Kuna 2022. aasta Nobeli preemiad kuulutatakse välja, Füüsika maailm toimetajad vaatavad füüsikuid, kes on võitnud auhindu muudes valdkondades kui nende oma. Siin Tami Freeman uurib kahte meditsiinilise pildistamise läbimurret, mille tulemusena võitsid füüsikud Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna.
Füüsikud on alati huvi tundnud bioloogilise ja meditsiinilise füüsika vastu, kusjuures Francis Crick ja Maurice Wilkins jagavad seda kuulsalt. 1962. aasta Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhind DNA struktuuri selgitamiseks (koos bioloog James Watsoniga).
Kuid kaks muud tohutut läbimurret meditsiinifüüsikas – röntgen-kompuutertomograafia (CT) ja magnetresonantstomograafia (MRI) kasutuselevõtt – tõid nende leiutajatele ka füsioloogia või meditsiini Nobeli preemia.
Tomograafia teooria käsitlemine
Juba enne seda, kui Wilhelm Roentgen võitis 1901. aastal esimese Nobeli füüsikaauhinna röntgenikiirguse avastamise eest, teadsime, et neid saab kasutada keha sisemuse pildistamiseks. Need viisid kiiresti mitmesuguste meditsiiniliste rakenduste kasutuselevõtuni; kuid just CT-skaneerimise areng – mille käigus röntgenikiirgust saadetakse läbi keha erinevate nurkade all, et luua ristlõike- ja 3D-kujutisi – laiendas oluliselt meditsiinilise röntgenpildi potentsiaali.
Seda tööd tunnustati 1979. aastal, kui füüsik Allan Cormack pälvis Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna.kompuutertomograafia arendamiseks”, mida ta jagas insener Godfrey Hounsfieldiga.
Lõuna-Aafrikas Johannesburgis sündinud Cormack oli juba varases nooruses huvi tundnud astronoomia vastu. Seejärel õppis ta Kaplinna ülikoolis elektrotehnikat, kuid jättis paari aasta pärast inseneriteaduse pooleli ja pöördus füüsika poole. Pärast füüsika bakalaureusekraadi ja kristallograafia magistrikraadi omandamist kolis ta Ühendkuningriiki, et töötada doktorandina Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboris. Cormack naasis Kaplinna õppejõuna ja pärast hingamispäeva Harvardi ülikoolis sai 1957. aastal USA Tuftsi ülikooli füüsika dotsendiks. Nobeli preemia laureaadi jaoks ebatavaliselt ei teeninud Cormack kunagi doktorikraadi.
Tuftsis oli Cormacki põhitegevuseks tuuma- ja osakeste füüsika. Aga kui tal aega oli, tegeles ta oma teise huviga – “CT-skaneerimise probleemiga”. Ta oli esimene, kes analüüsis teoreetilisest küljest õige radiograafilise läbilõike demonstreerimise tingimusi bioloogilises süsteemis.
Olles välja töötanud tomograafilise kujutise rekonstrueerimise teoreetilised alused, avaldas ta oma tulemused 1963. ja 1964. aastal. Cormack märkis, et tol ajal ei olnud nendele paberitele praktiliselt mingit vastust, mistõttu ta jätkas oma tavapärast uurimis- ja õpetamiskursust. 1971. aastal ehitasid Hounsfield ja kolleegid aga esimese CT-skanneri ja huvi CT-skannimise vastu kasvas.
Huvitav on see, et Cormack ja Hounsfield ehitasid maailma eri paigus ilma koostööta väga sarnast tüüpi seadme. Tänu nende sõltumatutele jõupingutustele on CT-skaneeringud nüüdisaegses meditsiinis üldlevinud, mida kasutatakse sellistes rakendustes nagu haiguste diagnoosimine ja jälgimine, aga ka juhttestide, nagu biopsiate või ravi, nagu kiiritusravi, jaoks.
MRI tekkimine
Järgmine Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhind füüsikule anti aastal 2003, kui Peter Mansfieldi tunnustati (koos USA keemiku Paul Lauterburiga) selle eest.avastused magnetresonantstomograafia kohta”, mis sillutas teed kaasaegsele MRI-le. See tehnika annab selge ja üksikasjaliku sisemiste kehastruktuuride visualiseerimise ning seda kasutatakse nüüd rutiinselt meditsiiniliseks diagnoosimiseks, raviks ja jälgimiseks. Oluline on see, et erinevalt röntgenikiirguspõhistest skaneeringutest ei avalda MRI subjekti ioniseerivat kiirgust.
Mansfield õppis algselt füüsikat Londoni Queen Mary kolledžis, kus tema lõputöö keskendus tuumamagnetresonantsi (NMR) impulssspektromeetri ehitamisele tahkete polümeeride süsteemide uurimiseks. Pärast doktorikraadi saamist 1962. aastal tegi ta täiendavaid TMR-uuringuid Illinoisi ülikoolis Urbana–Champaignis, enne kui naasis Ühendkuningriiki, et asuda Nottinghami ülikooli lektoriks (kus ta töötas kuni pensionile jäämiseni 1994. aastal).
Mansfieldi doktorikraad ja järeldoktor viisid ta ideeni kasutada TMR-i inimese pildistamiseks (tehnika, mida algselt nimetati tuumamagnetresonantstomograafiaks, kuid peagi muudeti see lihtsalt MRI-ks, et vältida patsientide ärevust). Ja just Nottinghamis veedetud aja jooksul tegi Mansfield mõned olulised läbimurded, mis viisid tema Nobeli preemiani.
1970. aastate keskel tegi Mansfield esimesed MR-pildid elavast inimesest: ühe oma uurija õpilase sõrmest. Tema meeskond töötas edasi kogu keha MRI prototüübi, mida ta vabatahtlikult esimesena testis. Vaatamata kolleegide hoiatustele, et see võib olla potentsiaalselt ohtlik, oli Mansfield "üsna veendunud, et probleemi ei teki".
Piiride murdmine: kuidas füüsik Ernest Rutherford võitis Nobeli keemiapreemia
Lauterburi osas avastas ta, et gradientide sisseviimine magnetvälja võimaldas luua kahemõõtmelisi kujutisi struktuuridest, mida ei ole võimalik teiste tehnikatega visualiseerida. Mansfield arendas edasi gradientide kasutamist, näidates, kuidas tuvastatud signaale saab matemaatiliselt analüüsida ja muuta kasulikeks kujutisteks. Teda tunnustatakse ka selle eest, et ta avastas, kuidas MRI-skaneerimise aegu drastiliselt vähendada, kasutades kajatasandilist kujutise tehnikat.
Tänapäeval tehakse igal aastal üle maailma kümneid miljoneid MRT-uuringuid ja 1993. aastal löödi Mansfield rüütliks tema teenete eest arstiteaduses. Seal on isegi õlu (4.2% ABV Sir Peter Mansfieldi õlu) tema auks nimetatud.
