English
Swedish
French
German

6 oktober 2003

Nobelförsamlingen vid Karolinska Institutet har idag beslutat att
Nobelpriset i Fysiologi eller Medicin år 2003 gemensamt tilldelas

Paul C Lauterbur och Peter Mansfield

för deras upptäckter rörande “avbildning med magnetresonans”

Sammanfattning

Att exakt och skonsamt kunna avbilda människors inre organ är mycket betydelsefullt för medicinsk diagnostik, behandling och uppföljning. Årets två Nobelpristagare i Fysiologi eller Medicin har gjort avgörande upptäckter av hur magnetresonans kan utnyttjas för att avbilda olika strukturer. Dessa upptäckter har lett fram till den moderna magnetkameran (magnetresonanstomografi, MRT) som inneburit ett stort genombrott inom sjukvård och medicinsk forskning.

Bakgrunden är att atomkärnor i ett starkt magnetfält roterar med en frekvens som är beroende av magnetfältets styrka. Deras energinivå kan höjas genom att de absorberar radiovågor med samma frekvens (s k resonans). När atomkärnorna återgår till den ursprungliga energinivån utsänds radiovågor. Dessa upptäckter belönades med Nobelpriset i Fysik år 1952. Under de följande årtiondena användes magnetresonans framför allt för studier av olika ämnens kemiska struktur. Årets Nobelpristagare gjorde i början av 1970-talet banbrytande forskningsrön som ledde till att magnetresonans även skulle komma att få betydelsefulla medicinska tillämpningar.

Paul Lauterbur (f 1929), Urbana, Illinois, USA, upptäckte möjligheten att skapa en tvådimensionell bild genom att införa s k gradienter som förändrade magnetfältets styrka. Genom att analysera egenskaperna hos den tillbakasända radiovågen kunde han exakt bestämma dess ursprung. På så sätt kunde man bygga upp tvådimensionella bilder av strukturer som inte kunde särskiljas med andra tekniker.

Peter Mansfield (f 1933), Nottingham, England, vidareutvecklade arbetet med att utnyttja gradienter i magnetfältet. Han visade hur signalerna skulle bearbetas matematiskt och datoranalyseras så att en användbar avbildningsteknik kunde utvecklas. Mansfield visade också hur extremt snabb avbildning skulle kunna ske, något som blev tekniskt och praktiskt möjligt inom medicinen först ett tiotal år senare.

Avbildning med magnetresonans har nu blivit en rutinmetod inom sjukvården. Varje år görs i hela världen mer än 60 miljoner undersökningar med magnetkamera, och tekniken är fortfarande i snabb utveckling. Magnetkameran är i många fall överlägsen andra avbildningstekniker och har kraftigt förbättrat diagnostiken vid en lång rad sjukdomar. Metoden har ersatt flera besvärliga och riskfyllda undersökningsmetoder och har därför även inneburit minskat lidande för många patienter.

Magnetfält ställer väteatomers kärnor “i givakt”

Människokroppens höga vatteninnehåll är en viktig grund till att magnetkameratekniken (magnetresonanstomografi, MRT) fått så stort genomslag inom medicinen. Vi består till cirka två tredjedelar av vatten, och vattenhalten varierar mellan olika vävnader och organ. Vid många sjukliga processer förändras fördelningen av vattnet, vilket bidrar till bildens uppbyggnad.

Vatten är en kemisk förening mellan väte och syre. Väteatomernas kärnor (protoner) har förmåga att reagera som mikroskopiska kompassnålar. När kroppen utsätts för ett starkt magnetfält ställer sig väteatomernas kärnor i ordnad riktning – “i givakt”. Med pulser av radiovågor åstadkommer man en ökning av en del atomkärnors energiinnehåll. Efter pulsen detekteras resonansen när atomkärnorna återgår till sitt ursprungstillstånd.

De små variationerna i atomkärnornas svängningsrörelser registreras. Genom avancerad matematisk databearbetning kan man bygga upp en tredimensionell bild som återspeglar vävnadens kemiska struktur, bl a skillnader i vattenhalt och olika rörlighet hos vattenmolekylerna. Resultatet blir en mycket detaljerad bild av det undersökta områdets vävnader och organ. Därigenom kan olika sjukliga förändringar upptäckas.

Teknik belönad med flera Nobelpris

Resonansfenomenet styrs av ett enkelt samband mellan magnetfältets styrka och radiovåglängden (frekvensen). För varje typ av atomkärna med oparade protoner och/eller neutroner finns en matematisk konstant med vars hjälp man noggrant kan beräkna den lämpliga våglängden utifrån magnetfältets styrka. Detta fenomen påvisades år 1946 för protoner (de enklaste av alla atomkärnor) av amerikanerna Felix Bloch och Edward Mills Purcell, som för detta belönades med Nobelpriset i Fysik år 1952.

Andra grundläggande uppäckter om magnetresonans har på senare år även resulterat i två Nobelpris i Kemi. År 1991 fick schweizaren Richard Ernst priset för sina insatser för metodutveckling inom högupplösande kärnmagnetisk resonansspektroskopi. År 2002 belönades hans landsman Kurt Wüthrich för sina forskningsrön om hur tekniken kan användas för att bestämma den tredimensionella strukturen hos biologiska makromolekyler i lösning.

Medicinskt betydelsefulla upptäckter

Årets två Nobelpristagare i Fysiologi eller Medicin belönas för insatser som ledde till att magnetresonans fick medicinskt betydelsefulla tillämpningar. I början av 1970-talet gjorde de väsentliga upptäckter av hur tekniken kan utnyttjas för att avbilda olika strukturer. Dessa rön var helt avgörande för att magnetresonans skulle kunna utvecklas till en användbar avbildningsmetod.

Paul Lauterbur upptäckte att man genom att införa gradienter (förändringar) i magnetfältet kunde framställa tvådimensionella bilder av strukturer som inte kunde särskiljas med andra tekniker. År 1973 beskrev han hur tillägg av gradientmagneter till huvudmagneten gjorde det möjligt att i ett tvärsnitt avbilda två rör med vanligt vatten omgivna av tungt vatten. Ingen annan avbildande metod kan påvisa denna skillnad mellan vanligt vatten och tungt vatten.

Peter Mansfield utnyttjade gradienter i magnetfältet för att på ett mer exakt sätt påvisa resonansskillnader. Han visade hur de detekterade signalerna snabbt och effektivt kan datoranalyseras och omvandlas till en bild. Detta var en förutsättning för att tekniken skulle bli möjlig att använda. Mansfield visade också hur extremt snabb avbildning skulle kunna uppnås genom mycket snabba gradientomslag (s k eko-plan scanning). Denna teknik blev praktisk verklighet inom medicinen först ett tiotal år senare.

Snabb utveckling inom medicinen

Den medicinska användningen av magnetresonanstomografi har utvecklats mycket snabbt. De första magnetkamerorna inom sjukvården togs i bruk i början av 1980-talet. År 2002 fanns i hela världen mer än 22 000 magnetkameror, och det gjordes över 60 miljoner magnetkameraundersökningar. I Sverige finns drygt ett hundratal magnetkameror för kliniskt bruk, och antalet undersökningar beräknas överstiga 300 000 per år.

En stor fördel med tekniken är att den enligt all tillgänglig kunskap är ofarlig. Till skillnad från exempelvis vanlig röntgen (Nobelpriset i Fysik år 1901) och datortomografi (Nobelpriset i Fysiologi eller Medicin år 1979) krävs ingen joniserande strålning. Däremot kan patienter som har magnetisk metall i kroppen eller en pacemaker inte undersökas med magnetkamera på grund av det starka magnetfältet. För patienter med klaustrofobi kan det också vara svårt att genomgå denna undersökning.

Särskilt värdefull för diagnostik av hjärn- och ryggmärgssjukdomar

Numera används magnetkamera för att undersöka så gott som samtliga organ i kroppen, men tekniken är särskilt värdefull för att mycket detaljrikt avbilda hjärnan och ryggmärgen. Praktiskt taget alla sjukdomstillstånd i hjärnan leder till förändring av vattnets fördelning, vilket avspeglas i
magnetkamerabilden. Det räcker med att vattenhalten skiljer sig några tiondels procent för att man tydligt ska kunna se en sjuklig förändring.

Vid sjukdomen multipel skleros (MS) är undersökning med magnetkamera en överlägsen metod för att ställa diagnosen och kontrollera sjukdomsförloppet. Symtomen vid MS beror på att det bildas lokala inflammationshärdar i hjärnan och ryggmärgen. Med magnetkamera kan man se var i nervsystemet inflammationerna finns, hur intensiva de är och även hur de påverkas av olika former av behandling.

Ett annat exempel är långvariga ryggbesvär, som leder till stort lidande för de drabbade och höga kostnader för samhället. Det är viktigt att kunna skilja mellan muskulära smärttillstånd och besvär som beror på att en nervrot eller ryggmärgen är påverkad. Undersökning med magnetkamera har kunnat ersätta tidigare röntgenmetoder som var mycket krävande för patienten. Man kan t ex se om ett diskbråck trycker på en nervrot och om ett operativt ingrepp är nödvändigt eller inte.

Viktigt hjälpmedel inför operationer

Eftersom undersökning med magnetkamera ger detaljerade tredimensionella bilder kan man få mycket tydlig information om var en skada är lokaliserad. Sådan information är mycket värdefull inför olika operationer. Vid exempelvis mikrokirurgiska ingrepp i hjärnan kan kirurgerna operera med hjälp av information direkt från magnetkamerabilden. Man kan få så exakta bilder att elektroder kan placeras i centrala hjärnkärnor för att lindra svår smärta eller behandla rörelserubbningar vid bl a Parkinsons sjukdom.

Förbättrad cancerdiagnostik

Undersökningar med magnetkamera är mycket betydelsefulla i samband med diagnostik, behandling och uppföljning av cancersjukdomar. Bilderna kan visa den exakta avgränsningen av en tumör, vilket bidrar till att operation eller strålbehandling kan genomföras så precist och skonsamt som möjligt. Inför en operation är det t ex viktigt att veta om tumören växt fast i eller in i omgivande organ. Magnetkameran kan på ett bättre sätt än andra tekniker skilja på olika typer av vävnad, vilket gör att de kirurgiska ingreppen kan genomföras på ett säkrare sätt.

Magnetkameran har också förbättrat möjligheterna att fastställa olika tumörstadier, vilket har betydelse för vilken behandling som ska väljas. En undersökning kan t ex avgöra hur djupt i vävnaden en tjocktarmscancer har spridit sig och om angränsande lymfkörtlar har angripits.

Minskat lidande för patienter

Undersökningar med magnetkamera kan ersätta flera tidigare besvärliga diagnostiska metoder och därmed minska lidandet för många patienter. Ett sådant exempel är en undersökning av gallvägarna och av gångarna i bukspottkörteln som görs med ett instrument som via munnen förs ned till tolvfingertarmen. En sådan undersökning kan i vissa fall leda till allvarliga komplikationer. Numera kan motsvarande information enkelt fås med hjälp av magnetkamera.

Även många artroskopier (dvs ledundersökningar med ett “titthålsinstrument” som sticks in i leden) kan ersättas med magnetkameraundersökningar. I exempelvis knäleden kan man på så sätt i detalj studera ledytor och korsband utan att föra in något instrument, vilket eliminerar risken för infektioner.