Первое МРТ-обследование человека (1977)

Атомные ядра-магниты

Ядра многих атомов, в том числе ядро водорода - протон, - ведут себя как крошечные магниты: они обладают особым квантовым свойством, называемым спином. Если поместить вещество в сильное магнитное поле, ядра выстраиваются определенным образом. Если затем облучить их радиоволной строго определенной частоты, они поглощают энергию, а потом, возвращаясь в прежнее состояние, испускают слабый радиосигнал. Это явление назвали ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

В 1938 году американский физик Исидор Раби впервые наблюдал магнитный резонанс в пучке молекул и в 1944 году получил за это Нобелевскую премию. В 1946 году Феликс Блох в Стэнфорде и Эдвард Перселл в Гарварде независимо друг от друга обнаружили ЯМР в жидкостях и твердых телах и в 1952 году разделили Нобелевскую премию по физике. В Советском Союзе казанский физик Евгений Завойский в 1944 году открыл родственное явление - электронный парамагнитный резонанс. По некоторым сведениям, еще в 1941 году он наблюдал и сигналы ядерного резонанса, но счел результаты невоспроизводимыми и не опубликовал их.

В 1950-1960-е годы ЯМР стал важнейшим инструментом химиков. Частота сигнала зависит от того, в каком окружении находится ядро, и по спектру можно определить строение сложных молекул. Но получать с помощью ЯМР изображения никто не пытался: метод давал сигнал от всего образца сразу, без указания, откуда он пришел.

Советская заявка

Одна из ранних идей магнитно-резонансной томографии принадлежала советскому инженеру-военному Владиславу Иванову. В 1960 году он, по имеющимся сведениям, подал заявку на изобретение способа исследования внутреннего строения объектов с помощью ЯМР. Заявку долго не признавали, и авторское свидетельство Иванов получил лишь в 1984 году, когда МРТ уже появилась на Западе. Его идея осталась на бумаге и не повлияла на мировые разработки, но в российской литературе его часто упоминают как одного из предшественников метода.

Заглянуть внутрь

На протяжении почти всей истории медицины увидеть, что происходит внутри живого человека, можно было лишь вскрыв его тело. Первую революцию произвели рентгеновские лучи, открытые в 1895 году: уже через несколько месяцев врачи по всему миру делали снимки переломов и находили проглоченные предметы. Но рентгеновский снимок хорошо показывает кости и плохо - мягкие ткани, а все органы на нем накладываются друг на друга. Кроме того, рентгеновское излучение при больших дозах опасно.

В 1950-е годы в медицину пришел ультразвук. Шотландский акушер Иан Дональд в Глазго стал использовать для обследования беременных и диагностики опухолей приборы, родственные эхолотам, которыми искали подводные лодки и дефекты в металле. Ультразвук был безопасен, но давал размытые изображения и плохо проникал через кости и воздух.

В 1971 году британский инженер Годфри Хаунсфилд создал компьютерный томограф, который получал рентгеновские снимки тонких срезов тела и восстанавливал по ним изображение с помощью компьютера. За ним последовала позитронно-эмиссионная томография, позволявшая наблюдать за обменом веществ в тканях. К середине 1970-х годов в нескольких лабораториях мира шла настоящая гонка за новыми способами заглянуть внутрь тела. Магнитный резонанс обещал то, чего не давал ни один другой метод: подробное изображение мягких тканей без какого-либо облучения.

Врач со скрипкой

Реймонд Дамадьян родился в 1936 году в Нью-Йорке в армянской семье. В детстве он учился игре на скрипке в Джульярдской школе, а в 15 лет получил стипендию для поступления в Висконсинский университет, где изучал математику и химию. Затем он окончил медицинский колледж имени Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке и стал врачом-исследователем в Медицинском центре Даунстейт Государственного университета Нью-Йорка в Бруклине.

Дамадьян изучал, как ионы калия и натрия распределяются в клетках. По его воспоминаниям, у него возникла мысль, что вода в раковых клетках может быть устроена иначе, чем в здоровых, и это должно отражаться на сигнале ЯМР. В 1970 году он провел опыты в лаборатории одной из компаний, производивших ЯМР-спектрометры, и измерил время релаксации - время, за которое ядра водорода возвращаются в исходное состояние, - в тканях здоровых крыс и в опухолях.

Результаты, опубликованные в журнале Science в марте 1971 года, показали, что в злокачественных опухолях время релаксации заметно больше, чем в здоровых тканях. Дамадьян предложил использовать это различие для диагностики рака. В 1972 году он подал заявку на патент на «устройство и метод обнаружения рака в тканях», выданный в 1974 году. В заявке был описан аппарат для сканирования тела, хотя способа получить изображение в нем не было.

Салфетка в закусочной

В сентябре 1971 года химик Пол Лотербур из Университета Стоуни-Брук, также в штате Нью-Йорк, наблюдал, как один из исследователей повторяет опыты по сравнению опухолевых и здоровых тканей. По его рассказу, вечером того же дня, сидя в закусочной в пригороде Питтсбурга, он набросал на салфетке идею, как превратить ЯМР в метод получения изображений.

Идея заключалась в том, чтобы сделать магнитное поле неоднородным - меняющимся от точки к точке по определенному закону, создавая так называемый градиент. Тогда ядра в разных местах образца будут отвечать на разных частотах, и по частоте сигнала можно будет определить, откуда он пришел. Сняв сигналы при разных направлениях градиента, можно восстановить изображение - подобно тому, как это делается в компьютерной томографии.

Лотербур проверил идею на двух пробирках с водой и получил их изображение. Его статья, по распространенной версии, сначала была отклонена журналом Nature, но после переработки вышла в марте 1973 года. Метод он назвал «зейгматографией» - от греческого слова, означающего «соединение», - но название не прижилось. Позже он получил изображение живого моллюска.

Ноттингем и Абердин

В Великобритании независимо развивалось свое направление. Физик Питер Мэнсфилд из Ноттингемского университета разработал математические методы, позволявшие быстро получать срезы и превращать сигналы в изображения. В 1977 году он предложил метод эхо-планарной томографии, позволявший получать снимки за доли секунды; через много лет он стал основой функциональной МРТ. В Ноттингеме в 1976-1977 годах получили одни из первых изображений частей тела живого человека - пальца и запястья. По воспоминаниям, Мэнсфилд в 1978 году сам лег в аппарат, чтобы получить снимок своего живота, хотя никто не знал, не опасно ли сильное магнитное поле.

В Абердине группа медицинского физика Джона Малларда построила аппарат для сканирования всего тела. В августе 1980 года на нем было получено первое клинически полезное изображение пациента: у больного раком обнаружили метастазы, что повлияло на выбор лечения.

«Неукротимый»

Дамадьян тем временем решил построить аппарат для сканирования всего человеческого тела. Финансирования не хватало: Национальные институты здравоохранения, по его словам, отказывали ему, а многие коллеги считали затею безумной. Он собирал деньги где мог, в том числе пожертвования. Вместе с аспирантами Лоренсом Минкоффом и Майклом Голдсмитом он сам строил сверхпроводящий магнит - огромную катушку из ниобий-титановой проволоки, охлаждаемую жидким гелием, внутри которой мог поместиться человек. Работа шла несколько лет.

Метод Дамадьяна отличался от метода Лотербура. Он использовал так называемую фокусировку поля: магнитное поле подбиралось так, чтобы условие резонанса выполнялось лишь в одной небольшой точке тела. Пациента или его тело перемещали, точка за точкой, и по сигналам в каждой точке строили изображение. Такой метод был очень медленным.

Аппарат назвали «Неукротимый». Первым испытуемым должен был стать сам Дамадьян. По его воспоминаниям, он надел на грудь приемную катушку в виде жилета и провел несколько часов внутри магнита, но сигнала получить не удалось. Коллеги предположили, что Дамадьян слишком крупный для катушки. Риск сильного магнитного поля для человека тогда был неизвестен, и Минкофф поначалу не хотел рисковать, но, увидев, что с Дамадьяном ничего не случилось, согласился.

3 июля 1977 года

Ранним утром 3 июля 1977 года Минкофф лег в «Неукротимый». Сканирование продолжалось около четырех часов сорока пяти минут: аппарат проходил по 106 точкам поперечного среза грудной клетки. В конце концов на экране было построено грубое изображение, окрашенное карандашами вручную, - на нем были видны сердце, легкие, позвоночник и мышцы грудной стенки. Это было первое изображение поперечного среза тела живого человека, полученное методом ядерного магнитного резонанса.

Дамадьян объявил об успехе на пресс-конференции. Реакция научного сообщества была сдержанной, а отчасти и скептической: многие ученые считали, что метод Дамадьяна слишком медленен для практики, и критиковали его за то, что он сообщил о результатах журналистам раньше, чем в научной печати. Сам «Неукротимый» позднее был передан в Смитсоновский институт в Вашингтоне.

От ЯМР к МРТ

В 1978 году Дамадьян основал компанию Fonar, которая в 1980 году выпустила один из первых коммерческих магнитно-резонансных томографов. К делу подключились и крупные корпорации - британская EMI, американская General Electric, нидерландская Philips, немецкая Siemens. В 1980-е годы в клиниках стали появляться первые томографы.

Возникла неожиданная проблема со словом «ядерный». В годы холодной войны и после аварии на американской атомной станции Три-Майл-Айленд в 1979 году оно пугало пациентов, которые думали, что их будут облучать. Поэтому врачи стали говорить не о ядерном магнитном резонансе, а о магнитно-резонансной томографии - МРТ. Название прижилось во всем мире.

Как работает МРТ

Человеческое тело примерно на две трети состоит из воды, а значит, в нем огромное количество ядер водорода. Томограф создает сильное постоянное магнитное поле, в десятки тысяч раз превышающее магнитное поле Земли, а катушки создают градиенты поля, позволяющие определить, откуда приходит сигнал. Радиоимпульсы возбуждают ядра, а компьютер по их ответу строит изображение срезов тела в любой плоскости.

Главное преимущество МРТ - прекрасное изображение мягких тканей: мозга, спинного мозга, мышц, связок, хрящей, внутренних органов. Ткани с разным содержанием воды и разным временем релаксации выглядят по-разному - именно то различие, которое обнаружил Дамадьян. В отличие от рентгена и компьютерной томографии, МРТ не использует ионизирующее излучение.

У метода есть и ограничения. Обследование длится дольше, чем КТ, аппарат издает громкий стук, а людям с металлическими имплантатами и некоторыми электронными устройствами, например старыми кардиостимуляторами, обследование может быть противопоказано. Магнит томографа настолько силен, что металлические предметы, внесенные в кабинет, могут превратиться в опасные снаряды.

Функциональная МРТ и распространение

В 1990 году японский исследователь Сэйдзи Огава, работавший в американской компании Bell Labs, показал, что МРТ может улавливать изменения кровотока и насыщения крови кислородом в работающих участках мозга. Так появилась функциональная МРТ, позволившая наблюдать за работой мозга во время мышления, речи, восприятия и превратившаяся в один из главных инструментов нейронаук.

К XXI веку в мире работали десятки тысяч магнитно-резонансных томографов, ежегодно выполняющих десятки миллионов обследований. В СССР и России первые отечественные томографы появились в 1980-е годы, но долгое время оставались редкостью; массовое распространение МРТ в России пришлось на 2000-е годы.

Нобелевская премия и обида

В октябре 2003 года Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Полу Лотербуру и Питеру Мэнсфилду «за открытия в области магнитно-резонансной томографии». Дамадьян не был упомянут.

Через несколько дней в газетах «Нью-Йорк таймс» и «Вашингтон пост» появились оплаченные им полностраничные объявления с призывом исправить «постыдную несправедливость». Дамадьян утверждал, что именно он открыл физическую основу МРТ - различие в сигналах здоровых и больных тканей - и первым предложил сканировать тело человека. Нобелевский комитет решения не пересматривает и комментировать его отказался.

Многие ученые считали, что Нобелевский комитет поступил правильно: изображение в МРТ получают методом Лотербура и Мэнсфилда, а не методом фокусировки поля Дамадьяна, а различие времен релаксации оказалось менее надежным признаком рака, чем он предполагал. Другие, в том числе некоторые видные исследователи, полагали, что Дамадьян заслужил место среди лауреатов. В прессе высказывалось и предположение, что на решение могли повлиять креационистские взгляды Дамадьяна или его конфликтный характер и судебные тяжбы; документального подтверждения этому нет.

Дамадьян имел и другие поводы для гордости: в 1997 году, после того как Верховный суд США отказался пересматривать дело, вступило в силу решение, по которому корпорация General Electric выплатила компании Fonar около 129 миллионов долларов за нарушение его патента. Он получил Национальную медаль технологий США и был включен в Национальный зал славы изобретателей. Дамадьян умер в 2022 году, Лотербур - в 2007 году, Мэнсфилд - в 2017 году.

Итоги

• Ядерный магнитный резонанс был открыт физиками в 1938-1946 годах и долго использовался главным образом в химии.
• В 1971 году Реймонд Дамадьян показал, что сигнал ЯМР от опухолевых тканей отличается от сигнала здоровых, и предложил использовать это для диагностики.
• В 1971-1973 годах Пол Лотербур придумал способ получать изображения с помощью градиентов магнитного поля; Питер Мэнсфилд развил математику и быстрые методы съемки.
• 3 июля 1977 года на аппарате «Неукротимый» Дамадьян и его аспиранты получили первое изображение поперечного среза тела живого человека - грудной клетки Лоренса Минкоффа; сканирование заняло почти пять часов.
• В 1980-е годы МРТ вошла в клиническую практику и стала одним из главных методов медицинской диагностики, а с 1990 года - инструментом изучения работы мозга.
• Нобелевская премия 2003 года, присужденная Лотербуру и Мэнсфилду без Дамадьяна, вызвала острый спор о приоритете.