SEMINARSKI RAD IZ UVODA U MEDICINKU FIZIKU

Istorijski razvoj MRI

Sofija Doroti medicinska fizika 412/08

Novi Sad, 2009. Raspored:1.Uvod----------------------------------------------------------------------------------------3 ta je MRI? 2.Istorijski razvoj MRI---------------------------------------------------------------------4 3.Kako radi MRI?--------------------------------------------------------------------------7 4.Prednosti i posledice MRI---------------------------------------------------------------9 5.MRI buducnosti-prisutan ve danas--------------------------------------------------11 6.Literatura--------------------------------------------------------------------------------- 12

2

1.Uvod ta je MRI?MRI,NMR,MR-jeste isti naziv za jedan isti aparat,nuklearnu magnetnu rezonancu.Ali NMR nije samo aparat.To je i fizika pojava.Poto aparat radi na principu nuklearne magnetne rezonance,tako je dobio taj naziv.O samom fizikom procesu e kasnije biti re. NMR u medicini slui za slojevito prikazivanje ljudskog organizma(dobijanjem preseka u razliitim projekcionim ravnima bezpromene poloaja pacijenta) i time omoguuje dijagnostikovanje (ne)patolokih stanja.

3

2.Istorijski razvoj NMR-aFelix Bloch i Edward Purcell,su 1946 sluajno otkrili fenomen nuklearne magnetne rezonance.Njihovo glavno zapaanje je bilo da izvesni atomi periodnog sistema apsorbuju energiju radio talasa u jakom magnetnom polju, a nakon zraenja, pri povratku u osnovno stanje, oslobaaju apsorbovanu energiju u vidu zraenja iste frekvencije kao to je frekvencija apsorbovane energije.Kako atomsko jezgro reaguje sa radio talasima pod dejstvom magnetnog polja, fenomen je nazvan nuklearna magnetna rezonanca. Za ovo otkrie su dobili Nobelova nagrada iz fizike za 1952. godinu.

Felix Bloch

Edward Purcell

U periodu od 1950-1970 NMR se sve vie koristi za fiziku 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 nauno-medicinskomu asopisu 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 istraivanja pokazala da su ove razlike nedovoljne za dijagnostike 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 nain 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 uvoenja gradijenta magnetnog polja. Gradijent magnetnog polja omoguuje da odredite sa koje pozicije u organizmu dolazi do emisije radio talasa; odnosno omoguava da tano odredimo polaaj u telu koji snimamo. Tako je i mogue dobiti razliite 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 razliite 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 vanosti su bili matematki prorauni sir Peter Mansfield.On je izraunao kako najlake 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 dananjih MRI uredjaja.

1977 je izveden prvi MRI pregled na oveku.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 ega je i dobio ime "Ne savladiv" kako bi se odrao duh teznje za ostvarnjem neega to su svi smatrali nemoguim.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 moe da prikae 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 ime je omoguene 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. Zato se magnetna rezonanca u medicini oslanja na ispitivanje atoma vodonika? Postoji vie razloga. Fenomen magnetne rezonance javlja se samo u sluajevima nekih atom sa neparnim atomskim brojem. Vodonik ispunjava ovaj uslov. Najvaniji atomi ljudskog tela su: vodonik (1H), fosfor (31P) i natrijum (23Na). Meutim, molekul koji je najvie zastupljen u ljudskom organizmu je voda. Kako je svaki molekul vode izgraen iz jednog atoma kiseonika i dva atoma vodonika, u organizmu je najvei broj upravo vodonikovih atoma. Osim brojnosti, specifinost vodonikovih atoma je i ta to vodonik, u odnosu na druge atome, pokazuje i veu osetljivost na razliite faktore. Vodonikovi atomi ponaaju 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. Jaina njihovog polja moe dostizati jainu i do 30000 puta veu od jaine polja Zemlje. Da bi se promenio pravac atoma, iz jednog u drugi, potrebna je odredjena koliina energije, koja se dovodi putem radio talasa. Kako svaki sistem tei minimumu energije, dovedena energija e biti reemitovana, takoe u obliku radio talasa koji se detektuje. Reemitovani radio talasi sadre neophodnu informaciju za snimanje magnetnom rezonancom.Oni se skupljaju i raunar ih tumai dajui sliku.Tumacenje dobijenog snimka se vri na osnovu razliite prisutnosti vodonikovih atoma,to 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 realtime 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 ve danas

10

Jedan od najjaih skenera poee sa radom u avgustu u Nemakom centru za istraivanje raka u Heidelbergu. Srce ovog ureaja je superprovodni magnet teine 32 tone. Lekari u Heidelbergu nadaju se da e im vea jaina polja pomoi da steknu nove uvide u poreklo raka. Do sada su se na slikama unutranjosti tela videle samo strukture koje su vee od jednog milimetra, dok novi sistem omoguava da se vide mnogo sitniji detalji. Uz pomo modernog skenera dobijaju se ne samo morfoloki podaci, ve su vidljivi i biohemijski procesi. To znai da se, na primer kod pacijenta koji ima tumor mozga, moe videti ne samo veliina tumora, ve se moe dobiti i informacija o tome koji su vani delovi mozga takoe u opasnosti. Super MRT skener takoe jasno pokazuje kako se tumor hrani. esto se to deava preko veoma malih krvnih sudova, koji do sada nisu bili vidljivi, a uz pomo novog skenera moe se ak pratiti kako odreeni medikamenti deluju na njih. Meutim, istraivai imaju vee ciljeve od bolje rezolucije i jaeg kontrasta. Ostale prednosti koje prua vea jaina polja jesu mnogo krae vreme skeniranja i mogunost identifikacije hemijskog sastava tkiva, kao i direktno posmatranje metabolikih procesa, a time i rasta tumora. Ovo moe da bude presudno za leenje pacijenata koji boluju od raka i moe dodatno da proiri spektar raspoloivih medicinskih mogunosti.

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 asopis Planeta,broj 31.,godina V,novembar-decembar 2008,

12