Duński noblista, fizyk Niels Bohr powiedział kiedyś, że ten kto rozumie fizykę kwantową raczej nic nie rozumie.
| Czas pokaże, czy urządzenia działające w oparciu o fizykę kwantową będą przypominały kryształowe kule generujące przestrzenny obraz wnętrza całego ciała w ułamkach sekund |
Od tego czasu sporo się na świecie zmieniło, horyzont zrozumienia przesunął się nieco w stosunku do horyzontu zdarzeń, ale nikt jeszcze nie opracował uniwersalnej teorii, która byłaby w stanie pewne zjawiska raz na zawsze wyjaśnić. Przynajmniej dla niewielkiej, hermetycznej grupy osób, których mózgi pracują w oparciu o rachunek różniczkowy.
Tymczasem wszystkie fajne rzeczy, takie jak kwantowa teleportacja, podróże międzygwiezdne, sztuczna grawitacja, myślące komputery i broń laserowa mniejsza od rozmiarów pasażerskiego odrzutowca są poza zasięgiem. Jest jednak coś, co dobrze znamy, a co mogłoby należeć do wspomnianej grupy. Rezonans magnetyczny. Działa, pomaga i uczy. A przecież to fizyka kwantowa w czystej postaci.
Pięciu noblistów
Zanim urządzenia do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego na stałe zagościły w zakładach radiologii musiało dojść do kilu ważnych odkryć, za które przyznano aż pięć nagród Nobla. Na początku zaobserwowano, że w polu magnetycznym o odpowiednio dużym natężeniu dochodzi do pewnych zmian w świecie cząstek elementarnych, takich jak protony. Pole narzuca bowiem pewien porządek, inny od pierwotnego. Najprościej powiedzieć, że zgodnie z zasadami termodynamiki atomy budujące jakąś strukturę, na przykład mózg człowieka, znajdują się względem siebie w pewnej równowadze. Równowagę tę nazywamy termodynamiczną, a wynika ona pokrótce z wzajemnych oddziaływań między atomami oraz między jądrem atomu i jego powłoką elektronową a także między pojedynczymi cząstkami tworzącymi jądra atomowe – protonami i neutronami. Fizyka jądrowa, nazwijmy ją klasyczną, to pierwszy stopień takiego rozumowania. Kolejne, a nie kończą się one wcale na poziomie protonów i neutronów, to już raczej fizyka kwantowa. Ale tego nie musimy rozumieć, Niels Bohr dawno temu nas usprawiedliwił.
Każdy proton tworzący w pojedynkę jądro wodoru, a tych jest w mózgu najwięcej, posiada pewną właściwość zwaną spinem. Nieprzypadkowy jest związek z angielskim słowem spin, czyli „wirować”. Załóżmy w naszych rozważaniach, że proton w jądrze wodoru wiruje z pewną niezerową wartością pędu. I tu pierwszy ze wspomnianych Nobli. Profesorowie Felix Bloch i Edwin Purcell w 1952 roku otrzymali nagrodę za opisanie zjawiska wzbudzenia atomów w silnym polu magnetycznym dodatkowo traktowanym falami elektromagnetycznymi o kierunku różnym niż linie pola. Bingo. Atom sobie wiruje połówkowo, bo tak fizycy opisują spin protonu, a w polu magnetycznym i pod wpływem fali np. o częstotliwości radiowej zwalnia i obraca się w kierunku przeciwnym do pierwotnego. Kiedy fala elektromagnetyczna przestanie na niego działać, wraca do punktu wyjścia. W tym ultrakrótkim momencie, zwanym czasem relaksacji, emituje on falę, która stanowi informację o jego położeniu w przestrzeni. I to jest właśnie rezonans magnetyczny.
Jak to zwykle bywa, opisane wyżej zjawisko okazało się niewystarczające. Tkanki budujące ciało człowieka zachowują się bowiem w opisanych warunkach bardzo różnie, stąd wyjściowo rezonans był badaniem bardzo, nazwijmy to, grubym. W latach 70. ubiegłego stulecia zauważono znaczące różnice w odczytywanych przez pierwsze urządzenia rezonansu czasach relaksacji. Wynikało to z ich zawartości w poszczególnych tkankach. Zaobserwował to Raymond Damadian, stąd duży ukłon w jego stronę.
Kolejny Nobel został przyznany w dziedzinie chemii za pokazanie, jak wykorzystać zmienność czasów relaksacji do uzyskania obrazów dwuwymiarowych. Otrzymał go Richard Ernst w 1991 r. Kluczem do prawidłowego obrazowania w dwóch wymiarach okazała się transformata Fouriera. Pozwala ona na matematyczne modelowanie uzyskanych informacji i uporządkowanie ich w zależności od zmiennych czasu, natężenia sygnału i lokalizacji jego źródła w przestrzeni. Wzór skomplikowany, zawiera rachunek różniczkowy, a jego wynikiem jest funkcja trygonometryczna zwana właśnie transformatą Fouriera. Dzięki niej otrzymano pierwsze obrazy z rezonansu magnetycznego takie jak znamy dzisiaj.
Kolejny krok podjęto całkiem niedawno, bo około roku dwutysięcznego. Dwóch profesorów, panowie Paul Lauterbur i Peter Mansfield zaproponowali wprowadzenie gradientowego pola magnetycznego o natężeniu nieco słabszym w stosunku do pola podstawowego, co z grubsza mówiąc pozwoliło na dokładniejszą lokalizację sygnałów w przestrzeni. Nagrody Nobla otrzymali za to w 2003 roku. Nie przyjęła się jedynie nazwa, którą zaproponował prof. Lauterbur, a która pochodziła od greckiego słowa zeugma, czyli połączenie. Trudno byłoby przecież powiedzieć, że wysyła się pacjenta na zeugmatografię rezonansu magnetycznego, choć nie byłoby to błędem sensu stricte. Przyjęły się natomiast nazwy będące skrótowcami, takie jak MRI (magnetic resonance imaging), NMR (nuclear magnetic resonance), czy po prostu RM (rezonans magnetyczny).
Magnes, cewka i metal
Jak wynika z powyższego opisu, urządzenia do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego są niczym innym jak gigantycznymi antenami ustawionymi w polu bardzo silnego magnesu. Pacjenta umieszcza się wewnątrz cewki, której zadaniem jest z jednej strony emisja fali radiowej do wzbudzania jąder wodoru, a z drugiej odbieranie sygnałów pochodzących z tych samych atomów w czasie ich relaksacji. Resztę robi komputer, który przelicza uzyskiwane z cewki informacje i zamienia je w obraz.
Magnes, który warunkuje prawidłową pracę urządzenia jest naprawdę silny. Jego moc określa się w Teslach, słabsze są 1,5-teslowe, a te nowocześniejsze pracują w polu 3-teslowym. Można to sobie wyobrazić stosując pewne porównanie. Otóż nowoczesne magnesy neodymowe, takie jakie są na przykład w głośnikach od radia, wytwarzają pole rzędu 0,01 Tesli przy powierzchni. To 300 razy mniej. Z kolei pole magnetyczne tworzone przez naszą planetę jest jakieś 60 000 razy słabsze. Dodatkowo przestrzeń, na jakiej oddziałuje magnes w urządzeniu RM jest znacznie większa. Jej zasięg pokazują żółte linie wokół urządzenia, których nie powinno się przekraczać mając przy sobie metalowe przedmioty.
No właśnie. A co, jeśli ktoś ma np. protezę stawu biodrowego? Teoretycznie, protezy wykonywane z tytanu, który jest paramagnetykiem, a więc magnes nie powinien go przyciągać. Prawda jest jednak taka, że do budowy protez nie wykorzystuje się czystego tytanu, który sam w sobie jest metalem twardym, ale bardzo kruchym. Słowem, nie jest odporny na naprężenia, jakie występują w czasie użytkowania protezy. Dlatego też stosuje się stopy tytanu z innymi metalami, a niektóre z nich wykazują właściwości magnetyczne. Taki stop metalu może się po pierwsze przemieścić, a po drugie rozgrzać do niebezpiecznej temperatury w czasie badania. Fale, które mają za zadanie wzbudzać atomy wodoru, doprowadzą do wzbudzenia złożonych jąder atomów metalu, czego efektem będzie wzrost temperatury. Niestety. Jeżeli ktoś posiada coś metalowego na stałe, nie powinien zbliżać się do urządzenia RM dalej niż do żółtej linii.
Obrazowanie hybrydowe
Również dość dawno, bo w latach ’50 ubiegłego stulecia trzech naukowców, David E. Kuhl, Luke Chapman i Roy Edwards wpadło na pomysł obrazowania za pomocą odczytu emisji promieniowania gamma. Jest to jeden z trzech zakresów promieniowania jądrowego, wytwarzanego przez atomy radioaktywnych substancji, takich jak na przykład 18-fluorodeoksyglukoza, w skrócie FDG. Podanie FDG we wlewie dożylnym i późniejsze obserwacje emitowanego promieniowania pozwalają wykryć w organizmie człowieka tkanki o tzw. zwiększonym wychwycie znacznika, czyli o podwyższonej aktywności metabolicznej. Kamera gamma umieszczona w urządzeniu do złudzenia przypominającym tomograf komputerowy pozwala wykrywać to promieniowanie w przestrzeni, a komputer może uzyskane tą drogą informacje zamienić w obraz. Sama technika nazywa się pozytronową tomografią emisyjną, w skrócie PET (od positronic emissions tomography). A teraz wyobraźcie sobie połączenia tej techniki z rezonansem. I to w tzw. czasie rzeczywistym, czyli „na żywo”.
Pod koniec 2014 roku zakończono instalację pierwszego w naszej okolicy urządzenia do obrazowania hybrydową techniką rezonansu magnetycznego i pozytronowej tomografii emisyjnej, w skrócie PET-MRI. Urządzenie mieści się w Laboratorium Obrazowania Molekularnego i Rozwoju Technologii UMB, będącego częścią Białostockiego Parku Naukowo-Technicznego. Uzyskiwane techniką połączenia PET z rezonansem obrazy pozwalają wykonywać złożone badania czynnościowe tkanek organizmu w nieosiągalnym wcześniej zakresie jakości i rozdzielczości. Nie będzie błędem stwierdzenie, że dzięki temu urządzeniu widać, która część mózgu jest aktywna, kiedy człowiek czyta gazetę, pisze notatkę lub układa kostkę Rubika. Możliwości jego zastosowania ogranicza jedynie wyobraźnia badaczy.
Co przyniesie przyszłość?
Wydawać by się mogło, że opracowanie zunifikowanej teorii pola dla kwantów i wszystkich innych fizyk razem wziętych będzie stanowiło przełom. I pewnie sporo w tym prawdy, choć nie będzie to przełom z dnia na dzień. Sporo czasu minie, zanim ludzie nauczą się korzystać z komputerów kwantowych tak jak ze zwykłych, a jeszcze więcej upłynie zanim wielkie, wymagające ściśle kontrolowanych warunków pracy urządzenia, takie jak skaner MRI, zostaną zminiaturyzowane do rozmiarów pudełka po butach. Jednak, jak pokazuje historia, żadna z tych możliwości nie wydaje się poza zasięgiem.
Tak jak w badaniach czynnościowych serca, które początkowo nie były możliwe w urządzeniach rezonansu magnetycznego, być może rozwiązaniem problemu wielkich gabarytów i głośnej pracy urządzenia stanie się pewien mały szczegół, tak jak wtedy bramkowanie EKG i skrócenie czasu wychwytu. Trwają prace nad urządzeniami RM o znacznie mniejszym natężeniu pola magnetycznego, które będą w stanie generować dobrej jakości obrazy dzięki zastosowaniu wydajniejszych układów wzbudzania. Dotychczas udało się opracować skaner RM średnicy około metra, mieszczący się na wysięgniku pozwalającym objąć głowę człowieka. Czas pokaże, czy urządzenia działające w oparciu o fizykę kwantową będą przypominały kryształowe kule generujące przestrzenny obraz wnętrza całego ciała w ułamkach sekund. Być może z rozdzielczością sięgającą pojedynczych komórek, a może nawet atomów. Wydaje się to całkiem niewykluczone, aczkolwiek na obecną chwilę w zupełności wystarcza nam to, co jest.
Tomasz Dawidziuk
