История ядерного магнитного резонанса началась с открытия спиновой природы протона и изучения взаимодействия спина с магнитным полем. Явление магнитного резонанса впервые было применено в области химии для изучения структуры твердых тел и жидкостей и только спустя почти 40 лет стало применяться в медицине. Особо активное развитие МРТ происходило во второй половине ХХ века. Краткий и неполный список некоторых этапов развития МРТ выглядит следующим образом.

В 1888 г. Nikola Tesla открыл явление вращающегося магнитного поля. Это открытие стало фундаментальным в физике. В 1956 г. международная электротехническая комиссия в рейхтгаузе (Г ермания) объявила о введении единицы «тесла» для измерения магнитной индукции. Все МРТ-сканеры калибруются в единицах тесла или гаусс (1 Тл = 10000 Гс). Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее величина радиосигналов, получаемых от атомов тела, и, следовательно, выше качество ЯМР-изображений.

В 1922 г. Otto Stem и Walter Gerlach провели эксперимент по наблюдению квантовой природы элементарных частиц (электронов). Для изучения магнитных свойств электрона они пропустили пучок атомов серебра через неоднородное магнитное поле. Атомы серебра находились в состоянии равновесия, т.е. электрический заряд был равен нулю и атомы имели единственный неспаренный электрон на внешней орбите. Ожидалось получение равномерного распределения пучка атомов серебра вокруг центра, поскольку магнитный момент атома (благодаря неспаренному электрону) должен испытывать влияние неоднородного магнитного поля, и возможны любые ориентации магнитного момента. Однако в результате луч расщепился на две составляющие равной интенсивности. Позднее это явление объяснили Samuel Uhlenbeck и George Gaudsmit (1925, 1926 гг.), предположившие, что электрон имеет внутренний магнитный момент (спин) с двумя возможными ориентациями; таким образом, было введено понятие спинового квантового числа.

В 1937 г. профессор Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) Is-

idor Rabi исследовал явление ЯМР в молекулярных лучах. Радиочастотная (РЧ) энергия поглощается или испускается атомными ядрами образцов, помещенных в сильное магнитное поле. Для эффективного поглощения радиочастота должна иметь определенное значение, называемое частотой резонанса или частотой Лармора. Частота Лармора определяется силой магнитного поля и атомным ядром. В 1944 г. Rabi получил Нобелевскую премию по физике.

В 1945 г. две независимые группы американских физиков, во главе которых стояли Felix Bloch (Станфордский университет) и Edvard M. Purcell (Гарвардский университет) наблюдали явление ЯМР в твердых телах и впервые получили сигналы ядерного магнитного резонанса, продемонстрировав явление ЯМР в блочных материалах, за что оба в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

В 1949 г. Norman F. Ramsey сформулировал теорию химического сдвига. Атомные ядра можно идентифицировать по малому изменению резонансной частоты, зависящему от электронного окружения молекулы, и таким образом молекулярная система может быть описана ее спектром поглощения. Это стало зарождением магнитно-резонансной спектроскопии. Чувствительность эксперимента была низка: каждая резонансная частота (для каждого вида ядер) возбуждалась отдельно. Чтобы достичь приемлемого соотношения сигнал/шум для усреднения требовалось много измерений, и эксперименты проходили чрезвычайно медленно [13]. В 1989 г. Ramsey получил Нобелевскую премию по физике.

В период с 1950-го по 1970-й гг. ЯМР развивался и использовался для химического и физического молекулярного анализа в спектроскопии. При этом исследуемый образец помещали в однородное магнитное поле, а получаемая информация, в виде ЯМР-спектров и времен релаксации спинов, относилась ко всему объему образца, не выявляя его пространственной структуры.

В СССР предположение о возможности использования ЯМР для визуализации внутренней структуры объектов впервые было выдвинуто в 1960 г. В.А. Ивановым, изложившим принципы построения магниторезонансных (МР) изображений (в виде четырех заявок на изобретения). В одной из них [47] был предложен «способ определения внутреннего строения материальных объектов, преимущественно биологических, отличающийся тем, что с целью получения объемной картины внутреннего строения материальных объектов при исключении радиационного поражения и выявления распределения по объему различных видов атомов, материальные объекты помещают во внешнее неоднородное магнитное поле, сформированное так, что сигнал свободной прецессии ядер атомов из которых состоят анализируемые объекты, возбуждается последовательно в ограниченных частях объекта, прилегающих одна к другой, а на входе приемного устройства имеется

частотный фильтр, выделяющий полосу частот прецессии ядер, содержащихся в ограниченной части объекта, во внешнем магнитном поле». Однако предлагаемые положения не соответствовали научной парадигме того времени, так как считалось необходимым, чтобы объект, а также магнитное поле прецессии были однородными, и заявки В.А. Иванова были отклонены.

В 1971 г. физик Raymond Damadian (Бруклинский медицинский центр, США) показал возможность применения ЯМР для обнаружение опухолей. Его опыты на крысах показали, что сигнал водорода от злокачественных тканей сильнее, чем от здоровых [6]. Злокачественные ткани имеют резко увеличенное время релаксации, а время релаксации нормальных тканей меняется. Основываясь на этих результатах, Damadian положил начало применению магнитного резонанса в медицине, включая диагностическое отображение всего тела. Используя метод магнитной фокусировки, Damadian получил изображение живой крысы. При этом дополнительно был применен известный метод синхронного детектирования, широко применяемый в технике поиска экстремума. Damadian и его команда потратили 7 лет на разработку и создание первого МРТ-сканера для медицинского отображения человеческого тела.

В 1972 г. химик Paul C. Lauterbur (Государственный университет Нью-Йорка, США) сформулировал принципы ЯМР-отображения, предложив использовать переменные градиенты магнитного поля для получения двухмерного МР-изображения [16]. Сдвиг резонансной частоты, возникающий из-за наложения градиентов магнитных полей в трех плоскостях (Gx, Gy и Gz), может использоваться для создания картины двухмерного пространственного распределения протонов. В своем, ставшем классическим, эксперименте, Lauterbur применил переменные градиенты магнитного поля для того, чтобы зафиксировать и разделить сигналы от двух малых образцов воды, находящихся в пробирках диаметром 1 мм [23]. Таким образом, было получено первое двухмерное ЯМР-изображение (рис. 24), при этом было затрачено 4 часа 45 мин. Lauterbur предсказал потенциальное использование этого метода для отображения мягких тканей и злокачественных опухолей.

Рис. 24. Первое ЯМР-изображение

В 1975 г. Richard Ernst (Цюрих, Швейцария) предложил использовать в МР-томографии фазовое и частотное кодирование и Фурье-преобразование, -метод, который используется в МРТ в настоящее время. В 1991 г. за достижения в области импульсной МР-томографии Ernst был удостоен Нобелевской премии по химии.

В 1976 г. Peter Mansfield (Великобритания) предложил эхо-планарное отображение (EPI), самую общую быструю ЯМР-методику. Однако только в 1987 г. благодаря усовершенствованию оборудования стало возможным получение EPI-изображений в клинической практике примерно за 30 мс, что позволило создавать видеоизображения сердечного цикла в реальном времени. Сейчас существуют более быстрые методы отображения, но они имеют ограниченное применение из-за низкого соотношения сигнал/шум. В 2003 г. Мэнсфилд получил Нобелевскую премию по медицине за достижения в области ЯМР томографии.

3 июля 1977 г., спустя почти 5 часов после начала первого ЯМР-теста, было получено первое изображение среза человеческого тела на первом прототипе МР-сканера.

Первоначально отношение к МРТ было далеко не всегда однозначным. В 1970-х гг. несколько сотен демонстрантов собрались перед центральной больницей одного из американских городов, возражая против установки ЯМР-томографа. Отсутствие понимания сути явления ядерного магнитного резонанса и предположение о его связи с использованием радиоактивных элементов вызвали протест общественности. Главным требованием было установить томограф на безопасном расстоянии от центра города и любой пригодной для жилья области. Кроме того, отсутствие мер безопасности также вызывало беспокойство демонстрантов.

В СССР первый МР-томограф был установлен в 1984 г. в отделе томографии Кардиологического научного центра АМН. Там же в 1994 г. был установлен и первый сверхпроводящий высокопольный томограф.

В период c 1980-х гг. по настоящее время продолжалось развитие ЯМР-методов и оборудования. В 1993 г. был создан функциональный МРТ (fMRI), позволяющий создавать карту функций различных областей мозга. Развитие fMRI открыло новое применение EPI метода в картографии областей мозга, ответственных за мышление и контроль движения. В 1994 г. в Государственном университете Нью-Йорка было осуществлено отображение гиперполяризованного Xe газа для исследования дыхания. Сегодня МРТ используется не только в медицине для создания анатомических изображений с пространственным разрешением менее 1 мм, изучения потоков крови, перфузии, диффузии, функций органов, но и в химии, физике, биологии, технике и связанных с ними областях.