醫學

2003年諾貝爾生醫獎:MRI的發明

美國化學教授羅特博(Paul C. Lauterbur)和英國物理教授曼斯菲德(Peter Mansfield),共獲本年度諾貝爾生醫獎

撰文/王心瑩

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2003年諾貝爾生醫獎:MRI的發明

美國化學教授羅特博(Paul C. Lauterbur)和英國物理教授曼斯菲德(Peter Mansfield),共獲本年度諾貝爾生醫獎

撰文/王心瑩

過去到醫院做進一步的檢查,照X光是稀鬆平常之事,而現在做電腦斷層掃描(CT scan)與磁共振造影(magnetic resonance imaging, MRI)也不再稀奇了。這些在體外對身體內部器官與組織進行探查的醫療技術,由於不需有儀器伸入體內、沒有侵入性,已是越來越普遍、安全的診斷與追蹤利器。


甫於10月6日揭曉的2003年諾貝爾生理醫學獎,便頒發給1970年代發展出MRI技術的兩位科學家,一位是美國伊利諾大學香檳分校化學教授羅特博(Paul C. Lauterbur),另一位是英國諾丁罕大學的物理教授曼斯菲德(Peter Mansfield)。本期10月號的科學人雜誌特別製作的年度專輯「來一顆更棒的腦吧!」,便介紹了MRI應用於腦神經研究的最新成果,由這些精采進展看來,更能突顯本年度諾貝爾生醫獎的重大意義。


磁共振造影的原理,應用了「核磁共振」(nuclear magnetic resonance, NMR)現象,即原子核在強大磁場中,會根據磁場的大小,以與之相應的頻率在磁場中旋轉,然後原子核便會吸收與這個頻率相同的無線電波(即共振之意),而使自己的能量增大。一旦原子核回復到原先的能量大小,它便會放射出無線電波。1951年的諾貝爾物理獎,便頒發給發現核磁共振現象的美國物理學家布洛赫(Felix Bloch)與珀塞爾(Edward Mills Purcell),他們發現,只要原子核裡有不成對的質子或中子,則在磁場強度與無線電波頻率(或換算為波長)之間便有相應的數學關係。去年(2002)的諾貝爾化學獎,也是頒給運用NMR解析溶液內蛋白質三維結構的瑞士科學家伍斯瑞齊(Kurt Wuthrich)


1973年3月16日,羅特博在著名科學期刊《自然》上,描述他如何利用不同強度的磁場(做成磁場的梯度),分析由不同位置原子核所放射的無線電波的差異,他經過計算分析之後,可顯現兩根裝水試管的不同空間位置;這是第一篇利用核磁共振現象來產生二維影像的論文。有趣的是,原先這篇論文還被《自然》的編輯退稿,理由竟是「不具科學價值」!由於這篇論文,羅特博早就站穩利用核磁共振產生影像的第一人位置,即MRI的濫觴,多年來許多科學家都認為他遲早會得諾貝爾獎,不過他在獲知得獎之後,還是很謙虛地直喊意外。


隨後,曼斯菲德繼續研究這項「梯度磁場」技術的更多應用,先是發展出用來分析訊號的數學計算方法,後來更於1977年開發出「回波平面造影」(echo-planar imaging, EPI)這種現已廣泛應用的超快速造影技術。有了他們兩人的奠基,經過10年左右的發展,1980年代出現了第一台應用在醫學領域的MRI設備,如今應用範圍已非常廣泛,透過在人體內佔了三分之二重量的水分子,分析其中氫原子共振所放射出來的電波,可顯示三維影像,使得人體內的各個器官組織的病程變化無所遁形。


相對於其他掃描方法,MRI的危險性算是相當低,不像照X光得擔心導致癌症,或者正子斷層掃描(PET)得注射放射性試劑。不過,由於MRI機器內會施加強大磁場,因此病人若裝有用來調節心跳的節律器、身體內有磁性金屬,或者患有害怕身處狹小空間內的懼幽閉症,就不適合接受MRI掃描了。


除了應用在非侵入式的醫療診斷與追蹤,近10年來,由於人類渴望了解自己腦部的運作方式,因此MRI與各種改良得更精進的儀器,在神經科學研究領域發揮得淋漓盡致。本期2003年10月號的科學人雜誌,特別製作了年度專輯「來一顆更棒的腦吧!」,清楚呈現出MRI在這個領域內無所不在的身影,例如科學家利用功能性磁共振造影(fMRI),顯現腦部活動的動態變化,除了研發測謊器外,未來還希望能夠發展「讀心機」(詳見第66頁〈讀出你的思想〉)。中研院副院長曾志朗院士與陽明大學神經科學所的洪蘭教授,也領導陽明大學的認知科學研究中心與台北榮總合作,以最先進的fMRI儀器,進行腦科學的各項研究(詳見第70頁〈漢字閱讀:腦中現形記〉)。此外,MRI也廣泛應用於腦部疾病的研究,目前正利用MRI的非侵入性質,發展心智缺陷、老化疾病與精神疾病的診斷與追蹤系統(詳見第96頁〈精神疾病無所遁形〉)。


MRI是重大的科學發明,而其應用範圍之廣大,更深入每一個人的生活中,如今全世界已經有大約2萬2000台MRI,每年提供約6000萬次的掃描服務,兩位得獎科學家的貢獻與成就不言可喻。




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