עמוד הבית > מדעים > רפואה וקידום הבריאותעמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > מערכות הדמייה
אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה


תקציר
תהודה מגנטית גרעינית (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) התפתחה בחצי יובל השנים האחרונות מתאוריה מדעית בתחומי הכימיה הפיסיקלית למכשיר טכנולוגי המשמש אמצעי מחקר ואבחון רפואי המתקדם ביותר.



מי מפחד מ - NMR? : רותמים את תופעת התהודה המגנטית הגרעינית לתועלת האדם
מחבר: פרופ' עפר קפלן



 

רקע היסטורי


תהודה מגנטית גרעינית (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) התפתחה בחצי יובל השנים האחרונות מתאוריה מדעית בתחומי הכימיה הפיסיקלית למכשיר טכנולוגי המשמש אמצעי מחקר ואבחון רפואי המתקדם ביותר. התופעה של תהודה מגנטית גרעינית נתגלתה לראשונה, בו-זמנית, על ידי שתי קבוצות חוקרים במכון המחקר הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT) ובאוניברסיטת סטנפורד שבקליפורניה בשנת 1945. בדומה לגילויים מדעיים אחרים זירזה התחרות בין שני מוסדות אקדמיים יוקרתיים אלה את התפתחות הנושא ואת קידומו. המדענים הראשיים בכל אחת מקבוצות המחקר, ד"ר פורסל אדוארד מילס (Edward Mills Purcell) מ-MIT וד"ר פליקס בלוך (Felix Bloch) מסטנפורד, זכו במשותף בפרס נובל בפיסיקה בשנת 1952 לאות הכרה על הישגיהם ותרומתם החלוציים בתחום זה.
השימוש הראשון בתהודה מגנטית גרעינית היה בשטח הכימיה, לזיהוי מבנה של חומרים. גם הפעם הגילוי ופרסום המידע נעשו על ידי שתי קבוצות חוקרים שונות באותה עת. כתוצאה מכך הוחל בתחילת שנות ה-50 של המאה הקודמת בייצור מסחרי של מכשירי NMR, ושיטה זו הפכה אמצעי ראשון במעלה לבדיקות ולאנליזות כימיות בתעשייה הכימית ובתעשיית התרופות.
תופעת התהודה המגנטית התגלתה על ידי מדענים, אך נרתמה עד מהרה לפיתוח טכנולוגי ששימש בתעשייה. מקורו של ה-NMR הוא, אם כן, בגילוי תופעה מדעית והמשכו בפיתוח טכנולוגי.
לעתים, מקדים הפיתוח הטכנולוגי את פריצת הדרך המדעית. מדע האסטרונומיה עבר מהפכה עם פיתוח הטלסקופ, שהביא אותות ונתונים מעולמות מרוחקים. בדומה לכך אפשר לטעון, כי התהודה המגנטית הגרעינית חוללה מהפכה בביולוגיה וברפואה ואפשרה לראשונה לצפות באותות מאטומים במולקולות המשתתפות בתהליכים ביולוגיים תוך כדי התרחשותם ברקמות ובאיברי הגוף ולעקוב אחריהם.
ניסיונות לשימוש ב- NMR בביולוגיה וברפואה החלו כבר בשנות ה-50. הם התרכזו בבדיקות של נוזלי הגוף ולא הניבו תוצאות מרשימות. שיפורים טכנולוגיים במכשור ובעיבוד הנתונים הרחיבו את היכולת של האמצעי הטכנולוגי לזהות חומרים תוך- תאיים, ובתחילת שנות ה-70 נעשו המחקרים הראשונים על תאי דם אדומים. בתוך שנים אחדות פורסמו תוצאות ונתונים ביוכימיים מבדיקות של מגוון רחב מאוד של תאים מגוף האדם ומתאי צמחים וחיידקים שנעשו בשיטת NMR. כיום משתמשים בטכניקה זו לבירור ולאבחון מחלות הקשורות בפגיעות בחילוף החומרים כמו, למשל, מחלות ניוון שרירים מולדות, אך רוב המחקר בעזרת התהודה המגנטית נעשה בהקשר למחלת הסרטן.
האמצעי הטכנולוגי פתח צוהר למחקר הביולוגי ונתן לחוקר אפשרות להבין תהליכים המתרחשים בתוך התאים. הטכנולוגיה היא הנותנת למדע דחיפה קדימה.
נוסף לשימוש בתהודה המגנטית הגרעינית במחקר הרפואי משמשת טכנולוגיה זו ברפואה להדמיית הנעשה בתוך הגוף. ההדמיה מבוססת על תכונות מגנטיות של גרעיני אטומי המימן שבמים הנמצאים בגוף האדם. שיטה זו מכונה(MRI) Magnetic Resonance Imaging (הדמיה על ידי תהודה מגנטית), והיא תוארה לראשונה על ידי ד"ר פול כריסטיאן לאוטרבור (Paul Christian Lauterbur) מניו יורק ב-1973. באמצעותה ניתן למפות ולקבל תמונות של איברים ורקמות הגוף, ויש לה יתרונות על פני בדיקות ההדמיה המסורתיות הנעשות באמצעות קרני רנטגן. מכשירי MRI מסחריים יוצרו לראשונה לפני כ-20 שנים, וכיום הם נמצאים בכל מכון הדמיה ראוי לשמו ומהווים אמצעי חשוב וחיוני בתהליכי האבחון והטיפול של מחלות רבות.
בהדמיה הרפואית משמשת התהודה המגנטית הגרעינית אמצעי טכנולוגי לשיפור הטיפול הרפואי למען רווחתו הגופנית של המטופל ולשיפור בריאותו. זהו תפקידו ה"קלסי" של אמצעי טכנולוגי - להביא רווחה לאדם בתחומים שונים.



 

מהי תהודה מגנטית גרעינית?


התהודה המגנטית הגרעינית היא שילוב של שתי תופעות: א. התכונה של החומר להימשך למגנט ו-ב. עקרון התהודה.
עקרון התהודה קובע שהתנודות של מערכת כלשהי ילכו ויתגברו, אם גורם מבחוץ יפעל עליה בתדירות השווה לתדירות שלה עצמה. למשל, אם נדחוף נדנדה בקצב "שלה", ילכו התנודות שלה ויגברו. אך אם נדחוף אותה בקצב מהיר מדי או אטי מדי, תיעצר הנדנדה. באותו אופן, תנודות מיקרוסקופיות יתרחשו בחלקיקים של חומר, אם נקרין אותם בקרינה אלקטרומגנטית (קרינת אור, קרינת רדיו, קרינת רנטגן ועוד) בעלת תדירות השווה לתדירות העצמית של החלקיקים.



 

כיצד יוצרים תהודה מגנטית?


גרעיני האטומים של היסודות השונים מפוזרים בחומר בצורה אקראית, אך כאשר הם נמצאים בין הקטבים של מגנט, הם מסתדרים לאורך ציר המגנט בדומה לכיווני צפון ודרום שלו. גרעיני האטומים אינם נמצאים במצב זה בצורה סטטית, אלא נעים ומחליפים כיוון (צפון/דרום) בהתמדה בתדירות גבוהה הקרויה תדירות המעבר. לכל יסוד כימי, כגון: מימן, חנקן וכו' יש תדירות מעבר ספציפית התלויה בעוצמת השדה המגנטי. כאשר מקרינים גרעינים אלה בהיותם בתוך המגנט בקרינה אלקטרומגנטית באמצעות משדר בתדירות הזהה לתדירות המעבר של הגרעינים, או-אז מתקיימים התנאים לתהודה. הגרעינים קולטים אנרגיה מהקרינה האלקטרומגנטית ומחליפים כיוון בתוך השדה המגנטי. אחר כך חוזרים גרעיני האטומים למצב הקודם תוך כדי פליטת קרינה (פליטת אנרגיה). קרינה זו נקלטת ומתורגמת לאותות (signals) המוצגים על גבי מסך. אפשר לדעת ולמדוד אילו אטומים היו בתוך המגנט ומה כמותם על פי האותות המשקפים את תדירות המעבר שלהם.




 

מכשיר ה-NMR


כדי לנצל את יכולת התהודה המגנטית לגלות ולזהות חומרים, יש צורך במגנטים חזקים מאוד, מאחר שככל שהמגנט חזק יותר, תדירות המעבר של גרעיני האטומים גבוהה יותר, וההפרדה בין האותות השונים טובה יותר. כמו כן, ככל שהמגנט חזק יותר, ניתן לאסוף יותר מידע בכל בדיקה בפרק זמן מסוים. לכך יש חשיבות בבדיקות תפקוד ביולוגיות. עוצמת השדה המגנטי נמדדת ביחידות המכונות טסלה (tesla). לשם המחשה נציין, כי עוצמת מכשירי NMR מודרניים גדולה יותר מפי 100,000 מהמגנטים המוכרים המשמשים להצמדת פתקים ורשימות קניות.
מכשיר NMR נראה כמכל בצורת גליל גדול (דומה ל"טרמוס"). באמצעיתו יש חלל צר שבו מושמות הדגימות, ובו גם מותקנים המשדר והמקלט של הקרינה האלקטרומגנטית.
פיתוח מכשיר ה-NMR חייב גם התקנת אמצעים שיוכלו להפעיל ולפענח את המידע, ומחשוב היה חלק אינטגרלי בטכנולוגיה של שיטה זו. שכלולה חייב שימוש במחשבים חזקים יותר, ואכן מכשירי ה-NMR השתכללו במקביל להתפתחות המחשבים. מכשור זה הוא מורכב ויקר מאוד, ועלות מכשירNMR עולה כיום על מיליון דולר.



 

בטיחות השיטה


האם שדות מגנטיים בעוצמות המשמשות לבדיקה או להדמיה עלולים לגרום פגיעות ונזקים לרקמות האדם? שאלה זו נבדקה במספר רב של מחקרים, ונמצא כי מדובר בשיטה בטוחה ללא תופעות לוואי (בניגוד לקרינת רנטגן). ניתן להשתמש בתהודה מגנטית גרעינית גם לאבחון נשים בהיריון. עם זאת, עוצמות אלה של המגנטים עלולות לפגוע בתפקוד של קוצבי לב וכן באנשים עם שתלים מתכתיים (למשל, מסתם לב מלאכותי). על כן יש להיזהר מאוד בשימוש בתהודה מגנטית גרעינית לבדיקת אנשים אלה. זהירות מיוחדת יש לנקוט גם בשימוש במכשירים מתכתיים כמו, למשל, מספריים בסמוך למגנט, משום שהם עלולים להימשך אליו בכוח רב ובמהירות גבוהה מאוד ולפגוע במי שנמצא במסלולם.



 

תהודה מגנטית בחקר הסרטן


מחלות ממאירות הן גורם התמותה השני בשכיחותו בעולם המערבי. על פי תחזיות המומחים, בעוד שנים לא רבות תעלה התמותה ממחלות אלה על התמותה ממחלות לב וכלי דם, שהן סיבת התמותה השכיחה ביותר כיום. סרטן הוא שם כולל למגוון רחב של מחלות, שלכולן יש בסיס משותף, והוא - שינוי בחומר הגנטי של התאים (ה-DNA) המקנה להם יכולת להתחלק ולהתרבות ללא פיקוח והגבלה. השונות בין סוגי הסרטן גדולה מאוד. שונות זו תלויה בסוגי התאים והאיברים הנגועים, במהות השינויים הביוכימיים, בקצב ההתקדמות של המחלה וביכולת לשלוח גרורות לאיברים מרוחקים, וכן ברגישות ובתגובה לאמצעי טיפול רפואי שונים (טיפול כימי בתרופות, הקרנות, טיפול הורמונלי ועוד). למרות ההתקדמות הרבה שחלה בחקר הסרטן בשני העשורים האחרונים (התקדמות שניתן לייחס לפיתוח שיטות מתקדמות מאוד בביולוגיה מולקולרית ולתרומה של פרויקט הגנום האנושי), לא חלה עד כה פריצת דרך בטיפול במחלות אלה.
המחקר בתחום זה ענף מאוד, וההערכה היא כי מדי שנה מושקע בו בכל רחבי העולם סכום העולה על 10 מיליארד דולר. המחקר מקיף הן עבודות מעבדה בסיסיות והן פיתוח שיטות אבחון וטיפול רפואי. לתהודה המגנטית יש פוטנציאל שימוש בחקר התהליכים הביוכימיים המלווים את התפתחות הסרטן, בגילוי ובזיהוי חומרים אופייניים לשינויים ממאירים וכן בפיתוח טיפול יעיל שאינו גורם לתופעות לוואי קשות.
היתרון הבולט ביותר של התהודה המגנטית לעומת כל שיטות המחקר האחרות הוא האפשרות לבחון תהליכים ביוכימיים ופיסיולוגיים ללא התערבות במתרחש. כך משמש ה- NMR"חלון" שדרכו מתבוננים החוקרים במתרחש בתוך תאים ורקמות. לעומת זאת, בשיטות אחרות יש צורך בפגיעה או בהפסקה של רצף התהליכים התוך-תאיים כדי לבצע את הבדיקות והמדידות. תהודה מגנטית גרעינית היא שיטה לא פולשנית ולא חודרנית, שלמות התאים והרקמות נשמרת תוך כדי ביצועה, ו"גבולות" ביולוגיים, כגון: דפנות תאים או רקמות חיבור אינם מגבילים אותה. כך ניתן לעקוב אחר התפתחות של שינויים פתולוגיים ואחר השפעות של הטיפול, תוך כדי התרחשותם בגוף האדם. בנוסף, תהודה מגנטית גרעינית מאפשרת זיהוי מגוון רחב מאוד של חומרים ומרכיבים ברקמות ובאיברים על ידי בדיקה של גרעיני אטומים שונים.
לתהודה המגנטית הגרעינית יש, אם כן, יתרונות גדולים בחקר תהליכים תאיים. יתרונות אלה נובעים מהשכלול הטכנולוגי המרשים, ויישומם מקדם את המחקר המדעי בכלל ואת מחקר הסרטן בפרט.
המגבלה העיקרית לשימוש בתהודה מגנטית גרעינית בביולוגיה וברפואה היא הצורך במספר גדול מאוד של גרעינים כדי שיהיה ניתן לקבל אותות ברורים הניתנים למדידה. כמו כן, מדובר בשיטת מחקר מסובכת למדי המחייבת ידע ומיומנות ניכרים, ומרבית הניסיונות במעבדה והבדיקות הרפואיות אורכים זמן רב. כאמור, גם העלות הגבוהה של המכשור והפעלתו עלולים להגביל את השימוש בשיטה זו.



תמונת MRI של מוח עם גידול (בחתך אופקי).


 

"מהפכת" ה-MRI - הדמיה בעזרת תהודה מגנטית


הדמיית איברי הגוף באמצעות MRI מבוססת על תהודה מגנטית של גרעיני המימן הנמצאים ברקמות האדם בריכוזים גבוהים מאוד. ד"ר לאוטרבור גילה שהואיל ותדירות המעבר תלויה בעוצמת השדה המגנטי, הוספת מגנטים קטנים במיקומים קבועים בתוך מגנט גדול-היקף תאפשר קליטת אותות מהגרעינים באזורים שונים בתוך המגנט. כך יהיה ניתן למעשה לקבל אותות רבים מאוד בו-זמנית בכל פעם שתופעל הקרינה האלקטרומגנטית בתוך המגנט. פענוח של האותות השונים על ידי מחשב יכול ליצור מפה של הגרעינים שיצרו אותם, על פי מיקומם במרחב, ובהדמיית גוף האדם - על פי הרקמות והאיברים השונים. המים בגוף האדם נמצאים בריכוזים שונים ברקמות שונות (למשל, ריכוזם נמוך ברקמת שומן וגבוה בכלי דם), ולכן עוצמת האות המתקבל מרקמות שונות שונה בהתאם לכמות המים שבהן. שוני זה בריכוז הגרעינים הוא הרכיב הראשוני בהדמיית MRI, ולפי האותות ניתן לקבוע איזה סוג רקמה נמצא בכל אתר בגוף. אבל בדיקה בשיטת MRI מורכבת בהרבה, כי היא מנצלת תכונות מגנטיות נוספות.
ל-MRI יש יתרונות משמעותיים מאוד על פני אמצעי ההדמיה השכיחים ברפואה, כגון צילומי רנטגן, סריקות על-קול (ultrasound) ומיפוי. יתרונו הגדול הוא יכולת הפרדה מרחבית מצוינת המאפשרת לקבל תמונה ברורה ומפורטת והיכולת לזהות תהליכי מחלה קטנים בגוף. לשיטה זו אין מגבלות של חדירה לגוף, והעצמות אינן מפריעות לקבלת התמונה. כך הביא ה-MRI ל"מהפכה" בתחום האבחון של מחלות וגידולים של המוח וחוט השדרה, משום שעצמות הגולגולת והחוליות המקשות על בדיקות ההדמיה האחרות, אינן פוגמות ביכולת האבחנה של MRI.

ל-MRI יש חשיבות רבה גם באבחון פגיעות ומחלות של הפרקים (לדוגמה, ברכיים ופרקי ירכיים), השרירים ואיברים תוך-בטניים (למשל, כבד, אדרנל וכליה). הבדיקה אינה חודרנית או פולשנית, ואינה כרוכה בתופעות לוואי.
חסרונות השיטה מועטים: רעש הנגרם על ידי המכשיר העלול להטריד מעט את הנבדק, משך בדיקה ארוך יחסית לבדיקות רנטגן ועלות גבוהה. מחירו של מכשיר מודרני עולה על 2 מיליון דולר.
פיתוח הטכנולוגיה של תהודה מגנטית גרעינית הביא לפריצת דרך במספר תחומים ובהם - אנליזות כימיות וייצור חומרים אורגניים ותרופות, חקר הסרטן ושיפור הטיפול בו והדמיה ברפואה. שכלול שיטות ההדמיה מאפשר כיום לאתר באמצעות MRI חסימות בכלי דם, לעקוב אחר רמת החמצון ברקמות שונות ולבצע הדמיה תוך כדי ניתוח לצורך מיקום מדויק של גידולים.
התהודה המגנטית הגרעינית היא אמצעי טכנולוגי שפותח כתוצאה ממחקר מדעי. אמצעי זה ממלא תפקידים רבים בשמירה ובקידום רווחת האדם וחוזר ומשפיע על המחקר המדעי ותורם להתפתחותו.



תמונת MRI של מוח של חולה אלצהיימר (בחתך קדמי אחורי).



פרופ' עופר קפלן הוא חוקר סרטן באוניברסיטת תל אביב ורופא בכיר במחלקה כירורגית בבית החולים איכילוב.

ביבליוגרפיה:
כותר: מי מפחד מ - NMR? : רותמים את תופעת התהודה המגנטית הגרעינית לתועלת האדם
מחבר: קפלן, עפר (פרופ')
תאריך: אפריל 2002 , גליון 15
שם כתב העת: אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה
בעלי זכויות : רמות; אוניברסיטת תל אביב
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב; רמות
הערות: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הערות לפריט זה: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית