Historia rezonansu magnetycznego
Historia obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) obejmuje prace wielu naukowców, którzy przyczynili się do odkrycia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) i opisali fizykę leżącą u podstaw obrazowania metodą rezonansu magnetycznego , począwszy od początku XX wieku. Obrazowanie MR zostało wynalezione przez Paula C. Lauterbura który we wrześniu 1971 r. opracował mechanizm kodowania informacji przestrzennych do sygnału NMR przy użyciu gradientów pola magnetycznego; opublikował stojącą za tym teorię w marcu 1973 r. Czynniki prowadzące do kontrastu obrazu (różnice w wartościach czasu relaksacji tkanek) zostały opisane prawie 20 lat wcześniej przez lekarza i naukowca Erika Odeblada i Gunnara Lindströma. Wśród wielu innych badaczy późnych lat 70. i 80. Peter Mansfield udoskonalił techniki stosowane w akwizycji i przetwarzaniu obrazów MR, aw 2003 roku wraz z Lauterburem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za wkład w rozwój MRI. Pierwsze kliniczne skanery MRI zainstalowano na początku lat 80. XX wieku, a następnie nastąpił znaczący rozwój technologii, który doprowadził do jej powszechnego zastosowania w dzisiejszej medycynie.
Magnetyczny rezonans jądrowy
W 1950 r. Erwin Hahn po raz pierwszy wykrył echa spinowe i zanik swobodnej indukcji, aw 1952 r. Herman Carr stworzył jednowymiarowe widmo NMR, jak opisano w jego rozprawie doktorskiej na Harvardzie.
Następny krok (od widma do obrazowania) zaproponował Władysław Iwanow w Związku Radzieckim , który w 1960 roku złożył wniosek patentowy na urządzenie do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Głównym wkładem Iwanowa był pomysł wykorzystania gradientu pola magnetycznego w połączeniu z selektywnym wzbudzaniem/odczytem częstotliwości do kodowania współrzędnych przestrzennych. W nowoczesnych terminach było to tylko obrazowanie gęstości protonów (nie czasów relaksacji), które również było powolne, ponieważ w danym momencie stosowano tylko jeden kierunek gradientu, a obrazowanie musiało być wykonywane kawałek po kawałku. Niemniej jednak była to prawdziwa procedura rezonansu magnetycznego. Pierwotnie odrzucony jako „nieprawdopodobny”, wniosek Iwanowa został ostatecznie zatwierdzony w 1984 r. (Z pierwotną datą pierwszeństwa).
Czasy relaksacji i wczesny rozwój MRI
Do 1959 roku Jay Singer badał przepływ krwi za pomocą pomiarów czasu relaksacji NMR krwi u żywych ludzi. Takie pomiary zostały wprowadzone do powszechnej praktyki medycznej dopiero w połowie lat 80. XX wieku, chociaż patent na maszynę NMR całego ciała do pomiaru przepływu krwi w ludzkim ciele został złożony przez Alexandra Ganssena na początku 1967 roku.
W latach 60. w literaturze naukowej pojawiły się wyniki prac nad relaksacją, dyfuzją i wymianą chemiczną wody w komórkach i tkankach różnego typu. W 1967 Ligon poinformował o pomiarze relaksacji NMR wody w ramionach żywych ludzi. W 1968 roku Jackson i Langham opublikowali pierwsze sygnały NMR pochodzące od żywego zwierzęcia, uśpionego szczura.
W latach siedemdziesiątych zdano sobie sprawę, że czasy relaksacji są kluczowymi wyznacznikami kontrastu w MRI i mogą być wykorzystywane do wykrywania i różnicowania szeregu patologii. Szereg grup badawczych wykazało, że wczesne komórki nowotworowe mają tendencję do wykazywania dłuższych czasów relaksacji niż odpowiadające im normalne komórki i jako takie wzbudziły początkowe zainteresowanie ideą wykrywania raka za pomocą NMR. Te wczesne grupy to Damadian , Hazlewood i Chang oraz kilka innych. To również zapoczątkowało program katalogowania czasów relaksacji szerokiego zakresu tkanek biologicznych, co stało się jedną z głównych motywacji do rozwoju MRI.
W artykule opublikowanym w marcu 1971 roku w czasopiśmie Science , Raymond Damadian , ormiańsko-amerykański lekarz i profesor w Downstate Medical Center State University of New York (SUNY), poinformował, że guzy i normalne tkanki można odróżnić in vivo przez NMR. Początkowe metody Damadiana były wadliwe w praktycznym zastosowaniu, polegając na skanowaniu całego ciała punkt po punkcie i wykorzystując wskaźniki relaksacji, które okazały się nieskutecznym wskaźnikiem tkanki rakowej. Badając właściwości analityczne rezonansu magnetycznego, Damadian stworzył hipotetyczną maszynę do wykrywania raka metodą rezonansu magnetycznego w 1972 r. Opatentował taką maszynę, patent USA 3 789 832 5 lutego 1974 r. Lawrence Bennett i dr Irwin Weisman również odkryli w 1972 r., że nowotwory wykazują inne czasy relaksacji niż odpowiadająca im normalna tkanka. Zenuemon Abe i jego współpracownicy zastosowali patent na ukierunkowany skaner NMR, patent USA 3 932 805 w 1973 r. Opublikowali tę technikę w 1974 r. Damadian twierdzi, że wynalazł MRI.
Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki zauważa: „Patent obejmował pomysł wykorzystania NMR do„ skanowania ”ludzkiego ciała w celu zlokalizowania tkanki rakowej”. Nie opisano jednak metody generowania obrazów z takiego skanu ani dokładnego sposobu wykonania takiego skanu.
Obrazowanie
Paul Lauterbur z Stony Brook University rozwinął technikę Carra i opracował sposób generowania pierwszych obrazów MRI, w 2D i 3D, przy użyciu gradientów. W 1973 roku Lauterbur opublikował pierwszy obraz magnetycznego rezonansu jądrowego, a w styczniu 1974 roku pierwszy przekrój poprzeczny żywej myszy. Pod koniec lat 70. Peter Mansfield , fizyk i profesor na Uniwersytecie w Nottingham w Anglii , opracował echo- obrazowanie planarne (EPI), która doprowadziłaby do tego, że skanowanie zajęłoby sekundy, a nie godziny i dałoby wyraźniejsze obrazy niż Lauterbur. Damadian wraz z Larrym Minkoffem i Michaelem Goldsmithem uzyskali obraz guza w klatce piersiowej myszy w 1976 roku. Przeprowadzili także pierwszy skan MRI ciała człowieka 3 lipca 1977 roku, badania opublikowali w 1977 roku. 1979, Richard S. Likes złożył patent na k-space US Patent 4,307,343 .
Skanowanie całego ciała
W latach siedemdziesiątych zespół kierowany przez Johna Mallarda zbudował pierwszy skaner MRI całego ciała na Uniwersytecie w Aberdeen . 28 sierpnia 1980 roku użyli tej maszyny do uzyskania pierwszego użytecznego klinicznie obrazu tkanek wewnętrznych pacjenta za pomocą rezonansu magnetycznego, który zidentyfikował pierwotnego guza w klatce piersiowej pacjenta, nieprawidłową wątrobę i wtórnego raka kości. Maszyna ta była później używana w St Bartholomew's Hospital w Londynie od 1983 do 1993 roku. Mallardowi i jego zespołowi przypisuje się postęp technologiczny, który doprowadził do powszechnego wprowadzenia rezonansu magnetycznego.
W 1975 roku Wydział Radiologii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco założył Laboratorium Obrazowania Radiologicznego (RIL). Przy wsparciu firm Pfizer, Diasonics, a później Toshiba America MRI, laboratorium opracowało nową technologię obrazowania i zainstalowało systemy w Stanach Zjednoczonych i na całym świecie. W 1981 r. badacze RIL, w tym Leon Kaufman i Lawrence Crooks, opublikowali książkę Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine . W latach 80. książka została uznana za ostateczny podręcznik wprowadzający do przedmiotu.
W 1980 roku Paul Bottomley dołączył do Centrum Badawczego GE w Schenectady w stanie Nowy Jork. Jego zespół zamówił magnes o największej sile pola w tamtym czasie, 1,5 T system i zbudował pierwsze urządzenie o wysokim polu, pokonując problemy związane z konstrukcją cewki, penetracją RF i stosunkiem sygnału do szumu, aby zbudować pierwszy skaner MRI/MRS całego ciała. Wyniki przełożyły się na bardzo udaną linię produktów MRI 1,5 T, obejmującą ponad 20 000 systemów. W 1982 roku Bottomley wykonał pierwszą zlokalizowaną MRS w ludzkim sercu i mózgu. Po rozpoczęciu współpracy w zakresie zastosowań kardiologicznych z Robertem Weissem w Johns Hopkins, Bottomley powrócił na uniwersytet w 1994 roku jako profesor Russell Morgan i dyrektor działu badań MR.
Dodatkowe techniki
W 1986 roku Charles L. Dumoulin i Howard R. Hart z General Electric opracowali angiografię MR , a Denis Le Bihan uzyskał pierwsze obrazy, a później opatentował dyfuzyjny rezonans magnetyczny . W 1988 roku Arno Villringer i jego współpracownicy wykazali, że w perfuzyjnym rezonansie magnetycznym można stosować środki kontrastowe określające wrażliwość . W 1990 roku Seiji Ogawa z laboratoriów AT&T Bell zauważył, że pozbawiona tlenu krew z dHb jest przyciągana przez pole magnetyczne i odkrył technikę leżącą u podstaw Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI).
Na początku lat 90. Peter Basser i Le Bihan pracujący w NIH oraz Aaron Filler, Franklyn Howe i współpracownicy opublikowali pierwsze DTI i traktograficzne obrazy mózgu. Joseph Hajnal, Young i Graeme Bydder opisali zastosowanie FLAIR do wykazania obszarów o wysokim sygnale w normalnej istocie białej w 1992 r. W tym samym roku John Detre i Alan P. Koretsky opracowali znakowanie spinu tętniczego . W 1997 r. Jürgen R. Reichenbach, E. Mark Haacke i współpracownicy z Washington University opracowali obrazowanie ważone wrażliwością .
Postępy w technologii półprzewodnikowej były kluczowe dla rozwoju praktycznego MRI, który wymaga dużej mocy obliczeniowej .
Chociaż MRI jest najczęściej wykonywany w klinice przy 1,5 T, wyższe pola, takie jak 3 T do obrazowania klinicznego, a ostatnio 7 T do celów badawczych, zyskują na popularności ze względu na ich zwiększoną czułość i rozdzielczość. W laboratoriach badawczych przeprowadzono badania na ludziach przy 9,4 T (2006) i do 10,5 T (2019). na zwierzętach innych niż ludzie przeprowadzono przy dawce do 21,1 T.
Obrazowanie przyłóżkowe
W 2020 roku amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (USFDA) wydała zgodę 510(k) [ wymagane wyjaśnienie ] na przyłóżkowy system MRI firmy Hyperfine Research. System Hyperfine pochłania 1/20 kosztów, 1/35 zużycia energii i 1/10 masy konwencjonalnych systemów MRI. Do zasilania wykorzystuje standardowe gniazdko elektryczne.
Nagroda Nobla 2003
Odzwierciedlając fundamentalne znaczenie i przydatność MRI w medycynie, Paul Lauterbur z Stony Brook University i Sir Peter Mansfield z University of Nottingham otrzymali w 2003 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za „odkrycia dotyczące rezonansu magnetycznego”. Cytat Nobla potwierdził spostrzeżenie Lauterbura dotyczące wykorzystania gradientów pola magnetycznego do określenia lokalizacji przestrzennej, odkrycie, które umożliwiło uzyskanie obrazów 3D i 2D. Mansfieldowi przypisuje się wprowadzenie formalizmu matematycznego i opracowanie technik wydajnego wykorzystania gradientów i szybkiego obrazowania. Badania, które zdobyły nagrodę, zostały przeprowadzone prawie 30 lat wcześniej, kiedy Paul Lauterbur był profesorem na Wydziale Chemii na Uniwersytecie Stony Brook w Nowym Jorku .
Linki zewnętrzne
- Rinck, Peter A. (2018). Rezonans magnetyczny w medycynie: krytyczne wprowadzenie (wyd. 12). Norderstedt : BoD GmbH. ISBN 978-3-7460-9518-9 .