В связи с объявлением Нобелевских премий 2022 г. Мир физики редакторы смотрят на физиков, получивших призы не в своей области. Здесь, Тами Фриман исследует два прорыва в медицинской визуализации, благодаря которым физики получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Физики всегда интересовались биологической и медицинской физикой, а Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс, как известно, разделяли Нобелевская премия 1962 года по физиологии и медицине за выяснение структуры ДНК (вместе с биологом Джеймсом Уотсоном).
Но два других огромных прорыва в медицинской физике — внедрение рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) — также принесли их изобретателям Нобелевскую премию по физиологии или медицине.
Разбираемся с теорией томографии
Еще до того, как Вильгельм Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике в 1901 году за открытие рентгеновских лучей, мы знали, что их можно использовать для изображения внутренней части тела. Они быстро привели к появлению ряда медицинских приложений; но именно развитие компьютерной томографии, при которой рентгеновские лучи проходят через тело под разными углами для создания поперечных и трехмерных изображений, значительно расширило возможности медицинской рентгенографии.
Эта работа получила признание в 1979 году, когда физик Аллан Кормак был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.за разработку компьютерной томографии», честь, которую он разделил с инженером Годфри Хаунсфилдом.
Родившийся в Йоханнесбурге, Южная Африка, Кормак был заинтригован астрономией в раннем возрасте. Затем он продолжил изучать электротехнику в Кейптаунском университете, но через пару лет бросил инженерию и обратился к физике. После получения степени бакалавра физики и магистра кристаллографии он переехал в Великобританию, чтобы работать докторантом в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Кормак вернулся в Кейптаун в качестве лектора и после творческого отпуска в Гарвардском университете в 1957 году стал доцентом физики в Университете Тафтса в США. Что необычно для лауреата Нобелевской премии, Кормак так и не получил докторскую степень.
В Tufts основными занятиями Кормака были ядерная физика и физика элементарных частиц. Но когда у него появилось время, он занялся другим своим интересом – «проблемой компьютерной томографии». Он был первым, с теоретической точки зрения, проанализировавшим условия для демонстрации правильного радиографического поперечного сечения в биологической системе.
Разработав теоретические основы реконструкции томографических изображений, он опубликовал свои результаты в 1963 и 1964 годах. Кормак отметил, что в то время «практически не было отклика» на эти статьи, поэтому он продолжил свой обычный курс исследований и преподавания. Однако в 1971 году Хаунсфилд и его коллеги построили первый компьютерный томограф, и интерес к компьютерному сканированию возрос.
Что интересно, Кормак и Хаунсфилд построили устройства очень похожего типа без сотрудничества в разных частях мира. Благодаря их независимым усилиям компьютерная томография теперь повсеместно используется в современной медицине, используется для таких приложений, как диагностика и мониторинг заболеваний, а также для проведения тестов, таких как биопсия, или таких методов лечения, как лучевая терапия.
Появление МРТ.
Следующая Нобелевская премия по физиологии и медицине, присужденная физику, была в 2003 году, когда Питер Мэнсфилд был признан (вместе с американским химиком Полом Лаутербуром) за «открытия, касающиеся магнитно-резонансной томографии», которая проложила путь к современной МРТ. Этот метод обеспечивает четкую и подробную визуализацию внутренних структур тела и в настоящее время обычно используется для медицинской диагностики, лечения и последующего наблюдения. Важно отметить, что в отличие от рентгеновского сканирования, МРТ не подвергает субъекта воздействию ионизирующего излучения.
Первоначально Мэнсфилд изучал физику в Колледже Королевы Марии в Лондоне, где его исследования в аспирантуре были сосредоточены на создании спектрометра импульсного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для изучения твердых полимерных систем. После получения докторской степени в 1962 году он предпринял дальнейшие исследования ЯМР в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн, прежде чем вернуться в Великобританию, чтобы стать лектором в Ноттингемском университете (где он работал до выхода на пенсию в 1994 году).
Доктор философии и постдок Мэнсфилда привели его к идее использования ЯМР для визуализации человека (метод, первоначально называвшийся ядерной магнитно-резонансной томографией, но вскоре переименованный в просто МРТ, чтобы не тревожить пациентов). И именно во время своего пребывания в Ноттингеме Мэнсфилд сделал несколько ключевых прорывов, которые привели к его Нобелевской премии.
В середине 1970-х Мэнсфилд сделал первые МРТ-изображения живого человека: пальца одного из его студентов-исследователей. Его команда разработала прототип МРТ всего тела, который он вызвался протестировать первым. Несмотря на то, что коллеги-ученые предупреждали, что это может быть потенциально опасно, Мэнсфилд был «достаточно уверен, что проблемы не будет».
Разрушая границы: как физик Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии
Что касается Лаутербура, то он обнаружил, что введение градиентов в магнитное поле позволяет создавать двумерные изображения структур, которые невозможно визуализировать другими методами. Мэнсфилд развил использование градиентов, показав, как обнаруженные сигналы могут быть математически проанализированы и преобразованы в полезные изображения. Ему также приписывают открытие того, как резко сократить время сканирования МРТ с помощью метода эхо-планарной визуализации.
В наши дни во всем мире ежегодно проводятся десятки миллионов МРТ-исследований, а в 1993 году Мэнсфилд был посвящен в рыцари за заслуги перед медицинской наукой. Есть даже пиво (крепость 4.2% Эль сэра Питера Мэнсфилда), названный в его честь.
