Med 2022 Nobelprisene som skal kunngjøres, Fysikkens verden redaktører ser på fysikerne som har vunnet priser på andre felt enn deres eget. Her, Tami Freeman undersøker to medisinske avbildningsgjennombrudd som førte til at fysikere vant Nobelprisen i fysiologi eller medisin.
Fysikere har alltid hatt en interesse for biologisk og medisinsk fysikk, med Francis Crick og Maurice Wilkins som kjente deler 1962 Nobelprisen i fysiologi eller medisin for å belyse strukturen til DNA (sammen med biologen James Watson).
Men to andre store gjennombrudd innen medisinsk fysikk – introduksjonen av computertomografi med røntgen (CT) og magnetisk resonanstomografi (MRI) – vant også oppfinnerne deres en Nobelpris for fysiologi eller medisin.
Takler tomografiteori
Allerede før Wilhelm Roentgen vant den første Nobelprisen i fysikk i 1901 for å oppdage røntgenstråler, har vi visst at de kan brukes til å avbilde kroppens indre. De førte raskt til introduksjonen av en rekke medisinske applikasjoner; men det var utviklingen av CT-skanning – der røntgenstråler sendes gjennom kroppen i forskjellige vinkler for å lage tverrsnitt og 3D-bilder – som i stor grad utvidet potensialet til medisinsk røntgenbilde.
Dette arbeidet ble anerkjent i 1979 da fysikeren Allan Cormack ble tildelt Nobelprisen for fysiologi eller medisin.for utvikling av dataassistert tomografi”, en ære han delte med ingeniør Godfrey Hounsfield.
Cormack ble født i Johannesburg, Sør-Afrika, og hadde blitt fascinert av astronomi i en tidlig alder. Deretter studerte han elektroteknikk ved University of Cape Town, men etter et par år forlot han ingeniørfaget og vendte seg til fysikk. Etter å ha fullført en BSc i fysikk og en MSc i krystallografi flyttet han til Storbritannia for å jobbe som doktorgradsstudent ved Cambridge Universitys Cavendish Laboratory. Cormack kom tilbake til Cape Town som foreleser, og etter et sabbatsår ved Harvard University ble han i 1957 assisterende professor i fysikk ved Tufts University i USA. Uvanlig for en nobelprisvinner, fikk Cormack aldri en doktorgrad.
Hos Tufts var Cormacks hovedaktiviteter kjernefysikk og partikkelfysikk. Men da han hadde tid, forfulgte han sin andre interesse - "CT-skanningsproblemet". Han var den første, fra et teoretisk synspunkt, som analyserte betingelsene for å demonstrere et korrekt røntgen-tverrsnitt i et biologisk system.
Etter å ha utviklet det teoretiske grunnlaget for rekonstruksjon av tomografiske bilder, publiserte han resultatene sine i 1963 og 1964. Cormack bemerket at på den tiden "det var praktisk talt ingen respons" på disse papirene, så han fortsatte sin vanlige løpet av forskning og undervisning. I 1971 bygde Hounsfield og kollegene imidlertid den første CT-skanneren og interessen for CT-skanning eskalerte.
Det som er interessant er at Cormack og Hounsfield bygde en veldig lik type enhet uten samarbeid, i forskjellige deler av verden. Takket være deres uavhengige innsats er CT-skanninger nå allestedsnærværende i moderne medisin, brukt for applikasjoner som sykdomsdiagnose og overvåking, samt veiledende tester som biopsier eller behandlinger som strålebehandling.
Fremveksten av MR
Den neste Nobelprisen for fysiologi eller medisin som gikk til en fysiker var i 2003 da Peter Mansfield ble anerkjent (sammen med den amerikanske kjemikeren Paul Lauterbur), for "oppdagelser angående magnetisk resonansavbildning”, som banet vei for moderne MR. Teknikken gir tydelig og detaljert visualisering av indre kroppsstrukturer og brukes nå rutinemessig til medisinsk diagnose, behandling og oppfølging. Avgjørende, i motsetning til røntgenbaserte skanninger, utsetter ikke MR personen for ioniserende stråling.
Mansfield studerte opprinnelig fysikk ved Queen Mary College i London, hvor hans doktorgradsforskning fokuserte på å bygge et pulsert kjernemagnetisk resonans (NMR) spektrometer for å studere solide polymersystemer. Etter å ha mottatt sin doktorgrad i 1962, foretok han videre NMR-forskning ved University of Illinois i Urbana–Champaign, før han returnerte til Storbritannia for å ta opp et lektorat ved Nottingham University (hvor han jobbet til han gikk av i 1994).
Mansfields doktorgrad og postdoc førte ham til ideen om å bruke NMR for menneskelig avbildning (en teknikk som opprinnelig ble kalt kjernemagnetisk resonansavbildning, men ble snart omdefinert som bare MR for å unngå alarmerende pasienter). Og det var under hans tid i Nottingham at Mansfield gjorde noen av de viktigste gjennombruddene som førte til hans Nobelpris.
På midten av 1970-tallet produserte Mansfield de første MR-bildene av et levende menneske: fingeren til en av forskerstudentene hans. Teamet hans fortsatte med å utvikle en MR-prototype for hele kroppen, som han meldte seg frivillig til å være den første til å teste. Til tross for at andre forskere advarte om at det kan være potensielt farlig, var Mansfield "ganske overbevist om at det ikke ville være et problem".
Å bryte grenser: hvordan fysikeren Ernest Rutherford vant Nobelprisen i kjemi
Når det gjelder Lauterbur, oppdaget han at å introdusere gradienter i magnetfeltet gjorde det mulig å lage todimensjonale bilder av strukturer som ikke kunne visualiseres med andre teknikker. Mansfield videreutviklet bruken av gradienter, og viste hvordan de detekterte signalene kunne matematisk analyseres og transformeres til nyttige bilder. Han er også kreditert for å ha oppdaget hvordan man drastisk kan redusere MR-skanningstid ved bruk av ekko-plan-avbildningsteknikken.
I disse dager utføres titalls millioner MR-undersøkelser hvert år rundt om i verden, og i 1993 ble Mansfield slått til ridder for sine tjenester til medisinsk vitenskap. Det er til og med en øl (4.2% ABV Sir Peter Mansfield øl) navngitt til hans ære.
