Wraz z ogłoszeniem nagród Nobla w 2022 r., Świat Fizyki redaktorzy patrzą na fizyków, którzy zdobyli nagrody w dziedzinach innych niż ich własna. Tutaj, Tami Freemana analizuje dwa przełomowe odkrycia w obrazowaniu medycznym, które doprowadziły do zdobycia przez fizyków Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny.
Fizycy zawsze interesowali się fizyką biologiczną i medyczną, a Francis Crick i Maurice Wilkins słynęli z tego, że Nagroda Nobla w 1962 r. w dziedzinie fizjologii lub medycyny za wyjaśnienie struktury DNA (wraz z biologiem Jamesem Watsonem).
Ale dwa inne ogromne przełomy w fizyce medycznej – wprowadzenie rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI) – również przyniosły ich wynalazcom nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny.
Zwalczanie teorii tomografii
Jeszcze zanim Wilhelm Roentgen otrzymał w 1901 roku pierwszą w historii Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie promieni rentgenowskich, wiedzieliśmy, że można je wykorzystać do obrazowania wnętrza ciała. Szybko doprowadziły do wprowadzenia szeregu zastosowań medycznych; ale dopiero rozwój tomografii komputerowej – podczas której promienie rentgenowskie są przepuszczane przez ciało pod różnymi kątami w celu utworzenia obrazów przekrojowych i trójwymiarowych – znacznie rozszerzył potencjał medycznego obrazowania rentgenowskiego.
Praca ta została doceniona w 1979 roku, kiedy fizyk Allan Cormack otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny „za rozwój tomografii komputerowej”, zaszczytem, który podzielił z inżynierem Godfreyem Hounsfieldem.
Urodzony w Johannesburgu w Republice Południowej Afryki Cormack już od najmłodszych lat był zaintrygowany astronomią. Następnie studiował elektrotechnikę na Uniwersytecie w Cape Town, ale po kilku latach porzucił inżynierię i zajął się fizyką. Po uzyskaniu tytułu licencjata z fizyki i magistra krystalografii przeniósł się do Wielkiej Brytanii, aby pracować jako doktorant w Cavendish Laboratory na Uniwersytecie Cambridge. Cormack wrócił do Cape Town jako wykładowca, a po urlopie naukowym na Uniwersytecie Harvarda w 1957 roku został adiunktem fizyki na Uniwersytecie Tufts w USA. Co niezwykłe jak na laureata Nagrody Nobla, Cormack tak naprawdę nigdy nie uzyskał doktoratu.
W Tufts głównymi zajęciami Cormacka była fizyka jądrowa i cząsteczkowa. Kiedy jednak miał czas, zajmował się innym swoim zainteresowaniem – „problemem tomografii komputerowej”. Jako pierwszy z teoretycznego punktu widzenia przeanalizował warunki wykazania prawidłowego przekroju radiograficznego w układzie biologicznym.
Po opracowaniu teoretycznych podstaw rekonstrukcji obrazu tomograficznego opublikował swoje wyniki w latach 1963 i 1964. Cormack zauważył, że w tamtym czasie „praktycznie nie było odzewu” na te prace, więc kontynuował swój normalny tok badań i nauczania. Jednak w 1971 roku Hounsfield i jego współpracownicy zbudowali pierwszy tomograf komputerowy, co spowodowało wzrost zainteresowania tomografią komputerową.
Co ciekawe, Cormack i Hounsfield zbudowali bardzo podobny typ urządzenia bez współpracy, w różnych częściach świata. Dzięki ich niezależnym wysiłkom tomografia komputerowa jest obecnie wszechobecna we współczesnej medycynie i wykorzystywana do takich zastosowań, jak diagnostyka i monitorowanie chorób, a także badania kontrolne, takie jak biopsje, czy leczenie, takie jak radioterapia.
Pojawienie się MRI
Następną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznano fizykowi w 2003 r., kiedy Peter Mansfield został wyróżniony (wraz z amerykańskim chemikiem Paulem Lauterburem) za „odkrycia dotyczące rezonansu magnetycznego”, co utorowało drogę do nowoczesnego MRI. Technika ta zapewnia wyraźną i szczegółową wizualizację wewnętrznych struktur ciała i jest obecnie rutynowo stosowana w diagnostyce medycznej, leczeniu i kontroli. Co najważniejsze, w przeciwieństwie do skanów rentgenowskich, MRI nie naraża pacjenta na promieniowanie jonizujące.
Mansfield pierwotnie studiował fizykę w Queen Mary College w Londynie, gdzie jego badania magisterskie skupiały się na budowie spektrometru pulsacyjnego jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) do badania układów stałych polimerów. Po uzyskaniu stopnia doktora w 1962 r. podjął dalsze badania NMR na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, po czym wrócił do Wielkiej Brytanii, aby objąć stanowisko wykładowcy na Uniwersytecie w Nottingham (gdzie pracował aż do przejścia na emeryturę w 1994 r.).
Stopień doktora i postdoktora Mansfielda skłoniły go do pomysłu wykorzystania NMR do obrazowania ludzi (technika pierwotnie nazywana obrazowaniem jądrowego rezonansu magnetycznego, ale wkrótce przemianowana na po prostu MRI, aby uniknąć niepokojenia pacjentów). To właśnie podczas pobytu w Nottingham Mansfield dokonał kilku kluczowych przełomów, które doprowadziły do jego nagrody Nobla.
W połowie lat siedemdziesiątych Mansfield wykonał pierwsze obrazy MR żywego człowieka: palca jednego ze swoich studentów. Następnie jego zespół opracował prototyp rezonansu magnetycznego całego ciała, który jako pierwszy zgłosił się na ochotnika do przetestowania. Choć inni naukowcy ostrzegali, że może to być potencjalnie niebezpieczne, Mansfield był „całkiem przekonany, że nie będzie problemu”.
Przełamywanie granic: jak fizyk Ernest Rutherford zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii
Jeśli chodzi o Lauterbura, odkrył, że wprowadzenie gradientów w polu magnetycznym umożliwiło utworzenie dwuwymiarowych obrazów struktur, których nie można zwizualizować innymi technikami. Mansfield dalej rozwijał zastosowanie gradientów, pokazując, w jaki sposób wykryte sygnały można analizować matematycznie i przekształcać w przydatne obrazy. Przypisuje mu się również odkrycie, jak drastycznie skrócić czas skanowania MRI, stosując technikę obrazowania echoplanarnego.
Obecnie na całym świecie przeprowadza się dziesiątki milionów badań MRI, a w 1993 r. Mansfield otrzymał tytuł szlachecki za zasługi dla nauk medycznych. Jest nawet piwo (4.2% ABV Piwo Sir Petera Mansfielda) nazwany na jego cześć.
