La storia relativa alla nascita della risonanza magnetica nucleare utilizzata nel campo dell’imaging diagnostico è direttamente correlata, anche se più tardiva, alle scoperte relative alle proprietà magnetiche degli atomi.
Tra i primi a documentare lo spin e il momento magnetico Wolfgang Pauli nel 1924, e in seguito nel 1925, Ralph Kronig, George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit fornirono altri elementi importanti per la spiegazione di questo effetto.
E’ possibile trovare molti articoli sulle riviste internazionali, anche con date intorno agli inizi del 1900
11 March 1915 – Resonance of Sodium Vapour in a Magnetic Field – R. J. STRUTT – Nature 95, 33-33 doi:10.1038/095033a0
27 December 1924 – Polarisation of Resonance Radiation in Magnetic Fields – A. ELLETT Nature 114, 931-932 doi:10.1038/114931a0
9 November 1946 – Nuclear Magnetic Resonance and Spin Lattice Equilibrium – B. V. ROLLIN – Nature 158, 669-670 doi:10.1038/158669a0
1 September 1956 – Magnetic Resonance: Symposium at Bangor – Nature 178, 459-459 doi:10.1038/178459a0
30 July 1960 – Nuclear Magnetic Resonance – L. M. JACKMAN – Nature 187, 358-358 doi:10.1038/187358a0
28 October 1961 – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Proteins: The Hydrogen Bonding of Water in Bovine Serum Albumin Solutions – F. A. BOVEY – Nature 192, 324-326 doi:10.1038/192324a0
16 March 1963 – Course in Nuclear Magnetic Resonance Techniques – Nature 197, 1054-1054 doi:10.1038/1971054d0
Wolfgang Pauli e Ralph Kronig
George Uhlenbeck e Samuel Goudsmit
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Il fisico americano Isidor Rabi (premio Nobel per la Fisica nel 1944) ha osservato dei fenomeni relativi all’effetto di risonanza magnetica durante degli esperimenti, ma li aveva interpretati come degli artefatti casuali.
L’utilizzo della Rm come strumento per l’analisi molecolare e della struttura dei materiali valse il premio Nobel per la fisica nel 1952 a due ricercatori statunitensi: Felix Bloch dell’Università di Stanford ed Edward Purcell dell’Università di Harvard, due fisici che, nel 1946, intrapresero indipendentemente il primo esperimento sulla risonanza magnetica. Scoprirono che determinati nuclei posizionati in un campo magnetico potevano assorbire l’energia di una radiofrequenza con caratteristiche specifiche per poi tornare allo stato iniziale cedendo l’energia ricevuta.
Alcuni articoli di Purcell
Nuclear Magnetism in Relation to Problems of the Liquid and Solid States – E. M. Purcell
Science 30 April 1948: 433-440. [DOI:10.1126/science.107.2783.433]
Research in Nuclear Magnetism – E. M. Purcell
Science 16 October 1953: 431-436. [DOI:10.1126/science.118.3068.431]
Felix Bloch e Edward Purcell
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La relazione tra la frequenza di precessione degli spin e la forza del campo magnetico è stata spiegata da Joseph Larmor, proprio da quella che viene chiamara la Relazione di Larmor, ed è anche da questa che potrebbe essere nato il nome di RMN (Risonanza con relazione diretta tra un Magnete e i Nuclei degli atomi). Gli studi di spettroscopia RM da quel momento iniziarono ad essere sempre più sviluppati, soprattutto per campioni di piccole dimensioni e con magneti molto compatti.
Joseph Larmor
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L’inventore della prima apparecchiatura per risonanza magnetica per lo studio del corpo fu l’americano Raymond Vahan Damadian, laureato in medicina e specializzato in nefrologia, biofisica, biochimica.
Damadian studiò lo spettro del sodio e del potassio in cellule animali, riuscendo a realizzare un’apparecchiatura in grado di captare le emissioni radio degli atomi sottoposti a un campo magnetico e sollecitati da radiofrequenze. Nel 1971, riuscì a dimostrare che le cellule tumorali dei topi hanno tempi di rilassamento più elevati rispetto a quelli delle cellule sane, anche se le sue intenzioni non erano quelle di produrre immagini morfologiche ma solo dati quantitativi sulle caratteristiche tissutali. Dopo alcuni studi propose al mondo scientifico di prendere in considerazione la risonanza magnetica per la rivelazione delle malattie dell’uomo. Nel 1972 brevettò la prima apparecchiatura Rm per lo studio del corpo umano ma, nonostante un certo interesse da parte dell’opinione pubblica, il suo lavoro venne screditato dai suoi colleghi.
Ecco alcuni articoli du Damadian e colleghi.
Tumor Detection by Nuclear Magnetic Resonance – Raymond Damadian
Science 19 March 1971: 1151-1153. [DOI:10.1126/science.171.3976.1151]
www.sciencemag.org/content/171/3976/1151.full.pdf?sid=9c265632-683b-465f-b030-3ca920badeac
Phosphorus-31 as a nuclear probe for malignant tumors
KS Zaner and
R Damadian
Science 29 August 1975: 729-731. [DOI:10.1126/science.168642]
Field focusing nuclear magnetic resonance (FONAR): visualization of a tumor in a live animal
R Damadian,
L Minkoff,
M Goldsmith,
M Stanford,
and J Koutcher
Science 24 December 1976: 1430-1432. [DOI:10.1126/science.1006309]
Nel 1973, 16 marzo, il fisico Paul C. Lauterbur ottenne le prime immagini RM di un oggetto campione costituito da piccoli tubi contenenti acqua. Per la ricostruzione dell’immagine ebbe l’idea di usare dei gradienti di campo magnetico per poter ricavare informazione circa la posizione degli atomi. L’immagine risultante fu realizzata attraverso una tecnica di retroproiezione simile a quella usata in TAC. Pubblicò un articolo “Image formation by induced local interaction; examples employing magnetic resonance” sulla rivista sceintifica Nature. Avrebbe denominato questa tecnica la “zeugmatography ” anche se inizialmente non destarono interesse nell’ambiene scientifico, ma è il passo che determinò il passaggio dalla misurazione a zona singola alla misurazione con localizzazione spaziale, quindi la base dell’imaging clinico attuale.
Positron Tomography and Nuclear Magnetic Resonance Imaging
Gordon L. Brownell,
Thomas F. Budinger,
Paul C. Lauterbur,
and Patrick L. MCGeer
Science 5 February 1982: 619-626. [DOI:10.1126/science.215.4533.619]
Nuclear magnetic resonance technology for medical studies
TF Budinger and
PC Lauterbur
Science 19 October 1984: 288-298. [DOI:10.1126/science.6385252]
Paul C. Lauterbur
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Il primo articolo disponibile in rete che siamo riusciti a reperire, risale al 1974 Characterization of malignant thyroid gland tissue by magnetic resonance methods – British Journal of Cancer (1974) 29, 483–486. doi:10.1038/bjc.1974.101 http://www.nature.co…jc1974101a.html dove però si descrivevano sempre solo studi di spettroscopia RM.
Anche se non si pensava che ci potessero essere effetti dannosi sulle persone, l’utilizzo della risonanza magnetica non era ancora stato sperimentato sugli esseri umani. Le prime immagini sono state prodotte nel 1976 da Peter Mansfield su un dito, nel 1977 Paul Bottomley e Waldo Hinshaw produssero un immagine di un polso, e nel 1978 laElectrical and Musical Industries (EMI) produsse la prima immagine del parenchima cerebrale.
Nel 1975 Richard Ernst propose un processo di codifica di fase e di codifica in frequenza delle radiofrequenze e l’introduzione della trasformata di Fourier nell’analisi dei dati ottenuti.
Richard Ernst
L’intuizione di Ernst fu utilizzata nel 1980 da Edelstein ed i suoi collaboratori. Grazie alla codifica delle rf il tempo richiesto per l’acquisizione di ogni singola immagine scese a circa cinque minuti. Nel corso degli anni, le nuove tecniche di ricostruzione, consentirono un accorciamento notevole e già nel 1986, il tempo richiesto per produrre immagini era ridotto a circa cinque secondi. Nello stesso anno alcuni studiosi svilupparono il microscopio a risonanza magnetica nucleare, in grado di raggiungere una risoluzione prossima ai 10 µm su campioni di circa un centimetro.
Nel 1977 finalmente, il gruppo di Damadian con la FONAR (Field fOcused Nuclear mAgnetic Resonance), realizzò Indomitable, ossia il primo scanner a risonanza magnetica per lo studio del torace umano. Lo scanner, che utilizzava un campo magnetico fisso, delle radio frequenze e dei gradienti di campo, consentì di ottenere le prime immagini del cuore, mediastino e polmoni di un uomo: Larry Minkoff, uno studente di Damadian. L’esperimento durò diverse ore. Nello stesso anno, Peter Mansfield mostrò come i segnali radio provenienti dalla RM possono essere matematicamente analizzati, trasformandoli in una immagine utile a fini diagnostici e sviluppo’ la tecnica di imaging eco-planare (EPI), che rese possibile l’ottenimento veloce di immagini.
Larry Minkoff
Sempre agli inizi degli anni 80 alcuni gruppi associati a case costruttrici iniziarono a produrre apparecchiature di risonanza magnetica per studi in vivo per studio del corpo umano.
In Inghilterra alcuni gruppi iniziarono a lavorare su queste apparecchiature, la prima in Europa fu installata dalla Picker nel 1983 nel Department of Diagnostic Radiology at the University of Manchester Medical School.
Nell’aprile del 1977 da AM. GCOLDSMITH, J. A. KOUTCHER e R. DAMADIAN sulla rivista Br. J. Cancer pubblicano un articolo dal titolo NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IN CANCER, XII: APPLICATION OF NMR MALIGNANCY INDEX TO HUMAN LUNG TUMOURS completamente consultabile al link http://www.nature.co…jc1974101a.html seguito da un articolo simile un anno più tardi.
Segnaliamo invece l’articolo che sicuramente rimarrà nella storia della risonanza magnetica, pubblicato da W. S. HINSHAW, P. A. BOTTOMLEY & G. N. HOLLAND il 22 Dicembre 1977 in Nature 270, 722-723 () | doi:10.1038/270722a0, dal titolo Radiographic thin-section image of the human wrist by nuclear magnetic resonance. L’introduzione cita: “Presentiamo con questo articolo un immagine che mostra la distribuzione di protoni mobili in una sezione sottile di un polso umano. L’immagine è stata prodotta con tecnica Risonanza Magnetica Nucleare e consiste un 128×128 elementi unici con una risoluzione di circa 0,4mm. Per la prima volta un immagine RM può essere comparata in qualità con quelle delle tomografie per raggi-x”.
Tra i primi articoli usciti sull’AJR troviamo AJR November 1, 1981 vol. 137 no. 5 895-901 Magnetic Resonance Properties of Hydrogen: Imaging the Posterior Fossa, AJR February 1, 1982 vol. 138 no. 2 201-210 Nuclear Magnetic Resonance Imaging: The Current State
Nel 1987 grazie all’utilizzo della tecnica l’EPI fu realizzata per la prima volta l’acquisizione di immagini in tempo reale di un singolo ciclo cardiaco. Nello stesso anno Charles Dumoulin si distinse per le sue scoperte nell’ambito agiografico riuscendo a realizzare immagini di angiorisonanza senza l’utilizzo di liquido di contrasto.
Nel 1991 Richard Ernst ricevette il premio Nobel per la Chimica per i suoi risultati sulla trasformata di Fourier pulsata utilizzata nelle indagini RM. Nel 1992 si avviò lo sviluppo della RM funzionale (fMRI), finalizzata alla costruzione di una mappa del cervello umano sulla base della risposta agli stimoli esterni e all’individuazione delle regioni del cervello responsabili del controllo del pensiero e del movimento.
Nel 1994 i ricercatori delle Universita’ di Stony Brook e Princeton nello stato di New York (USA) sperimentarono con successo l’imaging del gas 129Xe iperpolarizzato per studi respiratori.
Nel 2003 Paul C. Lauterbur dell’Universita’ dell’Illinois e Peter Mansfield dell’Universita’ di Nottingham sono stati insigniti del premio Nobel per la Medicina per le loro scoperte nel campo dell’imaging con risonanza magnetica.
Biblografia e Riferimenti:
– http://www.isbe.man….%20of%20mri.htm
– http://inventors.abo…tions/a/MRI.htm
– http://mri-brain.com…-mri-for-brain/
