повороти водню
Як винайшли і як працює апарат магнітно-резонансної томографії
Мабуть, кожен, хто хоч раз проходив обстеження в лікарні, так чи інакше стикався з процедурою, званої магнітно-резонансною томографією або МРТ. Широке поширення цього методу дослідження продиктовано рядом вагомих причин: МРТ дозволяє отримати найбільш чітке зображення тканин і органів людського тіла, що є важливим аспектом діагностики, а потім і лікування багатьох захворювань, при цьому організм обстежуваного отримує значно менше навантаження, ніж при проведенні променевої діагностики або введенні контрастних речовин. Крім того, таке дослідження не вимагає спеціальної підготовки, такий як обмеження прийому їжі (за винятком МРТ органів черевної порожнини). Але такі широкі можливості відкрилися перед медициною зовсім недавно, оскільки поява цього методу дослідження пов'язано з відкриттям явища ядерно-магнітного резонансу.
Ядерний магнітний резонанс - не зовсім ядерний в тому сенсі, в якому ми звикли думати. ЯМР - це поглинання ядром електромагнітної енергії, пов'язане зі зміною положення його магнітного моменту в просторі, а магнітний момент є обумовленим обертанням ядра. Вивчення ЯМР почалося ще з 20-х років ХХ століття, коли були поставлені перші досліди і висунуті гіпотези про наявність магнітних моментів. У 1922 р Отто Штерн і Вальтер Герлах поставили перший досвід з вивчення впливу магнітного поля на ядро, «стріляючи» пучками атомів срібла через постійний магніт і «ловили» атоми на фотопластинці, яку вони розташували позаду магніту. Дослідники припускали, що магнітні моменти в ядрах розташовані хаотично, тому очікували побачити на фотопластинці, в яку прилітали атоми, велика пляма округлої форми. Однак результати досвіду їх дуже здивували. Фізики побачили на платівці дві вузькі смуги і зробили висновок, що магнітні моменти ядер приймають тільки два значення.
У 1930-ті роки американський вчений Ісидор Айзек Рабі проводив дослідження природи сил, що зв'язують протони в атомному ядрі. Експерименти з молекулярними пучками проводилися спочатку на атомах натрію, потім команда Рабі перейшла на дейтерій, який є одним з ізотопів водню. Група вчених з Гамбурга, в яку входив Отто Штерн, помітила, що дейтерій поводиться зовсім не так, як повинен був вести себе звичайний водень. Корнеліс Гортер запропонував Рабі використовувати метод коливань магнітного поля, щоб пояснити парадоксальний результат. Отримані висновки вразили всіх: магнітні моменти протона і дейтрона не мали цілих значень. Після низки складних обчислень Рабі висунув гіпотезу про несиметричною формі дейтрона, натрапивши вчене співтовариство на думку про ядерну природі сил зв'язування частинок, які становлять ядро атома. За використання в своїх дослідах методу коливань магнітного поля в 1944 році він отримав Нобелівську премію.
У 1945 р Фелікс Блох і Едвард Перселл отримали ЯМР в рідинах і твердих речовинах. Було встановлено, що різні атоми, перебуваючи в різних фрагментах молекули, мають різні частоти резонансу, що дозволяло більш точно відрізняти молекули один від одного. Вимірявши значення резонансу атомів в речовинах з відомою структурою, американці вважали за можливе застосування цих значень для визначення структури невідомих речовин. Так ЯМР став основним методом спектроскопії. Однак на цьому історія ЯМР не закінчилася.
Розробкою магнітно-резонансного томографа займалися і в СРСР, в 1984 р Владиславом Івановим був представлений проект першого радянського томографа «Образ-1». Короткий час в Радянському Союзі існував термін ЯМР-томографія, який був замінений на МРТ в 1986 році в зв'язку з розвитком радіофобії в суспільстві після аварії на Чорнобильській АЕС. У новому терміні зникла згадка про «ядерності» походження методу, що дозволило йому безболісно увійти в повсякденну медичну практику, однак і первинна назва іноді вживається в мові.
Так як же працює томограф? Томограф являє собою величезний магніт (змінний або постійний), який діє на атоми водню, що входять до складу молекул води. Основні компоненти будь-якого МР-томографа:
- магніт, який створює зовнішнє постійне магнітне поле. Одним з основних вимог, що пред'являються до такого полю, є його однорідність у центрі тунелю;
- градієнтні котушки, які створюють слабке магнітне поле в трьох напрямках в центрі магніту, і дозволяють вибрати область дослідження;
- радіочастотні котушки, які використовуються для створення електромагнітного збудження протонів в тілі пацієнта (передавальні котушки) і для реєстрації відповіді згенерованого збудження (приймальні котушки). Іноді приймальні та передавальні котушки суміщені в одну при дослідженні певних частин тіла, наприклад голови.
Магніт створює поле, в якому магнітні моменти атомів орієнтуються уздовж магнітних ліній, при цьому поглинаючи частину енергії. Після впливу магніту відбувається повернення спинив в початкове положення з віддачею енергії, званий релаксацією. Енергія, поглинена протонами, віддається не одночасно, тобто потрібен певний час для повернення спина протона в початковий стан. Час, за яке спин наближається до вихідного стану, вимірюється і на підставі цього будується картинка, яку в підсумку і бачать лікарі. Основні напрямки МРТ - це діагностика захворювань внутрішніх органів, визначення локалізації травм, гематом, пухлин, коли немає необхідності в діагностичних операціях, і для кожної патології потрібно той чи інший вид зображення, а при різних видах судинної патології можуть використовуватися контрасти, що представляють собою складні молекулярні комплекси на основі рідкісноземельного металу гадолінію.
Очевидними плюсами МРТ є безболісність і точність методу: чутливість апарату дозволяє без праці відрізнити різні види м'яких тканин. МРТ не впливає на організм людини, тому можливо багаторазове використання томографії. Однак висока точність сприяє виникненню рухових артефактів: часто МРТ затягується через смазанності зображення внаслідок фізіологічних рухів, властивих легким і серцю. Також певні обмеження накладають особливості складу деяких тканин, наприклад, через низький вміст в кісткової тканини води виникають труднощі з візуалізацією кісток, і в таких випадках цей метод не інформативний. Та й самі апарати МРТ дороги через наявність в них рідкоземельних металів, таких як неодим, що використовується для створення потужних постійних магнітів. Проблемою стає також застосування методу МРТ до пацієнтів, підключеним до апаратів штучної вентиляції легенів, а в разі, якщо у людини є татуювання, зроблена з використанням чорнила, що містять сполуки різних металів, кардіостимулятор, будь-який інший прилад або металевий об'єкт в тілі, проведення МРТ стає неможливим. Багатьох молодих людей не вдавалося врятувати через татуювань, які заважали проведенню МРТ і могли завдати шкоди самому пацієнту, а найбільш частим ускладненням томографії в таких випадках були важкі опіки.
Розвиток нових технологій дає в руки лікаря все більш досконалі інструменти для діагностики, лікування і профілактики різних захворювань, але при цьому кожен метод дослідження має за собою ряд протипоказань, які можуть зробити небезпечним для життя навіть саму нешкідливу на перший погляд процедуру. Саме тому головною зброєю лікаря в боротьбі з хворобою є знання і досвід, невіддільні одна від одної.