Magnētiskās rezonanses attēlveidošanas vēsture

Magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (angļu: magnetic resonance imaging, MRI) vēsturē ietilpst daudzu pētnieku darbs, kuri, sākot ar 20. gadsimta sākumu, veicināja kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) atklāšanu un aprakstīja magnētiskās rezonanses fizikas pamatus. MR attēlveidošanu izgudroja Paul C. Lauterbur, kurš 1971. gada septembrī izstrādāja mehānismu, kā kodēt telpisko informāciju NMR signālā, izmantojot magnētiskā lauka gradientus; teoriju par to viņš publicēja 1973. gada martā. Faktorus, kas izraisa attēlu kontrastu (audu relaksācijas laika vērtību atšķirības), gandrīz 20 gadus iepriekš aprakstīja ārsts un zinātnieks Ēriks Odeblads un Gunnars Lindstrēms. Starp daudziem citiem pētniekiem 20. gadsimta 70. gadu beigās un 80. gados Pīters Mansfīlds (Peter Mansfield) tālāk pilnveidoja MR attēlu iegūšanā un apstrādē izmantotās metodes, un 2003. gadā viņam un Lauterburgam tika piešķirta Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā par viņu ieguldījumu MR attīstībā. Pirmie klīniskie magnētiskās rezonanses skeneri tika uzstādīti 20. gadsimta 80. gadu sākumā, un turpmākajos gadu desmitos šī tehnoloģija tika ievērojami attīstīta, kā rezultātā mūsdienās to plaši izmanto medicīnā.

Kodolmagnētiskā rezonanse

1950. gadā Ervins Hāns (Erwin Hahn) pirmo reizi atklāja spina atbalsis un brīvās indukcijas sabrukumu, un 1952. gadā Hermans Kārs (Herman Carr) izveidoja viendimensiju NMR spektru, par ko ziņoja savā Hārvarda doktora disertācijā.

Nākamo soli (no spektra līdz attēlveidošanai) ierosināja Vladislavs Ivanovs Padomju Savienībā, kurš 1960. gadā iesniedza patenta pieteikumu par magnētiskās rezonanses attēlveidošanas ierīci. Ivanova galvenais ieguldījums bija ideja izmantot magnētiskā lauka gradientu apvienojumā ar selektīvu frekvences ierosināšanu/ nolasīšanu, lai kodētu telpiskās koordinātas. Mūsdienu izpratnē tā bija tikai protonu blīvuma (nevis relaksācijas laiku) attēlveidošana, kas arī bija lēna, jo vienlaikus tika izmantots tikai viens gradienta virziens un attēlveidošana bija jāveic pa šķēlumiem. Tomēr tā bija īsta magnētiskās rezonanses attēlveidošanas procedūra. Sākotnēji noraidīts kā "neiespējams", Ivanova pieteikums beidzot tika apstiprināts 1984. gadā (ar sākotnējo prioritātes datumu).

Relaksācijas laiki un magnētiskās rezonanses agrīnā attīstība

Līdz 1959. gadam Džejs Singers (Jay Singer) bija pētījis asins plūsmu, veicot NMR relaksācijas laika mērījumus dzīviem cilvēkiem. Šādi mērījumi netika ieviesti medicīnas praksē līdz pat 80. gadu vidum, lai gan 1967. gada sākumā Aleksandrs Gansens (Alexander Ganssen) iesniedza patentu visa ķermeņa NMR aparātam asins plūsmas mērīšanai cilvēka ķermenī.

Pagājušā gadsimta 60. gados zinātniskajā literatūrā parādījās darba rezultāti par ūdens relaksāciju, difūziju un ķīmisko apmaiņu dažāda veida šūnās un audos. 1967. gadā Ligons ziņoja par ūdens NMR relaksācijas mērījumiem dzīvu cilvēku rokās. Džeksons un Langems 1968. gadā publicēja pirmos NMR signālus no dzīviem dzīvniekiem — anestezētām žurkām.

Septiņdesmitajos gados tika saprasts, ka relaksācijas laiki ir galvenie kontrasta noteicēji magnētiskajā rezonansē un tos var izmantot, lai noteiktu un diferencētu dažādas patoloģijas. Vairākas pētniecības grupas bija pierādījušas, ka agrīnajām vēža šūnām ir tendence uzrādīt garākus relaksācijas laikus nekā attiecīgajām normālām šūnām, un tas rosināja sākotnējo interesi par ideju atklāt vēzi ar NMR. Šajās agrīnajās grupās bija Damadian, Hazlewood un Chang un vairākas citas. Tas arī aizsāka programmu, lai kataloģizētu dažādu bioloģisko audu relaksācijas laikus, kas kļuva par vienu no galvenajiem motīviem magnētiskās rezonanses attīstībā.

Raymond Damadian "Aparāts un metode vēža noteikšanai audos".

Armēņu izcelsmes amerikāņu ārsts, Ņujorkas štata Ņujorkas štata universitātes (SUNY) Downstate Medicīnas centra profesors Raymond Damadian 1971. gada martā žurnālā Science publicētajā rakstā ziņoja, ka audzējus un normālus audus in vivo var atšķirt ar NMR. Damadiana sākotnējās metodes bija kļūdainas praktiskai izmantošanai, jo tās balstījās uz visa ķermeņa skenēšanu punkts pa punktam un izmantoja relaksācijas ātrumu, kas, kā izrādījās, nebija efektīvs vēža audu rādītājs. Pētot magnētiskās rezonanses analītiskās īpašības, Damadians 1972. gadā izveidoja hipotētisku magnētiskās rezonanses vēža noteikšanas iekārtu. Šādu aparātu viņš patentēja 1974. gada 5. februārī ar ASV patentu 3 789 832. Lorenss Benets un Dr. Irvins Veismans 1972. gadā arī atklāja, ka jaunveidojumi uzrāda atšķirīgu relaksācijas laiku nekā attiecīgie normālie audi. Zenuemons Abe un viņa kolēģi 1973. gadā pieteica patentu mērķtiecīgam NMR skenerim, ASV patents 3 932 805. Šo metodi viņi publicēja 1974. gadā. Damadian apgalvo, ka ir izgudrojis magnētisko rezonansi.

ASV Nacionālais zinātnes fonds norāda: "Patents ietvēra ideju par NMR izmantošanu, lai "skenētu" cilvēka ķermeni un atrastu vēža audus." Tomēr tajā nebija aprakstīta metode, kā no šādas skenēšanas iegūt attēlus, vai precīzi aprakstīts, kā šādu skenēšanu varētu veikt.

Attēlveidošana

Pols Lauterburs no Stony Brook Universitātes attīstīja Kara tehniku un izstrādāja veidu, kā, izmantojot gradientus, radīt pirmos magnētiskās rezonanses attēlus 2D un 3D formātā. Lauterbur 1973. gadā publicēja pirmo kodolmagnētiskās rezonanses attēlu un 1974. gada janvārī — pirmo dzīvas peles šķērsgriezuma attēlu. Septiņdesmito gadu beigās Pīters Mansfīlds (Peter Mansfield), fiziķis un Notingemas Universitātes (Anglija) profesors, izstrādāja echo-planārās attēlveidošanas (EPI) metodi, kas ļāva skenēšanu veikt dažu sekunžu, nevis stundu laikā un radīt skaidrākus attēlus nekā Lauterburam. Damadian kopā ar Larry Minkoff un Michael Goldsmith 1976. gadā ieguva peles krūšu kurvja audzēja attēlu. Viņi 1977. gada 3. jūlijā veica arī pirmo cilvēka ķermeņa magnētiskās rezonanses skenēšanu, un 1977. gadā publicēja pētījumus. 1979. gadā Ričards S. Līkss (Richard S. Likes) iesniedza k-attēla patentu ASV patents 4 307 343 (U.S. Patent 4 307 343).

MRI skeneris Mark One. Pirmais uzbūvētais un izmantotais magnētiskās rezonanses skeneris Aberdīnas Karaliskajā slimnīcā Skotijā.

Pilna ķermeņa skenēšana

20. gadsimta 70. gados Džona Mallarda vadītā komanda Aberdīnas Universitātē Skotijā uzbūvēja pirmo pilna ķermeņa MRI skeneri. Ar šo aparātu 1980. gada 28. augustā viņi ieguva pirmo klīniski noderīgo pacienta iekšējo audu attēlu, izmantojot magnētisko rezonansi, kas identificēja primāro audzēju pacienta krūtīs, patoloģiskas aknas un sekundāro vēzi kaulos. Šo aparātu vēlāk no 1983. līdz 1993. gadam izmantoja Londonas Svētā Bartolomeja slimnīcā. Mallardam un viņa komandai ir nopelni par tehnoloģiskajiem sasniegumiem, kas veicināja magnētiskās rezonanses plašo ieviešanu.

1975. gadā Kalifornijas Universitātes Sanfrancisko Radioloģijas departaments nodibināja Radioloģiskās attēlveidošanas laboratoriju (RIL). Ar Pfizer, Diasonics un vēlāk Toshiba America MRI atbalstu laboratorija izstrādāja jaunas attēlveidošanas tehnoloģijas un uzstādīja sistēmas ASV un visā pasaulē. 1981. gadā RIL pētnieki, tostarp Leon Kaufman un Lawrence Crooks, publicēja grāmatu "Kodolmagnētiskās magnētiskās rezonanses attēlveidošana medicīnā. Astoņdesmitajos gados šo grāmatu uzskatīja par galīgo mācību grāmatu ievadam šajā jomā.

1980. gadā Pols Bottomlijs pievienojās GE Pētniecības centram Šenektādē, Ņujorkā. Viņa komanda pasūtīja tobrīd pieejamo magnētu ar vislielāko lauka stiprumu, 1,5 T sistēmu, un uzbūvēja pirmo ierīci ar augstu lauka stiprumu, pārvarot spoles konstrukcijas, RF iespiešanās un signāla un trokšņa attiecības problēmas, lai izveidotu pirmo visa ķermeņa MRI/MRS skeneri. Rezultāti ļāva izveidot ļoti veiksmīgu 1,5 T MRI produktu līniju, kas nodrošina vairāk nekā 20 000 sistēmu piegādi. 1982. gadā Bottomley veica pirmo lokalizēto MRS cilvēka sirdī un smadzenēs. Pēc sadarbības uzsākšanas ar Robertu Veisu (Robert Weiss) Džonsa Hopkinsa universitātē (Johns Hopkins), Bottomley atgriezās universitātē 1994. gadā kā Russell Morgan profesors un MR pētniecības nodaļas direktors.

Papildu metodes

1986. gadā Charles L. Dumoulin un Howard R. Hart uzņēmumā General Electric izstrādāja MR angiogrāfiju un Denis Le Bihan ieguva pirmos attēlus un vēlāk patentēja difūzijas MR. Arno Villringer un kolēģi 1988. gadā pierādīja, ka perfūzijas MR var izmantot jutības kontrastvielas. Seidži Ogava (Seiji Ogawa) no AT&T Bell laboratorijām 1990. gadā atklāja, ka skābekļa atdalītās asinis ar dHb piesaista magnētiskais lauks, un atklāja metodi, kas ir funkcionālās magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (fMRI) pamatā.

Deviņdesmito gadu sākumā Pīters Basers un Le Bihans, kas strādāja NIH, kā arī Ārons Fīlers, Frenklins Hovs un kolēģi publicēja pirmos DTI un traktogrāfiskos smadzeņu attēlus. Joseph Hajnal, Young un Graeme Bydder 1992. gadā aprakstīja FLAIR impulsu sekvences izmantošanu, lai parādītu augsta signāla apgabalus normālā baltajā vielā. Tajā pašā gadā John Detre un Alan P. Koretsky izstrādāja arteriālo vērpšanas marķējumu. Jirgens R. Reihenbahs (Jürgen R. Reichenbach), E. Marks Hāke (E. Mark Haacke) un kolēģi Vašingtonas Universitātē 1997. gadā izstrādāja jutības svērto attēlveidošanu.

Pusvadītāju tehnoloģijas attīstība bija izšķiroša praktiskās magnētiskās rezonanses attīstībā, kam nepieciešama liela skaitļošanas jauda.

Lai gan klīnikā magnētisko rezonansi visbiežāk veic pie 1,5 T, arvien lielāku popularitāti iegūst augstāki lauki, piemēram, 3 T klīniskai attēlveidošanai un nesen arī 7 T pētniecības vajadzībām, jo tiem ir lielāka jutība un izšķirtspēja. Pētniecības laboratorijās pētījumi ar cilvēkiem ir veikti 9,4 T (2006. gadā) un līdz pat 10,5 T (2019. gadā). Pētījumi ar dzīvniekiem, kas nav cilvēki, ir veikti ar 21,1 T.

Attēlveidošana pie gultas

2020. gadā Amerikas Savienoto Valstu Pārtikas un zāļu pārvalde (USFDA) sniedza 510(k) apstiprinājumu Hyperfine Research gultasvietas magnētiskās rezonanses sistēmai. Hyperfine sistēma apgalvo, ka tās izmaksas ir 1/20 reizes zemākas, enerģijas patēriņš — 1/35 reizes mazāks un svars — 1/10 reizes mazāks nekā parastajām MRI sistēmām. Tās barošanai izmanto standarta elektrisko kontaktligzdu.

2003. gada Nobela prēmija

Atspoguļojot magnētiskās rezonanses fundamentālo nozīmi un pielietojamību medicīnā, 2003. gada Nobela prēmija fizioloģijā vai medicīnā tika piešķirta Paulam Lauterburgam (Paul Lauterbur) no Ilinoisas Universitātes Urbana-Šampeinnā un seram Pīteram Mansfīldam (Peter Mansfield) no Notingemas Universitātes par "atklājumiem magnētiskās rezonanses attēlveidošanas jomā". Nobela prēmijā tika novērtēta Lauterbūra atziņa par magnētiskā lauka gradientu izmantošanu, lai noteiktu telpisko lokalizāciju, un šis atklājums ļāva iegūt 3D un 2D attēlus. Mansfīlds tika atzīts par matemātiskā formālisma ieviesēju un izstrādāja metodes efektīvai gradientu izmantošanai un ātrai attēlveidošanai. Pētījums, par kuru tika piešķirta balva, tika veikts gandrīz 30 gadus iepriekš, kad Pols Lauterburs bija profesors Stonija Bruka universitātes Ņujorkā Ķīmijas fakultātē.