Kilka lat temu na całym świecie zyskały popularność magnetyczne bransoletki, których posiadacze szczerze uwierzyli, że są teraz niezawodnie chronieni przed wszelkimi ludzkimi dolegliwościami.
Nie spierając się o to, czy jest to prawda, czy fałsz, przypomnijmy, że już w XVIII wieku znany lekarz Mesmer próbował leczyć swoich pacjentów „magnetyczną wodą”. Później właściwości lecznicze magnesu badali tacy luminarze światowej medycyny jak Charcot, Durval, Botkin i Helmholtz. Obecnie jednoznacznie ustalono, że w chorobach wyraźnie zmieniają się magnetyczne właściwości krwi. Dlatego współcześni lekarze z powodzeniem stosują pole magnetyczne, aby na przykład zmniejszyć ból pacjenta podczas operacji lub w leczeniu rwy kulszowej i nadciśnienia.
 |
Tymczasem pracownicy jednego z laboratoriów Brooklyńskiego Centrum Medycznego, kierowani przez doktora Raymonda Damadiana, są przekonani, że magnes pomoże na czas rozpoznać i wyleczyć jedną z najbardziej tajemniczych chorób stulecia — nowotwory złośliwe. Krótko mówiąc — raka. Gwarancją tego jest udana seria eksperymentów opracowanych i przeprowadzonych przez brooklyńskich lekarzy.
Wszystko zaczęło się od tego, że badacze zastanowili się, jak zastosować w medycynie dobrze znane fizykom zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego. Przypomnijmy w skrócie jego istotę. Atomy wielu substancji przypominają maleńkie magnesy. Jeśli dostarczy się im dodatkowej energii za pomocą ukierunkowanego promieniowania magnetycznego, którego częstotliwość pokrywa się z ich własną, atomy pochłaniają energię impulsu i zaczynają rezonować niczym kamerton.
W tym czasie atomy przechodzą na wyższy poziom energetyczny. Jednak gdy tylko impuls radiowy zanika, rezonans ustaje, a atomy, wracając do poprzedniego stanu, emitują nadmiar energii. Promieniowanie to można „wyłapać” za pomocą odbiornika radiowego.
Doktor Damadian i jego współpracownicy postanowili spróbować zastosować efekt jądrowego rezonansu magnetycznego do diagnostyki chorób nowotworowych — wszak większość atomów pierwiastków wchodzących w skład organizmu człowieka również posiada właściwości magnetyczne.
Badania prowadzono na styku dwóch, pozornie odległych od siebie dziedzin — fizyki i medycyny — dlatego laboratorium doktora wyglądało nietypowo. Obok aparatury medycznej i klatek z doświadczalnymi zwierzętami piętrzyły się skomplikowane urządzenia elektroniczne, spawarka, deska kreślarska, kalki i odbitki techniczne. Nad wszystkim górował dwumetrowy pierścień o złożonej konstrukcji. To właśnie główne urządzenie, za pomocą którego naukowcy opracowują metodę wczesnego rozpoznawania nowotworów złośliwych. Wewnątrz pierścienia — a dokładniej potężnego nadprzewodzącego magnesu, zdolnego wytwarzać jednorodne pole o natężeniu 1000 gausów — bez trudu mieści się dorosły człowiek. Unikalną konstrukcję zaprojektowali i zbudowali w dużej mierze sami lekarze.
Swoje doświadczenia rozpoczęli od standardowych elektromagnesów. Aby przekształcić je w nadprzewodniki, uzwojenia elektromagnesów chłodzono ciekłym helem (do 4 K). Od tej pory elektromagnesy generowały pole o bardzo stabilnych parametrach. Po wzbudzeniu nie wymagały już dodatkowej energii.
Aby wywołać jądrowy rezonans magnetyczny w pierwszych prototypach aparatury, naukowcy zastosowali specjalny spektrometr, wysyłający impulsy radiowe do cewki, wewnątrz której znajdował się obiekt eksperymentu. Po otrzymaniu określonej dawki energii atomy tkanek zaczynały rezonować. Gdy tylko dopływ impulsów radiowych ustawał, wracały one do poprzedniego poziomu energetycznego. Emitowana przy tym energia była wychwytywana przez cewkę i poprzez wzmacniacze trafiała na ekran oscyloskopu. Naukowcy wiedzieli, że komórki nowotworów złośliwych zawierają około 90% wody (w zdrowych tkankach — około 70%), a cząsteczki w chorych komórkach poruszają się szybciej niż w normalnych. W konsekwencji charakterystyki obu typów tkanek w warunkach jądrowego rezonansu magnetycznego są zupełnie różne.
Różnice te można wykryć na podstawie czasu zaniku rezonansu atomów wodoru — innymi słowy, czasu relaksacji. Po serii eksperymentów naukowcy stwierdzili, że w tkankach dotkniętych nowotworami złośliwymi relaksacja zachodzi niemal trzykrotnie szybciej niż w tkankach zdrowych. Dane te uzyskano w doświadczeniach, w których stosowano krótkotrwały (100 µs) impuls radiowy.
 |
| Na zdjęciach: pacjent w magnetycznym pierścieniu; telewizyjny obraz klatki piersiowej |
Jeżeli natomiast zastosować ciągłe promieniowanie radiowe w wąskim paśmie częstotliwości (dla wodoru w zakresie 24,1–24,2 MHz), to częstotliwości drgań atomów pierwiastka będą zależeć od ich położenia w cząsteczce. Na oscyloskopie pojawi się seria impulsów o różnej amplitudzie, na podstawie których można wnioskować o budowie chemicznej badanej substancji. Łatwo się o tym przekonać, spoglądając na oscylogramy znajdujące się w laboratorium doktora Damadiana. Na przykład, porównując rezonans atomów fosforu w tkankach zdrowych i zmienionych chorobowo, naukowcy odkryli, że część impulsów charakterystycznych dla tkanki normalnej nie występuje w zapisach tkanki „chorej”. Zdaniem współpracowników Damadiana wystarcza to do wczesnej diagnostyki nowotworów.
Jednak gdy tylko naukowcy przeszli od badania pojedynczych próbek tkanek do żywego organizmu, pojawiły się poważne problemy. W organizmie tkanki chore są otoczone zdrowymi i początkowo niemal niemożliwe było rozdzielenie sygnałów pochodzących z tkanek zmienionych i prawidłowych. Kolejną trudnością było to, że w seryjnych pierścieniowych magnesach z uzwojeniem nadprzewodzącym było miejsce jedynie dla niewielkich zwierząt laboratoryjnych, podczas gdy celem eksperymentów Damadiana była diagnostyka nowotworów u ludzi. Lekarzom przyszło więc na pewien czas opanować zawody obliczeniowca, inżyniera i robotnika.
Aby wyodrębnić sygnały z poszczególnych obszarów ciała, stworzyli system ogniskowania pola magnetycznego. Teraz na oscyloskopie rejestrowano impulsy pochodzące z ściśle ograniczonej przestrzeni, której średnica nie przekraczała 6 mm. W ten sposób badacze nauczyli się wzbudzać jądrowy rezonans magnetyczny w dowolnym punkcie ludzkiego ciała, określając tym samym skład chemiczny tkanki.
Znacznie więcej pracy wymagała budowa gigantycznego elektromagnesu. Doktor Damadian i jego współpracownicy spędzili wiele czasu nad obliczeniami i rysunkami. Gdy jednak projekt był gotowy, okazało się, że żadna amerykańska firma nie jest w stanie zbudować takiego „pierścienia”. Producentów odstraszyła sama konstrukcja unikalnej instalacji: jak zapewnić wysoką precyzję elementów uzwojenia, których połączenia muszą mieć ponadto niezwykle niską rezystancję? Jak zagwarantować wyjątkowo niezawodne spawanie zbiorników przeznaczonych do przechowywania ciekłego azotu i helu, schłodzonych do ultraniskich temperatur? Po raz kolejny do pracy zabrali się sami naukowcy. Pracując po 16 godzin na dobę, w ciągu pięciu tygodni doktorzy Goldsmith i Stanford nawinęli z drutu tytanowo-niobowego 48 km uzwojenia supermagnesu. Na szczęście stop ten nie wymaga spawania i wszystkie połączenia udało się wykonać metodą „na zimno”.
 |
| Na wykresie: porównawcza zawartość fosforu w zdrowych i zmienionych chorobowo mięśniach. |
Następnie badacze zajęli się zbiornikami na skroplone gazy. Opanowawszy tajniki fachu profesjonalnych spawaczy, po czterech miesiącach stworzyli oryginalne elektrody: standardowe nie nadawały się do tego celu, gdyż nie gwarantowały wymaganej szczelności układu chłodzenia, składającego się z trzech koncentrycznych zbiorników. W pierwszym zbiorniku, wypełnionym ciekłym helem, znajduje się sam magnes. Ten z kolei jest umieszczony w drugim zbiorniku (z ciekłym azotem). Całość umieszczona jest jakby w obudowie, z której wypompowano powietrze. Czy nie przypomina to dobrze znanego wszystkim naczynia Dewara, tylko o nietypowym kształcie?
I oto wreszcie instalacja zaczęła działać, zapewniając stałe, jednorodne pole magnetyczne o natężeniu 1000 gausów. Badany obiekt lub osoba przemieszcza się wewnątrz pierścienia w taki sposób, aby punkt ogniskowania, ustalony w jego centrum, wykonywał niejako poprzeczny przekrój przez całą głębokość ciała. W tym czasie specjalna cewka, umocowana na badanym, „wychwytuje” sygnały jądrowego rezonansu magnetycznego. Sygnały trafiają do komputera, który przekształca je w umowny obraz barwny (kod barwny zbudowany jest zgodnie z częstotliwością sygnału wejściowego), widoczny na ekranie telewizora (zob. rys.).
W ten sposób, bez użycia skalpela, lekarze wnikają w organizm człowieka, poznając skład chemiczny tkanek. Na podstawie zmian intensywności sygnałów od atomów wodoru wnioskują o zawartości wody w tkankach. Jeżeli jest jej nienaturalnie dużo, pora bić na alarm — to niewątpliwy znak złośliwej degeneracji tkanek.
W decydującym eksperymencie rolę „królika doświadczalnego” przypadła pracownikowi laboratorium, doktorowi Minkowowi. Umocowawszy na klatce piersiowej cewkę generatora impulsów, zajął on miejsce wewnątrz magnetycznego pierścienia na siedzeniu z napędem mechanicznym. Pole magnetyczne jakby prześwietlało teraz jego ciało w jednej płaszczyźnie. Na ekranie telewizora pojawiały się kolorowe kwadraty, niosące informacje o składzie chemicznym tkanek.
Wyniki tego eksperymentu przerosły najśmielsze oczekiwania uczestników. Obszar aorty, którym płynęła krew, wyglądał na ekranie jak wyraźna pomarańczowa plama, natomiast płuca wypełnione powietrzem dawały słaby sygnał. Na ekranie ich obszar był zabarwiony na ciemnoniebiesko. Gdyby płuca Minkowa były dotknięte rakiem, guz ukazałby się jako nienormalnie jasna plama.
Mimo sukcesu doktor Damadian i jego współpracownicy zdają sobie sprawę, że przed nimi jeszcze wiele pracy.
Niemniej już teraz można powiedzieć, że odkrycie doktora Damadiana to kolejny krok na drodze do zwycięstwa nad jedną z najstraszniejszych chorób. I kto wie — być może naukowcy stworzą instalacje magnetyczne generujące promieniowanie o takiej częstotliwości i mocy, że chore komórki zaczną się rozpadać, a zdrowe po prostu go nie odbiorą. Jednak od eksperymentów z gigantycznym magnesem do kliniki prowadzą jeszcze długie lata pracy...