Magneettikuvauksen historia

Magneettikuvauksen (MRI) historiaan kuuluu useiden tutkijoiden työ, jotka ovat osallistuneet ydinmagneettisen resonanssin (NMR) löytämiseen ja kuvailleet magneettikuvauksen taustalla olevaa fysiikkaa 1900-luvun alusta alkaen. Magneettikuvauksen keksi Paul C. Lauterbur, joka kehitti syyskuussa 1971 mekanismin, jolla avaruudellinen informaatio voidaan koodata NMR-signaaliin magneettikenttägradienttien avulla; hän julkaisi sen taustalla olevan teorian maaliskuussa 1973. Lääkäri ja tutkija Erik Odeblad ja Gunnar Lindström olivat kuvan kontrastiin johtavia tekijöitä (kudosten relaksaatioaikojen eroja) kuvailleet lähes 20 vuotta aikaisemmin. Monien muiden tutkijoiden joukossa 1970-luvun lopulla ja 1980-luvulla Peter Mansfield kehitti edelleen magneettiresonanssikuvien ottamisessa ja käsittelyssä käytettäviä tekniikoita, ja vuonna 2003 hänelle ja Lauterburille myönnettiin Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinto heidän panoksestaan magneettiresonanssikuvauksen kehittämiseen. Ensimmäiset kliiniset magneettiresonanssikuvauslaitteet asennettiin 1980-luvun alussa, ja tekniikkaa on kehitetty merkittävästi vuosikymmenien kuluessa, minkä ansiosta se on nykyään laajalti käytössä lääketieteessä.

Ydinmagneettinen resonanssi

Vuonna 1950 Erwin Hahn havaitsi ensimmäisen kerran spinkaikuja ja vapaan induktion hajoamisen, ja vuonna 1952 Herman Carr tuotti yksiulotteisen NMR-spektrin Harvardin väitöskirjassaan.

Seuraavan askeleen (spektreistä kuvantamiseen) ehdotti Vladislav Ivanov Neuvostoliitossa, joka jätti vuonna 1960 patenttihakemuksen magneettiresonanssikuvauslaitteesta. Ivanovin tärkein aikaansaannos oli ajatus käyttää magneettikentän gradienttia yhdistettynä selektiiviseen taajuusherätykseen/lukemiseen avaruuskoordinaattien koodaamiseen. Nykykäsittein ilmaistuna kyseessä oli vain protonitiheyden (ei relaksaatioaikojen) kuvantaminen, joka oli myös hidasta, koska kerrallaan käytettiin vain yhtä gradienttisuuntausta ja kuvantaminen oli tehtävä viipalekohtaisesti. Kyseessä oli kuitenkin todellinen magneettikuvausmenetelmä. Ivanovin hakemus, joka alun perin hylättiin "epätodennäköisenä", hyväksyttiin lopulta vuonna 1984 (alkuperäisellä etuoikeuspäivämäärällä).

Relaksaatioajat ja magneettikuvauksen varhainen kehitys

Vuoteen 1959 mennessä Jay Singer oli tutkinut veren virtausta elävien ihmisten veren NMR-relaksaatioaikamittauksilla. Tällaiset mittaukset otettiin yleiseen lääketieteelliseen käytäntöön vasta 1980-luvun puolivälissä, vaikka Alexander Ganssen haki patenttia koko kehon NMR-laitteelle, jolla voitiin mitata verenkiertoa ihmiskehossa, vuoden 1967 alussa.

1960-luvulla tieteelliseen kirjallisuuteen ilmestyi tuloksia, jotka koskivat veden relaksaatiota, diffuusiota ja kemiallista vaihtoa erilaisissa soluissa ja kudoksissa. Vuonna 1967 Ligon raportoi veden NMR-relaksaation mittaamisesta elävien koehenkilöiden käsivarsissa. Vuonna 1968 Jackson ja Langham julkaisivat ensimmäiset NMR-signaalit elävältä eläimeltä, nukutetulta rotalta.

1970-luvulla huomattiin, että relaksaatioajat ovat keskeisiä kontrastin määrääviä tekijöitä magneettikuvauksessa, ja niiden avulla voidaan havaita ja erottaa erilaisia patologioita. Useat tutkimusryhmät olivat osoittaneet, että varhaisilla syöpäsoluilla oli taipumus osoittaa pidempiä relaksaatioaikoja kuin vastaavilla normaaleilla soluilla, mikä herätti aluksi kiinnostusta ajatukseen syövän havaitsemisesta NMR:n avulla. Näihin varhaisiin ryhmiin kuuluvat Damadian, Hazlewood ja Chang sekä useat muut. Tämä käynnisti myös ohjelman, jonka tarkoituksena oli luetteloida monenlaisten biologisten kudosten relaksaatioajat, mistä tuli yksi tärkeimmistä motiiveista magneettikuvauksen kehittämiselle.

Raymond Damadianin "Laite ja menetelmä syövän havaitsemiseksi kudoksissa".

Maaliskuussa 1971 Science-lehdessä julkaistussa artikkelissa Raymond Damadian, armenialais-amerikkalainen lääkäri ja New Yorkin osavaltionyliopiston Downstate Medical Centerin (SUNY) professori, raportoi, että kasvaimet ja normaali kudos voidaan erottaa toisistaan in vivo NMR:n avulla. Damadianin alkuperäiset menetelmät olivat käytännön käyttöön nähden puutteellisia, sillä ne perustuivat koko kehon pistekohtaiseen skannaukseen ja relaksaationopeuksiin, jotka eivät osoittautuneet tehokkaaksi syöpäkudoksen indikaattoriksi. Tutkiessaan magneettiresonanssin analyyttisiä ominaisuuksia Damadian loi vuonna 1972 hypoteettisen magneettiresonanssilla syöpää havaitsevan laitteen. Hän patentoi tällaisen koneen, U.S. Patent 3,789,832, 5. helmikuuta 1974. Lawrence Bennett ja tohtori Irwin Weisman havaitsivat myös vuonna 1972, että kasvaimilla on erilaiset relaksaatioajat kuin vastaavilla normaaleilla kudoksilla. Zenuemon Abe ja hänen kollegansa hakivat patenttia kohdennetulle NMR-skannerille, U.S. Patent 3,932,805 vuonna 1973. He julkaisivat tämän tekniikan vuonna 1974. Damadian väittää keksineensä magneettikuvauksen.

Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö toteaa: "Patentti sisälsi ajatuksen NMR:n käyttämisestä ihmiskehon 'skannaamiseen' syöpäkudoksen paikantamiseksi." Siinä ei kuitenkaan kuvattu menetelmää kuvien tuottamiseksi tällaisesta skannauksesta tai tarkkaan, miten tällainen skannaus voitaisiin tehdä.

Kuvantaminen

Paul Lauterbur Stony Brookin yliopistossa kehitti Carrin tekniikkaa ja kehitti tavan tuottaa ensimmäiset magneettikuvaukset 2D- ja 3D-muodossa gradienttien avulla. Vuonna 1973 Lauterbur julkaisi ensimmäisen ydinmagneettiresonanssikuvan ja tammikuussa 1974 ensimmäisen poikkileikkauskuvan elävästä hiirestä. 1970-luvun lopulla Peter Mansfield, fyysikko ja professori Nottinghamin yliopistossa Englannissa, kehitti EPI-tekniikan (echo-planar imaging), jonka ansiosta kuvaukset kestäisivät tuntien sijasta sekunteja ja tuottaisivat Lauterburia selkeämpiä kuvia. Damadian sai yhdessä Larry Minkoffin ja Michael Goldsmithin kanssa kuvan hiiren rintakehässä olevasta kasvaimesta vuonna 1976. He tekivät myös ensimmäisen magneettikuvauksen ihmisestä 3. heinäkuuta 1977, ja he julkaisivat tutkimuksensa vuonna 1977. Vuonna 1979 Richard S. Likes jätti k-avaruutta koskevan patentin U.S. Patent 4,307,343.

MRI Scanner Mark One. Ensimmäinen rakennettu ja käytetty magneettikuvauslaite Aberdeenin kuninkaallisessa sairaalassa Skotlannissa.

Kokovartaloskannaus

1970-luvulla John Mallardin johtama ryhmä rakensi ensimmäisen kokovartalokuvantamisen magneettikuvauslaitteen Aberdeenin yliopistossa Skotlannissa. He käyttivät tätä laitetta 28. elokuuta 1980 saadakseen ensimmäisen kliinisesti käyttökelpoisen kuvan potilaan sisäisistä kudoksista magneettikuvauksen avulla, jossa todettiin primaarikasvain potilaan rintakehässä, epänormaali maksa ja sekundaarinen syöpä hänen luissaan. Tätä laitetta käytettiin myöhemmin St Bartholomew's Hospitalissa Lontoossa vuosina 1983-1993. Mallardin ja hänen työryhmänsä ansioksi luetaan teknologinen kehitys, joka johti magneettikuvauksen laajaan käyttöönottoon.

Vuonna 1975 Kalifornian yliopiston San Franciscon radiologian laitos perusti radiologisen kuvantamisen laboratorion (RIL). Pfizerin, Diasonicsin ja myöhemmin Toshiba America MRI:n tuella laboratorio kehitti uutta kuvantamisteknologiaa ja asensi järjestelmiä Yhdysvalloissa ja maailmanlaajuisesti. Vuonna 1981 RIL:n tutkijat, joihin kuuluivat Leon Kaufman ja Lawrence Crooks, julkaisivat julkaisun Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine. Kirjaa pidettiin 1980-luvulla lopullisena johdantokirjana aiheeseen.

Vuonna 1980 Paul Bottomley liittyi GE:n tutkimuskeskukseen Schenectadyyn, New Yorkiin. Hänen tiiminsä tilasi tuolloin saatavilla olleen suurimman kenttävoimakkuuden omaavan magneetin, 1,5 T:n järjestelmän, ja rakensi ensimmäisen suurikenttäisen laitteen, jolla voitettiin kelan suunnitteluun, RF-läpäisevyyteen ja signaali-kohinasuhteeseen liittyvät ongelmat ja rakennettiin ensimmäinen kokovartalokuvantamislaite MRI/MRS. Tulokset johtivat erittäin menestyksekkääseen 1,5 T:n magneettikuvauslaitteiden tuotesarjaan, josta on toimitettu yli 20 000 järjestelmää. Vuonna 1982 Bottomley suoritti ensimmäisen paikallisen MRS-tutkimuksen ihmisen sydämessä ja aivoissa. Aloitettuaan sydämen sovelluksia koskevan yhteistyön Robert Weissin kanssa Johns Hopkinsissa Bottomley palasi yliopistoon vuonna 1994 Russell Morganin professoriksi ja MR-tutkimusosaston johtajaksi.

Lisätekniikat

Vuonna 1986 Charles L. Dumoulin ja Howard R. Hart General Electricillä kehittivät MR-angiografian, ja Denis Le Bihan sai ensimmäiset kuvat ja patentoi myöhemmin diffuusiomagneettikuvauksen. Vuonna 1988 Arno Villringer ja kollegat osoittivat, että perfuusiomagneettikuvauksessa voidaan käyttää suskeptibiliteettikontrastiaineita. Vuonna 1990 Seiji Ogawa AT&T Bell labsissa havaitsi, että dHb:tä sisältävä hapeton veri vetää puoleensa magneettikenttää, ja keksi tekniikan, joka on toiminnallisen magneettiresonanssikuvauksen (fMRI) perustana.

1990-luvun alussa NIH:ssä työskentelevät Peter Basser ja Le Bihan sekä Aaron Filler, Franklyn Howe ja kollegat julkaisivat ensimmäiset DTI- ja traktografiset aivokuvat. Joseph Hajnal, Young ja Graeme Bydder kuvasivat FLAIR-pulssisekvenssin käytön korkean signaalin alueiden osoittamiseksi normaalissa valkoisessa aineessa vuonna 1992. Samana vuonna John Detre ja Alan P. Koretsky kehittivät arteriaalisen spin labelling -menetelmän. Vuonna 1997 Jürgen R. Reichenbach, E. Mark Haacke ja työtoverit Washingtonin yliopistossa kehittivät suskeptibiliteettipainotteisen kuvantamisen.

Puolijohdeteknologian kehittyminen oli ratkaisevaa käytännön magneettikuvauksen kehittämisessä, sillä se vaatii paljon laskentatehoa.

Vaikka magneettikuvaus tehdään kliinisessä käytössä yleisimmin 1,5 T:n magneettikentällä, suuremmat kentät, kuten 3 T:n kenttä kliinisessä kuvantamisessa ja viime aikoina 7 T:n kenttä tutkimustarkoituksiin, ovat kasvattaneet suosiotaan suuremman herkkyytensä ja resoluutionsa vuoksi. Tutkimuslaboratorioissa ihmistutkimuksia on tehty 9,4 T:llä (2006) ja jopa 10,5 T:llä (2019). Eläintutkimuksia on tehty jopa 21,1 T:llä.

Kuvantaminen vuodeosastolla

Vuonna 2020 Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (USFDA) antoi 510(k)-hyväksynnän Hyperfine Researchin vuodeosastokuvantamisjärjestelmälle. Hyperfine-järjestelmän kustannukset ovat 1/20 tavanomaisiin MRI-järjestelmiin verrattuna, virrankulutus 1/35 ja paino 1/10. Se käyttää tavallista pistorasiaa virransyöttönä.

Nobel-palkinto 2003

Magneettikuvauksen perustavanlaatuisesta merkityksestä ja sovellettavuudesta lääketieteessä Paul Lauterbur Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignissa ja Sir Peter Mansfield Nottinghamin yliopistosta saivat vuoden 2003 fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinnon "magneettiresonanssikuvausta koskevista löydöksistään". Nobel-palkinnossa tunnustettiin Lauterburin oivallus käyttää magneettikentän gradientteja alueellisen paikannuksen määrittämiseen, mikä mahdollisti 3D- ja 2D-kuvien ottamisen. Mansfieldille annettiin tunnustusta matemaattisen formalismin käyttöönotosta ja tekniikoiden kehittämisestä gradienttien tehokasta hyödyntämistä ja nopeaa kuvantamista varten. Palkinnon voittanut tutkimus oli tehty lähes 30 vuotta aiemmin, kun Paul Lauterbur toimi professorina kemian laitoksella Stony Brookin yliopistossa New Yorkissa.

Katso myös

• Tietokonekerroskuvaus
• Positroniemissiotomografia (PET)
• Yksifotoniemissiotomografia (SPECT)
• Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR)