将磁共振从现象推向临床,需要几个诺贝尔奖?

企业   2022-09-23 14:45  

磁共振无疑是现代医学影像史上最强大的发明之一,从最初发现磁共振现象到最终发展为常规的医学影像检测手段历经半个多世纪。期间,磁共振技术获得的诺贝尔奖横跨物理、化学、生物、医学领域,堪称史上获奖次数最多的“诺奖收割机”。

在介绍磁共振技术历届诺贝尔奖获得者之前,有一位科学家不得不提及,虽然他并非直接对磁共振技术进行研究,但他的发现却为后续研究奠定了基础,他便是量子物理学开山鼻祖——尼尔斯 · 亨利克 · 戴维 · 玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885年-1962年),他确定了原子核的光谱和原子核能量跃迁的基本理论,为未来进行氢原子成像打下了理论基础。玻尔也因研究原子结构和原子辐射而获得1922年诺贝尔物理学奖。

1943年诺贝尔物理学奖

奥托·斯特恩(Otto Stern,1888年-1969年)

获奖理由:对分子束方法的发展以及对质子磁矩的发现

斯特恩系德裔美国核物理学家、著名实验物理学家,美国卡内基·梅隆大学物理教授、加州大学伯克利分校访问教授。1912年从德国布雷斯劳大学获得物理化学博士学位后,在布拉格大学结识爱因斯坦,并成为其助手。


斯特恩在实验中观察到:注入高真空室内的原子或分子沿直线运动,形成一束粒子流,在某些方面类似于光束。1919年,斯特恩对银原子束首次应用了这一方法,以检验在1850年前后得到的气体分子中分子速率的理论计算结果。1920年,斯特恩在他的助手彼得·勒特斯和盖拉赫的帮助下,用实验说明了在外加非均匀磁场的作用下,原子的空间取向是量子化的,这就是非常著名的斯特恩-盖拉赫实验。

1944年诺贝尔物理学奖

伊西多·艾萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi,1898年-1988年)

获奖理由:发明了研究气态原子核磁性的共振方法

拉比作为第一代犹太移民,是第一位从布鲁克林的犹太贫民窟中走出来的诺贝尔奖获得者。1930年,拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列,而施加无线电波之后,原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。他也因此被誉为磁共振成像的理论奠基人。


1937年,拉比成为哥伦比亚大学第一位犹太裔教授,他在任期间的教员和毕业的学生中先后有11人获得诺贝尔奖。1957年1月15日的哥伦比亚大学物理系举行新闻发表会上,正是拉比宣布:两位年轻的物理学家李政道和杨振宁推翻物理学中的宇称守恒定律,同年二人诺贝尔物理奖。

1952年诺贝尔物理学奖

左:费利克斯·布洛赫(Felix Bloch,1905年-1983年)

右:爱德华·米尔斯·珀塞尔(Edward Mills Purcell,1912年-1997年)

获奖理由:布洛赫采用感应法,珀塞尔采用吸收法,各自在实验室发现了宏观磁共振现象,发展出用于核磁精密测量的新方法。

布洛赫是一位在近代物理理论和实验都作出过巨大贡献的物理学家,他独立地观察并测量了磁共振,提出了他的高精度测量磁矩的方法:“核感应”方法,其数学公式被称为“布洛赫方程”。


珀塞尔出生于美国依利诺伊州的特落威尔城,1929年进入印第安纳州的普度大学电力工程系学习。1945年,珀塞尔开始对磁共振进行研究。他认为,处于原子中心的原子核具有很小的磁场,在原子核外有静磁场存在时,核的旋进运动就会开始。地球的自转轴也会产生周期26000公里的旋进运动。从外向输送电波时,这种电磁波的频率与原子核的旋进频率一致,这就是共振。


两位科学家带领的小组用不同的方法,在凝聚物质中分别发现了磁共振现象,为之后许多物理学家的磁共振研究打下了基础。

1991年诺贝尔化学奖

理查德·恩斯特(Richard R. Ernst,1933年-2021年)

获奖理由:发明傅立叶变换磁共振分光法和二维磁共振技术

恩斯特首次提出了傅立叶变换磁共振方法,确立了二维磁共振的理论基础,后又在发展和应用二维磁共振方面作出重大贡献,并使得磁共振由一种现象逐步演变成为一种技术。


恩斯特出生在瑞士温特图尔,于1962年获得物理化学博士学位。1962 年到 1968 年间,他供职于美国加利福尼亚州Varian公司,尝试了一种脉冲激励实验,并于1964年的夏天成功实现了脉冲傅立叶变换NMR(FT-NMR),随后又提出了噪声去耦和许多其它磁共振方法。1968年,他成立了磁共振波谱研究小组,以发展液相和固相方法为研究重点。1974年实现了第一个二维磁共振(2D-NMR)实验。2D-NMR与他此前提出的FT-NMR一起,成为现代磁共振谱学中最为基础和重要的技术。基于上述两项技术,波谱学家们提出了数以百计的磁共振脉冲实验方法,并应用于多个学科领域。


此外,恩斯特还发展了其它许多磁共振新技术,如化学诱导动态核极化技术(CIDNP)、多量子滤波、多量子谱、全相关谱等等。


由恩斯特编写的Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions (Clarendon Press, 1987),已成为全世界磁共振领域研究者的圣经。

2002年诺贝尔化学奖

库尔特·维特里希(Kurt Wüthrich,1938年- )

获奖理由:发明了利用磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法

瑞士科学家维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格,1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位。1977年维特里希首先将二维磁共振的方法用于生物高分子,研究氨基酸和牛胰胰蛋白酶抑制剂,在此基础上发展了用二维磁共振对蛋白质H-NMR的单个谱峰全部识别的方法。

2003年诺贝尔生理学/医学奖

左:保罗·劳特布尔(Paul C.Lauterbur 1929年-2007年)

右:彼得·曼斯菲尔德(Sir Peter Mansfield,1933年- )

获奖理由:劳特布尔于1973年发明在静磁场中使用梯度场,能够获得磁共振信号的位置,从而可以得到物体的二维图像。曼斯菲尔德进一步发展了使用梯度场的方法,指出磁共振信号可以用数学方法精确描述,从而使磁共振成像技术成为可能,其发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。

劳特布尔和曼斯菲尔德在磁共振成像技术领域取得了突破性成就,是医学诊断和研究领域的重大成果。两位诺贝尔奖获得者在如何用磁共振技术拍摄不同结构的图像上获得了关键性发现,他们的努力最终实现了磁共振技术的医学应用转化,并为医用磁共振系统的设计制造奠定了基础。

磁共振从现象发展成技术,从理论迈向临床检测,历经半个多世纪。每一项伟大技术的诞生,背后都离不开大量科研人员所作的努力。感谢所有为磁共振发展做出贡献的人。站在巨人们的肩膀上,吾辈当自强!

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