A 2022-es Nobel-díjak kihirdetése miatt Fizika Világa A szerkesztők megnézik azokat a fizikusokat, akik a sajátjuktól eltérő területeken nyertek díjat. Itt, Tami Freeman két olyan orvosi képalkotó áttörést vizsgál, amelyek a fizikusok fiziológiai vagy orvosi Nobel-díjának elnyeréséhez vezettek.
A fizikusokat mindig is érdekelte a biológiai és orvosi fizika, Francis Crick és Maurice Wilkins pedig híresen megosztja 1962. fiziológiai vagy orvosi Nobel-díj a DNS szerkezetének tisztázására (James Watson biológussal együtt).
De az orvosi fizika két másik hatalmas áttörése – a röntgen-számítógépes tomográfia (CT) és a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) bevezetése – szintén élettani vagy orvosi Nobel-díjat kapott feltalálóiknak.
A tomográfia elmélet kezelése
Még mielőtt Wilhelm Roentgen elnyerte volna az első fizikai Nobel-díjat 1901-ben a röntgensugarak felfedezéséért, tudtuk, hogy felhasználhatók a test belsejének képalkotására. Ezek gyorsan vezettek egy sor orvosi alkalmazás bevezetéséhez; de a CT-szkennelés fejlődése – amelynek során a röntgensugarakat különböző szögekben küldik át a testen keresztmetszeti és 3D-s képek létrehozása érdekében – jelentősen kibővítette az orvosi röntgenképalkotásban rejlő lehetőségeket.
Ezt a munkát 1979-ben ismerték el, amikor Allan Cormack fizikus fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott.számítógépes tomográfia fejlesztésére”, amelyet Godfrey Hounsfield mérnökkel osztott meg.
A dél-afrikai Johannesburgban született Cormack fiatal korában érdeklődött a csillagászat iránt. Ezután villamosmérnöknek tanult a Fokvárosi Egyetemen, de néhány év múlva felhagyott a mérnöki munkával, és a fizika felé fordult. Fizikai BSc és krisztallográfiás MSc diploma megszerzése után az Egyesült Királyságba költözött, hogy doktoranduszként dolgozzon a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumában. Cormack oktatóként tért vissza Fokvárosba, és a Harvard Egyetemen eltöltött szabadság után 1957-ben az amerikai Tufts Egyetem fizika adjunktusa lett. A Nobel-díjasoktól szokatlan módon Cormack soha nem szerzett PhD fokozatot.
Tuftsnál Cormack fő tevékenysége a mag- és részecskefizika volt. De amikor ideje volt, más érdeklődési körével foglalkozott – a „CT-vizsgálati problémával”. Ő volt az első, aki elméleti szempontból elemezte a biológiai rendszerben a helyes radiográfiai keresztmetszet kimutatásának feltételeit.
A tomográfiás képrekonstrukció elméleti alapjait kidolgozva 1963-ban és 1964-ben publikálta eredményeit. Cormack megjegyezte, hogy akkoriban ezekre a dolgozatokra „gyakorlatilag nem érkezett válasz”, így folytatta szokásos kutatási és oktatási tevékenységét. 1971-ben azonban Hounsfield és munkatársai megépítették az első CT-szkennert, és megnőtt az érdeklődés a CT-vizsgálat iránt.
Az az érdekes, hogy Cormack és Hounsfield együttműködés nélkül épített egy nagyon hasonló típusú készüléket a világ különböző részein. Független erőfeszítéseiknek köszönhetően a CT-vizsgálatok ma már mindenütt jelen vannak a modern gyógyászatban, és olyan alkalmazásokhoz alkalmazzák, mint a betegségek diagnosztizálása és monitorozása, valamint olyan irányadó vizsgálatok, mint a biopszia vagy olyan kezelések, mint a sugárterápia.
Az MRI megjelenése
A következő fiziológiai és orvosi Nobel-díjat 2003-ban ítélték oda, amikor Peter Mansfieldet (az amerikai kémikussal, Paul Lauterburrel együtt) elismerésben részesítették.A mágneses rezonancia képalkotással kapcsolatos felfedezések”, amely megnyitotta az utat a modern MRI felé. A technika világos és részletes megjelenítést biztosít a belső testszerkezetekről, és ma már rutinszerűen használják orvosi diagnózisra, kezelésre és nyomon követésre. Lényeges, hogy a röntgen-alapú vizsgálatokkal ellentétben az MRI nem teszi ki az alanyt ionizáló sugárzásnak.
Mansfield eredetileg a londoni Queen Mary College-ban tanult fizikát, ahol posztgraduális kutatása egy impulzusos magmágneses rezonancia (NMR) spektrométer megépítésére összpontosított szilárd polimer rendszerek tanulmányozására. Miután 1962-ben doktorált, további NMR-kutatást végzett az Illinoisi Egyetemen, Urbana–Champaignben, majd visszatért az Egyesült Királyságba, hogy a Nottingham Egyetemen (ahol 1994-es nyugdíjazásáig) tanuljon.
Mansfield doktori és posztdoktori tanulmánya vezette az NMR-t emberi képalkotáshoz (ez a technika eredetileg magmágneses rezonancia képalkotásnak nevezték, de hamarosan csak MRI-nek nevezték át, hogy elkerülje a betegek riasztó hatását). És Mansfield Nottinghamben töltött ideje alatt érte el a Nobel-díjához vezető kulcsfontosságú áttöréseket.
Az 1970-es évek közepén Mansfield készítette az első MR-felvételeket élő emberi alanyról: egyik kutató diákjának ujjáról. Csapata egy egész testre kiterjedő MRI prototípust fejlesztett ki, amelyet önként vállalt, hogy elsőként tesztelje. Annak ellenére, hogy a tudóstársak figyelmeztettek, hogy potenciálisan veszélyes lehet, Mansfield „meglehetősen meg volt győződve arról, hogy nem lesz probléma”.
Határok áttörése: hogyan nyerte el Ernest Rutherford fizikus a kémiai Nobel-díjat
Ami Lauterburt illeti, felfedezte, hogy gradiensek bevezetése a mágneses térbe lehetővé tette olyan struktúrák kétdimenziós képeinek létrehozását, amelyeket más technikákkal nem lehetett megjeleníteni. Mansfield továbbfejlesztette a gradiensek használatát, bemutatva, hogyan lehet az észlelt jeleket matematikailag elemezni és hasznos képekké alakítani. Az ő nevéhez fűződik az is, hogy felfedezte, hogyan lehet drasztikusan csökkenteni az MRI szkennelési időt az echo-planáris képalkotó technikával.
Manapság évente több tízmillió MRI-vizsgálatot végeznek szerte a világon, és 1993-ban Mansfieldet lovaggá ütötték az orvostudományban végzett szolgálataiért. Még egy sör is van (a 4.2%-os ABV Sir Peter Mansfield sör) tiszteletére nevezték el.
