SEMINARSKI RAD IZ UVODA U MEDICINKU FIZIKU
Istorijski razvoj MRI
Sofija Dorotić medicinska fizika 412/08
Novi Sad, 2009. Raspored: 1.Uvod----------------------------------------------------------------------------------------3 Šta je MRI? 2.Istorijski razvoj MRI---------------------------------------------------------------------4 3.Kako radi MRI?--------------------------------------------------------------------------7 4.Prednosti i posledice MRI---------------------------------------------------------------9 5.MRI buducnosti-prisutan već danas--------------------------------------------------11 6.Literatura--------------------------------------------------------------------------------- 12
2
1.Uvod Šta je MRI? MRI,NMR,MR-jeste isti naziv za jedan isti aparat,nuklearnu magnetnu rezonancu.Ali NMR nije samo aparat.To je i fizička pojava.Pošto aparat radi na principu nuklearne magnetne rezonance,tako je dobio taj naziv.O samom fizičkom procesu će kasnije biti reč. NMR u medicini služi za slojevito prikazivanje ljudskog organizma(dobijanjem preseka u različitim projekcionim ravnima bezpromene položaja pacijenta) i time omogućuje dijagnostikovanje (ne)patoloških stanja.
3
2.Istorijski razvoj NMR-a
Felix Bloch i Edward Purcell,su 1946 slučajno otkrili fenomen nuklearne magnetne rezonance.Njihovo glavno zapažanje je bilo da izvesni atomi periodnog sistema apsorbuju energiju radio talasa u jakom magnetnom polju, a nakon zračenja, pri povratku u osnovno stanje, oslobađaju apsorbovanu energiju u vidu zračenja iste frekvencije kao što je frekvencija apsorbovane energije.Kako atomsko jezgro reaguje sa radio talasima pod dejstvom magnetnog polja, fenomen je nazvan nuklearna magnetna rezonanca. Za ovo otkriće su dobili Nobelova nagrada iz fizike za 1952. godinu.
Felix Bloch
Edward Purcell
U periodu od 1950-1970 NMR se sve više koristi za fizičku i hemijsku analizu molekula
aparat za analizu molekula
1950 Herman Carr objavljuje da je napravio prvu jednodimenzionu MR sliku.
4
1971 Raymond Damadian pronasao kako nuklearne magnetna rezonanca moze da otkrije bolesti i to objavio u naučno-medicinskomu časopisu Science.On je,izmedju ostalog na osnovu rada Hermana Carr-a zakljucio da se tumori i normalna tkiva mogu mogu razlikovati in vitro uz pomoc nuklearne magnetne rezonance.Preporucio je da se ove razlike koriste za dijagnostiku tumora,iako su kasnija istraživanja pokazala da su ove razlike nedovoljne za dijagnostičke svrhe,i sela ideja je pretila da padne u vodu.Medjutim,i pored toga mu je dodeljen patent za NMR tj.dobio je pantent za ideju da se celo ljudsko telo skenira NMR,ali ne i za način rada.
Skica Raymond Damadianovog aparata
Damadianovu ideju o prikazivanju ljudskog organizma putem NMR,ostvarili su Paul Lauterbur i Peter Mansfield 1971. Lauterburu se pripisuje ideja uvođenja gradijenta magnetnog polja. Gradijent magnetnog polja omogućuje da odredite sa koje pozicije u organizmu dolazi do emisije radio talasa; odnosno omogućava da tačno odredimo polažaj u telu koji snimamo. Tako je i moguće dobiti različite preseke u dvodimenzionoj slici. Za vreme rada na prvom MRI aparatu,najbolji NMR se nalazio na departmanu za hemiju Stony Brook univerziteta.On je svoje ideje(rgradijentom magnetnog polja je moguce dobiti različite projekcije i time dobiti celokupnu realnu slika posmatranog
5
objekta) proveravao potajno,nocu na ovome aparatu,a onda u svojoj kancelariji,uklapao dobijene rezultate u glavnu ideju-prikazivanje ljudskog organizma. Prve snimke su bile prikazi skoljke i posuda sa obicnom vodom u kojoj su se nalazile dve cevi sa teskom vodom.Ovo je bila prva tehnika koja je mogla vizuelno da prikaze razliku izmedju dve razlicite vrste vode. Replika prvog MRI se nalazi i dan danas na departmanu za hemiju u Stony Brooku. Za prakticnu upotrebu ovog pronalaska od velike važnosti su bili matematčki proračuni sir Peter Mansfield.On je izračunao kako najlakše od radiosignala napraviti snimak i do kraja svoje karijere je radio na tome kako smanjiti buku koju pravi magnet tokom snimanja. 2003 Paul Lauterburu i Peter Mansfield su dobili Nobelovu nagradu za MRI.Raymond Damadian je protestovao protiv dodele tvrdnjim da je on otkrio MRI i smatra da on zasluzuje nagradu.Njegove pristalice su objavile u renomiranim casopisima poput New York Times i The Washington Post clanak pod nazivom "The Shameful Wrong That Must Be Righted"tvrdeci da se Nobelova nagrada treba,ako ne cela dati Damadianu,onda bar da se podeli na tri dela.Tada se i Hermann Carr obratio javnosti pismom u casopisu Physics Today ,naglasavajuci svoj rad na dobijanju jednodimenzione slike
1975 Richard Ernst predstavio NMR koji koristi promene faze i frekvencije i furijeove transformacije.Na ovoj tehnici bazira se funkcionisanje i današnjih MRI uredjaja.
1977 je izveden prvi MRI pregled na čoveku.Dobijanje prve slike je trajalo skoro pet sati i dobijene slike su bile rudimentalne.Dr Damadian je sa svojim kolegama radio sedam godina na ovom projektu zbog čega je i dobio ime "Ne savladiv" kako bi se održao duh teznje za ostvarnjem nečega što su svi smatrali nemogućim.Aparat se trenutno nalazi u Smithsonian institutu
Od 1977 pa do danas se NMR stalno razvija tj.nalaze se druge mogucnosti njegove upotrebe.Npr:1987 Charles Dumoulin je perfekcionirao NMR tako da može da prikađe slike krvotoka bez upotrebe kontrasta-tkz MRA magnetno rezonantni angiogram
1991 Richard Ernst je dobio Nobelovu nagradu za postignute rezultate u primeni Furijeove transformacije u NMR i MRI
6
1999 MagneVu je dizajnirala prvi transportni MRI čime je omogućene upotreba MRI u ambulantnoj dijagnostici
Na slici se vidi jedan od MagneVu modela transportnog NMR,koji omogucava direktno u ambulati snimanje stopala,sake...pacijenta.
7
3.Kako radi MRI?
MRI radi na principu elektromagnetnog pobudjivanja jezgra atoma i merenja signala koje salje jezgro za vreme vracanja u osnovno stanje Posto se tkivo sastoji iz atoma,ciji elekrtoni poseduju spinove,tkiva imaju magnetne karakteristike.Pobudjivanje jezgra se vrsi delovanjem jakog magnetnog polja.Putem dodatnog promenljivog magnetnog bolja, menja se polozaj jezgra u odnosu na staticko polje( kipuje se atom).Posledica promene polozaja jezgra jeste rotacija atoma oko magnetnog polja koje je izazvalo tu promenu.Do ove promene dolazi kod svih probudjanih atoma. Gasenjem izvora magnetnog polja,dolazi do opadanja namagnetisanja atomau vremenskom periodu koje traje razlicito tj,zavisi od vrste tkiva.Te razlike u vremenu demagnetisanja se vide kao senke razlicitih intenziteta na snimku. "
"
Zašto se magnetna rezonanca u medicini oslanja na ispitivanje atoma vodonika? Postoji više razloga. Fenomen magnetne rezonance javlja se samo u slučajevima nekih atom sa neparnim atomskim brojem. Vodonik ispunjava ovaj uslov. Najvažniji atomi ljudskog tela su: vodonik (1H), fosfor (31P) i natrijum (23 Na). Međutim, molekul koji je najviše zastupljen u ljudskom organizmu je voda. Kako je svaki molekul vode izgrađen iz jednog atoma kiseonika i dva atoma vodonika, u organizmu je najveći broj upravo vodonikovih atoma. Osim brojnosti, specifičnost vodonikovih atoma je i ta što vodonik, u odnosu na druge atome, pokazuje i veću osetljivost na različite faktore. Vodonikovi atomi ponašaju se kao magneti. Broj vodonikovih atoma koji intereaguju sa magnetnim poljem zavisi od snage samog polja. Magnetno polje u stvari reaguje sa spinovima protona u jezgru atoma vodonika. Spinovi protona predstavljaju smer okretanja samog protona. Iz ovog razloga se pri MRI snimanju primenjuju jaki magneti. Jačina njihovog polja može dostizati jačinu i do 30000 puta veću od jačine polja Zemlje. Da bi se promenio pravac atoma, iz jednog u drugi, potrebna je odredjena količina energije, koja se dovodi putem radio talasa. Kako svaki sistem teži minimumu energije, dovedena energija će biti reemitovana, takođe u obliku radio talasa koji se detektuje. Reemitovani radio talasi sadrže neophodnu informaciju za snimanje magnetnom rezonancom.Oni se skupljaju i računar ih tumači dajući sliku.Tumacenje dobijenog snimka se vrši na osnovu različite prisutnosti vodonikovih atoma,što se vidi na snimku kao razlika u intenzitetu boje. 8
4.Prednosti i posledice MRI
9
U mnoge prednosti MRI spada izmedju ostaloga to sto je to ne invazivna metoda,daje bolji prikaz organa u odnosu na ostale radioloske metode.Osim ovoga nema potencijlno opasnog jonizujeceg zracenja.Neki organi(nervno i mozdano tkivo)su jedino vidljivi MRIom.Upotreba kontrastnog sredstva nije indikovana za sve preglede.Ako je potrebna upotreba kontrasta,dobijena slika je,u poredjenju sa slikom CTa,boljeg kvaliteta,i tumorsko tkivo je bolje vidljivo. Noviji razvoj MRI tehnike omogucava real−time snimanja(prikazivanje rada srca) Naravno,ova metoda nije svemoguca pa tako ima i svoje negativne strane.Osim velike cene aparata i pratece opreme,rezolucija je za sada na standardnim aparatim od 1mm pa navise.Metal na i u telu moze izazvati smetnje pri radu aparata ili dovesti do loseg kvaliteta snimka.Ponekad moze doci do zagrevanja ili pomeranja stranog tela sto rezultuje kontraindikacijom snimanja za takve pacijente jer je prevelika opasnost od povrede unutrasnjih organa.Moderni metalni implantati od titanijuma koji se sastoje od dijamagnetika ne predstavljaju problem za snimanje.Elektricni aparati poput pacemakera se u magnetnom polju mogu ostetiti i time ugroziti zivot pacijenta.Nova istrazivanja pokazuju da osobe sa pacemakerom se mogu bez bojaznosti pregledati,ali posto ova tvrdnja nije dovoljno istrazena,ovakva snimanja nisu rutinska i sprovode se na dobrovoljcima u velikim istrazivackim centrima.Gustina kostane mase i kostane anomalije se ne mogu pouzdano odrediti zbog male kolicine vodonika u atomima ovih tkiva.Moze doci do alergijskih reakcija na kontrastno sredstvo.Zbog jakih magnetnih polja,pregled je veoma bucan sto moze da izazove nelagodnosti kod pacijenta.Sem toga,cev u kojoj lezi pacijent je relativno uska pa se moze desiti da osoba dobije napad klaustrofobije.Zato se noviji aparati prave sa vecim precnikom ili su skroz otvoreni(sto za posledicu ima slabije magnetno polje).Takodje se u prva tri meseca trudnoce ne sme izvoditi pregled na MRI,osobama sa tetovazama je kontraindikovan pregled jer boja koja se koristi pri tetoviranju moze sadrzati metalni pigment,sto moze rezultovati opekotinama i do drugog stepena. "
"
5.MRI buducnosti-prisutan već danas
10
Jedan od najjačih skenera počeće sa radom u avgustu u Nemačkom centru za istraživanje raka u Heidelbergu. Srce ovog uređaja je superprovodni magnet težine 32 tone. Lekari u Heidelbergu nadaju se da će im veća jačina polja pomoći da steknu nove uvide u poreklo raka. Do sada su se na slikama unutrašnjosti tela videle samo strukture koje su veće od jednog milimetra, dok novi sistem omogućava da se vide mnogo sitniji detalji. Uz pomoć modernog skenera dobijaju se ne samo morfološki podaci, već su vidljivi i biohemijski procesi. To znači da se, na primer kod pacijenta koji ima tumor mozga, može videti ne samo veličina tumora, već se može dobiti i informacija o tome koji su važni delovi mozga takođe u opasnosti. Super MRT skener takođe jasno pokazuje kako se tumor hrani. Često se to dešava preko veoma malih krvnih sudova, koji do sada nisu bili vidljivi, a uz pomoć novog skenera može se čak pratiti kako određeni medikamenti deluju na njih. Međutim, istraživači imaju veće ciljeve od bolje rezolucije i jačeg kontrasta. Ostale prednosti koje pruža veća jačina polja jesu mnogo kraće vreme skeniranja i mogućnost identifikacije hemijskog sastava tkiva, kao i direktno posmatranje metaboličkih procesa, a time i rasta tumora. Ovo može da bude presudno za lečenje pacijenata koji boluju od raka i može dodatno da proširi spektar raspoloživih medicinskih mogućnosti.
6.Literatura:
11
http://www.nadlanu.com/Dynamic/News,intItemID,108595,intCategoryID,485.html http://www.med.nagasaki-u.ac.jp/radiolgy/MRI%20of%20the%20FOOT/MRI-CDNUH/nfhistory.html http://www.isbe.man.ac.uk/personal/dellard/dje/history_mri/history%20of%20mri.htm http://inventors.about.com/od/mstartinventions/a/MRI.htm www.fizika.info/magnetna_rezonanca.html http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie Časopis Planeta,broj 31.,godina V,novembar-decembar 2008,
12
