Ядерная физика на медицинской службе
Пол Лотербур
Питер Мэнсфилд
Всем известно, что человеческое тело примерно на две трети состоит из воды. Но лишь немногие знают, что именно на этом основано действие магнитно-резонансной томографии (МРТ). Дело в том, что содержание воды в конкретной ткани или органе варьирует, а в процессе многих заболеваний количество жидкости в том или ином месте меняется весьма значительно — именно такие изменения и фиксирует магнитно-резонансное изображение.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так вот, ядра атомов водорода при определенных обстоятельствах могут превращаться в микроскопический компас. Когда материя, содержащая воду, подвергается воздействию сильного магнитного поля, ядра атомов водорода упорядочиваются, как по команде «Смирно!». Под воздействием импульсов радиоволн энергия ядер меняется, переходит на другой уровень, а после такого воздействия ядра испускают резонансные волны, возвращаясь на прежний энергетический уровень. Небольшие различия в этих волнах, испускаемых ядрами атомов водорода, легко фиксируются. После серьезной компьютерной обработки можно построить трехмерное изображение исследуемого образца. Оно будет отражать структуру ткани, в том числе содержание воды в разных ее участках. Таким образом можно получить подробную картину состояния определенных органов. А поскольку итоговый сигнал получается цифровым, легко зафиксировать результаты обследования.
О возможности исследований с помощью ядерного магнитного резонанса было известно с середины XX века, но эффективно использовать это явление в медицинских целях удалось только в 1970-х годах. Американец Пол Лотербур обнаружил, что усиление или, наоборот, ослабление магнитного поля в заранее известных направлениях позволяет создать двумерное изображение структур, визуализировать которые другими методами невозможно. Англичанин Питер Мэнсфилд использовал разницу магнитных полей в противоположных направлениях для того, чтобы более точно определить различия в резонансных волнах, испускаемых ядрами. Он показал, как обнаруженные сигналы можно быстро и эффективно проанализировать и преобразовать в изображение. Это было важным шагом на пути к применяемому методу. Именно поэтому в 2003 году оба ученых были удостоены Нобелевской премии «за открытия, касающиеся метода магнитно-резонансной томографии».
Сразу после разработки и доработки магнитно-резонансная томография стала применяться на практике в больницах и госпиталях. Уже в начале 1980-х годов врачи стали осваивать первые серийные установки, а к началу XXI века в распоряжении медицинских работников были десятки тысяч аппаратов, совершавших миллионы обследований в год.
Большим преимуществом МРТ стало то, что она, по имеющимся на сегодня данным, совершенно безвредна. В отличие от компьютерной томографии или классического рентгеновского аппарата, МРТ не использует ионизирующее излучение, которое в определенных дозах представляет серьезную опасность для человека. Некоторые ограничения все же есть. Например, из-за того, что в аппаратах используется сильное магнитное поле, метод не применим для исследования людей с вживленным кардиостимулятором, с несъемными протезами, содержащими некоторые виды металлов, и даже с татуировками (в некоторых из них используется краска с содержанием металлов, и в сильном магнитном поле нательный рисунок может создать ожог или «поплыть»). Также использование техники требует определенной осторожности — в кабинете с аппаратом не должно быть металлических предметов, или они должны быть очень хорошо зафиксированы: ведь основа аппарата — очень мощный магнит.
Сегодня МРТ используют для изучения почти всех органов. Метод особенно ценен для детального изображения мозга — головного или спинного, а почти все нарушения этого органа приводят к изменению содержания воды в определенных участках. Иногда даже однопроцентного отклонения от нормы достаточно, чтобы обнаружить патологические изменения — а с этой задачей МРТ справляется легко.
Исследование при помощи магнитно-резонансного томографа отлично подходит для диагностики рассеянного склероза и для наблюдения за ходом этого заболевания. Рассеянный склероз характеризует местное воспаление в спинном и головном мозге, на МРТ-снимках можно увидеть, где локализуется воспаление и насколько оно интенсивно.
Предоперационная диагностика — еще одна область применения МРТ. С ее помощью можно получить трехмерные изображения и таким образом точно определить место поражения и, соответственно, масштаб будущего хирургического вмешательства. Такая информация очень помогает врачам. В некоторых микрохирургических операциях на головном мозге хирург может работать практически вслепую, руководствуясь только данными МРТ. Детализации изображений достаточно для того, чтобы точно размещать электроды в центральных областях мозга для лечения сильной боли или двигательных расстройств при болезни Паркинсона.
МРТ-обследование очень важно в диагностике, лечении и последующем наблюдении онкологических заболеваний. Изображения могут точно выявить границы опухоли, а это способствует более точному хирургическому или лучевому лечению. Перед хирургическим вмешательством важно знать, метастазировал ли первичный очаг опухоли в соседние ткани. МРТ может отличать нормальные ткани от опухолевых гораздо точнее, чем другие методы, и тем самым увеличивает шансы операции на успех. Применяется эта возможность и для уточнения стадии заболевания.
Раньше для обследования пациентов часто применяли инвазивные методы. Их спектр широк: от инъекции до операции. В некоторых случаях такое обследование может привести к серьезным осложнениям. МРТ часто заменяет инвазивные методы и тем самым уменьшает дискомфорт или даже страдания пациентов. Яркий пример — исследование поджелудочной железы и желчных протоков с инъекцией контрастных веществ при помощи эндоскопа. Сегодня соответствующая информация может быть получена с помощью МРТ. Или давайте вспомним артроскопию, при которой оптический прибор вставляют прямо в сустав. Во время этой процедуры существует риск получить заражение крови. Но, к счастью, сегодня артроскопию можно заменить МРТ.
Изобретение магнитно-резонансной томографии — один из самых показательных случаев и не слишком частых случаев, когда научное открытие было использовано исключительно для нужд больных людей. Работа десятков выдающихся физиков, химиков, программистов, биологов и, конечно, врачей позволила получить простой, безопасный и очень эффективный метод диагностики, который помог миллионам пациентов.
Кстати
Эту премию могли бы и не вручать, если бы не столетняя череда открытий, также отмеченных нобелевскими наградами. Первую премию, предшествовавшую разработкам Лотербура и Менсфилда, получили физики Хендрик Лоренц и Питер Зееман еще в 1902 году «за исследования влияния магнетизма на излучение». После этого были другие премии в областях физики и химии: например, в 1991 году Нобелевский комитет отметил швейцарца Рихарда Эрнста «за его вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения».
