A series of articles on “Technology in Medicine” - Part 14

 

Sự Tranh Luận Quanh Giải Nobel Về MRI

 

Trần Trí Năng
 

 

Năm 2003, giải Nobel về Sinh Lư Học hay Y Khoa (Nobel Prize in Physiology or Medicine) được trao cho GS Paul Lauterbur và Sir Peter Mansfield về  MRI (Magnetic Resonance Imaging). Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển (Swedish Academy of Sciences  hay gọi tắt ở đây là HLVKHTĐ) đă cẩn thận trong việc chọn từ bằng cách không đề cập đến áp dụng của NMR (Nuclear Magetic Resonance)  mà chỉ dùng từ “medical imaging” trong bảng tuyên dương công trạng của hai nhà khoa học này để biện minh  cho quyết định của Hàn Lâm Viện. Nên nhớ là MRI bắt nguồn từ nguyên lư vận hành của NMR, một kỹ thuật quan trọng trong ngành hóa học và thịnh hành từ nhiều thập niên trước đó, bắt đầu với Isidor Rabi, Felix Block và Edward Purcell. Sau này để tránh sự có thể hiểu lầm về chất phóng xạ trong cộng đồng y khoa và nhất là bệnh nhân, người ta đă bỏ đi từ “Nuclear” trong “Nuclear Magnetic Resonance” và chỉ dùng từ “Magnetic Resonance” kèm với từ “Imaging” tạo thành cụm từ “Magnetic Resonance Imaging” hay MRI để chỉ máy quét dùng chụp h́nh các bộ phận trong cơ thể con người [1].

Theo nguyên tắc, giải Nobel có thể phát cho đến 3 người. BS Raymond Vahan Damadian hay GS Herman Carr lại không có tên trong danh sách người nhận mặc dù những thành quả nghiên cứu của họ đă góp phần nhiều vào sự thành công của MRI. Ngay trước khi Lauterbur và Mansfield bắt đầu nghiên cứu về MRI, Damadian  đă đeo đuổi công tác nghiên cứu về việc tạo h́nh ảnh MRI dùng trong việc tầm soát ung thư của các cơ quan trong cơ thể con người. Damadian đă khám phá sự khác nhau của T1 và T2 giữa mô b́nh thường (normal tissues)  và mô ác tính (malignant tissues); sau đó tạo ra máy MRI và thành lập hăng FONAR để theo đuổi và cổ động những hoạt đông liên quan đến MRI [2-3]. Năm 1950s, Herman Carr [4-5] báo cáo về cuộn xoắn tạo građiên (gradient coils) dùng để tạo h́nh 2D hay 3D. Thêm vào với sự khám phá của Damadian về triển vọng dùng NMR để chẩn bệnh con người, Paul Lauterbur và Mansfield nới rộng và phát triển phương pháp tạo ra h́nh ảnh MRI hai chiều (2D) hay ba chiều (3D) dùng cuộn xoắn tạo građiên  do Herman Carr đề nghị và thực hiện trước đó. Trong khi Lauterbur và Mansfield chú tâm nghiên cứu h́nh ảnh của thú vật và tay chân con người, Damadian lắp đặt máy MRI đầu tiên để quét (scan) trên toàn cơ thể con người và báo cáo h́nh ảnh MRI đạt được. Để dễ theo dơi, trong bài viết này chúng tôi chỉ chú trọng vào vai tṛ của Lauterbur và Damadian trong việc phát triển MRI. Chúng tôi sẽ không thảo luận vai tṛ quan trọng của Sir Peter Mansfield của University of Nottingham ở đây– người, ngoài việc dùng cuộn xoắn tạo građiên, đă dùng phương pháp toán học Fast Fourier Transform trong việc tái tạo h́nh, cho phép thời gian quét giảm xuống c̣n vài giây để tạo h́nh ảnh thay v́ hàng giờ như trong thí nghiệm của Lauterbur [6]. Phương pháp toán học này của Mansfield trên nguyên tắc cũng giống như những phương thức tạo h́nh của máy chụp cắt lớp vi tính (computed tomography hay CT) hay những phương pháp tạo h́nh khác trong h́nh ảnh y học. Trước những dữ kiện này, chúng ta hăy cùng  thảo luận xem người nào đă đóng vai tṛ chính yếu trong việc phát triển máy chụp cộng hưởng từ MRI: Lauterbur hay Damadian hay cả hai? Damadian cho rằng giải Nobel phải trao cho ông rồi sau đó mới đến Lauterbur; trong khi đó Lauterbur cho rằng chỉ có ông là người đáng được tuyên dương công trạng về phát minh MRI này. Một nhóm chuyên gia có tên là “The Friends of Raymond Damadian” do Damadian thành lập đă đăng một tờ quảng cáo toàn trang phản đối quyết định của HLVKHTĐ trên báo New York Times (hai lần), The Washington Post, The Los Angeles Times và nhiều tờ báo ở ngoại quốc với tiêu đề ” The Shameful Wrong That Must Be Righted”. Mục đích chính của những trang  quảng cáo này là làm cho những hội viên có quyền thẩm định trong HLVTĐ có thể đổi ư và đề tên của Damadian trong danh sách những người lănh giải [7-8]

Hành động này cũng bị một số người lên án chỉ trích  cho rắng Damadian “háo danh”  và không phải là “nhà khoa học chân chính”. Điều này đưa ra những mâu thuẫn nực cười : ít có ai trong chúng ta không háo danh? Mà hễ lên tiếng phản đối quyết định của một cơ quan có nhiều thẩm quyến là bị chụp mũ là “không phải là nhà nghiên cứu chân chính”! Trên thực tế, ít tai có đủ tài chánh để trả tiền đăng một trang quảng cáo toàn trang trên những tờ báo lớn như New York Times hay Washington Post mà biết chắc là kết quả chẳng đi đến đâu! Lịch sử đă nhan nhản chứng minh rằng một khi HLVKHTĐ đă quyết định rồi, họ sẽ không bao giờ thay đổi! 

1. Những kỹ thuật có trước sự phát minh MRI (Prior art)

Theo thiển ư của người viết, Hàn Lâm Viện Khoa Học Thụy Điển đă tuyên dương sự đóng góp của Lauterbur và Mansfield  trong kỹ thuât máy chụp MRI dựa vào hai điểm chính: (i) Lauterbur và Mansfield tạo h́nh 2D (và 3D sau này) bằng cách dùng cuộn xoắn tạo građiên và (ii) Mansfield dùng phương pháp toán học (Fast Fourier Transform hay FFT) để thu ngắn thời gian lấy h́nh MRI xuống c̣n vài giây thay v́ hàng giờ như trong trường họp của Lauterbur. Để t́m hiểu điều này, chúng ta hăy cùng theo dơi các hoạt động trong cộng đồng khoa học trước khi Lauterbur và Mansfield phát biểu h́nh MRI hai chiều. 

1.1 Rabi, Block và Purcell khám phá cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Isidor Isaac Rabi nhận giải Nobel vật lư năm 1944 về việc triển khai kỹ thuật đo lường đặc tính từ học của hạt nhân, thiết lập cơ bản của hiện tượng cộng hưởng hạt nhân (NMR)- môt khám phá được thực hiện vào năm 1937. Hiện tượng này dựa vào sự kiện rằng hạt nhân của nguyên tử trong từ trường sẽ cộng hưởng khi một một từ trường dao động thứ hai (secondary oscillating magnetic field) được áp đặt. Hiện tượng NMR này được phát hiện và cải thiện hoàn toàn độc lập bởi Felix Bloch và Edward Purcell năm 1946. Hai ông này nhận giải Nobel Vật lư vào năm 1952.

Hai ông đă quan sát hiện tượng cho thấy hạt nhân từ (magnetic nuclei) của chẳng hạn như 1H và 31P có thể hấp thụ RF energy khi được đặt trong từ trường và khi RF là một tần số liên hệ đặc biệt đến việc nhận định hạt nhân. Khi sự hấp thụ (absorption) xảy ra, hạt nhân sẽ  “cộng chấn (in resonance)”. Những hạt nhân nguyên tử (atomic nuclei) khác nhau trong phân tử cộng ứng với tần số RF khác nhau trong cùng một cường độ của từ trường.  Sự quan sát của những tần cố cộng hưởng của hạt nhân từ trong  phân tử cho phép các nhà nghiên cứu khám phá những thông tin về hóa học và cấu trúc của phân tử. 

1.2 Carr dùng cuộn xoắn tạo građiên (gradient coils)  để tạo h́nh NMR hai chiều hay ba chiều

Mục đích chính của cuộn xoắn tạo građiên (gradient coils) là cho phép thực hiện sự mă hóa tín hiệu cộng hưởng từ, đưa đến sự biển đổi từ trường theo vị trí không gian (magnetic field gradient). Để dễ theo dơi, người viết dùng chữ “građiên” ở đây thay v́ thuật ngữ “thang từ” thông dụng để biểu hiện một dăy các từ trường có cường độ thay đổi dọc theo một trục trong không gian và v́ thế dùng để mă hóa tín hiệu phát ra ở mỗi vị trí. Biến đổi này sẽ được thêm vào từ trường chính B0, nhằm tạo ra sự biến đổi tuyến tính của từ trường theo một hướng trong không gian (trục x, y hay z). Việc thực hiện građiên liên quan đến: (i) biên độ tối đa (biến đổi từ trường mT/m) nhằm quyết định độ phân giải không gian tối đa (chiều dày lát cắt và phạm vi nh́n); (ii) độ tuyến tính cần phải giữ ở mức độ hoàn chỉnh tối đa trong vùng quét; và (iii) tốc độ quét (slew rate) tương ứng với tốc độ chuyển đổi (switching speed). Cuộn xoắn tạo građiên gồm ṿng dây (loops of wire) hay những tấm dẫn điện mỏng (sheets) đặt trên một ống h́nh trụ (cylindrical sheel) nằm ngay bên trong máy quét MRI. Khi ḍng điện chạy qua những ṿng xoắn này, một từ trường thứ hai ( secondary magnetic field) được tạo ra. Từ trường građiên (gradient field)  này làm sai lệch một ít từ từ trường chính ở  một mức độ có thể đoán trước được, làm tần số cộng hưởng  của proton biến đổi theo vị trí. Chức năng chính của građiên, v́ thế, là cho phép mă hóa không gian của tín hiệu cộng hưởng từ MR.

H́nh 1 biểu hiện toàn hệ thống građiên với những cuộn xoắn được áp đặt trên ống h́nh trụ dọc theo phía ṇng bên trong của máy quét. Lúc đầu, cuộn xoắn tạo građiên được cấu tạo với những đường dây riêng biệt quấn quanh một ống h́nh trụ (cylindrical formers ) làm bằng fiberglass và được phủ bằng một lớp keo epoxy. Ngày nay, hầu hết những máy quét dùng chất siêu dẫn xử dụng cuộn dây quấn theo dạng thức dấu tay “fingerprint” (H́nh 2a) ; cấu tạo này  gồm có một số thanh kim thuộc mỏng hay những tấm đồng lớn được khắc axít  (etched)  thành những dạng thức phức tạp và sau đó được dán vào ống h́nh trụ [9].  

Picture

H́nh 1. Toàn hệ thống građiên biểu hiện  những cuộn xoắn được áp đặt trên ống h́nh trụ dọc theo phía ṇng bên trong của máy quét. Những cuộn xoắn này được truyền động bởi một bộ khuếch đại có công xuất mạnh và hơi nhiệt phát ra được làm nguội bởi một máy làm lạnh bằng nước. Mày này được đặt ở pḥng kế máy chụp MRI. Cuộn xoắn RF, nằm bên trong ṿng xoắn tạo građiên cũng được biểu hiện trong h́nh này [9].  

 

H́nh 2. (a) Cuộn xoắn tạo građiên (gradient coil) với những thanh kim loại mỏng được áp đặt có dạng thức dấu tay (Siemens); và (b) Cuộn xoắn tạo građiên dùng cho ba hướng chủ yếu : x, y và z (Google Image). 

Ba bộ (sets) cuộn xoắn tạo građiên được dùng ở hầu hết các máy chụp MRI: x, y và z građiên. Mỗi bộ cuộn xoắn được truyền động bởi một bộ khuếch đại công xuất (power amplifier) và tạo nên trường građiên (gradient field) biến đổi theo dạng tuyến tính dọc theo ba hướng x,y và z (H́nh 2b). Những từ trường này được tạo nên bằng cách cho ḍng điện  chạy qua cuộn xoắn tạo građiên, làm cho sức mạnh của từ trường  biến đổi tùy thuộc vào vị trí trong thỏi từ.

Từ trường građiên (magnetic field gradient) có thể thêm vào từ trường xuyên qua vật thể  để quyết định tần số của tín hiệu nguyên tử ở vị trí không gian  (spatial location)  trong cơ thể  giúp việc mă hóa (encoding) những thông tin liên quan đến vị trí (spatial information) có thể khả thi. Liên quan đến từ trường građiên, chúng ta phải đề cập đến Herman Yaggi Carr, người tiên phuông trong lănh vực NMR spin hạt nhân (profiling of nuclear spins). Trong luận văn PhD ở Harvard vào năm 1952 (advisor:Edward M. Purcell),  Carr dùng từ trường građiên để tạo biên dạng  (profile)  của spin hạt nhân của mẫu thí nghiệm [4-5]. Thông tin về nguồn gốc của tín hiệu trong không gian 3-D cũng có thể đạt được bằng cách  áp đặt  thêm một từ trường građiên (aditional magnetic field gradient) trong lúc quét. Những từ trường građiên thêm vào này qua toàn mẫu thí nghiệm có thể dùng để quyết định tần số của tín hiệu sản xuất bởi nguyên tử ở mỗi vị trí không gian trong cơ thể  để có thể mă hóa tín hiệu về vị trí không gian (encoding of spatial information). H́nh ảnh 3D trong MRI có thể quay dọc theo một hướng tùy tiện chọn lựa và thao tác bởi bác sĩ để có thể quan sát những thay đổi nhỏ trong cấu tạo bên trong cơ thể con người.  

2 Đóng góp của Damadian trong nghiên cứu và phát triển MRI

2.1  Thời gian hồi giăn T1, T2

Trong trạng thái b́nh thường, hướng của spins quay một cách ngẫu nhiên với tốc độ giống nhau và có khuynh hướng tiêu hủy ảnh hưởng từ của nhau. V́ vậy độ từ hóa thực (net magnetization) gần bằng 0. Dưới ảnh hưởng của một từ trường mạnh, các mômen từ sẽ đổi hướng hoặc là spins song song (ở trạng thái năng lượng thấp, mũi tên chỉ lên cùng hướng với vectơ từ trường máy) hoặc đối song song (ở trạng thái năng lượng cao, mũi tên chỉ xuống ngược với vectơ từ trường máy). Một số lượng nhỏ thặng dư “nhỏ bé” này là độ từ hóa thực M0 (net magnetization) có hướng vectơ (hướng tác động) cùng chiều với chiều vectơ B0 (trục Z) và sẽ nằm dọc theo từ trường B0.

Nguyên lư cơ bản của sự vận hành của MRI là dùng một từ trường mạnh và một hệ thống phát các tần số sóng radio hay sóng vô tuyến RF (cả hai sóng vô tuyến và sóng radio đều thuộc về sóng điện từ) để điều khiển hoạt động điện từ của hạt nhân nguyên tử hydrô và để tạo ra các lớp cắt mỏng của mô cơ thể. Xung RF quay quanh trục z với tần số cộng hưởng, tạo nên từ trường nằm B1 dọc theo mặt x,y, thẳng góc với B0. Một khoảng thời gian  sau, vectơ dọc theo từ trường B0 lệch ra khỏi trục z và tạo một góc lật (flip angle).  Giá trị của góc lật này tùy thuộc vào cường độ từ trường B1 và thời gian phát xung. Nói một cách nôm na hơn, từ trường B1 “cộng hưởng” quanh trục z với cùng tần số với các proton.

Dưới ảnh hưởng của từ trường máy, trục từ trường của các proton trong mô sẽ xếp dọc theo từ trường. Xung tầng số vô tuyến hay sóng radio dùng để đảo trục một số proton  ngược hướng với từ trường dẫn đến năng lượng cao. Sau khi sóng radio tắt đi, các proton quay trở lại xếp theo trục ban đầu của từ trường;  hydrogen protons hồi phục trở lại vị trí b́nh thường ban đầu trong từ trường và phóng ra năng lượng tàn trữ dư (excess stored energy). Năng lượng được phóng ra dưới dạng nhiệt, hay dưới h́nh thức sóng radio. Mức độ và năng lượng phóng thích khi các proton quay trở lại trục ban đầu (hồi giăn T1 hay thời gian hồi giăn theo trục dọc). Trong quá tŕnh hồi giăn dọc, vectơ từ hóa dọc từ từ lớn dần, lúc đầu nhanh nhưng về sau chậm dần cho đến độ lớn tối đa của nó là M0. T1 được định nghĩa là thời gian cần thiết  để cho 63.2% vectơ hồi giăn theo chiều dọc. Thời gian T1 cũng tùy thuộc vào tỉ số giữa nước tự do (free water) và nước hạn chế (bound water); nước tự do càng nhiều th́ T1 càng dài v́ proton mất nhiều th́ giờ hơn để định hướng lại trục quay của ḿnh. Từ hóa ngang (dọc theo mặt x,y) mất nhanh ngay cả trước khi từ hóa dọc theo trục z khôi phục hoàn toàn v́ sự dao động và va chạm của protons. Thời gian xảy ra quá tŕnh hồi giăn ngang được gọi thời gian hồi giăn ngang hay thời gian T2. T2  là thời gian cần thiết để tín hiệu hồi giăn theo trục ngang c̣n 36.8% của giá trị ban đầu. T1 và T2 tùy thuộc vào bộ phận trong cơ thể; thí dụ như nước có T1 dài trong khi đó mỡ có T1 ngắn;  nhưng đại khái th́ T1 nằm trong khoảng từ 100 ms đến 3 giây và lớn hơn T2 khoảng từ 2 đến 10 lần. Ngoài ra, thời gian T1 và T2 cũng  phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nước tự do và nước hạn chế của các mô. Nước hạn chế và nước tự do là trạng thái xảy ra khi các phân tử nước nằm gần hay xa các phân tử lớn. Ở đây, nước tự do ít bị ảnh hưởng của từ trường hơn là nước hạn chế. Cả hai loại nước đều có mặt trong các mô cơ thể con người; trong các tế bào, giữa các tế bào và trong các chất dịch và máu.  

2.2 Đóng góp của Damadian liên quan đến MRI

Sự góp phần của Damadian trong việc nghiên cứu và triển khai MRI có thể tóm lược như sau:  (i) Damadian là người đầu tiên đă nghĩ đến phương thức dùng cộng hưởng từ trong NMR để tầm soát tế bào ung thư; ông khám phá sự khác nhau liên quan đến thời gian hồi giăn dọc T1 và thời gian hồi giăn ngang T2 đối với tế bào ung thư và tế bào b́nh thường. (tế bào ung thư chứa nhiều nước- v́ thế nhiều hydrogen hơn tế bào b́nh thường). Ngay cả ngày hôm nay, 90% MRI scans để tạo h́nh ảnh đều dựa vào T1 và T2. (ii) biểu hiện các mô lành (healthy tissues) có những dấu hiệu khác nhau chứng tỏ rằng MR có thể dùng để phân biệt cơ bắp từ xương đến u năo; (iii) xin và nhận bằng sáng chế đầu tiên về việc xử dụng MRI trong y khoa; (iv) lắp đặt đầu tiên hệ MRI tạo toàn h́nh ảnh của cơ thể; và (v) bắt đầu sản phẩm thương mại MRI scanner. 

Sự nghiên cứu về sodium và potassium   trong tế bào sống (living cells) đă đưa đến thí nghiệm đầu tiên của ông dùng NMR và đề nghị chụp MRI trong cơ thể sinh vật và con người đầu tiên vào năm 1969. Damadian đă khám phá ra khối u (tumors) và tuyến b́nh thường (normal tissue)) có thể phân biệt ngay trong cơ thể (in vivo) qua NMR bởi thời gian hồi giăn dọc T1 (spin-lattice relaxation) và thời gian hồi giăn ngang T2 (spin-spin relaxation).  Phương pháp đầu tiên ông dùng là quét từng điểm một (point-to-point scan) trên toàn cơ thể để chẩn đoán ung thư dùng sự khác nhau T1 và T2 giữa tế bào ung thư và tế bào b́nh thường.  

Vào tháng hai năm 1976, ông có thể quét (scan) bên trong lá gan của một con chuột sống dùng phương pháp FONAR (Field fOcused Nuclear mAgnetic Resonance) của ông. (H́nh 3). 

H́nh 3. H́nh MRI bên trong lá gan của một con chuột sống. Kết quả nghiên cứu của BS Damadian đă được đăng trong tạp chí khoa học Science [10] 

Damadian cũng là người đầu tiên thực hiện việc quét trên toàn cơ thể con người vào năm 1977 để chẩn đoán ung thư. Mặc dù h́nh ảnh MRI mà Damadian chụp có vẻ thô sơ so với h́nh MRI ngày hôm nay; nhưng h́nh này vào năm 1976 này có nhiều chi tiết hơn h́nh CT đầu tiên của Hournsfield chụp vài năm trước đó [11].

Ngày 5 tháng hai, 1974, Damadian nhận bằng sáng chế đầu tiên dùng NMR trong việc chẩn đoán ung thư US 3789832. Bằng sáng chế này có tên “Apparatus and Method for Detecting Cancer in Tissue” xin vào ngày 17 tháng ba 1972. Bằng sáng chế này bao gồm ư tưởng quét (scan) cơ thể con người để t́m mô ung thư (cancerous tissue). Nhưng bằng sáng chế này không diễn tả phương pháp tạo h́nh ảnh từ những scan này. Damadian lắp đặt máy MRI đầu tiên để quét  trên toàn cơ thể con người và báo cáo h́nh ảnh MRI của cơ thể con người, dùng kỹ thuật “focused field”, một kỹ thuật khác rất nhiều với kỹ thuật MRI hiện tại.

July 3, 1977, nhóm Ramadian thực hiện MRI body exam đầu  tiên trên cơ thể con người. Mất nhóm Damadian gần 5 tiếng đồng hồ để tạo một h́nh ảnh lồng ngực (thorax) của Larry MInkoff- một thành viên trong nhóm. Những h́nh ảnh này có vẻ thô sơ so với h́nh ảnh của MRI hiện đại.  Mất Damadian và Larry Minkoff, Michael Goldsmith bảy năm để đạt tới mốc điểm này. Với tinh thần này, họ đặt tên máy này là “Indomitable”.

Năm 1978, Damadian lập ra hăng Fonar  để chế tạo máy MRI scanners; và sản xuất mày MRI đầu tiên vào năm 1980. MRI scanner (Indominable) đầu tiên của ông hiện đang giữ/ bảo tồn tại the Smithsonian Institution, Washington DC Tên của máy scanner này là “Indomitable”. Nhưng kỹ thuật “focused field” không hữu hiệu bằng phương pháp dùng ṿng xoắn građiên của Lauterbur và Maansfield. V́ thế máy “Indomitable” không bán được. Fonar sau cùng băi bỏ “focused field” và chấp nhận kỹ thuật của Lauterbur và Mansfield.  Fonar bắt đầu đ̣i hỏi tiền bản quyền của bằng sáng chế của Damadian.  Fonar thắng kiện với GE phải bồi thường một số tiền 129 triệu đô la. Fonar dùng số tiền này trong việc nghiên cứu của hăng ông.   

3. Đóng góp của Lauterbur liên quan đến MRI

Vào thời điểm nghiên cứu về MRI, Paul C. Lauterbur là giáo sư hóa học ở Stony Brook University (hay The State  University of New York at Stony Brook), Long Island. Lúc đầu ông làm việc ở vùng Pittsburg, nghiên cứu NMR về silicon và carbon-13 cho hăng Dow Corning. Ông được chọn làm thành viên trong Hội đồng quản trị (Board of Directors)  của hăng NMR Specialties; nơi mà Damadian thực hiện những đo đạt đầu tiên về NMR của các mô. Tháng 5, 1971, v́ là thành viên của hội đồng quản trị, Lauterbur được báo cáo là hăng có dính líu  đến những hoạt động kinh doanh khả nghi có thể đưa đến t́nh trạng phá sản. Để chứng tỏ rằng hăng đă hay đổi cách làm việc, hăng cần một giám đốc tạm thời (interim president) mới. V́ công việc liên quan đến trường ở Stony Brook không cần ông chú tâm  mùa hè năm đó, Lauterbur đồng ư đồng ư đảm nhiệm chức vụ mới này và bắt đầu đi lại  giữa Stony Brook và Pittsburg hầu như mỗi ngày. Nhiều người cho rằng nếu Lauterbur không giữ chức vụ này, có lẽ lịch sử MRI có thể sẽ được triển khai theo một hướng khác!

Lauterbur có biết về công việc nghiên cứu của Damadian và thí nghiệm về cuộn xoắn tạo građiên của Herman Carr; nhưng không nghĩ tới mức độ những công tác khoa học này có thể ảnh hưởng đến những nghiên cứu về h́nh ảnh y học cho đến khi ông quan sát cùng thí nghiệm u bướu của con chuột dùng NMR do Leon A Ryan lập lại vào mùa hè năm đó.  Nhận thấy sự khác nhau về thời gian hồi giăn giữa tế bào b́nh thường và tế bào ung thư (điều này do Damadian khám phá ra!), Lauterbur bắt đầu nghĩ đến phương cách ghi nhận chi tiết những điểm khác nhau trong cơ thể con người. Khuya đêm 2 tháng 9, 1971, Lauterbur đề nghị bước đầu tiên để thực hiện mục tiêu này khi ông nghĩ đến việc xếp chồng  một từ trường yếu hơn không đồng nhất lên trên từ trường mạnh đi ngang qua cơ thể con người. Bước kế tiếp (thứ hai)- dùng một loạt những građiên chung với cách tái tạo h́nh bằng cách chiếu lên tấm màn phía sau (back projection reconstruction) được thực hiện một năm sau đó. Theo Ros Herman, Lauterbur đă viết trên sổ tay thí nghiệm của ông về công tác nghiên cứu Damanian phát biểu trên tạp chí Science và thành quả nghiên cứu này đă khích lệ ông (Lauterbur)!

Thí nghiệm đầu tiên của Lauterbur được thực hiện  trên mao quản thủy tinh của nước (glass capillaries of water) , dùng  máy NMR A-60. Trong một bài báo trên tạp chí Nature vào năm 1973, Lauterbur có phát biểu “áp dụng có triển vọng đáng kể có thể là sự khảo sát tế bào ung thư trong cơ thể…”  

Liến quan đến MRI, năm 1950s, Herman báo cáo về sự tạo dựng h́nh ảnh MR 1D và 2D. Thêm vào với sự khám phá của Damadian về triển vọng dùng NMR, Paul Lauterbur triển khai kỹ thuật của Carr trong việc phát triển phương pháp tạo ra h́nh MRI ở dạng 2D và 3D, dùng građiên. Sir Peter Mansfield của University of Nottingham cũng độc lập triển khai cuộn xoắn građiên và dùng một phương pháp toán học cho phép thời gian quét giảm xuống c̣n vài giây thay v́ hàng giờ để tạo h́nh ảnh rơ nét như trong trường họp trong thí nghiệm của  Lauterbur. Nhóm nghiên cứu của GS Peter Mansfield đă  thực hiện h́nh ảnh MR trên ngón tay của môt thành viên trong nhóm- Andrew Maudsley; trong khi đó Lauterbur chụp h́nh ảnh MR của tế bào ung thư chuột. 

4. Cộng đồng khoa học công nhận thành quả nghiên cứu của Lauterbur và Damadian

4-1 Hai bước tiến quan trọng

Nói về lịch sử của MRI, Mattson và Simon (1996) ghi nhận công trạng của Damadian với khái niệm quét NMR trên toàn cơ thể con người cũng như sự khác nhau về độ hồi giăn của các mô với tín hiệu NMR (tế bào b́nh thương vs tế bào ung thư) đă góp phần vào sự thành công của MRI. Mattson và Simon đă nhận định như sau:

“…Chính v́ sự đóng góp của BS Raymond Damadian và TS Paul Lauterbur, chụp cộng hưởng từ MRI đă và đang trở thành một trong những công cụ chẩn đoán đáng tin cậy nhất trong lănh vực y khoa. Hàng triệu người trên thế giới đă và đang thụ hưởng cuộc sống có chất lượng tốt và nhiều sinh mạng được cứu nhờ sự cống hiến này. Hệ quét NMR là kết quả của hai bước tiến cần thiết  của hai người tiên phuông:  BS Raymond Damadian , và TS Lauterbur. TS Damadian cung cấp bước đầu tiên của bộ máy quét MRI, khám phá sự khác nhau về NMR tín hiệu về mô để chẩn đoán bệnh lư trong cơ thể con người. Trong khi đó, TS Lauterbur cung cấp bước kế tiếp về cách nhận diện những khác nhau về tín hiệu này qua h́nh 2D và 3D và áp dụng phương pháp toán học để cung cấp h́nh ảnh có chất lượng và tốc độ tạo h́nh thực tế.” [12] 

4-2 Tổng thống Ronald Reagan và tổng thống George Bush công nhận đóng góp của Lauterbur và Damadian trong sự thành công của máy chụp MRI

TS Damadian đă nhận nhiều giải thưởng trong số dó có Lemelson MIT, Bower Award in Business Leadership, Knights of Vartan. Nhưng nổi bật nhất là giải thưởng từ Tổng thống Ronald Reagan và Tổng thống George H. W. Bush:

Tổng thống Reagan trao BS Damadian và TS Lauterbur giải The National Medal of Technology trong một buổi lễ được tổ chức tại The Executive offices, Nhà Bạch Ốc vào 15 tháng 7 năm 1988 "For their independent contributions in conceiving and developing the application of magnetic resonance technology to medical uses including whole-body scanning and diagnostic imaging” [13] . Tổng thống Bush cũng đă vinh danh BS Damadian vào The United States National Inventors Hall of Fame, cùng với  Westinghouse, Deere, and Langmuir vào 10 tháng 2 năm 1989. "I am pleased to send warm greetings to everyone present for the 1989 induction ceremony of the National Inventors Hall of Fame.” [14]

 

H́nh 4. Tổng thống Reagan trao cho BS Damadian giải The National Medal of Technology trong một buổi lễ được tổ chức tại The Executive offices,  Nhà Bạch Ốc vào 15 tháng 7 năm 1988.

5. Kêt từ

Phải nói là Damadian, Lauterbur và Mansfield đều đáng được vinh dự nhận giải Nobel  năm 2003 về  Sinh Lư Học hay Y Khoa (Nobel Prize in Physiology or Medicine). Damadian là người đầu tiên cổ vũ dùng NMR trong áp dụng h́nh ảnh y khoa: Damadian đă khám phá sự khác nhau liên quan đến thời gian hồi giăn dọc T1 và thời gian hồi giăn ngang T2 đối với tế bào ung thư và tế bào b́nh thường; biểu hiện sự khác nhau của các mô lành trong cơ thể  và v́ thế có thể MRI có thể dùng để phân biệt cơ bắp từ xương đến u năo. Damadian cũng là người xin và nhận được bằng  sáng chế đầu tiên về việc xử dụng MRI trong y khoa; và bắt đầu sản phẩm thương mại MRI scanner. Nhưng nếu không có sự đóng góp quan trọng của Lauterbur và Mansfield  th́ chúng ta cũng sẽ không có máy chụp MRI trong nhiều bệnh viện trên thế giới như ngày hôm nay.

Người viết xin mượn câu nói của TS Nicolaas Bloembergen, người đoạt giải Nobel Vật Lư vào năm 1981 để kết thúc bài viết này:

“Bước quan trọng thứ hai (second important step) của TS Lauterbur là  kết hợp kết quả Damadian đạt được và phương pháp xử lư dữ liệu nhanh của kỹ thuật chụp cắt lát vi tính CT. Kỹ thuật CT này  do GS Hounsfield và GS Cormack triển khai và hai người đă được trao giải Nobel về kỹ thuật này. Theo ư kiến của tôi, góp phần của BS Raymond Damadian cũng quan trọng và đáng kể không kém ǵ bước thứ hai của TS Lauterbur” [ 1].

 

6. Tài liệu tham khảo

[1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Technology%20in%20Medicine-%20Part-13-Nobel-of-MRI.htm

[2]  R. Damadian, Science 171, 1151 (1971)

[3] "Scan and Deliver". Wall Street Journal. 2002-06-14. Retrieved 2007-08-04

[4] Carr, Herman Yaggi (1952) Free Procession Technique in Nuclear Magnetic Resonance (PhD Thesis) Cambridge, MA. Harvard University

[5] Carr, Herman Yaggi (July 2004) Field Gradient in Early MRI Physics Today, 57 (7), 83.

[6] P. Mansfield, J. Phys. C 10, 55 (1977).

[7]  "Woodbury, N.Y., Medical Inventor Continues Lone Quest against Nobel Committee". New York Newsday. 2003-10-21. Retrieved 2007-08-04

[8] Gelernter, David (2003-11-27). "Conduct Unbecoming". Wall Street Journal. Retrieved 2007-08-04

[9] http://mriquestions.com/gradient-coils.html

[10] R. Damadian, L. Minkoff, M. Goldsmith,  M. Stanford and J. Koutcher. Focusing Nuclear Magnetic Resonance (FONAR): Visualization of a tumor in a live animal, Science, December 24, 1976, 194, 1430-1432.

[11] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Godfre-%20Hounsfield.htm

[12] Mattson, J. and Simon, M., The Pioneers of NMR and Magnetic Resonance in Medicine: The Story of MRI, Bar-Ilan University Press, Jericho, New York, 1996.

[13] https://nationalmedals.org/laureate/raymond-vahan-damadian/

[14] http://www.fonar.com/nihf.htm

 

November 20, 2021

(University of Minnesota & Ecosolar International)