Magnetresonantstomograafia ajalugu

Magnetresonantstomograafia (MRI) ajalugu hõlmab paljude teadlaste tööd, kes aitasid kaasa tuumamagnetresonantsi (NMR) avastamisele ja kirjeldasid magnetresonantstomograafia aluseks olevat füüsikat, alates 20 sajandi algusest. MR-kujutise leiutas Paul C. Lauterbur, kes töötas 1971. aasta septembris välja mehhanismi ruumilise teabe kodeerimiseks NMR-signaali, kasutades magnetvälja gradiente; ta avaldas selle aluseks oleva teooria 1973. aasta märtsis. Pildi kontrasti (erinevused kudede lõõgastumisaegade väärtustes) tekitavaid tegureid olid peaaegu 20 aastat varem kirjeldanud arst ja teadlane Erik Odeblad ja Gunnar Lindström. Paljude teiste teadlaste seas täiustas 1970. aastate lõpus ja 1980. aastatel Peter Mansfield MR-pildi saamise ja töötlemise meetodeid veelgi ning 2003. aastal anti talle ja Lauterburile Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhind nende panuse eest magnetresonantstomograafia arengusse. Esimesed kliinilised MRT-skannerid paigaldati 1980. aastate alguses ja selle tehnoloogia märkimisväärne areng järgnes aastakümnete jooksul, mis viis selle laialdase kasutamiseni meditsiinis tänapäeval. 1950. aastal avastas Erwin Hahn esmakordselt spinni kaja ja vaba induktsiooni lagunemise ning 1952. aastal esitas Herman Carr ühemõõtmelise NMR-spektri, millest ta teatas oma Harvardi doktoritöös. Järgmise sammu (spektritelt pildistamisele) tegi Nõukogude Liidus Vladislav Ivanov, kes esitas 1960. aastal patenditaotluse magnetresonantsi pildistamise seadme kohta. Ivanovi peamine panus oli idee kasutada ruumiliste koordinaatide kodeerimiseks magnetvälja gradienti koos selektiivse sageduse ergutusega/välja lugemisega. Tänapäeva mõistes oli see ainult prootonite tiheduse (mitte lõõgastumisaegade) kujutamine, mis oli samuti aeglane, kuna korraga kasutati ainult ühte gradienti suunda ja kujutamine tuli teha viilhaaval. Sellegipoolest oli see tõeline magnetresonantstomograafia. Algselt lükati Ivanovi taotlus tagasi kui "ebatõenäoline", kuid lõpuks kiideti see 1984. aastal heaks (algse prioriteedikuupäevaga). 1959. aastaks oli Jay Singer uurinud verevoolu NMR-relaksatsiooniaegade mõõtmise abil elusate inimeste veres. Sellised mõõtmised võeti meditsiinis kasutusele alles 1980. aastate keskel, kuigi Alexander Ganssen esitas 1967. aasta alguses patendi kogu keha NMR-aparaadi jaoks, mis mõõdab verevoolu inimkehas. 1960. aastatel ilmusid teaduskirjanduses töö tulemused, mis käsitlesid vee lõõgastumist, difusiooni ja keemilist vahetust rakkudes ja eri tüüpi kudedes. 1967. aastal teatas Ligon vee NMR-relaksatsiooni mõõtmisest elusate inimeste kätes. 1968. aastal avaldasid Jackson ja Langham esimesed NMR-signaalid elusalt loomalt, anesteetiliselt rottidelt. 1970. aastatel mõisteti, et lõdvenemisaeg on MRT-s kontrasti võtmetähtsusega tegurid ning neid saab kasutada mitmesuguste patoloogiate avastamiseks ja eristamiseks. Mitmed uurimisrühmad olid näidanud, et varajased vähirakud kalduvad näitama pikemaid lõdvenemisaegu kui vastavad normaalsed rakud, ja see äratas esialgset huvi vähi avastamise idee vastu NMR-i abil. Nende varajaste rühmade hulka kuuluvad Damadian, Hazlewood ja Chang ning mitmed teised. See algatas ka programmi paljude bioloogiliste kudede lõõgastumisaegade kataloogimiseks, millest sai üks peamisi ajendeid magnetresonantstomograafia arendamiseks. 1971. aasta märtsis ajakirjas Science ilmunud artiklis teatas Raymond Damadian, armeenia-ameerika arst ja New Yorgi osariigi ülikooli Downstate Medical Centeri (SUNY) professor, et kasvajaid ja normaalseid kudesid saab in vivo eristada NMR-i abil. Damadiani esialgsed meetodid olid praktiliseks kasutamiseks puudulikud, kuna nad tuginesid kogu keha punktide kaupa skaneerimisele ja kasutasid lõõgastumiskiirust, mis ei osutunud vähkkude tõhusaks näitajaks. Uurides magnetresonantsi analüütilisi omadusi, lõi Damadian 1972. aastal hüpoteetilise magnetresonantsi vähktõbe tuvastava masina. Ta patenteeris sellise masina 5. veebruaril 1974 USA patendiga 3,789,832. Lawrence Bennett ja dr Irwin Weisman leidsid samuti 1972. aastal, et neoplasmadel on erinev lõõgastumisaeg kui vastavatel normaalsetel kudedel. Zenuemon Abe ja tema kolleegid taotlesid 1973. aastal patenti sihitud NMR-skannerile, U.S. Patent 3,932,805. Nad avaldasid selle tehnika 1974. aastal. Damadian väidab, et ta on leiutanud magnetresonantstomograafia. USA riiklik teadusfond märgib: "Patendis sisaldus idee kasutada NMR-i inimkeha "skaneerimiseks", et leida vähkkasvaja kude."[viide?] Siiski ei kirjeldatud selles meetodit, kuidas sellisest skaneerimisest pilte genereerida või kuidas täpselt sellist skaneerimist võiks teha. Paul Lauterbur Stony Brooki Ülikoolis laiendas Carri tehnikat ja töötas välja viisi, kuidas luua esimesed magnetresonantstomograafilised kujutised 2D ja 3D gradientide abil. Lauterbur avaldas 1973. aastal esimese tuumamagnetresonantspildi ja 1974. aasta jaanuaris esimese ristlõikepildi elavast hiirest. 1970. aastate lõpus töötas Peter Mansfield, füüsik ja professor Nottinghami ülikoolis Inglismaal välja echo-plaanilise pildistamise (EPI) tehnika, mille tulemusel kestsid skaneerimised tundide asemel sekundid ja andsid selgemad pildid kui Lauterburil. Damadian sai koos Larry Minkoffi ja Michael Goldsmithiga 1976. aastal pildi hiire rindkere kasvajast. Samuti tegid nad 3. juulil 1977. aastal esimese inimese keha magnetresonantstomograafilise uuringu, mille tulemused nad avaldasid 1977. aastal. 1979. aastal esitas Richard S. Likes patendi k-ruumi kohta U.S. Patent 4,307,343. 1970. aastatel ehitas John Mallardi juhitud meeskond Šotimaal Aberdeeni Ülikoolis esimese kogu keha hõlmava magnetresonantstomograafi (MRI). 28. augustil 1980 said nad selle seadme abil esimese kliiniliselt kasuliku pildi patsiendi sisekudedest magnetresonantstomograafia abil, mis tuvastas patsiendi rindkere esmase kasvaja, ebanormaalse maksa ja sekundaarse vähi tema luudes. Hiljem kasutati seda seadet Londonis St Bartholomew's Hospitalis aastatel 1983-1993. Mallardile ja tema meeskonnale omistatakse tehnoloogilised edusammud, mis viisid MRT laialdase kasutuselevõtuni. 1975. aastal asutas California Ülikooli San Francisco radioloogiaosakond radioloogilise kujutamise laboratooriumi (RIL). Pfizeri, Diasonics'i ja hiljem Toshiba America MRI toetusel töötas labor välja uue pildistamistehnoloogia ja paigaldas süsteeme Ameerika Ühendriikides ja kogu maailmas. 1981. aastal avaldasid RILi teadlased, sealhulgas Leon Kaufman ja Lawrence Crooks, raamatu "Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine. Seda raamatut peeti 1980. aastatel selle teema lõplikuks sissejuhatavaks õpikuks. 1980. aastal liitus Paul Bottomley GE teaduskeskusega Schenectady's, New Yorgis. Tema meeskond tellis suurima väljatugevusega magneti, 1,5 T süsteemi, ja ehitas esimese suure väljatugevusega seadme, ületades mähise konstruktsiooni, raadiosagedusliku läbitungi ja signaali-müra suhte probleemid, et ehitada esimene kogu keha MRI/MRS-skanner. Tulemustest sai alguse väga edukas 1,5 T MRI tootesari, mida on tarnitud üle 20 000 süsteemi. 1982. aastal viis Bottomley läbi esimese lokaliseeritud MRSi inimese südames ja ajus. Pärast seda, kui Bottomley alustas Johns Hopkinsis koostööd südame rakenduste alal Robert Weissiga, naasis ta 1994. aastal ülikooli Russell Morgani professorina ja MR-uuringute osakonna direktorina. 1986. aastal töötasid Charles L. Dumoulin ja Howard R. Hart General Electricus välja MR-angiograafia ja Denis Le Bihan, sai esimesed pildid ja patenteeris hiljem difusioon-MRI. 1988. aastal näitas Arno Villringer koos oma töörühmaga, et perfusiooni MRT-s võib kasutada suspebiilsuskontrastaineid. 1990. aastal avastas Seiji Ogawa AT&T Bell labsis, et dHb-ga hapnikupuudusega verd tõmbab magnetväli ligi, ja avastas tehnika, mis on funktsionaalse magnetresonantstomograafia (fMRI) aluseks. 1990. aastate alguses avaldasid NIHis töötavad Peter Basser ja Le Bihan ning Aaron Filler, Franklyn Howe ja kolleegid esimesed DTI- ja traktograafilised ajupildid. Joseph Hajnal, Young ja Graeme Bydder kirjeldasid 1992. aastal FLAIRi impulssjärjestuse kasutamist, et näidata kõrge signaaliga piirkondi normaalses valges aines. Samal aastal töötasid John Detre ja Alan P. Koretsky välja arteriaalse spin-märgistuse. 1997. aastal töötasid Jürgen R. Reichenbach, E. Mark Haacke ja kolleegid Washingtoni Ülikoolis välja Susceptibility weighted imaging. Praktilise magnetresonantstomograafia arendamisel, mis nõuab suurt arvutusvõimsust, oli otsustava tähtsusega edusammud pooljuhttehnoloogias. Kuigi kliinikus tehakse MRT-d kõige sagedamini 1,5 T juures, on nende suurema tundlikkuse ja lahutusvõime tõttu populaarsust kogumas suuremad väljad, näiteks 3 T kliiniliseks pildistamiseks ja viimasel ajal 7 T teaduslikel eesmärkidel. Teaduslaboratooriumides on tehtud inimuuringuid 9,4 T (2006) ja kuni 10,5 T (2019) juures. Loomade uuringuid, mis ei ole seotud inimestega, on tehtud kuni 21,1 T juures. 2020. aastal andis Ameerika Ühendriikide Toidu- ja Ravimiamet (USFDA) Hyperfine Researchi voodipõhisele MRT-süsteemile 510(k) heakskiidu. Hyperfine'i süsteem väidab, et selle maksumus on 1/20 võrra väiksem, energiatarbimine 1/35 võrra väiksem ja kaal 1/10 võrra väiksem kui tavalistel MRT-süsteemidel. Toiteks kasutatakse tavalist elektripistikut. Arvestades magnetresonantstomograafia fundamentaalset tähtsust ja rakendatavust meditsiinis, anti Paul Lauterburile Illinoisi Ülikoolist Urbana-Champaignis ja Sir Peter Mansfieldile Nottinghami Ülikoolist 2003. aasta Nobeli auhind füsioloogia või meditsiini valdkonnas nende "magnetresonantstomograafiaga seotud avastuste" eest. Nobeli auhinnaga tunnustati Lauterburi arusaama magnetvälja gradientide kasutamisest ruumilise lokaliseerimise määramiseks, mis võimaldas 3D- ja 2D-piltide saamist. Mansfieldile omistati matemaatilise formalismi kasutuselevõtt ning gradientide tõhusa kasutamise ja kiire pildistamise tehnika väljatöötamine. Teadusuuringud, mille eest auhind anti, tehti peaaegu 30 aastat varem, kui Paul Lauterbur oli New Yorgis asuva Stony Brooki ülikooli keemiaosakonna professor. Funktsionaalne magnetresonantstomograafia Larmori sagedus Magnetresonants Tuumamagnetresonantsspektroskoopia Plewes, Donald; Kucharczyk, Walter (2012). "Physics of MRI: A Primer". JMRI. 35 (5): 1038–1054. DOI:10.1002/jmri.23642. PMID 22499279. S2CID 206101735.