Трижды Нобелевский лауреат: премия за исследования ядерно-магнитного резонанса вручается в третий раз

В понедельник Нобелевский комитет объявил имена лауреатов премии в области физиологии и медицины за 2003 год.
Согласно решению членов Шведской академии в 2003 году Нобелевская премия была прсуждена американцу Полу Лотербуру (Paul Lauterbur) и британцу сэр Питеру Мэнсфилду (Sir Peter Mansfield) за изобретение метода магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот метод позволяет исследовать внутренние органы и ткани человека, не прибегая к оперативному вмешательству и без вредного излучения.
Важность этого открытия трудно переоценить — до появления МРТ единственными способами увидеть внутренние органы с разных сторон были либо хирургическое вмешательство, либо серия рентгеновских снимков. Появившаяся в 70-х годах прошлого века компьютерная томография позволяла отобразить на снимке лишь ограниченное количество тканей и основывалась на тех же вредных рентгеновских лучах.
Первый томограф без рентгеновских лучей появился практически одновременно с компьютерной томографией. К настоящему времени в мире установлено более 20 тысяч подобных приборов, на которых проведено более 60 миллионов исследований. С помощью ядерно-магнитной томографии (слово "ядерный" убрали из названия в конце прошлого века из-за негативных ассоциаций) можно обследовать головной и спинной мозг, суставы, сосуды, раковые опухоли и многие другие органы и ткани.
Ядерно-магнитный резонанс
Методика, созданнная Лотербуром и Мэнсфилдом, основана на явлении ядерно-магнитного резонанса, открытого в 40-х годах американцами Феликсом Блохом (Felix Bloch) и Эдвардом Перселлом (Edward Mills Purcell). За свою работу эти ученые в 1952 году получили Нобелевскую премию по физике.
Суть ядерно-магнитного резонанса состоит в том, что в ответ на сильное магнитное поле ядра атомов водорода, которые есть практически в любом органическом веществе и в воде, излучают радиоволны. По характеру этих волн можно судить о том, сколько атомов водорода в изучаемом образце, и в каком химическом и физическом состоянии они находятся.
Подобную технологию до сих пор применяют физики и химики. По данным, которые представляются в виде совершенно непонятных простому человеку графиков и цифр, ученые определяют количественный и качественный состав исследуемых образцов.
Визуализация
В 1972 году был представлен первый компьютерный томограф. Прибор совершил революцию в медицине: до тех пор практически единственным методом безоперационной диагностики были рентгеновские снимки, с помощью которых очень непросто определить точное место повреждения — компьютерный томограф позволил медикам и исследователям создавать трехмерные изображения человеческих органов и тканей. Изобреталели методики Аллан Кормэк (Allan M. Cormack) и Джефри Хонсфилд (Godfrey N. Hounsfield были награждены Нобелевской премией по медицине за 1979 год.
Между тем, компьютерный томограф работал с помощью тех же рентгеновских лучей: методика не обладала высокой чувствительностью без введения в организм больного специальных рентгеноконтрастных веществ. Однако главным минусом этого аппарата была высокая стоимость.
Несмотря на дороговизну компьютерных томографов, спрос сразу же превысил предложение. Это и позволило Полу Лотербуру заняться визуализацией сигналов ядерно-магнитного резонанса. Напомним, что эти сигналы исходят от атомов водорода, а в каждой ткани человека их более, чем достаточно — наш организм на две трети состоит из воды.
Принцип ядерно-магнитного томографа достаточно прост — на выходе исследователь получает не один общий радиосигнал со всего образца, а множество сигналов из разных точек. На изображении, которое получается в результате компьютерной обработки, каждая точка окрашена в свой цвет в соответствии с сигналом, который она излучает под влиянием магнитного поля.
Преимущества МРТ перед компьютерной томографией стали очевидны — вместо рентгеновского излучения пациент подвергался воздействию практически безвредного магнитного поля, а все ткани появлялись на конечном снимке без введения каких-либо дополнительных контрастных веществ.
Однако первым томографам требовалось длительное время, для того, чтобы получить конечный снимок. Снизить потери времени удалось только после того, как Питер Мэнсфилд создал необходимые математические алгоритмы.
Микроскоп
C 60-х годов над усовершенствованем методики ядерно-магнитного резонана работала группа ученых под руководством швейцарца Ричарда Эрнста (Richard R. Ernst). Благодаря исследованиям Эрнста удалось в десятки раз поднять чувствительность и разрешение МРТ, что позволило еще более широко использовать этот метод в исследованиях химиков и физиков. Сейчас практически все томографы, используемые в медицине, также созданы с учетом открытий Эрнста. Сам ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1991 году.
В середине 80-х годов с помощью МРТ удалось получить изображение с детализацией до 10 микрометров, а еще через несколько лет появилась возможность снимать МРТ-видео. Благодаря этому без оперативного вмешательства стали исследовать функции внутренних органов, например — сердца и легких.