การทำลายขอบเขต: นักฟิสิกส์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์อย่างไร

นักฟิสิกส์มีความสนใจในฟิสิกส์ชีวภาพและการแพทย์มาโดยตลอด โดย Francis Crick และ Maurice Wilkins มีชื่อเสียงในการแบ่งปัน รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ พ.ศ. 1962 สำหรับการอธิบายโครงสร้างของ DNA (ร่วมกับนักชีววิทยา James Watson)

แต่อีกสองความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ในฟิสิกส์การแพทย์ - การแนะนำเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) และการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) - ยังได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์อีกด้วย

การแก้ปัญหาทฤษฎีเอกซ์เรย์

ก่อนที่ Wilhelm Roentgen จะได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เป็นครั้งแรกในปี 1901 จากการค้นพบรังสีเอกซ์ เราทราบกันดีอยู่แล้วว่ารังสีเอกซ์สามารถใช้ถ่ายภาพภายในร่างกายได้ พวกเขานำไปสู่การแนะนำแอปพลิเคชันทางการแพทย์อย่างรวดเร็ว แต่เป็นการพัฒนาของการสแกน CT ซึ่งรังสีเอกซ์จะถูกส่งผ่านร่างกายในมุมต่างๆ เพื่อสร้างภาพตัดขวางและภาพ 3 มิติ ซึ่งขยายศักยภาพของการถ่ายภาพรังสีเอกซ์ทางการแพทย์อย่างมากมาย

ผลงานดังกล่าวได้รับการยอมรับในปี 1979 เมื่อนักฟิสิกส์ Allan Cormack ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์”เพื่อพัฒนาเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ช่วย” ซึ่งเป็นเกียรติที่เขาแบ่งปันกับวิศวกร Godfrey Hounsfield

Cormack เกิดในเมืองโจฮันเนสเบิร์ก ประเทศแอฟริกาใต้ เขาสนใจดาราศาสตร์ตั้งแต่อายุยังน้อย จากนั้นเขาก็ไปศึกษาต่อด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มหาวิทยาลัยเคปทาวน์ แต่หลังจากนั้นไม่กี่ปีก็เลิกเรียนวิศวกรรมศาสตร์และหันมาสนใจฟิสิกส์ หลังจากจบปริญญาตรีสาขาฟิสิกส์และปริญญาโทสาขาผลึกศาสตร์ เขาย้ายไปสหราชอาณาจักรเพื่อทำงานเป็นนักศึกษาระดับปริญญาเอกที่ Cavendish Laboratory ของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ Cormack กลับมาที่ Cape Town ในฐานะวิทยากร และหลังจากจบภาคการศึกษาที่ Harvard University ในปี 1957 ก็ได้เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ Tufts University ในสหรัฐอเมริกา Cormack ไม่เคยได้รับปริญญาดุษฎีบัณฑิตเลย

ที่ Tufts เป้าหมายหลักของ Cormack คือนิวเคลียร์และฟิสิกส์ของอนุภาค แต่เมื่อมีเวลา เขาได้ไล่ตามความสนใจอย่างอื่น นั่นคือ “ปัญหาการสแกน CT” เขาเป็นคนแรกจากมุมมองทางทฤษฎีในการวิเคราะห์เงื่อนไขสำหรับการแสดงภาพตัดขวางทางรังสีที่ถูกต้องในระบบชีวภาพ

หลังจากได้พัฒนารากฐานทางทฤษฎีของการสร้างภาพโทโมกราฟีขึ้นใหม่แล้ว เขาได้เผยแพร่ผลงานของเขาในปี 1963 และ 1964 คอร์แมคตั้งข้อสังเกตว่าในเวลานั้น "แทบไม่มีการตอบสนอง" ต่อเอกสารเหล่านี้ ดังนั้นเขาจึงยังคงดำเนินการวิจัยและการสอนตามปกติ อย่างไรก็ตาม ในปี 1971 Hounsfield และเพื่อนร่วมงานได้สร้างเครื่องสแกน CT เครื่องแรกและความสนใจในการสแกน CT ก็เพิ่มมากขึ้น

สิ่งที่น่าสนใจคือ Cormack และ Hounsfield สร้างอุปกรณ์ประเภทเดียวกันโดยไม่ได้ทำงานร่วมกันในส่วนต่างๆ ของโลก ต้องขอบคุณความพยายามที่เป็นอิสระของพวกเขา การสแกน CT ในปัจจุบันจึงแพร่หลายในการแพทย์แผนปัจจุบัน ซึ่งใช้สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การวินิจฉัยโรคและการเฝ้าติดตาม ตลอดจนแนวทางการทดสอบ เช่น การตรวจชิ้นเนื้อหรือการรักษา เช่น การรักษาด้วยการฉายรังสี

การเกิดขึ้นของ MRI

รางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ครั้งต่อไปตกเป็นของนักฟิสิกส์ในปี 2003 เมื่อ Peter Mansfield ได้รับการยอมรับ (ร่วมกับ Paul Lauterbur นักเคมีชาวสหรัฐฯ) สำหรับ "การค้นพบเกี่ยวกับการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก” ซึ่งปูทางไปสู่ ​​MRI สมัยใหม่ เทคนิคนี้ช่วยให้มองเห็นโครงสร้างภายในร่างกายได้อย่างชัดเจนและมีรายละเอียด และปัจจุบันนี้ถูกนำมาใช้เป็นประจำในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การรักษา และการติดตามผล สิ่งสำคัญที่แตกต่างจากการสแกนด้วยรังสีเอกซ์คือ MRI จะไม่ให้วัตถุสัมผัสกับรังสีไอออไนซ์

เดิมทีแมนส์ฟีลด์ศึกษาวิชาฟิสิกส์ที่วิทยาลัยควีนแมรีในลอนดอน ซึ่งงานวิจัยระดับบัณฑิตศึกษาของเขามุ่งเน้นไปที่การสร้างสเปกโตรมิเตอร์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์แบบพัลซิ่ง (NMR) เพื่อศึกษาระบบพอลิเมอร์ที่เป็นของแข็ง หลังจากได้รับปริญญาเอกในปี พ.ศ. 1962 เขาได้ดำเนินการวิจัย NMR เพิ่มเติมที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเพน ก่อนจะเดินทางกลับสหราชอาณาจักรเพื่อรับตำแหน่งอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม (ซึ่งเขาทำงานจนเกษียณอายุในปี พ.ศ. 1994)

ปริญญาเอกและ postdoc ของ Mansfield ทำให้เขามีความคิดในการใช้ NMR สำหรับการถ่ายภาพมนุษย์ (เทคนิคเดิมเรียกว่าการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ แต่ในไม่ช้าก็เปลี่ยนชื่อเป็นเพียง MRI เพื่อหลีกเลี่ยงผู้ป่วยที่น่าตกใจ) และในช่วงเวลาที่เขาอยู่ที่นอตทิงแฮมนั้น แมนส์ฟิลด์ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่นำไปสู่การได้รับรางวัลโนเบลของเขา

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1970 Mansfield ได้สร้างภาพ MR ภาพแรกของอาสาสมัครที่มีชีวิตซึ่งก็คือนิ้วของนักศึกษาวิจัยคนหนึ่งของเขา ทีมของเขาพัฒนาต้นแบบ MRI ทั่วร่างกาย ซึ่งเขาอาสาเป็นคนแรกที่ทดสอบ แม้ว่าเพื่อนนักวิทยาศาสตร์จะเตือนว่ามันอาจเป็นอันตราย แต่แมนส์ฟิลด์ก็ “ค่อนข้างเชื่อว่าจะไม่มีปัญหา”

สำหรับเลาเทอร์เบอร์ เขาค้นพบว่าการใส่การไล่ระดับสีในสนามแม่เหล็กทำให้สามารถสร้างภาพสองมิติของโครงสร้างที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยเทคนิคอื่น Mansfield พัฒนาการใช้การไล่ระดับสีเพิ่มเติม โดยแสดงให้เห็นว่าสัญญาณที่ตรวจพบสามารถวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์และแปลงเป็นภาพที่มีประโยชน์ได้อย่างไร เขายังให้เครดิตกับการค้นพบวิธีลดเวลาการสแกน MRI ลงอย่างมาก โดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพสะท้อนระนาบ

ทุกวันนี้มีการตรวจ MRI หลายสิบล้านครั้งทั่วโลกในแต่ละปี และในปี 1993 แมนส์ฟิลด์ได้รับแต่งตั้งให้เป็นอัศวินในการให้บริการด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์ มีแม้กระทั่งเบียร์ (ABV 4.2% เซอร์ปีเตอร์ แมนส์ฟิลด์ เอล) ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา