До часове трябва да бъдат обявени Нобеловите награди за 2023 г.

По този случай редакторите на Physics World разказват кои физици са спечелили награди в области, различни от техните собствени. 

Физиците винаги са имали интерес към биологичната и медицинската физика, като Франсис Крик, заедно с биолога Джеймс Уотсън, и Морис Уилкинс, които си поделят известната Нобелова награда за физиология или медицина от 1962 г. за изясняване на структурата на ДНК.

Но два други огромни открития в медицинската физика – въвеждането на рентгенова компютърна томография (CT) и магнитен резонанс (MRI) – също спечелиха на своите изобретатели Нобелова награда за физиология или медицина.

Справяне с теорията на томографията

Още преди Вилхелм Рьонтген да спечели първата в историята Нобелова награда за физика през 1901 г. за откриването на рентгеновите лъчи, е било ясно, че могат да бъдат използвани за изобразяване на вътрешността на човешкото тяло. Това бързо довежда до въвеждането на поредица от медицински приложения. Но именно развитието на компютърната томография – при което рентгеновите лъчи се изпращат през тялото под различни ъгли за създаване на напречно сечение и 3D изображения – значително разширява потенциала на медицинското рентгеново изображение.

Тази работа е призната през 1979 г., когато физикът Алън Кормак (Allan Cormack) получава Нобелова награда за физиология или медицина „за разработването на компютърната томография“, чест, която споделя с инженера Годфри Хаунсфийлд (Godfrey Hounsfield).

_{Алън Кормак с неговия оригинален скенер за компютърна аксиална томография (CAT). Кредит: AIP Emilio Segrè, колекция на Physics Today}

Роден в Йоханесбург, Южна Африка, Кормак е бил заинтригуван от астрономията от ранна възраст. След това продължава да учи електроинженерство в Университета в Кейптаун, но след няколко години изоставя инженерството и се насочва към физиката.

След като завършва бакалавърска степен по физика и магистърска степен по кристалография, се премества във Великобритания, за да работи като докторант в лабораторията Кавендиш към Университета в Кеймбридж. Кормак се завръща в Кейптаун като преподавател и след творчески отпуск в Харвардския университет през 1957 г. става доцент по физика в Университета Тъфтс в САЩ. Необичайно за нобелов лауреат, Кормак никога не получава докторска степен.

В Тъфтс Кормак се занимава основно с ядрена физика и физика на елементарните частици. Но когато му остава време, той се занимава и с другия си интерес - "проблема с компютърната томография". Той е първият, който от теоретична гледна точка анализира условията за демонстриране на правилно рентгеново сечение в биологична система.

След като разработва теоретичните основи на реконструкцията на томографски изображения, публикува резултатите си през 1963 и 1964 г. Кормак отбеляза, че по това време "практически нямаше никакъв отзвук" на тези статии, така че продължава обичайния си курс на научни изследвания и преподаване. През 1971 г. обаче Хаунсфийлд и колегите му построяват първия компютърен томограф и интересът към компютърната томография се засилва.

Интересното е, че Кормак и Хаунсфийлд построяват много подобен тип устройство без сътрудничество, в различни части на света. Благодарение на техните независими усилия компютърната томография вече е повсеместна в съвременната медицина, използвана за приложения като диагностика и наблюдение на заболявания, както и за насочване на изследвания като биопсия или лечение като лъчетерапия.

Появата на ЯМР

Следващата Нобелова награда за физиология или медицина, която отива при физик, е през 2003 г., когато Питър Мансфийлд (Peter Mansfield) е удостоен, заедно с американския химик Пол Лаутербър (Paul Lauterbur), за „ открития, свързани с магнитно-резонансната томография“, които проправят пътя към модерния ЯМР.

Тази технология осигурява ясна и детайлна визуализация на вътрешните структури на тялото и вече се използва рутинно за медицинска диагностика, лечение и проследяване. За разлика от сканирането с рентгенови лъчи, магнитно-резонансната томография не излага пациента на йонизиращо лъчение.

_{Изследванията на Питър Мансфийлд помогнаха да се проправи пътя към модерния ЯМР. Кредит: University of Nottingham}

Първоначално Мансфийлд учи физика в колежа "Куин Мери" в Лондон, където дипломните му изследвания са съсредоточени върху изграждането на импулсен спектрометър за ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) за изследване на твърди полимерни системи. След като получава докторската си степен през 1962 г., той провежда допълнителни ЯМР изследвания в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн, преди да се върне във Великобритания и да поеме лекторска позиция в Университета в Нотингам (където работи до пенсионирането си през 1994 г.).

Докторантурата и постдокторантурата на Мансфийлд го довеждат до идеята за използване на ЯМР за изобразяване на хора (техника, която първоначално се нарича ядрено-магнитен резонанс, но скоро е преименувана на ЯМР (MRI), за да не се тревожат пациентите). Именно по време на работата си в Нотингам Мансфийлд прави някои от ключовите открития, довели до присъждането на Нобеловата му награда.

В средата на 70-те години на ХХ век Мансфийлд прави първите изображения с магнитно-резонансна томография на жив човек - пръста на един от своите студенти. Екипът му разработва прототип на магнитно-резонансна томография на цялото тяло, който той доброволно изпробва пръв. Въпреки че колегите учени предупреждават, че това може да е потенциално опасно, Мансфийлд е "много убеден, че няма да има проблем".

Що се отнася до Лаутербър, той открива, че използването на градиентно магнитно поле дава възможност за създаване на двуизмерни изображения на структури, които не могат да бъдат визуализирани чрез други техники. Мансфийлд доразвива използването на градиентите, като показва как откритите сигнали могат да бъдат математически анализирани и трансформирани в полезни изображения. Негова е и заслугата за откриването на начина за драстично намаляване на времето за сканиране с магнитно-резонансна томография, като използва техниката за ехо-планарно изобразяване.

В наши дни по света се извършват десетки милиони изследвания с ядрено-магнитен резонанс всяка година, а през 1993 г. Мансфийлд е посветен в рицарство за заслугите си към медицинската наука. В негова чест дори е кръстена бира - "Сър Питър Мансфийлд ейл" с 4,2 % алкохолно съдържание.

Източник: Breaking boundaries: how physicists won the Nobel Prize for Physiology or Medicine
Tami Freeman, Physics World

Още по темата

03/10/2022

Медицина

Започва Нобеловата седмица (видео)