Dengan hadiah Nobel 2022 yang akan diumumkan, Dunia Fisika editor melihat fisikawan yang telah memenangkan hadiah di bidang selain bidang mereka sendiri. Di Sini, Tami Freeman meneliti dua terobosan pencitraan medis yang menyebabkan fisikawan memenangkan Hadiah Nobel untuk Fisiologi atau Kedokteran.
Fisikawan selalu memiliki minat dalam fisika biologi dan medis, dengan Francis Crick dan Maurice Wilkins yang terkenal berbagi 1962 Hadiah Nobel untuk Fisiologi atau Kedokteran untuk menjelaskan struktur DNA (bersama dengan ahli biologi James Watson).
Namun dua terobosan besar lainnya dalam fisika medis – pengenalan X-ray computerized tomography (CT) dan magnetic resonance imaging (MRI) – juga membuat penemunya mendapatkan hadiah Nobel bidang fisiologi atau kedokteran.
Menangani teori tomografi
Bahkan sebelum Wilhelm Roentgen memenangkan Hadiah Nobel Fisika yang pertama pada tahun 1901 karena menemukan sinar-X, kita telah mengetahui bahwa sinar-X dapat digunakan untuk menggambarkan bagian dalam tubuh. Mereka dengan cepat mengarah pada pengenalan berbagai aplikasi medis; namun perkembangan CT scan – yang mana sinar-X dikirim ke seluruh tubuh pada sudut yang berbeda-beda untuk menghasilkan gambar penampang dan 3D – yang memperluas potensi pencitraan medis dengan sinar-X.
Karya tersebut diakui pada tahun 1979 ketika fisikawan Allan Cormack dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisiologi atau Kedokteran “untuk pengembangan tomografi berbantuan komputer”, suatu kehormatan yang dia bagikan dengan insinyur Godfrey Hounsfield.
Lahir di Johannesburg, Afrika Selatan, Cormack telah tertarik dengan astronomi sejak usia dini. Dia kemudian melanjutkan studi teknik elektro di Universitas Cape Town tetapi setelah beberapa tahun meninggalkan teknik dan beralih ke fisika. Setelah menyelesaikan gelar BSc di bidang fisika dan MSc di bidang kristalografi, ia pindah ke Inggris untuk bekerja sebagai mahasiswa doktoral di Laboratorium Cavendish Universitas Cambridge. Cormack kembali ke Cape Town sebagai dosen dan, setelah mengambil cuti panjang di Universitas Harvard, pada tahun 1957 menjadi asisten profesor fisika di Universitas Tufts di AS. Tidak seperti biasanya bagi seorang peraih Nobel, Cormack tidak pernah benar-benar mendapatkan gelar PhD.
Di Tufts, tujuan utama Cormack adalah fisika nuklir dan partikel. Tetapi ketika dia punya waktu, dia mengejar minatnya yang lain – “masalah pemindaian CT”. Dia adalah orang pertama, dari sudut pandang teoretis, yang menganalisis kondisi untuk mendemonstrasikan penampang radiografik yang benar dalam sistem biologis.
Setelah mengembangkan landasan teoritis rekonstruksi gambar tomografi, ia menerbitkan hasilnya pada tahun 1963 dan 1964. Cormack mencatat bahwa pada saat itu, “praktis tidak ada tanggapan” terhadap makalah ini, jadi ia melanjutkan penelitian dan pengajarannya secara normal. Namun, pada tahun 1971, Hounsfield dan rekannya membuat pemindai CT pertama dan minat terhadap pemindaian CT meningkat.
Yang menarik adalah Cormack dan Hounsfield membuat perangkat yang sangat mirip tanpa kolaborasi, di berbagai belahan dunia. Berkat upaya independen mereka, CT scan sekarang ada di mana-mana dalam pengobatan modern, digunakan untuk aplikasi seperti diagnosis dan pemantauan penyakit, serta memandu tes seperti biopsi atau perawatan seperti terapi radiasi.
Munculnya MRI
Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran berikutnya yang diberikan kepada fisikawan adalah pada tahun 2003 ketika Peter Mansfield diakui (bersama dengan ahli kimia AS Paul Lauterbur), untuk “penemuan tentang pencitraan resonansi magnetik”, yang membuka jalan menuju MRI modern. Teknik ini memberikan visualisasi yang jelas dan rinci dari struktur tubuh internal dan sekarang secara rutin digunakan untuk diagnosis medis, pengobatan dan tindak lanjut. Yang terpenting, tidak seperti pemindaian berbasis sinar-X, MRI tidak memaparkan subjek pada radiasi pengion.
Mansfield awalnya belajar fisika di Queen Mary College di London, di mana penelitian pascasarjananya berfokus pada pembuatan spektrometer resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk mempelajari sistem polimer padat. Setelah menerima gelar PhD pada tahun 1962, ia melakukan penelitian NMR lebih lanjut di Universitas Illinois di Urbana – Champaign, sebelum kembali ke Inggris untuk menjadi dosen di Universitas Nottingham (tempat ia bekerja hingga pensiun pada tahun 1994).
PhD dan postdoc Mansfield membawanya ke ide menggunakan NMR untuk pencitraan manusia (teknik awalnya disebut pencitraan resonansi magnetik nuklir, tetapi segera rebadged hanya sebagai MRI untuk menghindari pasien yang mengkhawatirkan). Dan selama waktunya di Nottingham, Mansfield membuat beberapa terobosan penting yang mengarah pada hadiah Nobelnya.
Pada pertengahan 1970-an, Mansfield menghasilkan gambar MR pertama dari subjek manusia hidup: jari salah satu mahasiswa penelitiannya. Timnya kemudian mengembangkan prototipe MRI seluruh tubuh, yang dia ajukan sebagai yang pertama untuk diuji. Meskipun rekan ilmuwan memperingatkan bahwa itu mungkin berpotensi berbahaya, Mansfield "cukup yakin tidak akan ada masalah".
Menembus batas: bagaimana fisikawan Ernest Rutherford memenangkan Hadiah Nobel Kimia
Adapun Lauterbur, ia menemukan bahwa memperkenalkan gradien di medan magnet memungkinkan untuk membuat gambar struktur dua dimensi yang tidak dapat divisualisasikan dengan teknik lain. Mansfield lebih lanjut mengembangkan penggunaan gradien, menunjukkan bagaimana sinyal yang terdeteksi dapat dianalisis secara matematis dan diubah menjadi gambar yang berguna. Dia juga dipuji karena menemukan cara mengurangi waktu pemindaian MRI secara drastis, menggunakan teknik pencitraan echo-planar.
Saat ini puluhan juta pemeriksaan MRI dilakukan setiap tahun di seluruh dunia, dan pada tahun 1993, Mansfield dianugerahi gelar kebangsawanan atas jasanya terhadap ilmu kedokteran. Bahkan ada bir (4.2% ABV Bir Sir Peter Mansfield) dinamai untuk menghormatinya.
