20-09-2016

Jak powstał rezonans magnetyczny?

3 lipca 2016 roku minęło 39 lat od pierwszego skanu ludzkiego ciała za pomocą rezonansu magnetycznego (MR). Rezonans magnetyczny, który bada zachowanie atomów w polu magnetycznym stał się przez te lata niesamowicie przydatną metodą diagnostyczną. Nie byłoby to możliwe, gdyby nie prace Isidora Isaaca Rabi’ego, który w latach 30. XX w. rozwinął metodę mierzenia magnetycznych właściwości jąder atomów.

isidor isaac rabiIsidor Isaac Rabi urodził się 29 lipca 1898 roku w Austrii. Rok później jego rodzina przeniosła się do Nowego Jorku, gdzie przez pierwsze lata żyli bardzo ubogo. Rodzice Rabi’ego byli ortodoksyjnymi Żydami, ale on sam jako dorosły nie był praktykujący. Mimo to, wiara była ważna w jego życiu i czuł, że praca jako fizyk to „podążanie ścieżką Boga”.

Rabi nie podążał tą ścieżką od młodości. Mając 21 lat uzyskał dyplom z chemii, jednak nie był zafascynowany tą nauką i 3 lata później podjął decyzję o rozpoczęciu studiów z fizyki. Zaraz po ich ukończeniu wyjechał do Europy, gdzie pracował z największymi specjalistami w dziedzinie mechaniki kwantowej, takimi jak Sommerfeld, Bohr, Pauli, Stern i Heisenberg.

Fascynowała go ta dziedzina, a szczególnie eksperyment Sterna-Gerlacha. Otto Stern i Walther Gerlach wysłali cienką wiązkę atomów srebra przez nierównomierne silne pole magnetyczne i zaobserwowali, że wiązka rozdzieliła się na dwie mniejsze wiązki, a atomy zostały lekko odchylone zgodnie z kierunkiem ich momentów magnetycznych.

Rabi powrócił do USA mając 31 lat i rozpoczął pracę jako wykładowca. Jednocześnie wciąż zastanawiał się nad problemem, który nie dawał mu spokoju... 2 lata później założył laboratorium i podjął się trudnego zadania określenia spinu jądrowego i związanego z nim momentu magnetycznego atomu sodu. Razem z Gregory’em Breitem poradzili sobie z tym zadaniem, modyfikując klasyczny aparat Sterna i Gerlacha.

Rabi często był odbierany jako leniwy, ale wynikało to z jego braku cierpliwości do rutynowych eksperymentów i analizy danych. Powtarzał, że lubi mieć odpowiedź tego samego dnia i interesowało go projektowanie mądrych metod eksperymentalnych, takich, które „zbliżają go do Boga”.

W latach 30. Rabi dopracowywał metodę wiązki molekularnej i używał jej do zbierania coraz bardziej precyzyjnych wartości spinów jądrowych atomów. Jego prace doprowadziły do stworzenia metody rezonansu magnetycznego, która jest podstawą stosowanej obecnie metody diagnostyki obrazowej.

Momenty magnetyczne mają tendencję do ustawiania się równolegle lub przeciwrównolegle do zewnętrznego pola magnetycznego, z częstotliwością, która zależy od siły pola magnetycznego i momentu magnetycznego jądra atomu. Rabi miał 39 lat, kiedy przewidział, że momenty magnetyczne jąder mogą zmienić swoją orientację, jeśli zaabsorbują energię z fali elektromagnetycznej o odpowiedniej częstotliwości. Wyemitują też energię, wracając do poprzedniej orientacji. Rabi wiedział, że istnieje możliwość wykrycia przejścia z jednego stanu na drugi i nazwał swoją metodę molekularną wiązką rezonansu magnetycznego.

Rabi ze swoim zespołem zmodyfikowali aparat do wiązki molekularnej, w taki sposób, aby wiązka była poddawana również ekspozycji na częstotliwość radiową podczas przechodzenia przez pole magnetyczne. Odpowiednie ustawienie zewnętrznego pola magnetycznego lub sygnału radiowego może wywołać rezonans. Badacze pierwszy raz zaobserwowali to zjawisko w 1938 roku. Rabi, zachwycony zaobserwowanym rezonansem magnetycznym zorganizował imprezę, aby świętować to odkrycie.

Każdy atom albo cząsteczka ma charakterystyczny wzór częstotliwości rezonansu. Rabi wykrył serię rezonansów w różnych cząsteczkach, co mogło być użyte do identyfikacji typu atomu albo cząsteczki i uzyskania szczegółów na temat ich molekularnej struktury.

W 1944 roku Rabi otrzymał Nagrodę Nobla „za metodę rezonansu służącą do mierzenia magnetycznych właściwości jąder atomów”.

Dwa lata później Edward Purcell i Felich Bloch niezależnie od siebie, odkryli metodę badania magnetycznych właściwości atomów i cząsteczek w ciałach stałych i ciekłych, w przeciwieństwie do pojedynczych atomów i cząsteczek, co było możliwe w metodzie Rabi’ego. W późniejszych latach, jądrowy rezonans magnetyczny został rozwinięty do techniki obrazowej, która obecnie jest powszechnie stosowana w diagnostyce medycznej. Pierwsze obrazy powstały na początku lat 70. XX wieku, a pierwszy obraz ciała ludzkiego – w 1977 roku. W latach 80. pojawiły się na rynku pierwsze skanery do badań MR.

Rabi również miał okazję przejść badanie rezonansem magnetycznym. „To było niesamowite. Widziałem siebie w skanerze. Nigdy nie sądziłem, że moja praca doprowadzi do tego” – powiedział po badaniu. Niedługo potem zmarł, w wieku 90 lat.

Źródło: July, 1977: MRI Uses Fundamental Physics for Clinical Diagnosis, American Physical Society