Vuoden 2022 Nobel-palkinnot julkistetaan, Fysiikan maailma toimittajat katsovat fyysikoita, jotka ovat voittaneet palkintoja muilta kuin omalta alalta. Tässä, Tami Freeman tutkii kahta lääketieteellisen kuvantamisen läpimurtoa, jotka johtivat fyysikoille fysiologian tai lääketieteen Nobelin voittamiseen.
Fyysikot ovat aina olleet kiinnostuneita biologisesta ja lääketieteellisestä fysiikasta, ja Francis Crick ja Maurice Wilkins jakavat kuuluisan 1962 Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinto DNA:n rakenteen selvittämiseksi (yhdessä biologi James Watsonin kanssa).
Mutta kaksi muuta valtavaa läpimurtoa lääketieteellisessä fysiikassa – röntgentietokonetomografian (CT) ja magneettikuvauksen (MRI) käyttöönotto – voittivat keksijöilleen myös fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinnon.
Tomografiateorian käsittely
Jo ennen kuin Wilhelm Roentgen voitti ensimmäisen fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1901 röntgensäteiden löytämisestä, tiesimme, että niitä voidaan käyttää kehon sisäpuolen kuvaamiseen. Ne johtivat nopeasti useiden lääketieteellisten sovellusten käyttöönottoon; mutta juuri CT-skannauksen kehitys – jossa röntgensäteitä lähetetään kehon läpi eri kulmissa poikkileikkaus- ja 3D-kuvien luomiseksi – laajensi huomattavasti lääketieteellisen röntgenkuvauksen mahdollisuuksia.
Tämä työ tunnustettiin vuonna 1979, kun fyysikko Allan Cormack sai Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon.tietokoneavusteisen tomografian kehittämiseen”, kunnian hän jakoi insinööri Godfrey Hounsfieldin kanssa.
Johannesburgissa Etelä-Afrikassa syntynyt Cormack oli kiinnostunut tähtitiedestä jo varhaisessa iässä. Tämän jälkeen hän jatkoi sähkötekniikan opintoja Kapkaupungin yliopistossa, mutta hylkäsi parin vuoden kuluttua tekniikan ja kääntyi fysiikan puolelle. Suoritettuaan BSc-tutkinnon fysiikan ja MSc-tutkinnon kristallografiassa hän muutti Isoon-Britanniaan työskentelemään tohtoriopiskelijana Cambridgen yliopiston Cavendish-laboratoriossa. Cormack palasi Kapkaupunkiin luennoitsijana ja Harvardin yliopiston sapattivapaan jälkeen vuonna 1957 hänestä tuli fysiikan apulaisprofessori Tuftsin yliopistossa Yhdysvalloissa. Epätavallista Nobel-palkinnon saajille, Cormack ei koskaan ansainnut tohtorin tutkintoa.
Tuftsissa Cormackin pääasialliset harrastukset olivat ydin- ja hiukkasfysiikka. Mutta kun hänellä oli aikaa, hän jatkoi toista kiinnostuksen kohdetta - "CT-skannausongelmaa". Hän oli ensimmäinen, joka analysoi teoreettisesta näkökulmasta olosuhteet oikean radiografisen poikkileikkauksen osoittamiseksi biologisessa järjestelmässä.
Kehitettyään tomografisten kuvien rekonstruoinnin teoreettiset perusteet hän julkaisi tuloksensa vuosina 1963 ja 1964. Cormack huomautti, että tuolloin näihin kirjoituksiin "ei käytännössä vastattu", joten hän jatkoi normaalia tutkimus- ja opetuskurssiaan. Vuonna 1971 Hounsfield ja kollegat rakensivat kuitenkin ensimmäisen CT-skannerin, ja kiinnostus TT-skannausta kohtaan kasvoi.
Mielenkiintoista on, että Cormack ja Hounsfield rakensivat hyvin samantyyppisen laitteen ilman yhteistyötä eri puolilla maailmaa. Riippumattomien ponnistelujensa ansiosta CT-skannaukset ovat nykyään kaikkialla nykyaikaisessa lääketieteessä, ja niitä käytetään esimerkiksi sairauksien diagnosointiin ja seurantaan sekä ohjaaviin testeihin, kuten biopsiaan, tai hoitoihin, kuten sädehoitoon.
MRI:n ilmaantuminen
Seuraava fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto fyysikolle myönnettiin vuonna 2003, kun Peter Mansfield sai tunnustuksen (yhdessä yhdysvaltalaisen kemistin Paul Lauterburin kanssa)löydöt magneettikuvauksesta”, joka tasoitti tietä nykyaikaiselle MRI:lle. Tekniikka tarjoaa selkeän ja yksityiskohtaisen visualisoinnin kehon sisäisistä rakenteista, ja sitä käytetään nyt rutiininomaisesti lääketieteellisessä diagnoosissa, hoidossa ja seurannassa. Ratkaisevaa on, että toisin kuin röntgenpohjaiset skannaukset, MRI ei altista kohdetta ionisoivalle säteilylle.
Mansfield opiskeli alun perin fysiikkaa Queen Mary Collegessa Lontoossa, jossa hänen jatkotutkimuksensa keskittyi pulssillisen ydinmagneettisen resonanssin (NMR) spektrometrin rakentamiseen kiinteiden polymeerijärjestelmien tutkimiseksi. Saatuaan tohtorintutkinnon vuonna 1962, hän jatkoi NMR-tutkimusta Illinoisin yliopistossa Urbana–Champaignissa, ennen kuin palasi Iso-Britanniaan ryhtyäkseen luennoitsijaksi Nottinghamin yliopistoon (jossa hän työskenteli eläkkeelle jäämiseensä vuonna 1994).
Mansfieldin tohtorintutkinto ja postdoc johtivat hänet ajatukseen käyttää NMR:ää ihmisen kuvantamiseen (tekniikkaa, jota alun perin kutsuttiin ydinmagneettiseksi resonanssikuvaukseksi, mutta se muutettiin pian vain MRI:ksi potilaiden hälyttämisen välttämiseksi). Ja juuri ollessaan Nottinghamissa Mansfield teki joitakin keskeisiä läpimurtoja, jotka johtivat hänen Nobel-palkintoonsa.
1970-luvun puolivälissä Mansfield tuotti ensimmäiset MR-kuvat elävästä ihmisestä: erään hänen tutkijansa sormesta. Hänen tiiminsä kehitti koko kehon MRI-prototyyppiä, jonka hän vapaaehtoisesti testasi ensimmäisenä. Huolimatta siitä, että tutkijat varoittivat, että se voi olla vaarallista, Mansfield oli "melko vakuuttunut siitä, ettei ongelmaa olisi".
Rajojen rikkominen: kuinka fyysikko Ernest Rutherford voitti kemian Nobelin
Mitä tulee Lauterburiin, hän havaitsi, että gradienttien tuominen magneettikenttään mahdollisti kaksiulotteisten kuvien luomisen rakenteista, joita ei voitu visualisoida muilla tekniikoilla. Mansfield kehitti edelleen gradienttien käyttöä osoittaen, kuinka havaitut signaalit voidaan analysoida matemaattisesti ja muuntaa hyödyllisiksi kuviksi. Hänelle on myös tunnustettu, että hän on keksinyt kuinka lyhentää magneettikuvausaikoja merkittävästi käyttämällä kaikutasokuvaustekniikkaa.
Nykyään kymmeniä miljoonia MRI-tutkimuksia tehdään vuosittain ympäri maailmaa, ja vuonna 1993 Mansfield palkittiin ritariksi hänen palveluksistaan lääketieteen hyväksi. Siellä on jopa olutta (4.2 % ABV Sir Peter Mansfield ale) nimetty hänen kunniakseen.
