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第 20 章

20-01
历史迷雾

20-02
核磁共振

20-03
初期探索

20-04
空间编码

20-05
生根发芽

20-06
临床应用

20-07
飞速发展

20-08
后起之秀

20-09
对比剂

20-10
成像仪

20-11
荣誉和奖励


20-03  核磁共振在医学和生物学中的早期应用

虽然基于医学的活体NMR源于20世纪50年代,但是,当时医学和生物学的研究并未形成气候,在这种情况下,要赋予新技术以合适的应用是相当困难的。

1955年,来自Stockholm的Erik Odeblad (图20-15)和 Gunnar Lindström发表了他们的NMR实验结果,包括活体细胞和离体动物组织弛豫时间的测量结果 [⇒ Odeblad]。

Odeblad是医学NMR的主要创始人,他为医学NMR和MRI的发展奠定了基础。


图20-15
2012年,Erik Odeblad荣获欧洲磁共振奖时,展示了他的第一台NMR谱仪


1952年,在Berkeley 的California大学工作的Odeblad遇到Stanford大学的Felix Bloch。Odeblad问Bloch,是否可以用Bloch 的NMR 谱仪研究人体样品?Bloch的回答是否定的。他说,NMR是物理学家的一个研究工具,不是生理、医学或生物学研究的工具。

1950年,Stockholm诺贝尔物理研究所Gunnar Lindström 打造了一台谱仪。因此,回瑞典工作的Odeblad有了自己的仪器。Odeblad用这台仪器对活体的或者离体样品进行了NMR测试,这就是最初的生物医学的NMR研究。1954年12月,他们提交了题为“生物样品质子磁共振的初步观察结果”的科学论文,参见图20-16。

图20-16
第一篇关于生物和医学NMR的文章——生物样品质子磁共振的初步观察结果。文章于1954年12月由Erik Odeblad 和Gunnar Lindström提交到Stockholm的Acta Radiologica杂志并于1955年获得发表。


他们发现不同的组织拥有不同的弛豫时间。这种差异可能是因为水含量不同、也可能是水分子与脂质体结合方式不同而引起的。MR成像中组织对比度就源于组织间水含量不同或者水分子与脂质体结合方式不同。随后的十几年,Odeblad继续用NMR研究人的体液和组织。从1955年到1968年,Odeblad在人体组织和粘膜分泌液的NMR研究方面发表了60多篇论文。


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注释:
被遗忘的先驱:Erik Odeblad.

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spaceholder 600 还有一些科学家也进行了这方面的研究。1956年,Oleg Jardetzky和合作者研究了血液、血浆和红细胞的钠NMR [⇒ Jardetzky]。1965年,Bratton和同事发表了他们测量的青蛙肌肉的T1和T2结果 [⇒ Bratton]。20世纪60年代和70年代,出版了大量关于细胞中或各种组织中水的弛豫、扩散、化学交换等方面的工作。1967年,Ligon报道了活体上肢中水分子的NMR弛豫测试结果 [⇒ Ligon]。1968年,Jackson和Langham报道了首次观测到的活体动物的NMR信号 [⇒ Jackson]。

20世纪60年代后期,在Scotland的Aberdeen大学里工作的Jim Hutchison开始了小鼠活体电子自旋共振的研究。Hazlewood开展了肌肉组织的NMR弛豫时间测试工作 [⇒ Hazlewood 1969; 1971]。Cooked和Wien也开展了类似的研究工作 [⇒ Cooke]。Hansen对脑组织进行了NMR研究 [⇒ Hansen]。

20世纪70年代,Brooklyn Downstate医学中心的Raymond Damadian团队和Baltimore Johns Hopkins大学的Donald P. Hollis团队也进入这个研究领域。Damadian团队对离体的大鼠正常组织和癌症组织的弛豫时间进行了测量,并给出“癌症组织弛豫时间比正常组织的长”的结论。这个结论是错误的。其他科学家无法验证这个结论,结果也无法重复 [⇒ Damadian 1971]。

Donald Hollis团队也得到了一些自相矛盾的实验结果。不过,他们的结论,与Damadian的错误结论相比,则更加公允且从科学的角度来说更为严谨 [⇒ Hollis]。然而,Damadian仍然把他的发现作为筛查癌症的一项技术进行推广并申请了专利,参见图20-17c,他们所说的筛查与成像没有任何关系 [⇒ Damadian 1974]。Damadian知道Odeblad在这个领域内的原创性工作,但是在他的专利中,他并没有提及Odeblad的工作。虽然Damadian癌症筛查专利在科学上和医学上都是错误的,但是,后来他的一维逐点成像技术、和他为了公司而进行的炒作和大量宣传活动,激发了人们的好奇心并影响了随后十多年的NMR研究 [综述: ⇒ Harris; ⇒ Hollis; ⇒ Kleinfeld; ⇒ Fjermedal]。正如任何一项发明的历史一样,Damadian也是众多的奠基人之一。

参见图20-17b, 1973年2月,Zenuemon Abe和同事曾申请了一个定向NMR扫描仪的专利 [⇒ Abe]并于1974年出版了这项技术 [⇒ Tanaka].


1976年,Damadian在一个出版物中报道了一项类似的技术,并命名为“场聚焦NMR”,亦称Fonar技术,其图像是通过对大量的一维测试结果进行整合而形成的,一维测试是指对小鼠体内每一个体积单元进行逐一扫描 [⇒ Damadian 1976]。

无论是Abe的定向NMR扫描技术还是Damadian的Focar技术,都不适合于临床成像。

Damadian的公司后来采用了Paul Lauterbur发明的磁共振成像技术。早在1976年,Lauterbur就已经 正式发表了一张突显了肿瘤组织的活体小鼠图像 [⇒ Lauterbur 1976]。



图20-17
三台申请过专利的、基于磁场的诊断仪器的设计图。这些仪器都是一维的、也不是用于成像的。
(a) Ganssen 1967/1974;
(b) Abe 1973/1973;
(c) Damadian 1972/1974 [⇒ Damadian 1974].


图20-18
Damadian打造的肿瘤检测仪,经过艺术化处理之后刊登在1974年2月9日纽约时代上。Damadian声称他的技术可以在活体中发现肿瘤组织,但是,随后,Damadian收回了这一观点。


spaceholder 600 早在1951年,科学家Suryan就用连续波NMR技术对流量测量进行了探讨 [⇒ Suryan]。

到1959年,Jay Singer曾通过测量活人血液的NMR弛豫时间来研究血液流量 [⇒ Singer]。直到20世纪80年代中期,这种测量才进入临床实践。其实,早在1967年初,Alexander Ganssen就已经申请一个关于用全身NMR仪测量人体血液流量的专利 [⇒ Ganssen]。这种仪器是用一系列小线圈测量不同位置的血管中流动的血液的NMR信号,来计算血液在相应血管中的流量。如图20-17a所示,这种仪器虽然算得上是最早的磁共振扫描仪,但却不是一台磁共振成像仪。



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