MRI – הדרך אל הגילוי וההמצאה

סורק MRI מבוסס על עיקרון שנקרא עיקרון התהודה המגנטית. זהו בעצם אותו עיקרון העומד מאחורי מכשיר ה-NMR, כאשר בסורק ה-MRI ניתן להפיק תמונה המבוססת על קידוד מרחבי. הדרך אל מכשיר ה-NMR וסורק ה-MRI משובצת במדענים אשר קיבלו פרסי נובל, וגם במספר מחלוקות בדרך לשם.

הגילוי הראשון של תהודה מגנטית והיכולת שלה למדוד את התכונות המגנטיות של גרעין האטום מיוחס לפיזיקאי יהודי אמריקאי ממוצא מזרח-אירופי בשם איזידור ראבי (Isidor I. Rabi; 1898-1988). בניסוי שערך בסוף שנות השלושים של המאה הקודמת, הוא האיץ אלומות מולקולריות של ליתיום כלוריד (Lithium chloride, LiCl) בוואקום תחת שדות אלקטרומגנטיים ושידר לכיוונן גלי רדיו. בניסוי הוא הדגים כיצד גל רדיו בתדר ספציפי מאוד מסוגל לשנות את מצב החלקיקים (בזכות עיקרון התהודה) ולמעשה למדוד את התכונות המגנטיות של גרעין האטום. על גילוי זה זכה ראבי בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1944.

בשנת 1944 הצליח פיזיקאי ממוצא סובייטי בשם יבגני זבויסקי (Yevgeny K. Zavoisky; 1907-1976) מאוניברסיטת קאזאן למדוד את המומנט המגנטי של האלקטרונים בגבישי נחושת סולפט. הוא היה למעשה הראשון שהדגים תהודה מגנטית אלקטרונית (תמ"א; Electron Paramagnetic Resonance, EPR), תהודה המודדת את עוצמת המומנט המגנטי (גודל פיזיקלי המגדיר עוצמת שדה מגנטי) של האלקטרון. בשנת 1945 הצליחו שני פיזיקאים אחרים, פליקס בלוך ואדוארד פורסל, למדוד את המומנט המגנטי של גרעיני אטום המימן במים בעזרת תהודה מגנטית. שניהם, וגם זבויסקי, חלקו את פרס נובל לפיזיקה על תגליות אלה לשנת 1952. בלוך ופורסל פיתחו שיטות למדידת האות שנפלט מגרעיני אטומי המימן והוכיחו שצורת האות מושפעת מסביבת הגרעין. כך הם אפשרו לראשונה להשתמש בתופעת התהודה המגנטית הגרעינית לצורכי כימיה אנליטית- זהו תפקידו של מכשיר ה-NMR המשמש בעיקר לזיהוי המבנה האטומי והמולקולרי של חומרים כימיים שונים.

השלב הבא בדרך אל סורק ה-MRI הינו במפתיע המצאה אחרת משמעותית מאוד בתחום האבחון הרפואי, המצאת ה-CT (Computed Tomography, ובעברית – טומוגרפיה ממוחשבת). המצאה זו, המיוחסת לסר גודפרי האונספילד (2004 – 1919Godfrey N. Hounsfield ;), רתמה בתחילת שנות השבעים את יכולת כוח החישוב לסנתוז תמונה. בנוסף לכך, המצאת ה-CT ושילובה המהיר בעולם הרפואה הראו שבתי החולים מוכנים להשקיע כסף רב באמצעי אבחון גדולים. הבנה זו החדירה בהמשך מוטיבציה לחוקרים לפתח את סורק ה-MRI.

בדיקת ה-CT היא בדיקה אשר הקפיצה את עולם הדימות הרפואי בכמה דרגות, אלא שיש לה חיסרון גדול בדמות קרינת רנטגן מזיקה. דבר זה הניע שלושה חוקרים ערניים: פול לוטרבור, פיטר מנספילד וריימונד דמדיאן, לנסות לרתום את עקרון התהודה המגנטית הגרעינית במכשיר ה-NMR לצרכי דימות רפואי- כך נוצר סורק ה-MRI.

ריימונד דמדיאן, רופא אמריקאי ממוצא ארמני, רשם על שמו פטנטים רבים הקשורים ל-MRI. הוא אף בנה מכונת MRI כל-גופית שלה קרא בשם Indomitable ("עשויה ללא חת"), אשר נועדה לטענתו להבדיל בין רקמות סרטניות ובין רקמות בריאות. הסורק שבנה דמידאן והטכניקה העומדת מאחוריו, טכניקת השדה הממוקד (focused field technique), נכשלו ביכולתם להרשים את הקהילה המדעית ובשלב מסוים נזנחו.

MRI ההיסטוריה של ה-MRI

ריימונד דמדיאן והסורק הראשון

סורקי ה-MRI הקיימים כיום מבוססים על המצאותיהם של פול לוטרבור (Paul C. Lauterbur), כימאי אמריקאי, אשר יזם את הוספת שדות מגנטיים משתנים (גרדיאנטים; Gradients) אל מכשיר ה-NMR לשם הקידוד המרחבי של הסיגנל הנפלט (דבר אשר איפשר את יצירת תמונת ה-MRI), ושל פיטר מנספילד (Peter Mansfield), פיזיקאי אנגלי אשר תרומתו הייתה בחלק החישובי יותר- הוא הצליח להמיר את אותות גלי הרדיו שחזרו מפרוטוני הדגימות לתמונה איכותית, בעזרת ניתוח מתמטי. תרומה נוספת שלו הייתה היכולת להאיץ את בניית התמונה בעזרת פרוטוקול שיצר (נקרא פרוטוקול EPI; Echo Planar Imaging).

אחת המחלוקות הגדולות והמתוקשרות בקבלת פרסי נובל נסבה, בהקשר של המצאת ה-MRI, סביב שלושת האישים שהוזכרו, וסביב עוד פיזיקאי אמריקאי אחד בשם הרמן קאר (Herman Y. Carr). המחלוקת נמשכה עד לשנת 2003, אז החליטו השבדים להעניק את פרס נובל רק לפול לוטרבור ופיטר מנספילד, זאת למרות שהיה אפשר לכלול בקבלת הפרס עוד אדם אחד (המחלוקת הייתה יכולה להימשך זמן רב יותר לולא מצב בריאותו הרעוע של לוטרבור, שהרי לא ניתן להעניק פרס נובל לאדם לאחר מותו, ולולא סלידתם של השבדים ממחלוקות).

הטענה של נותני הפרס הייתה שהסורק והטכניקה של דמדיאן לא הצליחו. דמדיאן טען שאי-קבלת הפרס נבעה בשל היותו יותר רופא מאשר מדען ובשל היותו בריאתן (מאמין בבריאת העולם בידי בורא). גורמים אלו, לטענתו, הפכו אותו  ללא אהוד על-ידי קהילת המדענים. מאידך, בזכות הפטנטים והחברות שהקים ולאחר תביעות זכויות יוצרים מתוקשרות היטב, הוא נעשה אדם עשיר מאוד.

בהקשר לקאר, קאר טען שלוטרבור ומנספילד התבססו על עבודת הדוקטורט שלו שפורסמה באוניברסיטת הרווארד עוד בשנות החמישים, בה הגה רעיון להשתמש בגרדיאנטים לשם יצירת תמונה, ואף הצליח ליצור תמונה בסיסית בעזרתם במכשיר NMR. איכותה הירודה של התמונה גרמה לזניחת התגלית דאז. קאר לא הוזכר, לא על-ידי מעניקי הפרס ולא על-ידי מקבליו.

לאחר המצאת ה-MRI, סורקי ה-MRI הראשונים נכנסו לעבודה שוטפת בבתי החולים בתחילת שנות השמונים. עוצמתם, מהירותם ויכולת הרגישות והרזולוציה של התמונות אותן הם יצרו, שופרה לעין ערוך.

  • כותב המאמר: עופר בן חורין, בעל ניסיון של כ-20 שנה באפליקציות, מחקר והדרכה בתחום ה-MRI. את הפרק המלא על ההיסטוריה של ה-MRI ניתן למצוא בספר "MRI המדריך המלא-רפואה ופיזיקה נפגשות". הספר כולל מידע נרחב נוסף על הפיזיקה שמאחורי ה-MRI, מידע רב על עתיד המחקר בתחום ה-MRI, בטיחות, ההיסטוריה של הסורק, בדיקות מיוחדות המבוצעות בו, סקירת שילובים וטכנולוגיות הקשורות אליו (כגון fMRI, DTI) ועוד נושאים רבים נוספים. את הספר ניתן לרכוש בדף רכישת הספר באתר זה.