Ιστορία της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού

Η ιστορία της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) περιλαμβάνει το έργο πολλών ερευνητών που συνέβαλαν στην ανακάλυψη του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) και περιέγραψαν την υποκείμενη φυσική της απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού, ξεκινώντας από τις αρχές του εικοστού αιώνα. Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού ανακαλύφθηκε από τον Paul C. Lauterbur, ο οποίος ανέπτυξε έναν μηχανισμό για την κωδικοποίηση χωρικών πληροφοριών σε ένα σήμα NMR με τη χρήση κλίσεων μαγνητικού πεδίου τον Σεπτέμβριο του 1971- δημοσίευσε τη θεωρία που τον διέπει τον Μάρτιο του 1973. Οι παράγοντες που οδηγούν στην αντίθεση της εικόνας (διαφορές στις τιμές του χρόνου χαλάρωσης των ιστών) είχαν περιγραφεί σχεδόν 20 χρόνια νωρίτερα από τους γιατρούς και επιστήμονες Erik Odeblad και Gunnar Lindström. Μεταξύ πολλών άλλων ερευνητών στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και τη δεκαετία του 1980, ο Peter Mansfield τελειοποίησε περαιτέρω τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην απόκτηση και την επεξεργασία εικόνων μαγνητικής τομογραφίας, και το 2003 αυτός και ο Lauterbur τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής για τη συμβολή τους στην ανάπτυξη της μαγνητικής τομογραφίας. Οι πρώτοι κλινικοί σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας εγκαταστάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και ακολούθησε σημαντική ανάπτυξη της τεχνολογίας κατά τις δεκαετίες που ακολούθησαν, με αποτέλεσμα την ευρεία χρήση της στην ιατρική σήμερα.

 Το 1950, ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά από τον Erwin Hahn η ηχώ σπιν και η ελεύθερη επαγωγική διάσπαση και το 1952, ο Herman Carr παρήγαγε ένα μονοδιάστατο φάσμα NMR, όπως αναφέρθηκε στη διδακτορική του διατριβή στο Χάρβαρντ. Το επόμενο βήμα (από τα φάσματα στην απεικόνιση) προτάθηκε από τον Vladislav Ivanov στη Σοβιετική Ένωση, ο οποίος κατέθεσε το 1960 αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για μια συσκευή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Η κύρια συμβολή του Ivanov ήταν η ιδέα της χρήσης της κλίσης του μαγνητικού πεδίου, σε συνδυασμό με μια επιλεκτική διέγερση/ανάγνωση συχνότητας, για την κωδικοποίηση των χωρικών συντεταγμένων. Με σύγχρονους όρους, επρόκειτο μόνο για την απεικόνιση της πυκνότητας πρωτονίων (όχι των χρόνων χαλάρωσης), η οποία ήταν επίσης αργή, δεδομένου ότι χρησιμοποιούνταν μόνο μία κατεύθυνση βαθμίδας κάθε φορά και η απεικόνιση έπρεπε να γίνεται φέτα προς φέτα. Ωστόσο, επρόκειτο για μια πραγματική διαδικασία απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Αρχικά απορρίφθηκε ως "απίθανη", η αίτηση του Ivanov εγκρίθηκε τελικά το 1984 (με την αρχική ημερομηνία προτεραιότητας). Μέχρι το 1959, ο Jay Singer είχε μελετήσει τη ροή του αίματος με μετρήσεις του χρόνου χαλάρωσης NMR του αίματος σε ζωντανούς ανθρώπους. Τέτοιες μετρήσεις δεν εισήχθησαν στην κοινή ιατρική πρακτική μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1980, αν και μια πατέντα για ένα μηχάνημα NMR ολόκληρου του σώματος για τη μέτρηση της ροής του αίματος στο ανθρώπινο σώμα κατατέθηκε από τον Alexander Ganssen στις αρχές του 1967. Στη δεκαετία του 1960 εμφανίστηκαν στην επιστημονική βιβλιογραφία τα αποτελέσματα των εργασιών σχετικά με τη χαλάρωση, τη διάχυση και τη χημική ανταλλαγή του νερού σε κύτταρα και ιστούς διαφόρων τύπων. Το 1967, ο Ligon ανέφερε τη μέτρηση της NMR χαλάρωσης του νερού στα χέρια ζωντανών ανθρώπινων ατόμων. Το 1968, οι Jackson και Langham δημοσίευσαν τα πρώτα σήματα NMR από ένα ζωντανό ζώο, έναν αναισθητοποιημένο αρουραίο. Στη δεκαετία του 1970, έγινε αντιληπτό ότι οι χρόνοι χαλάρωσης είναι βασικοί προσδιοριστικοί παράγοντες της αντίθεσης στη μαγνητική τομογραφία και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση και τη διαφοροποίηση μιας σειράς παθολογιών. Ορισμένες ερευνητικές ομάδες είχαν δείξει ότι τα πρώιμα καρκινικά κύτταρα έτειναν να παρουσιάζουν μεγαλύτερους χρόνους χαλάρωσης από τα αντίστοιχα φυσιολογικά κύτταρα και ως εκ τούτου υποκίνησαν το αρχικό ενδιαφέρον για την ιδέα της ανίχνευσης του καρκίνου με NMR. Στις πρώτες αυτές ομάδες περιλαμβάνονται οι Damadian, Hazlewood και Chang και αρκετές άλλες. Αυτό ξεκίνησε επίσης ένα πρόγραμμα για την καταγραφή των χρόνων χαλάρωσης ενός ευρέος φάσματος βιολογικών ιστών, το οποίο έγινε ένα από τα κύρια κίνητρα για την ανάπτυξη της μαγνητικής τομογραφίας. Σε μια δημοσίευση τον Μάρτιο του 1971 στο περιοδικό Science, ο Raymond Damadian, ένας Αρμενοαμερικανός γιατρός και καθηγητής στο Ιατρικό Κέντρο Downstate του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης (SUNY), ανέφερε ότι οι όγκοι και οι φυσιολογικοί ιστοί μπορούν να διακριθούν in vivo με NMR. Οι αρχικές μέθοδοι του Damadian ήταν ελαττωματικές για πρακτική χρήση, καθώς βασίζονταν σε σάρωση ολόκληρου του σώματος σημείο προς σημείο και χρησιμοποιούσαν ρυθμούς χαλάρωσης, οι οποίοι αποδείχθηκε ότι δεν αποτελούσαν αποτελεσματικό δείκτη καρκινικού ιστού. Ενώ ερευνούσε τις αναλυτικές ιδιότητες του μαγνητικού συντονισμού, ο Damadian δημιούργησε μια υποθετική μηχανή μαγνητικού συντονισμού για την ανίχνευση του καρκίνου το 1972. Κατέθεσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ένα τέτοιο μηχάνημα, το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας 3,789,832 των ΗΠΑ στις 5 Φεβρουαρίου 1974. Ο Lawrence Bennett και ο Dr. Irwin Weisman διαπίστωσαν επίσης το 1972 ότι οι νεοπλασίες εμφανίζουν διαφορετικούς χρόνους χαλάρωσης από τους αντίστοιχους φυσιολογικούς ιστούς. Ο Zenuemon Abe και οι συνεργάτες του κατέθεσαν την πατέντα για έναν στοχευμένο σαρωτή NMR, U.S. Patent 3,932,805 το 1973. Δημοσίευσαν την τεχνική αυτή το 1974. Ο Damadian ισχυρίζεται ότι εφηύρε τη μαγνητική τομογραφία. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ σημειώνει: "Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας περιλάμβανε την ιδέα της χρήσης του NMR για τη "σάρωση" του ανθρώπινου σώματος για τον εντοπισμό καρκινικών ιστών". Ωστόσο, δεν περιέγραφε μια μέθοδο για τη δημιουργία εικόνων από μια τέτοια σάρωση ή πώς ακριβώς θα μπορούσε να γίνει μια τέτοια σάρωση. Ο Paul Lauterbur στο Πανεπιστήμιο Stony Brook επέκτεινε την τεχνική του Carr και ανέπτυξε έναν τρόπο για να δημιουργήσει τις πρώτες εικόνες μαγνητικής τομογραφίας, σε 2D και 3D, χρησιμοποιώντας κλίσεις. Το 1973, ο Lauterbur δημοσίευσε την πρώτη εικόνα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και τον Ιανουάριο του 1974 την πρώτη εικόνα διατομής ενός ζωντανού ποντικιού. Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ο Πίτερ Μάνσφιλντ, φυσικός και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ της Αγγλίας, ανέπτυξε την τεχνική της ηχοεπίπεδης απεικόνισης (EPI), η οποία θα οδηγούσε σε σαρώσεις που θα διαρκούσαν δευτερόλεπτα αντί για ώρες και θα παρήγαγε καθαρότερες εικόνες από αυτές που είχε ο Λάουτερμπουρ. Ο Damadian, μαζί με τους Larry Minkoff και Michael Goldsmith, έλαβε μια εικόνα ενός όγκου στο θώρακα ενός ποντικού το 1976. Πραγματοποίησαν επίσης την πρώτη μαγνητική τομογραφία σώματος ανθρώπου στις 3 Ιουλίου 1977, μελέτες που δημοσίευσαν το 1977. Το 1979, ο Richard S. Likes κατέθεσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το k-space U.S. Patent 4,307,343. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970, μια ομάδα με επικεφαλής τον John Mallard κατασκεύασε τον πρώτο μαγνητικό τομογράφο ολόσωμης μαγνητικής τομογραφίας στο Πανεπιστήμιο του Aberdeen στη Σκωτία. Στις 28 Αυγούστου 1980 χρησιμοποίησαν αυτό το μηχάνημα για να λάβουν την πρώτη κλινικά χρήσιμη εικόνα των εσωτερικών ιστών ενός ασθενούς με τη χρήση μαγνητικής τομογραφίας, η οποία εντόπισε έναν πρωτοπαθή όγκο στο στήθος του ασθενούς, ένα μη φυσιολογικό ήπαρ και δευτεροπαθή καρκίνο στα οστά του. Το μηχάνημα αυτό χρησιμοποιήθηκε αργότερα στο νοσοκομείο St Bartholomew's, στο Λονδίνο, από το 1983 έως το 1993. Ο Mallard και η ομάδα του πιστώνονται τις τεχνολογικές εξελίξεις που οδήγησαν στην ευρεία εισαγωγή της μαγνητικής τομογραφίας. Το 1975, το Τμήμα Ακτινολογίας του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο ίδρυσε το Εργαστήριο Ακτινολογικής Απεικόνισης (RIL). Με την υποστήριξη της Pfizer, της Diasonics και αργότερα της Toshiba America MRI, το εργαστήριο ανέπτυξε νέα τεχνολογία απεικόνισης και εγκατέστησε συστήματα στις Ηνωμένες Πολιτείες και παγκοσμίως. Το 1981 οι ερευνητές του RIL, μεταξύ των οποίων οι Leon Kaufman και Lawrence Crooks, δημοσίευσαν την Απεικόνιση Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού στην Ιατρική. Στη δεκαετία του 1980 το βιβλίο θεωρήθηκε το οριστικό εισαγωγικό εγχειρίδιο για το θέμα. Το 1980 ο Paul Bottomley εντάχθηκε στο ερευνητικό κέντρο της GE στο Schenectady της Νέας Υόρκης. Η ομάδα του παρήγγειλε τον μαγνήτη με το υψηλότερο δυνατό πεδίο που ήταν τότε διαθέσιμος, ένα σύστημα 1,5 Τ, και κατασκεύασε την πρώτη συσκευή υψηλού πεδίου, ξεπερνώντας προβλήματα σχεδιασμού πηνίων, διείσδυσης RF και αναλογίας σήματος προς θόρυβο, για να κατασκευάσει τον πρώτο σαρωτή MRI/MRS ολόκληρου του σώματος. Τα αποτελέσματα μεταφράστηκαν στην εξαιρετικά επιτυχημένη σειρά προϊόντων μαγνητικής τομογραφίας 1,5 Τ, με παράδοση πάνω από 20.000 συστημάτων. Το 1982, ο Bottomley πραγματοποίησε το πρώτο εντοπισμένο MRS στην ανθρώπινη καρδιά και τον εγκέφαλο. Αφού ξεκίνησε μια συνεργασία σε εφαρμογές για την καρδιά με τον Robert Weiss στο Johns Hopkins, ο Bottomley επέστρεψε στο πανεπιστήμιο το 1994 ως καθηγητής Russell Morgan και διευθυντής του ερευνητικού τμήματος MR. Το 1986, ο Charles L. Dumoulin και ο Howard R. Hart στη General Electric ανέπτυξαν τη μαγνητική αγγειογραφία και ο Denis Le Bihan, έλαβε τις πρώτες εικόνες και αργότερα κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τη μαγνητική τομογραφία διάχυσης. Το 1988, ο Arno Villringer και οι συνεργάτες του απέδειξαν ότι οι σκιαγραφικοί παράγοντες επιδεκτικότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη μαγνητική τομογραφία αιμάτωσης. Το 1990, ο Seiji Ogawa στα εργαστήρια Bell της AT&T αναγνώρισε ότι το αίμα με dHb που στερείται οξυγόνου έλκεται από ένα μαγνητικό πεδίο και ανακάλυψε την τεχνική που αποτελεί τη βάση της Απεικόνισης Λειτουργικού Μαγνητικού Συντονισμού (fMRI). Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, οι Peter Basser και Le Bihan που εργάζονταν στο NIH και οι Aaron Filler, Franklyn Howe και συνεργάτες δημοσίευσαν τις πρώτες εικόνες DTI και τρακτογραφικές εικόνες του εγκεφάλου. Το 1992 οι Joseph Hajnal, Young και Graeme Bydder περιέγραψαν τη χρήση της παλμοσειράς FLAIR για την επίδειξη περιοχών υψηλού σήματος στη φυσιολογική λευκή ουσία. Την ίδια χρονιά, αναπτύχθηκε η αρτηριακή σήμανση σπιν από τους John Detre και Alan P. Koretsky. Το 1997, ο Jürgen R. Reichenbach, ο E. Mark Haacke και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον ανέπτυξαν την απεικόνιση σταθμισμένης επιδεκτικότητας (Susceptibility weighted imaging). Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των ημιαγωγών ήταν ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη της πρακτικής μαγνητικής τομογραφίας, η οποία απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Αν και η μαγνητική τομογραφία εκτελείται συνήθως στην κλινική σε 1,5 Τ, τα υψηλότερα πεδία, όπως τα 3 Τ για κλινική απεικόνιση και πιο πρόσφατα τα 7 Τ για ερευνητικούς σκοπούς, κερδίζουν ολοένα και μεγαλύτερη δημοτικότητα λόγω της αυξημένης ευαισθησίας και ανάλυσης. Σε ερευνητικά εργαστήρια, μελέτες σε ανθρώπους έχουν πραγματοποιηθεί σε 9,4 T (2006) και έως 10,5 T (2019). Μελέτες σε μη ανθρώπινα ζώα έχουν πραγματοποιηθεί σε έως και 21,1 Τ. Το 2020, ο Οργανισμός Τροφίμων και Φαρμάκων των Ηνωμένων Πολιτειών (USFDA) πρότεινε την έγκριση 510(k) για το σύστημα μαγνητικής τομογραφίας δίπλα στο κρεβάτι της Hyperfine Research. Το σύστημα Hyperfine ισχυρίζεται ότι έχει το 1/20 του κόστους, το 1/35 της κατανάλωσης ενέργειας και το 1/10 του βάρους των συμβατικών συστημάτων μαγνητικής τομογραφίας. Χρησιμοποιεί μια συνηθισμένη ηλεκτρική πρίζα για τροφοδοσία. Αντανακλώντας τη θεμελιώδη σημασία και τη δυνατότητα εφαρμογής της μαγνητικής τομογραφίας στην ιατρική, ο Paul Lauterbur του Πανεπιστημίου του Ιλινόις στην Urbana-Champaign και ο Sir Peter Mansfield του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής 2003 για τις "ανακαλύψεις τους σχετικά με την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού". Το βραβείο Νόμπελ αναγνώρισε τη διορατικότητα του Lauterbur όσον αφορά τη χρήση των κλίσεων του μαγνητικού πεδίου για τον προσδιορισμό του χωρικού εντοπισμού, μια ανακάλυψη που επέτρεψε την απόκτηση τρισδιάστατων και δισδιάστατων εικόνων. Ο Mansfield πιστώθηκε την εισαγωγή του μαθηματικού φορμαλισμού και την ανάπτυξη τεχνικών για την αποτελεσματική αξιοποίηση των βαθμίδων και τη γρήγορη απεικόνιση. Η έρευνα που κέρδισε το βραβείο είχε γίνει σχεδόν 30 χρόνια νωρίτερα, ενώ ο Paul Lauterbur ήταν καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Stony Brook της Νέας Υόρκης. Μαγνητική τομογραφία