Medicin: Kroppen i bild

Med hjälp av röntgen kunde läkare för första gången se ett brutet ben utan att behöva skära i patienten. Men en avigsida är att både röntgen och datortomografi utsätter patienter för joniserande strålning. Med så kallad magnetresonansteknik däremot, går det att på ett mycket exakt och ofarligt vis avbilda strukturer inne i kroppen.

Amerikanen Paul C. Lauterbur och britten Sir Peter Mansfield utvecklade under det tidiga 1970-talet magnetresonanstekniken, och de belönas därför med 2003 års Nobelpris i fysiologi eller medicin. Priset kombinerar tydligt praktik och teori. Magnetresonanstekniken används i dag kliniskt till glädje för miljontals patienter världen över, men den ger även nya svar på frågan om hur människors hjärnor fungerar.

Gradienter och databehandling

Årets Nobelpris bygger på gamla rön om hur atomkärnor i ett starkt magnetfält rör sig med en frekvens som beror på hur starkt magnetfältet är. Atomkärnornas energinivå höjs om de absorberar radiovågor, och kärnorna sänder sedan ut radiovågor när de återgår till sitt ursprungliga läge. Dessa upptäckter belönades med Nobelpriset i fysik 1952. Årets medicinpristagare har gjort tekniken tillämpbar för både forskning och medicinsk diagnostik.

Normalt är vätets atomkärnor slumpmässigt orienterade. Men när de utsätts för ett starkt magnetfält reagerar de som små kompasser och ställer in sig i samma riktning. Med hjälp av pulser av radiovågor kan man få en del av atomkärnorna att öka sitt energiinnehåll så mycket att de ”tippar över”. När pulsen upphör återgår atomkärnorna till sitt normaltillstånd. De avger då ett eko som går att mäta, och detta samspel mellan atomkärna och radiovåg kallas magnetresonans.

Paul Lauterbur upptäckte att man genom att införa förändringar, så kallade gradienter, i magnetfältet kunde få fram tvådimensionella bilder av strukturer som inte kunde särskiljas på annat vis. År 1973 bevisade han detta genom att avbilda två provrör med vanligt vatten som stod i en bägare omgivna av tungt vatten. I tungt vatten är väteatomerna i vattenmolekylerna utbytta mot deuterium, väteatomer som i sin kärna har en extra neutron. Skillnaden i massa är alltså ytterst liten. Men eftersom radiosignalen från tungt vatten bara är 15 procent av signalen från vanligt vatten fick han ändå fram en bild där de båda rören tydligt framträder.

Peter Mansfield använde gradienter i magnetfält för att på ett mer exakt sätt mäta skillnader i resonans. Han utnyttjade en matematisk metod som kallas fouriertransformation för att de uppmätta signalerna snabbt och tydligt skulle kunna omvandlas till en bild. Dessutom visade han att om man växlar gradienterna mycket snabbt mellan två lägen, får man en extremt snabb avbildning.

Spinnande väte ger bilder

Det är med hjälp av en så kallad magnetresonanskamera som läkare undersöker patienter i dag. Denna avbildningsteknik utnyttjar det faktum att vi till två tredjedelar består av vatten, som ju i sin tur innehåller grundämnet väte.

I magnetkameran läggs ett starkt och fast magnetfält över kroppen. Med hjälp av tre gradientmagneter förändras magnetfältet i tre dimensioner över patientens kropp, från hjässan till fotabjället. Förskjutningen gör att den signal som en viss väteatom skickar tillbaka varierar beroende på var längs gradienten (och därmed var i kroppen) den finns. Genom att analysera alla återsända frekvenser går det att skapa en tvådimensionell bild och visa hur en ”skiva” av kroppen ser ut.

När man mäter resonansen från vätekärnorna kommer radiosignalen olika snabbt beroende på om man mäter från en vävnad rik på vatten eller från en fettrik vävnad. Vätekärnor i fritt vatten har stor rörelsefrihet och tar därför längre tid på sig att falla tillbaka till sitt normaltillstånd. Resonanssignalerna går då att mäta efter någon sekund, medan signalerna från vätekärnor i fett går att mäta redan efter 50 tusendels sekund. Vad som blir mörkt på bilden, eller protontätast, beror därför också på när resonanssignalen mäts.

Från spetsforskning till klinisk praxis

Eftersom olika vävnader innehåller olika halter av vatten kan de särskiljas med hjälp av magnetresonanstomografi. På så vis går det att göra mycket detaljerade anatomiska bilder av den friska kroppen.

Vid olika typer av sjukdom ändras vatteninnehållet i vävnaden. Det behövs bara att vattenhalten skiljer sig några tiondelar för att man tydligt ska se en förändring. Metoden ger därför läkare möjlighet att tidigt spåra sjuklighet och snabbare sätta in behandling.

Fördelen med den nya avbildningstekniken är att den ofta är mycket behagligare för patienten än tidigare metoder. Förr var man exempelvis tvungen att tappa ut vätskan ur hjärnans hålrum för att göra en så kallad ”luftskalle” innan man gjorde en hjärnröntgen.

Med magnetresonanstomografi går det att konstatera att en patient lider av diskbråck eller har en meniskskada utan att man behöver stoppa in smala tittrör i kroppen. I dag är en undersökning med hjärnkamera visserligen både bullrig och klaustrofobisk, men varken smärtsam eller farlig. Varje år görs 300 000 undersökningar med hjärnkamera i Sverige, och varje undersökning kostar omkring 4 000 kronor.

– Men det är det värt, särskilt om man tar med i beräkningen att en patient då slipper gå omkring och vara orolig, säger Tomas Olsson. Han är professor i molekylär medicin vid Karolinska sjukhuset i Solna och ledamot av Karolinska institutets Nobelförsamling som valt årets pristagare.

Magnetresonanskameror är enda sättet att hitta de inflammationer i hjärnan och ryggmärgen som är tydliga tecken på multipel skleros, MS. Med tekniken går det också att på ett mer exakt vis se hur långt in i tarmväggen en tjocktarmstumör växer och om den har knoppat av dottertumörer till intilliggande lymfknutor. Sådan information gör det i dag möjligt att bedöma om tumören går att operera eller inte.

Att se hjärnan medan vi tänker

En utveckling av metoden är så kallad funktionell magnettomografi. Då mäter forskarna vad som händer i hjärnan i stunden. Sådan avbildning går också att göra med så kallad positronemissionstomografi, PET. I det fallet mäts strålning från en svagt radioaktiv substans som injiceras i blodet.

Men fördelen med magnetresonans är – förutom att man slipper radioaktivitet – bättre upplösning som ger både snabbare och skarpare bilder. Här utnyttjar forskare att upptaget av syre från hemoglobinet i blodet ökar och att det syremättade blodet ger högre signal än det syrefattiga.

För att få en bild av var aktiveringen sker samlar man först in bilddata från patienten i vila. Denna bild dras sedan från bilddata som insamlats under aktivering. Metoden används allt oftare för att undersöka vad som sker i hjärnan.