Я наполовину засунут в гигантский бублик, и в голове звучит странная музыка, смутно напоминающая продвинутый сет модного диджея. Глаза закрыты, а в руке у меня зажата резиновая груша, похожая на миниатюрную клизму. Это так называемая «паническая кнопка». Пневматическая она потому, что «бублик» – сверхпроводящий магнит мощностью поля в 3 Тл, в несколько сот тысяч раз превышающей магнитное поле Земли. В таком поле любой металлический магнитный предмет превращается в смертоносный снаряд. А «панической» кнопка называется потому, что внутри магнита многих охватывает приступ клаустрофобии – боязни закрытого пространства. Таких, как правило, засовывают в «бублик» под наркозом. Но лучше, закрыв глаза, слушать неземную музыку, порожденную сильнейшими магнитными и электрическими полями, и думать о том, что лежишь в самом современном и сложном медицинском приборе, который когда-либо создавало человечество, – магнитно-резонансном томографе.
Медицинские Нобели
Для того чтобы создать этот прибор, потребовались фундаментальные прорывы в физике, математике и компьютерной технике, недаром за этой технологией тянется целый шлейф нобелевских премий. В принципе, премию мог получить Евгений Завойский, наблюдавший явление электронного парамагнитного резонанса в Казанском университете в 1944 году. Суть этого явления заключалась в том, что электроны в атомах некоторых элементов периодической системы, помещенных в магнитное поле, способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне с последующим ее излучением. Однако у советского физика тогда не было никакой возможности опубликовать свои результаты, и премия «ушла» за океан. Открытие ЭПР повлекло за собой обнаружение целого ряда аналогичных эффектов. В 1947 году Феликс Блох из Стэнфордского и Ричард Пурселл из Гарвардского университета впервые наблюдали ядерный парамагнитный резонанс, за что и получили в 1952 году Нобелевскую премию по физике.
В начале 1960-х годов Алан Кормак из Университета Тафтса и Годфри Хаунсфилд из английской компании EMI независимо друг от друга разработали математический метод восстановления изображения поперечного среза по многочисленным измерениям поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами. Иными словами, тело просвечивалось рентгеновским аппаратом с различных точек, и после сложной математической обработки можно было получить изображение среза. Метод был назван томографией, от греческого слова tomos – «рассечение». Первоначально время, необходимое для сканирования объекта, составляло девять дней, что было связано с низкоинтенсивным источником гамма-лучей. Мощная рентгеновская трубка снижала время исследования до девяти часов. Отсутствие быстродействующих компьютеров делало последующее восстановление изображения чрезвычайно утомительным занятием.
Тем не менее в 1972 году компания EMI выпустила первые томографы EMI Mark I, и технология, несмотря на астрономическую стоимость, начала победное шествие по медицинским клиникам мира, что привело к получению в 1979 году Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Всего через год после появления EMI Mark I в журнале Nature была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Поля Лаутербура «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Хотя открытие и не было запатентовано, этот день считается днем рождения магнитно-резонансной томографии. Через некоторое время Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические методы получения изображения с помощью магнитного резонанса. «Открытие Латербура и Мэнсфилда стало прорывом в медицине, диагностике и лечении», – заявил официальный представитель Нобелевского комитета Ханс Йорнвалл 6 октября 2003 года, вручая Нобелевскую премию по физиологии и медицине двум выдающимся ученым. Вряд ли еще какой прибор в мире собирал большее количество нобелевских премий.
Глава для самых умных (остальные могут пропустить)
На самом деле явление, лежащее в основе МР-томографии, называется ядерно-магнитным резонансом. Слово «ядерный» исчезло после чернобыльской катастрофы, когда у населения развилась радиобоязнь – страх перед любыми явлениями, связанными с ядерной физикой. Специалисты вспоминают, как в 1986 году, когда в Москве устанавливали первый МР-томограф, вокруг медицинского центра бегали люди с радиационными датчиками и устраивали пикеты. Однако магнитный резонанс не имеет никакого отношения к радиации. Зато напрямую связан с ядрами водорода.
Человек в основном состоит из воды, основу которой, в свою очередь, составляют атомы водорода – от 60 до 70%. А ядро водорода, как известно из школьного курса химии, есть не что иное, как протон. Каждый протон имеет некий параметр, называемый спином (квантовый аналог собственного механического момента количества движения). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, которые можно условно обозначить как «вверх» и «вниз». К спину жестко привязан и магнитный момент протона, который также может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Для простоты можно представить протон как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве.
Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, маг-нитный момент его будет направлен либо в ту же сторону, что и поле («вдоль поля»), либо в противоположную («навстречу полю»), причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими состояниями. Сделать это можно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.
Конечно, обнаружить переход единичного протона из одного состояния в другое проблематично. А вот если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным «вдоль» и «навстречу» полю, окажутся примерно равными. Если воздействовать на этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, – переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР.
Как устроен МР-томограф. Вторая глава для самых умных
Мощный сверхпроводящий магнит создает сильное однородное магнитное поле, необходимое для ориентации магнитных моментов протонов. Радиочастотная система томографа служит для облучения исследуемого объекта электромагнитной энергией нужной частоты и последующей регистрации излучения, возникающего при релаксации (обратном «перевороте» магнитных моментов).
Именно так устроен МР-спектрометр, однако получить изображения внутренних органов с помощью такого прибора невозможно. Просто уловить сигнал для медицинской диагностики мало – необходимо знать, откуда именно он пришел. Поэтому еще одной очень важной частью томографа являются градиентные катушки. Они добавляют к общему однородному магнитному полю свою небольшую часть – градиентное, изменяющееся в пространстве магнитное поле. Именно градиентное поле и обеспечивает локализацию ядерного магнитного резонанса в пространстве. Дело в том, что резонансная частота напрямую зависит от величины магнитного поля. Именно градиентное поле и позволяет немного изменить резонансную частоту магнитных моментов протонов в пространстве и точно локализовать их месторасположение.
При различных исследованиях используются различные способы отличать одну ткань от другой. Скажем, когда гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови) теряет кислород, он превращается в парамагнитный дезоксигемоглобин. Магнитные свойства этих молекул позволяют отличать артериальную (гемоглобин) кровь от венозной (дезоксигемоглобин) или, например, устанавливать давность кровоизлияния при инсультах.
Что смотреть
Заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его, можно четырьмя основными способами: ультразвуковое исследование (УЗИ), рентген, рентгеновская компьютерная томография (РКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Причем УЗИ и МРТ безвредны – в МР-томографе можно даже спать, ничего не случится.
Однако каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Так, УЗИ идеально подходит для исследования частей тела с большим количеством полостей: шеи, брюшной полости и органов таза, – так как ультразвук хорошо отражается на границах разных сред. Рентген незаменим для исследования костей и желудочно-кишечного тракта: кости и контрастные вещества, вводимые в желудок и кишечник, эффективно поглощают излучение. Ну а МР-томография позволяет увидеть под любым углом и в любом разрезе все мягкие ткани, или, как говорят медики, «живые структуры»: ведь эта технология показывает распределение воды (точнее, протонов) в организме. А любая патология, любая болезнь это распределение меняет.
Магнит
Магниты современных серийных томографов могут быть обычными постоянными, резистивными или сверхпроводящими. В медицинских целях требуются поля (0,01–3 Тл). Самая дорогостоящая часть сверхпроводящего томографа – огромная магнитная катушка, способная генерировать мощное магнитное поле в 1–3 Тл. Чем мощнее поле, тем выше соотношение сигнал/шум при сканировании и тем бЧльшие возможности для диагностики предоставляет аппарат.
Для охлаждения нескольких километров проводов сверхпроводящей катушки используют жидкий гелий, позволяющий довести их до температуры, близкой к абсолютному нулю (4,20К, или –268,950C). При такой температуре металл проводов переходит в сверхпроводящее состояние, потери электроэнергии в катушке за год составляют десятитысячные доли процента! Изготовление сверхпроводящих магнитов такой мощности – сверхсложная задача, по плечу всего паре компаний в мире.
Добавляет цену и гелий, необходимый компонент для охлаждения. Во всем мире насчитывается всего несколько месторождений этого ценного сверхлегкого газа, и по некоторым оценкам, они иссякнут даже раньше, чем нефтяные скважины, – лет через пятьдесят. Уже сейчас в Западной Европе случаются остановки томографов из-за проблем с поставками гелия. Поэтому последние модели томографов имеют трехступенчатую систему охлаждения, позволяющую свести расходы этого газа практически к нулю. России, кстати, проблемы с гелием пока не грозят – одно из месторождений находится как раз у нас.
Вообще-то сверхпроводящая катушка с закачанным в нее током – вещь чрезвычайно опасная. При утечке гелия сверхпроводимость мгновенно падает, гигантский ток, циркулирующий в катушке, буквально за мгновения испаряет жидкий гелий внутри. Этот газ расширяется быстрее, чем газы при взрыве динамита. В общем, этакая мощная хайтек-бомба.
Правда, стать свидетелем подобного взрыва вам вряд ли удастся – все томографы оснащены многоуровневой системой защиты: при утечке гелия и росте температуры ток мгновенно заземляется, а гелий экстренно сбрасывается наружу. Кстати, тоже довольно живописное зрелище.
Второй «поражающий» фактор магнитной катушки – собственно магнитное поле. Вернее, не само поле, а захваченные им металлические предметы. Именно поэтому перед входом в помещение с томографом вас несколько раз спросят о наличии металлических предметов: часов, брелоков, ключей, мобильных телефонов – все это необходимо оставить за дверью. Томографы, кстати, противопоказаны людям с имплантированными суставами из нержавейки. Правда, такие уже лет десять как не ставят. Металлические зубы магнит не выдергивает, но «картинку» они портят изрядно.
Металлические предметы, случайно попавшие в помещение с томографом, – самая распространенная причина выхода из строя дорогостоящего оборудования. Практически любой врач, работающий с томографом, расскажет вам десяток историй про летающие настольные лампы, кресла-каталки, стальные тросточки и даже приборы для наркоза.
Завтра
Несмотря на почти сорокалетний опыт эксплуатации медицинских томографов, эта перспективная область диагностики находится в начале своего развития. Специалисты возлагают большие надежды на появление высокотемпературных сверхпроводников. Они позволили бы сделать томографы более компактными и дешевыми, а сам процесс из достаточно дорогостоящего обследования превратился бы в забавный аттракцион. Неужели вам не интересно, что у вас в голове?
Медицинские Нобели
Для того чтобы создать этот прибор, потребовались фундаментальные прорывы в физике, математике и компьютерной технике, недаром за этой технологией тянется целый шлейф нобелевских премий. В принципе, премию мог получить Евгений Завойский, наблюдавший явление электронного парамагнитного резонанса в Казанском университете в 1944 году. Суть этого явления заключалась в том, что электроны в атомах некоторых элементов периодической системы, помещенных в магнитное поле, способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне с последующим ее излучением. Однако у советского физика тогда не было никакой возможности опубликовать свои результаты, и премия «ушла» за океан. Открытие ЭПР повлекло за собой обнаружение целого ряда аналогичных эффектов. В 1947 году Феликс Блох из Стэнфордского и Ричард Пурселл из Гарвардского университета впервые наблюдали ядерный парамагнитный резонанс, за что и получили в 1952 году Нобелевскую премию по физике.
В начале 1960-х годов Алан Кормак из Университета Тафтса и Годфри Хаунсфилд из английской компании EMI независимо друг от друга разработали математический метод восстановления изображения поперечного среза по многочисленным измерениям поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами. Иными словами, тело просвечивалось рентгеновским аппаратом с различных точек, и после сложной математической обработки можно было получить изображение среза. Метод был назван томографией, от греческого слова tomos – «рассечение». Первоначально время, необходимое для сканирования объекта, составляло девять дней, что было связано с низкоинтенсивным источником гамма-лучей. Мощная рентгеновская трубка снижала время исследования до девяти часов. Отсутствие быстродействующих компьютеров делало последующее восстановление изображения чрезвычайно утомительным занятием.
Тем не менее в 1972 году компания EMI выпустила первые томографы EMI Mark I, и технология, несмотря на астрономическую стоимость, начала победное шествие по медицинским клиникам мира, что привело к получению в 1979 году Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Всего через год после появления EMI Mark I в журнале Nature была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Поля Лаутербура «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Хотя открытие и не было запатентовано, этот день считается днем рождения магнитно-резонансной томографии. Через некоторое время Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические методы получения изображения с помощью магнитного резонанса. «Открытие Латербура и Мэнсфилда стало прорывом в медицине, диагностике и лечении», – заявил официальный представитель Нобелевского комитета Ханс Йорнвалл 6 октября 2003 года, вручая Нобелевскую премию по физиологии и медицине двум выдающимся ученым. Вряд ли еще какой прибор в мире собирал большее количество нобелевских премий.
Глава для самых умных (остальные могут пропустить)
На самом деле явление, лежащее в основе МР-томографии, называется ядерно-магнитным резонансом. Слово «ядерный» исчезло после чернобыльской катастрофы, когда у населения развилась радиобоязнь – страх перед любыми явлениями, связанными с ядерной физикой. Специалисты вспоминают, как в 1986 году, когда в Москве устанавливали первый МР-томограф, вокруг медицинского центра бегали люди с радиационными датчиками и устраивали пикеты. Однако магнитный резонанс не имеет никакого отношения к радиации. Зато напрямую связан с ядрами водорода.
Человек в основном состоит из воды, основу которой, в свою очередь, составляют атомы водорода – от 60 до 70%. А ядро водорода, как известно из школьного курса химии, есть не что иное, как протон. Каждый протон имеет некий параметр, называемый спином (квантовый аналог собственного механического момента количества движения). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, которые можно условно обозначить как «вверх» и «вниз». К спину жестко привязан и магнитный момент протона, который также может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Для простоты можно представить протон как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве.
Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, маг-нитный момент его будет направлен либо в ту же сторону, что и поле («вдоль поля»), либо в противоположную («навстречу полю»), причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими состояниями. Сделать это можно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.
Конечно, обнаружить переход единичного протона из одного состояния в другое проблематично. А вот если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным «вдоль» и «навстречу» полю, окажутся примерно равными. Если воздействовать на этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, – переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР.
Как устроен МР-томограф. Вторая глава для самых умных
Мощный сверхпроводящий магнит создает сильное однородное магнитное поле, необходимое для ориентации магнитных моментов протонов. Радиочастотная система томографа служит для облучения исследуемого объекта электромагнитной энергией нужной частоты и последующей регистрации излучения, возникающего при релаксации (обратном «перевороте» магнитных моментов).
Именно так устроен МР-спектрометр, однако получить изображения внутренних органов с помощью такого прибора невозможно. Просто уловить сигнал для медицинской диагностики мало – необходимо знать, откуда именно он пришел. Поэтому еще одной очень важной частью томографа являются градиентные катушки. Они добавляют к общему однородному магнитному полю свою небольшую часть – градиентное, изменяющееся в пространстве магнитное поле. Именно градиентное поле и обеспечивает локализацию ядерного магнитного резонанса в пространстве. Дело в том, что резонансная частота напрямую зависит от величины магнитного поля. Именно градиентное поле и позволяет немного изменить резонансную частоту магнитных моментов протонов в пространстве и точно локализовать их месторасположение.
При различных исследованиях используются различные способы отличать одну ткань от другой. Скажем, когда гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови) теряет кислород, он превращается в парамагнитный дезоксигемоглобин. Магнитные свойства этих молекул позволяют отличать артериальную (гемоглобин) кровь от венозной (дезоксигемоглобин) или, например, устанавливать давность кровоизлияния при инсультах.
Что смотреть
Заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его, можно четырьмя основными способами: ультразвуковое исследование (УЗИ), рентген, рентгеновская компьютерная томография (РКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Причем УЗИ и МРТ безвредны – в МР-томографе можно даже спать, ничего не случится.
Однако каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Так, УЗИ идеально подходит для исследования частей тела с большим количеством полостей: шеи, брюшной полости и органов таза, – так как ультразвук хорошо отражается на границах разных сред. Рентген незаменим для исследования костей и желудочно-кишечного тракта: кости и контрастные вещества, вводимые в желудок и кишечник, эффективно поглощают излучение. Ну а МР-томография позволяет увидеть под любым углом и в любом разрезе все мягкие ткани, или, как говорят медики, «живые структуры»: ведь эта технология показывает распределение воды (точнее, протонов) в организме. А любая патология, любая болезнь это распределение меняет.
Магнит
Магниты современных серийных томографов могут быть обычными постоянными, резистивными или сверхпроводящими. В медицинских целях требуются поля (0,01–3 Тл). Самая дорогостоящая часть сверхпроводящего томографа – огромная магнитная катушка, способная генерировать мощное магнитное поле в 1–3 Тл. Чем мощнее поле, тем выше соотношение сигнал/шум при сканировании и тем бЧльшие возможности для диагностики предоставляет аппарат.
Для охлаждения нескольких километров проводов сверхпроводящей катушки используют жидкий гелий, позволяющий довести их до температуры, близкой к абсолютному нулю (4,20К, или –268,950C). При такой температуре металл проводов переходит в сверхпроводящее состояние, потери электроэнергии в катушке за год составляют десятитысячные доли процента! Изготовление сверхпроводящих магнитов такой мощности – сверхсложная задача, по плечу всего паре компаний в мире.
Добавляет цену и гелий, необходимый компонент для охлаждения. Во всем мире насчитывается всего несколько месторождений этого ценного сверхлегкого газа, и по некоторым оценкам, они иссякнут даже раньше, чем нефтяные скважины, – лет через пятьдесят. Уже сейчас в Западной Европе случаются остановки томографов из-за проблем с поставками гелия. Поэтому последние модели томографов имеют трехступенчатую систему охлаждения, позволяющую свести расходы этого газа практически к нулю. России, кстати, проблемы с гелием пока не грозят – одно из месторождений находится как раз у нас.
Вообще-то сверхпроводящая катушка с закачанным в нее током – вещь чрезвычайно опасная. При утечке гелия сверхпроводимость мгновенно падает, гигантский ток, циркулирующий в катушке, буквально за мгновения испаряет жидкий гелий внутри. Этот газ расширяется быстрее, чем газы при взрыве динамита. В общем, этакая мощная хайтек-бомба.
Правда, стать свидетелем подобного взрыва вам вряд ли удастся – все томографы оснащены многоуровневой системой защиты: при утечке гелия и росте температуры ток мгновенно заземляется, а гелий экстренно сбрасывается наружу. Кстати, тоже довольно живописное зрелище.
Второй «поражающий» фактор магнитной катушки – собственно магнитное поле. Вернее, не само поле, а захваченные им металлические предметы. Именно поэтому перед входом в помещение с томографом вас несколько раз спросят о наличии металлических предметов: часов, брелоков, ключей, мобильных телефонов – все это необходимо оставить за дверью. Томографы, кстати, противопоказаны людям с имплантированными суставами из нержавейки. Правда, такие уже лет десять как не ставят. Металлические зубы магнит не выдергивает, но «картинку» они портят изрядно.
Металлические предметы, случайно попавшие в помещение с томографом, – самая распространенная причина выхода из строя дорогостоящего оборудования. Практически любой врач, работающий с томографом, расскажет вам десяток историй про летающие настольные лампы, кресла-каталки, стальные тросточки и даже приборы для наркоза.
Завтра
Несмотря на почти сорокалетний опыт эксплуатации медицинских томографов, эта перспективная область диагностики находится в начале своего развития. Специалисты возлагают большие надежды на появление высокотемпературных сверхпроводников. Они позволили бы сделать томографы более компактными и дешевыми, а сам процесс из достаточно дорогостоящего обследования превратился бы в забавный аттракцион. Неужели вам не интересно, что у вас в голове?
Обсуждения Цветные мысли