Szemészet, 2003 (140. évfolyam, 1-4. szám)

2003-12-01 / 4. szám

Szemészet

No

140. évfolyam (2003) 209

Felkért szerkesztőségi közlemény

Fizikus szemmel a 2003. évi élettani-orvostudományi Nobel-díjról

A Nobel-díj Testület 2003-ban az élettani-orvostudományi Nobel-díjat megosztva Paul C. Lauterburnek és Sir Peter Mansfieldnek ítélte a „mágneses rezonancián alapuló képalkotás”-t (elterjedt nevén MRI-t) érintő felfedezéseikért. Az indoklás összefoglalója az emberi belső szervek egzakt és roncsolásmentes képi megjelenítését áttörésnek minősíti az orvosi diagnosztika és kutatás terén.

A nukleáris mágneses rezonancia (NMR) - ennek egyik ága az MRI - a magfizika és kvantumfizika, valamint módszertanilag a második világháború katonai radartechnikájának a szülötte. 1945-ben történt felfedezése óta a kutatás és gyakorlati alkalmazások számos területén bizonyította rendkívüli adottságait, amit eddig három Nobel-díj, egy a fizika (F. Bloch és E.M. Purcell, 1952), kettő pedig a kémia (R. Ernst. 1991 és K. Wüttrich. 2002) területén is bizonyít. Állandó fejlődése is a tudomány inter- és multidiszciplináris jellegét viseli magán; a matematikától a számítástechnikáig, a természettudománytól a műszaki tudományig ívelő komponensei vannak.

Eszköz és módszertani oldalról megközelítve: Az állandó mágneses térbe (ma már többnyire szupravezető mágnesek terébe) helyezett emberi testre frekvenciájában, intenzitásában és fázisában meghatározott tulajdonságú rádióhullámot (ami nem roncsol!) bocsátunk, és az arra érkező, a mágneses tér időfüggő gradiense által megjelölt térfogatelemhez rögzített választ kell detektálnunk, összegyűjtenünk és feldolgoznunk. A rádióhullám és a mágneses térjellemzőinek a megválasztása - a fizikai alapokból kiindulva - olyan, hogy a kapcsolat csak meghatározott atommagokkal, az MRI legáltalánosabban használt változatában például a hidrogénatomok magjaival, a protonokkal jöjjön létre. Tovább szűkíthető a kör úgy, hogy a válasz a test kb. 70%-át kitevő vízmolekulák protonjaitól származzon. Napjainkban már számos más stabil izotóp NMR-képe is használatos a Nobel-díjjal most elismert területen.

Egy kiterjedt objektum, pl. az emberi test egyes részleteire vonatkozó NMR-jellemzők meghatározását az első, az úgynevezett FONAR- (Field focusing NMR) technika úgy oldotta meg, hogy minden vizsgálandó térfogatelemen külön mérést végzett. Nem kell felsőfokú matematikai képzettség, hogy megbecsüljük az 1000 köbcentiméter nagyságrendbe eső térfogatú emberi agy néhány köbmilliméteres térfogatelemenkénti feltérképezése, a rossz jel/zaj viszonyt figyelembe véve tíz percet számítva egy-egy mérésre, a páciens élettartamával összemérhető, s tűréshatárát messzemenően meghaladó időtartamot igényelt volna. Ezen technika így csupán elvi lehetőséget jelentett és nem gyakorlati diagnosztikai eszközt a klinikus számára. A fejlesztési cél tehát: egyszerre mérni minél több, lehetőség szerint minden térfogatelemen, természetesen azonosítva az információ forrását.

Sokan dolgoztak az említett és a most kitüntetett Nobeldíjasokon kívül is, amíg a technika idáig ért, közülük néhány megemlítendő (Fizikai Szemle 1989. évi XXXIX. kötet 1.

és 61. oldalain kezdődő cikkeinkben pontos irodalmi hivatkozásokat talál a kedves Olvasó). H.C. Torrey bevezette a rádióhullám pulzusokban történő adagolását és E.L. Hahn doktori munkájában felfedezte a spin-echo jelenséget, szinte korlátlan lehetőséget nyitva ezzel a sztatikus és dinamikus NMR-jellemzők (spektrum, relaxációs idők. diffúziós tulajdonságok stb.) mérésére, továbbá, kapcsolatot teremtve a spektrum frekvencia-változója és az idő dimenzió között a Fourier-transzformáción keresztül. A frekvencia-változót és a gradienssel díszített mágneses teret a rezonancia-feltétel kapcsolja össze, realizálva a reális tér és az időtartomány kapcsolatát, ami az információ-hozzárendelés és az egyszerre történő mérés kapcsolatát jelenti. Felgyorsította a fejlődés menetét egy orvosi megfigyelés: R. Damadian rákos szöveteken hosszabb relaxációs időket mért in vitro, mint az egészségeseken.

Útjelzőként ekkor már ismert volt a röntgen-CT (G.N. Hounsfield, 1973), azaz a „Computer-Tomográf’, és korábban annak elvi alapja is, a rádiócsillagászatban is használt radontranszformáció: azaz az egydimenziós vetületekből felépíthető magasabb dimenziós eloszlások elmélete. A röntgen-CT forrásdetektor-párja ugyanis egydimenziós elektronsűrűség-vetületeket ad, ezekből építi fel a számítógép a kétdimenziós képet.

R Lauterbur nem a forrásdetektor-párral - mert jó közelítésben a rádióhullám-forrás és -detektor teljesen körülveszi a vizsgálandó testet -, hanem első lépésként mágneses térgradienssel jelölte meg a reális tér egyes térfogatelemeit. Először két vízmintát tudott azonosítva megkülönböztetni (1972) NMR-berendezésében. A fogadtatás: a „Nature” c. folyóirat először nem fogadta el a cikket, csak másodszorra, a szerző erőteljes reklamálása után. 1973-ban, azaz 30 éve jelent meg az első közlemény, és 1974-ben az ISMAR (International Society of Magnetic Resonance) ötödik, bombayi szimpóziumán, felismerve a jövő ígéretét, a plenáris ülés elnöke és a résztvevők egyetértésével az előadó az ebédszünet rovására alaposan túlléphette a tervezett időt. Lauterbur beszélt a kapcsolt tér-gradiensektől kezdve a két- és háromdimenziós képek előállításáig és az élettani orvosi alkalmazásokig bezárólag sokmindenről. Módszerét zeugmatográfiának nevezte, ami a görög zeugma=összekapcsol szótőre utalva, a tér adott elemét kapcsolja össze a rávonatkozó információval.

P. Mansfield a kitűnő kísérleti fizikus minden adottságával rendelkezik, az elméleti alapokat illetően is alkotóképes, műszerépítésben járatos, és saját megfigyeléseire vonatkozóan messzemenően önkritikus. 1969-ben, akkor a szilárdtest-kutatások területén közel fél évig együtt dolgozva vele megismerhettem. Nottinghami munkahelye később az NMR-tomográfia kiemelkedő alkotó műhelye lett, számos újító, útkereső megoldásával. P. Mansfield első vonatkozó közleménye szintén 1973-as keletű. A FONAR-technika nyújtotta lehetőségeket nem tartotta a fizikai kutatások XX.