Мрт в своем развитии прошло
Давайте приоткроем завесу истории развития магнитно-резонансной томографии и заглянем в прошлое. МРТ прошла долгий путь совершенствования и открытий, пока не стала такой, какой мы ее сейчас знаем. Идея магнитно-резонансной томографии является одной из самых выдающихся медицинских инноваций ХХ века, сравнимая лишь с предложением применять рентгеновские лучи в медицинской практике.
Моментом основания МРТ принято считать 1973 год. Именно тогда профессор химии и радиологии Университета штата Нью-Йорк Пол Лотербур опубликовал в научном журнале «Nature» статью под заголовком «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса».
Однако свою историю томография начинает несколькими десятилетиями ранее. Перенесемся в 1946 год, когда двое ученых из США, Феликс Блох из Станфордского университета и Ричард Пурселл из Гарварда, независимо один от другого описали физическое явление, которое основано на магнитных свойствах атомных ядер некоторых элементов периодической системы. Ими было установлено, что находящиеся в магнитном поле ядра поглощают энергию в радиочастотном диапазоне и в последствии переизлучают ее при переходе к их первоначальному энергетическому состоянию. Это явление было названо ядерно-магнитным резонансом. Почему так? Первая часть слова «ядерный» акцентирует особенность взаимодействия магнитных моментов ядер и поля, «магнитный» имеет отношение к ориентации моментов под действием постоянного магнитного поля, слово «резонанс» указывает на строгую связанность и неразрывность указанных параметров.
В 1952 году, «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия» оба ученых стали обладателями Нобелевской премии в области физики. В последующие два десятилетия до 70-х годов прошлого века теория по ЯМР развивалась и эффект ядерно-магнитного резонанса использовался в физике и химии для молекулярного анализа. В 1972 году, незадолго до официального года основания магнитно-резонансной томографии, были проведены первые клинические испытания компьютерного томографа, принцип работы которого основан на воздействии на организм рентгеновским излучением. Событие показало, что медицинские учреждения готовы тратить колоссальные деньги на современное и информативное оборудование для визуализации структур организма и проведения качественно новой диагностики, а дата испытания КТ стала важной вехой в истории развития технологии МРТ.
Затем наступил 1973 год, когда, как мы уже упоминали, П. Лотербур опубликовал свою статью, в которой он представил пространственные изображения объектов, полученные по спектрам магнитного резонанса протонов воды из этих объектов. Данная работа легла в основу метода МРТ и стала фундаментом дальнейших исследований. К слову, в статье Лотербур указал на факт, что клетки злокачественных опухолей отличаются от клеток нормальной ткани характеристикой получаемого сигнала, и просил администрацию университета послать заявку на патент, однако руководство не верило в его идею, заявка подана не была, и Лотербур на свое открытие патент не получил.
Позже доктор Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения, за что вместе с П. Лотербуром был удостоен Нобелевской премии в 2003 году в области медицины и физиологии за решающий вклад в изобретение и развитие МРТ. В создание метода большой вклад внес также америко-армянский ученый Реймонд Дамадьян, который является одним из первых исследователей принципа томографии, создателем первого коммерческого сканера и держателем патента на метод магнитно-резонансной томографии. Первый МРТ-аппарат был создан и испытан Дамадьяном с двумя его помощниками — Майклом Голдсмитом и Ларри Минковым в 1977 году. В 1988 году президент Соединенных Штатов Рональд Рэйган вручил Р. Дамадьяну Национальную медаль США в области технологий. Более подробно про физико-математические основы и принципы МРТ можно прочитать здесь.
Однако вернемся снова в 70-е годы ХХ века, чтобы проследить дальнейшее развитие томографии. В 1975 году Ричард Эрнст предложил проведение МРТ с применением частотного и фазового кодирования – именно тот метод, который существует и в настоящее время. Пятью годами позже, в 1980 г Эдельштейн с сотрудниками продемонстрировали изображение организма человека при помощи МРТ. Для получения одного снимка им требовалось около пяти минут.
Метод томографии развивался буквально семимильными шагами — к 1986 г. длительность отображения было уменьшена до 5 секунд без потери качества изображений.
Несколькими годами позже, в 1988 году Думоулин усовершенствовал метод МРТ-ангиографии, которая показывала отображение кровотока без применения контрастирующих препаратов. Затем в 1989 г. был представлен метод так называемой планарной томографии, которая применялась для визуализации участков головного мозга, ответственных за двигательную и мыслительную функции.
В 1991 г. Нобелевской премии в области химии был удостоен ученый Ричард Эрнст за достижения в изучении импульсных МРТ и ЯМР и свои работы в области Фурье-ЯМР-спектроскопии.
В 1994 г исследователи Принстонского университета и Нью-Йоркского университета в Стоуни Брок показали отображение гиперполяризированного газа 129Xe для изучения процессов дыхания.
Что касается отечественной науки, в Советском Союзе устройство и способ для ЯМР-исследования предложил В.А. Иванов в 1960 году. Некоторое время существовал именно такой термин – ЯМР-томография, однако после событий на Чернобыльской АЭС в 1986 году в связи с развитием у людей радиофобии и для того, чтобы метод не ассоциировался также с ядерным оружием, термин был заменен на устоявшееся и привычное название — МРТ.
За рубежом первые томографы для изучения организма человека появились в клиниках в начале 80-х годов прошлого столетия, к началу 90-х годов в мире работало около 6000 аппаратов, хотя большая их часть приходилась на Японию и США. Благодаря своему стремительному развитию в настоящее время МРТ стала отдельной областью медицины, без которой сложно представить себе диагностику головного мозга, позвоночника, спинномозгового канала, гипофиза, коленного, тазобедренного, лучезапястного, локтевого, плечевого суставов, печени, селезенки, почек, надпочечников, поджелудочной железы, других органов брюшной полости, забрюшинного пространства, молочных желез, матки, яичников, предстательной железы, сосудов, других структур.
Данный неинвазивный и безопасный способ обследования разрешает обнаружить на самых ранних этапах развития тяжелые заболевания и патологии: новообразования, аномалии развития, нарушения сосудов, функций сердца, мозга, внутренних структур организма, изменения позвонков, межпозвоночные грыжи, артриты, бурситы суставов, остеохондроз, переломы, ушибы, другие травмы, воспалительные и инфекционные процессы. Помимо этого, томография позволяет визуализировать структуру органов и тканей, измерять скорость тока спинномозговой жидкости, крови, оценивать уровень диффузии в тканях, определять активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает этот участок коры (так называемая функциональная МРТ). К слову, функциональная МРТ стала играть важную роль в области визуализации процессов головного мозга с начала 90-х годов прошлого века по причине отсутствия воздействия радиацией, низкой инвазивности, относительно широкой доступности.
В современной клинической практике используются томографы различной разрешающей способности, которая определяется напряженностью создаваемого магнитного поля. Наиболее оптимальными являются высокопольные и сверхвысокопольные аппараты напряженностью от 1,5 Тл и выше. Такое оборудование позволяет выявлять минимальные по величине нарушения (опухолевые очаги, участки рассеянного склероза, артерио-венозные мальформации, аневризмы, пр.), проводить обследование в разных плоскостях, получать трехмерные изображения для оценки взаимного расположения структур организма.
Сейчас МРТ влияет на решения в большинстве направлений медицины: онкологии, травматологии, кардиологии, хирургии, нефрологии, ортопедии, маммологии, нейрохирургии, радиологии и прочих областях. Ценность МРТ объясняется не только информативностью, но и тем, что обследование не вызывает побочных эффектов, является абсолютно безболезненным, может выполняться с использованием контрастного препарата, который не вызывает привыкания и в большинстве случаев аллергических реакций.
Своевременность и точность диагностики делает магнитно-резонансную томографию незаменимой и эффективной для назначения лечения, скорейшего выздоровления.
НАЦИОНАЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
ОТКРЫТОСТЬ НАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ.
МЕЖДУНАРОДНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ТРУДА
1. Международное разделение труда: сущность, основные черты современного этапа.
В основе формирования и развития мирового хозяйства лежит международное разделение труда.
Международное разделение труда (МРТ) — можно определить как высшую ступень развития общественного территориального разделения труда между странами, которое опирается на устойчивую экономически выгодную специализацию производства отдельных стран на тех или иных видах продукции и ведет к взаимовыгодному обмену результатами производства между ними в определенных количественных и качественных соотношениях.
МРТ определяет:
1) обмен товарами и услугами между странами;
2) движение капитала между странами;
3) миграцию рабочей силы;
4) интеграцию.
Существует определенная совокупность факторовприродного и общественного характера, которая воздействует на международное разделение труда, на характер участия в нем тех или иных стран.
К основным факторам относят:
· природно-географические различия, (включающие в себя природно-климатические условия, запасы природных ресурсов, величину территории, численность населения, экономико-географические положение территории);
· технический прогресс;
· общественные условия: (политические и социально-экономические, включая достигнутый уровень экономического и научно-технического развития региона, особенности исторического развития производственных традиций и традиций внешних связей, идеология общества).
Значимость этих факторов на каждой этапе развития мирового хозяйства
неоднозначна.
Если на первом этапе становления и развития мирового хозяйства определяющими в МРТ выступали природно-географические различия и исторические традиции производства;
на втором – социальный тип экономики,
то на современном этапе главным фактором формирования МРТ становятся научно- технические достижения.
МРТ прошло сложный и трудный путь в своем развитии, прежде чем приобрело современные черты.
1 этап. В мануфактурный период (с ХVI до середины ХVIII вв.) МРТ ограничивалось преимущественно двусторонними отношениями между странами.
Промышленность была тесно связана с национальными рынками, товары на экспорт производились главным образом из национального сырья.
2 этап. Процесс формирования МРТ особенно интенсивно стал развиваться после завершения перехода к машинному производству (середина XIX в.).
К концу XIX началу XX в. процесс формирования МРТ в основном завершился. Наряду с чисто торговыми мирохозяйственными связями все большее развитие получили международные производственные связи, невиданные масштабы приняла международная миграция капитала.
3 этап. Качественные изменения в МРТ происходят под воздействием НТР. Господствующие направления в МРТ заняло внутриотраслевое разделение труда на основе предметной (производство отдельных видов конечной продукции и услуг) и в особенности подетальной (изготовление отдельных деталей) и технологической специализации (отдельные стадии технологического процесса) производства.
Это выразилось в переходе стран от модели МРТ «сырье — готовые изделия» к
новой модели «полуфабрикаты, готовые изделия — технология, готовые изделия».
История ядерного магнитного резонанса началась с открытия спиновой природы протона и изучения взаимодействия спина с магнитным полем. Явление магнитного резонанса впервые было применено в области химии для изучения структуры твердых тел и жидкостей и только спустя почти 40 лет стало применяться в медицине. Особо активное развитие МРТ происходило во второй половине ХХ века. Краткий и неполный список некоторых этапов развития МРТ выглядит следующим образом.
В 1888 г. Nikola Tesla открыл явление вращающегося магнитного поля. Это открытие стало фундаментальным в физике. В 1956 г. международная электротехническая комиссия в рейхтгаузе (Г ермания) объявила о введении единицы «тесла» для измерения магнитной индукции. Все МРТ-сканеры калибруются в единицах тесла или гаусс (1 Тл = 10000 Гс). Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее величина радиосигналов, получаемых от атомов тела, и, следовательно, выше качество ЯМР-изображений.
В 1922 г. Otto Stem и Walter Gerlach провели эксперимент по наблюдению квантовой природы элементарных частиц (электронов). Для изучения магнитных свойств электрона они пропустили пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле. Атомы серебра находились в состоянии равновесия, т.е. электрический заряд был равен нулю и атомы имели единственный неспаренный электрон на внешней орбите. Ожидалось получение равномерного распределения пучка атомов серебра вокруг центра, поскольку магнитный момент атома (благодаря неспаренному электрону) должен испытывать влияние неоднородного магнитного поля, и возможны любые ориентации магнитного момента. Однако в результате луч расщепился на две составляющие равной интенсивности. Позднее это явление объяснили Samuel Uhlenbeck и George Gaudsmit (1925, 1926 гг.), предположившие, что электрон имеет внутренний магнитный момент (спин) с двумя возможными ориентациями; таким образом, было введено понятие спинового квантового числа.
В 1937 г. профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Is-
idor Rabi исследовал явление ЯМР в молекулярных лучах. Радиочастотная (РЧ) энергия поглощается или испускается атомными ядрами образцов, помещенных в сильное магнитное поле. Для эффективного поглощения радиочастота должна иметь определенное значение, называемое частотой резонанса или частотой Лармора. Частота Лармора определяется силой магнитного поля и атомным ядром. В 1944 г. Rabi получил Нобелевскую премию по физике.
В 1945 г. две независимые группы американских физиков, во главе которых стояли Felix Bloch (Станфордский университет) и Edvard M. Purcell (Гарвардский университет) наблюдали явление ЯМР в твердых телах и впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса, продемонстрировав явление ЯМР в блочных материалах, за что оба в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.
В 1949 г. Norman F. Ramsey сформулировал теорию химического сдвига. Атомные ядра можно идентифицировать по малому изменению резонансной частоты, зависящему от электронного окружения молекулы, и таким образом молекулярная система может быть описана ее спектром поглощения. Это стало зарождением магнитно-резонансной спектроскопии. Чувствительность эксперимента была низка: каждая резонансная частота (для каждого вида ядер) возбуждалась отдельно. Чтобы достичь приемлемого соотношения сигнал/шум для усреднения требовалось много измерений, и эксперименты проходили чрезвычайно медленно [13]. В 1989 г. Ramsey получил Нобелевскую премию по физике.
В период с 1950-го по 1970-й гг. ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа в спектроскопии. При этом исследуемый образец помещали в однородное магнитное поле, а получаемая информация, в виде ЯМР-спектров и времен релаксации спинов, относилась ко всему объему образца, не выявляя его пространственной структуры.
В СССР предположение о возможности использования ЯМР для визуализации внутренней структуры объектов впервые было выдвинуто в 1960 г. В.А. Ивановым, изложившим принципы построения магниторезонансных (МР) изображений (в виде четырех заявок на изобретения). В одной из них [47] был предложен «способ определения внутреннего строения материальных объектов, преимущественно биологических, отличающийся тем, что с целью получения объемной картины внутреннего строения материальных объектов при исключении радиационного поражения и выявления распределения по объему различных видов атомов, материальные объекты помещают во внешнее неоднородное магнитное поле, сформированное так, что сигнал свободной прецессии ядер атомов из которых состоят анализируемые объекты, возбуждается последовательно в ограниченных частях объекта, прилегающих одна к другой, а на входе приемного устройства имеется
частотный фильтр, выделяющий полосу частот прецессии ядер, содержащихся в ограниченной части объекта, во внешнем магнитном поле». Однако предлагаемые положения не соответствовали научной парадигме того времени, так как считалось необходимым, чтобы объект, а также магнитное поле прецессии были однородными, и заявки В.А. Иванова были отклонены.
В 1971 г. физик Raymond Damadian (Бруклинский медицинский центр, США) показал возможность применения ЯМР для обнаружение опухолей. Его опыты на крысах показали, что сигнал водорода от злокачественных тканей сильнее, чем от здоровых [6]. Злокачественные ткани имеют резко увеличенное время релаксации, а время релаксации нормальных тканей меняется. Основываясь на этих результатах, Damadian положил начало применению магнитного резонанса в медицине, включая диагностическое отображение всего тела. Используя метод магнитной фокусировки, Damadian получил изображение живой крысы. При этом дополнительно был применен известный метод синхронного детектирования, широко применяемый в технике поиска экстремума. Damadian и его команда потратили 7 лет на разработку и создание первого МРТ-сканера для медицинского отображения человеческого тела.
В 1972 г. химик Paul C. Lauterbur (Государственный университет Нью-Йорка, США) сформулировал принципы ЯМР-отображения, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двухмерного МР-изображения [16]. Сдвиг резонансной частоты, возникающий из-за наложения градиентов магнитных полей в трех плоскостях (Gx, Gy и Gz), может использоваться для создания картины двухмерного пространственного распределения протонов. В своем, ставшем классическим, эксперименте, Lauterbur применил переменные градиенты магнитного поля для того, чтобы зафиксировать и разделить сигналы от двух малых образцов воды, находящихся в пробирках диаметром 1 мм [23]. Таким образом, было получено первое двухмерное ЯМР-изображение (рис. 24), при этом было затрачено 4 часа 45 мин. Lauterbur предсказал потенциальное использование этого метода для отображения мягких тканей и злокачественных опухолей.
Рис. 24. Первое ЯМР-изображение
В 1975 г. Richard Ernst (Цюрих, Швейцария) предложил использовать в МР-томографии фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразование, -метод, который используется в МРТ в настоящее время. В 1991 г. за достижения в области импульсной МР-томографии Ernst был удостоен Нобелевской премии по химии.
В 1976 г. Peter Mansfield (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI), самую общую быструю ЯМР-методику. Однако только в 1987 г. благодаря усовершенствованию оборудования стало возможным получение EPI-изображений в клинической практике примерно за 30 мс, что позволило создавать видеоизображения сердечного цикла в реальном времени. Сейчас существуют более быстрые методы отображения, но они имеют ограниченное применение из-за низкого соотношения сигнал/шум. В 2003 г. Мэнсфилд получил Нобелевскую премию по медицине за достижения в области ЯМР томографии.
3 июля 1977 г., спустя почти 5 часов после начала первого ЯМР-теста, было получено первое изображение среза человеческого тела на первом прототипе МР-сканера.
Первоначально отношение к МРТ было далеко не всегда однозначным. В 1970-х гг. несколько сотен демонстрантов собрались перед центральной больницей одного из американских городов, возражая против установки ЯМР-томографа. Отсутствие понимания сути явления ядерного магнитного резонанса и предположение о его связи с использованием радиоактивных элементов вызвали протест общественности. Главным требованием было установить томограф на безопасном расстоянии от центра города и любой пригодной для жилья области. Кроме того, отсутствие мер безопасности также вызывало беспокойство демонстрантов.
В СССР первый МР-томограф был установлен в 1984 г. в отделе томографии Кардиологического научного центра АМН. Там же в 1994 г. был установлен и первый сверхпроводящий высокопольный томограф.
В период c 1980-х гг. по настоящее время продолжалось развитие ЯМР-методов и оборудования. В 1993 г. был создан функциональный МРТ (fMRI), позволяющий создавать карту функций различных областей мозга. Развитие fMRI открыло новое применение EPI метода в картографии областей мозга, ответственных за мышление и контроль движения. В 1994 г. в Государственном университете Нью-Йорка было осуществлено отображение гиперполяризованного Xe газа для исследования дыхания. Сегодня МРТ используется не только в медицине для создания анатомических изображений с пространственным разрешением менее 1 мм, изучения потоков крови, перфузии, диффузии, функций органов, но и в химии, физике, биологии, технике и связанных с ними областях.