Prostredníctvom vedeckého týždenníka Nature to oznámil päťčlenný tím Klaasa Prüssmanna z Federálnej vysokej školy technickej (o. i. alma mater Alberta Einsteina) vo švajčiarskom Zürichu. Na začiatku objavu stál nápad Prüssmannovho doktoranda Davida Brunnera. Podstata ich prevratného objavu spočíva vo vyvolaní a zobrazení jadrovej magnetickej rezonancie v ľudskom tele postupom elektromagnetických vĺn.
Čo je MRI
Skratka MRI (magnetic resonance imaging) znamená zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie. Základom je takzvaná jadrová magnetická rezonancia (nuclear magnetic resonance, NMR). Vzniká vtedy, keď sa na vodíkové atómy umiestnené v silnom stálom magnetickom poli pôsobí dodatočným premenným magnetickým poľom.
Jeho oscilácie zodpovedajú rádiovým frekvenciám. Pri istej rezonančnej frekvencii začnú oscilovať i jadrá vodíkových atómov a vysielať slabé rádiové signály. Princíp aparatúr MRI sa zakladá na tom, že tieto signály zachytávajú a prevádzajú na obraz. Rôzne obsahy vodíka a odlišné mikroprostredia vodíkových jadier vedú ku kontrastom medzi jednotlivými tkanivami.
Výskum NMR má práve na zürišskej technike veľkú tradíciu. Jej absolvent a dvaja pracovníci dostali za využitie NMR v chémii a štruktúrnej biológii Nobelove ceny (v prvom prípade za fyziku Felix Bloch, v druhom za chémiu Richard Ernst a Kurt Wüthrich).
Iskra inšpirácie
D. Brunnera, doktoranda v odbore biomedicínskeho inžinierstva, podnietili ku nekonvenčným úvahám, konkrétne k nápadu o využití šíriacich sa vĺn, MRI obrazy, ktoré dostal od kolegu. Ten snímal ruku a zachytil pri tom aj poruchy, v brandži označované ako poskladané artefakty. Podľa všetkého pochádzali z oblasti mimo detektora.
|
Dva pohľady na spodnú časť lýtka a chodidlo dobrovoľníka - vľavo novou aparatúrou, vpravo bežnou. |
Prístroj očividne zaznamenal signály nielen z blízkej cieľovej oblasti, ale aj z pomerne veľkej vzdialenosti. To odporovalo zaužívanému predpokladu, že detektor je citlivý iba na bezprostredné okolie. Vysvetlenie bolo podľa D. Brunnera jasné: „Čosi také je možné iba vtedy, ak sa signály šíria ďalej, to znamená, ak sa pohybujú ako postupné vlny.“ Na riešenie záhady vznikol tím vedený jeho školiteľom K. Prüssmannom. Rozhodli sa určiť optimálne podmienky šírenia vĺn v skúmanom kontexte. Potrebovali však vhodný vlnovod.
Troška šťastia nezaškodí
Priemer vlnovodu musel umožňovať šírenie predmetných vĺn. Pomohla im šťastná okolnosť, že ich najsilnejší magnet s intenzitou magnetického poľa sedem tesiel bol práve dostatočne široký (58 centimetrov) na voľné šírenie vĺn pri rezonančnej frekvencii tristo megahertzov.
Z antény sa šírili vlny, ktoré najprv prešli zobrazovanou vzorkou a prakticky bez strát celým vnútrom magnetu. Tá istá anténa zachytávala, opäť v podobe šíriacich sa vĺn, rezonančné signály. Výsledkom boli MRI obrazy s väčším záberom skúmanej vzorky, aké sa kedy podarilo dosiahnuť v takýchto silných magnetických poliach.
Východisko – postupné vlny
|
Hore: Pohľad novou aparatúrou na ľudskú hlavu z boku. Dole: Zobrazenie ľudskej hlavy zozadu z vzdialenosti 90 centimetrov pomocou MRI aparatúry s postupnými vlnami. Bežné MRI aparatúry by aj pri použití poľa sedem tesiel zachytili iba mozog, táto aj oblasť krku a ramien. |
Bežné MRI aparatúry vyžadujú umiestnenie detektora čo najbližšie k telu – prakticky ich delia centimetre. Základom je totiž takzvaná blízkopoľová väzba. Magnetickú rezonanciu jadier atómov vodíka vyvolávajú stacionárne rádiofrekvenčné polia. MRI detektor funguje ako rezonátor s optimálnou blízkopoľovou väzbou na vzorku.
Ale je tu problém. Ak sa používa magnet s intenzitou poľa sedem tesiel, signál v tkanive má vlnovú dĺžku iba približne desať centimetrov. Anatomické prvky väčšie ako táto vlnová dĺžka (trebárs ľudskú hlavu) už pri takom silnom poli bežná MRI aparatúra nezobrazí celé.
Tím K. Prüssmanna to vyriešil tak, že namiesto stacionárnych použili postupné rádiofrekvenčné vlny. Vedci zistili, že týmto spôsobom rovnomernejšie pokryjú veľké úseky tela vyšetrovaného pacienta a navyše signály, prvky obrazu, možno prijímať zo vzdialeností jedného metra.
Dnešok a budúcnosť
Bežné MRI aparatúry so stacionárnymi vlnami, nasadené v klinickej praxi, fungujú s magnetickým poľom približne 1,5 tesly. Výsledný signál má pomerne nízku frekvenciu 64 megahertzov. Za slabšie magnetické pole sa platí menším rozlíšením obrazu, a teda nižšou citlivosťou celej aparatúry.
Druhou komplikáciou je podmienka blízkosti detektora k pacientovi. Ten sa potom pri vyšetrení zväčša cíti nepríjemne, ba neraz ho v aparatúre ovládne klaustrofóbia. Z tesnej blízkosti vysielačov a detektorov k pacientovi tiež vyplýva potreba zvláštnych opatrení, ktoré zabezpečujú, aby pacientovi pri poruche neublížili krátkodosahové elektrické polia.
Nová MRI aparatúra využívajúca postupné vlny zobrazila s dostatočným rozlíšením pri počiatočných pokusoch spodnú časť lýtka a chodidlo dobrovoľníka vo väčšom rozsahu, ako to umožňujú bežné. „A skutočnosť, že MRI signály možno prijímať anténou a na také veľké vzdialenosti, je pozoruhodná. Ide o zmenu paradigmy,“ povedal K. Prüssmann. (Čiže základnej myšlienkovej koncepcie celého odboru, najmä vo vede a filozofii.)
Foto - Ivan Fleischer, David Brunner & Klaas Prüssmann, Nature
