حل تحديات جلب التكنولوجيا الطبية المتقدمة إلى الأشخاص الأكثر احتياجًا إليها.