Med 2022 års Nobelpris kommer att tillkännages, Fysikvärlden redaktörer tittar på fysikerna som har vunnit priser inom andra områden än sina egna. Här, Tami Freeman undersöker två medicinska bildgenombrott som ledde till att fysiker vann Nobelpriset i fysiologi eller medicin.
Fysiker har alltid haft ett intresse för biologisk och medicinsk fysik, med Francis Crick och Maurice Wilkins som berömt delar 1962 Nobelpriset i fysiologi eller medicin för att belysa strukturen av DNA (tillsammans med biologen James Watson).
Men två andra enorma genombrott inom medicinsk fysik – införandet av datortomografi med röntgen (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRT) – vann också deras uppfinnare ett Nobelpris för fysiologi eller medicin.
Ta itu med tomografiteori
Redan innan Wilhelm Roentgen vann det första Nobelpriset i fysik någonsin 1901 för att ha upptäckt röntgenstrålar, har vi vetat att de kan användas för att avbilda kroppens inre. De ledde snabbt till introduktionen av en rad medicinska tillämpningar; men det var utvecklingen av CT-skanning – där röntgenstrålar skickas genom kroppen i olika vinklar för att skapa tvärsnitts- och 3D-bilder – som avsevärt utökade potentialen för medicinsk röntgenbild.
Det arbetet uppmärksammades 1979 när fysikern Allan Cormack tilldelades Nobelpriset i fysiologi eller medicin.för utveckling av datorstödd tomografi”, en ära han delade med ingenjören Godfrey Hounsfield.
Född i Johannesburg, Sydafrika, hade Cormack varit fascinerad av astronomi i tidig ålder. Han fortsatte sedan med att studera elektroteknik vid University of Cape Town men efter ett par år övergav han ingenjören och vände sig till fysik. Efter att ha avslutat en BSc i fysik och en MSc i kristallografi flyttade han till Storbritannien för att arbeta som doktorand vid Cambridge Universitys Cavendish Laboratory. Cormack återvände till Kapstaden som föreläsare och efter ett sabbatsår vid Harvard University blev han 1957 biträdande professor i fysik vid Tufts University i USA. Ovanligt för en nobelpristagare tog Cormack aldrig en doktorsexamen.
På Tufts var Cormacks huvudsakliga sysselsättning kärn- och partikelfysik. Men när han hade tid, fortsatte han sitt andra intresse - "CT-skanningsproblemet". Han var den förste, ur teoretisk synvinkel, att analysera förutsättningarna för att påvisa ett korrekt radiografiskt tvärsnitt i ett biologiskt system.
Efter att ha utvecklat den teoretiska grunden för rekonstruktion av tomografiska bilder publicerade han sina resultat 1963 och 1964. Cormack noterade att vid den tiden "det fanns praktiskt taget inget svar" på dessa artiklar, så han fortsatte sin normala forskning och undervisning. 1971 byggde Hounsfield och kollegor den första CT-skannern och intresset för CT-skanning eskalerade.
Det som är intressant är att Cormack och Hounsfield byggde en mycket liknande typ av enhet utan samarbete, i olika delar av världen. Tack vare deras oberoende ansträngningar är CT-skanningar nu överallt i modern medicin, som används för tillämpningar som sjukdomsdiagnostik och övervakning, såväl som vägledande tester som biopsier eller behandlingar som strålbehandling.
Uppkomsten av MRI
Nästa Nobelpris i fysiologi eller medicin som gick till en fysiker var 2003 när Peter Mansfield erkändes (tillsammans med den amerikanske kemisten Paul Lauterbur), för "upptäckter rörande magnetisk resonanstomografi”, som banade vägen för modern MRI. Tekniken ger tydlig och detaljerad visualisering av inre kroppsstrukturer och används nu rutinmässigt för medicinsk diagnostik, behandling och uppföljning. Av avgörande betydelse, till skillnad från röntgenbaserade skanningar, utsätter MRT inte personen för joniserande strålning.
Mansfield studerade ursprungligen fysik vid Queen Mary College i London, där hans doktorandforskning fokuserade på att bygga en pulsad kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektrometer för att studera solida polymersystem. Efter att ha tagit sin doktorsexamen 1962, genomförde han ytterligare NMR-forskning vid University of Illinois i Urbana–Champaign, innan han återvände till Storbritannien för att ta ett lektorat vid Nottingham University (där han arbetade fram till sin pensionering 1994).
Mansfields doktorsexamen och postdoc ledde honom till idén att använda NMR för mänsklig avbildning (en teknik som ursprungligen kallades kärnmagnetisk resonanstomografi, men som snart blev ommärkt som bara MRT för att undvika att alarmera patienter). Och det var under sin tid i Nottingham som Mansfield gjorde några av de viktigaste genombrotten som ledde till hans Nobelpris.
I mitten av 1970-talet producerade Mansfield de första MR-bilderna av ett levande mänskligt subjekt: fingret på en av hans forskarstudenter. Hans team fortsatte med att utveckla en MRI-prototyp för hela kroppen, som han frivilligt var den första att testa. Trots att andra forskare varnade för att det kan vara potentiellt farligt, var Mansfield "ganska övertygad om att det inte skulle vara ett problem".
Bryta gränser: hur fysikern Ernest Rutherford vann Nobelpriset i kemi
När det gäller Lauterbur upptäckte han att införandet av gradienter i magnetfältet gjorde det möjligt att skapa tvådimensionella bilder av strukturer som inte kunde visualiseras med andra tekniker. Mansfield vidareutvecklade användningen av gradienter och visade hur de detekterade signalerna kan matematiskt analyseras och omvandlas till användbara bilder. Han är också krediterad för att ha upptäckt hur man drastiskt minskar MRT-skanningstiderna, med hjälp av eko-planar avbildningsteknik.
Dessa dagar utförs tiotals miljoner MRI-undersökningar varje år runt om i världen, och 1993 adlades Mansfield för sina tjänster till medicinsk vetenskap. Det finns till och med en öl (4.2% ABV Sir Peter Mansfield öl) namngiven till hans ära.
