Phá vỡ ranh giới: cách các nhà vật lý giành giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học

Các nhà vật lý luôn quan tâm đến vật lý sinh học và y học, với Francis Crick và Maurice Wilkins nổi tiếng với những chia sẻ về Giải Nobel Sinh lý học và Y học năm 1962 để làm sáng tỏ cấu trúc của DNA (cùng với nhà sinh vật học James Watson).

Nhưng hai bước đột phá lớn khác trong vật lý y tế – sự ra đời của phương pháp chụp cắt lớp vi tính bằng tia X (CT) và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) – cũng đã mang lại cho các nhà phát minh của họ giải thưởng Nobel về sinh lý học hoặc y học.

Giải quyết lý thuyết chụp cắt lớp

Ngay cả trước khi Wilhelm Roentgen giành được giải Nobel Vật lý lần đầu tiên vào năm 1901 nhờ khám phá ra tia X, chúng ta đã biết rằng chúng có thể được sử dụng để chụp ảnh bên trong cơ thể. Chúng nhanh chóng dẫn đến sự ra đời của nhiều ứng dụng y tế; nhưng chính sự phát triển của chụp CT – trong đó tia X được gửi qua cơ thể ở các góc khác nhau để tạo ra hình ảnh cắt ngang và hình ảnh 3D – đã mở rộng đáng kể tiềm năng của hình ảnh X-quang y tế.

Công trình đó đã được ghi nhận vào năm 1979 khi nhà vật lý Allan Cormack được trao giải Nobel về Sinh lý học và Y học “để phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp có sự hỗ trợ của máy tính”, một vinh dự mà anh ấy đã chia sẻ với kỹ sư Godfrey Hounsfield.

Sinh ra ở Johannesburg, Nam Phi, Cormack đã bị mê hoặc bởi thiên văn học ngay từ khi còn nhỏ. Sau đó, ông tiếp tục học ngành kỹ thuật điện tại Đại học Cape Town nhưng sau một vài năm đã từ bỏ ngành kỹ thuật và chuyển sang vật lý. Sau khi hoàn thành bằng Cử nhân vật lý và bằng Thạc sĩ về tinh thể học, ông chuyển đến Vương quốc Anh để làm nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Cavendish của Đại học Cambridge. Cormack trở lại Cape Town với tư cách là giảng viên và sau kỳ nghỉ phép tại Đại học Harvard, năm 1957 trở thành trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Tufts ở Hoa Kỳ. Điều bất thường đối với một người đoạt giải Nobel là Cormack chưa bao giờ thực sự lấy được bằng tiến sĩ.

Tại Tufts, mục tiêu chính của Cormack là vật lý hạt nhân và hạt. Nhưng khi có thời gian, anh lại theo đuổi sở thích khác của mình – “Bài toán quét CT”. Ông là người đầu tiên, từ quan điểm lý thuyết, phân tích các điều kiện để chứng minh mặt cắt ngang tia X chính xác trong một hệ thống sinh học.

Sau khi phát triển nền tảng lý thuyết của việc tái tạo hình ảnh chụp cắt lớp, ông đã công bố kết quả của mình vào năm 1963 và 1964. Cormack lưu ý rằng vào thời điểm đó, “thực tế không có phản hồi nào” đối với những bài báo này, vì vậy ông tiếp tục quá trình nghiên cứu và giảng dạy bình thường của mình. Tuy nhiên, vào năm 1971, Hounsfield và các đồng nghiệp đã chế tạo được máy chụp CT đầu tiên và mối quan tâm đến việc chụp CT ngày càng tăng.

Điều thú vị là Cormack và Hounsfield đã chế tạo một loại thiết bị rất giống nhau mà không cần hợp tác ở những nơi khác nhau trên thế giới. Nhờ những nỗ lực độc lập của họ, máy quét CT hiện đã phổ biến trong y học hiện đại, được sử dụng cho các ứng dụng như chẩn đoán và theo dõi bệnh cũng như hướng dẫn các xét nghiệm như sinh thiết hoặc điều trị như xạ trị.

Sự xuất hiện của MRI

Giải Nobel Sinh lý học và Y học tiếp theo thuộc về nhà vật lý là vào năm 2003 khi Peter Mansfield được công nhận (cùng với nhà hóa học người Mỹ Paul Lauterbur), vì “những khám phá liên quan đến chụp ảnh cộng hưởng từ”, đã mở đường cho MRI hiện đại. Kỹ thuật này cung cấp hình ảnh rõ ràng và chi tiết về cấu trúc bên trong cơ thể và hiện được sử dụng thường xuyên để chẩn đoán, điều trị và theo dõi y tế. Điều quan trọng là, không giống như quét dựa trên tia X, MRI không khiến đối tượng tiếp xúc với bức xạ ion hóa.

Mansfield ban đầu nghiên cứu vật lý tại Đại học Queen Mary ở London, nơi nghiên cứu sau đại học của ông tập trung vào việc chế tạo máy quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) xung để nghiên cứu các hệ thống polymer rắn. Sau khi nhận bằng Tiến sĩ năm 1962, ông tiến hành nghiên cứu sâu hơn về NMR tại Đại học Illinois ở Urbana–Champaign, trước khi trở về Vương quốc Anh để đảm nhận vai trò giảng dạy tại Đại học Nottingham (nơi ông làm việc cho đến khi nghỉ hưu vào năm 1994).

Tiến sĩ và postdoc của Mansfield đã đưa ông đến ý tưởng sử dụng NMR để chụp ảnh con người (một kỹ thuật ban đầu được gọi là chụp cộng hưởng từ hạt nhân, nhưng sau đó được đổi tên thành MRI để tránh khiến bệnh nhân lo lắng). Và chính trong thời gian ở Nottingham, Mansfield đã thực hiện một số bước đột phá quan trọng dẫn đến giải thưởng Nobel.

Vào giữa những năm 1970, Mansfield đã tạo ra những hình ảnh MR đầu tiên về một đối tượng sống là con người: ngón tay của một trong những nghiên cứu sinh của ông. Nhóm của ông tiếp tục phát triển nguyên mẫu MRI toàn cơ thể mà ông tình nguyện là người đầu tiên thử nghiệm. Mặc dù các nhà khoa học đồng nghiệp cảnh báo rằng nó có thể nguy hiểm nhưng Mansfield vẫn “khá tin rằng sẽ không có vấn đề gì”.

Đối với Lauterbur, ông phát hiện ra rằng việc đưa gradient vào từ trường giúp tạo ra hình ảnh hai chiều của các cấu trúc mà các kỹ thuật khác không thể hình dung được. Mansfield còn phát triển hơn nữa việc sử dụng gradient, cho thấy các tín hiệu được phát hiện có thể được phân tích toán học và chuyển đổi thành hình ảnh hữu ích như thế nào. Ông cũng được ghi nhận là người đã khám phá ra cách giảm đáng kể thời gian quét MRI bằng kỹ thuật chụp ảnh siêu âm phẳng.

Ngày nay, hàng chục triệu cuộc kiểm tra MRI được thực hiện mỗi năm trên khắp thế giới và vào năm 1993, Mansfield được phong tước hiệp sĩ vì những đóng góp của ông cho khoa học y tế. Thậm chí còn có bia (4.2% ABV Rượu bia Ngài Peter Mansfield) được đặt tên để vinh danh ông.