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生物結構影像術磁共振影像術的發明

勞德伯雖非出身醫學界,卻為醫學帶來重大貢獻。始料未及的是,當初那靈機一動的實驗,如今會如此廣泛地應用到醫學的診斷和研究上。
 
 
 
小百科

磁共振影像術(magnetic resonance imaging, MRI)是近 30 年開發出的醫療診斷技術,能偵測細胞、組織、器官的實況,區別腫瘤、癌細胞、腦細胞的分布狀態。MRI 是利用人體水分子的氫原子核(proton,1H,質子)的核順磁性,在有梯度磁場下做核磁共振,梯度磁場能把核磁共振信號變成空間分析譜。

發明者

美國伊利諾大學化學教授保羅.勞德伯(Paul Lauterbur)和英國諾丁漢大學物理教授彼得.曼斯菲(Peter Mansfield),因發明磁共振影像術榮獲 2003 年諾貝爾生理暨醫學獎。

勞德伯 1929 年出生於俄亥俄州的農場,在凱斯理工學院(Case Institute of Technology)拿到化學學位。二次世界大戰後,勞德伯進入米隆理工學院(Mellon Instittue)攻讀化學博士學位,他的博士論文是應用「核磁共振光譜學」(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)測定含矽化合物的分子結構。1970 年初,他在紐約州立大學石溪(Stony Brook)校區化學系當副教授,1985 年被挖角到伊利諾大學。他於 2007 年 3 月去世。

靈機一動

勞德伯的專長是用 NMR 測定分子結構。有一次,他的研究生使用一部舊的核磁共振儀器,磁場不均勻,常常 1 個信號分裂成 2 個,他想盡辦法要使磁場變成均勻一致,卻無計可施。又有一次他到實驗室,看到一個博士後研究員試用 NMR 方法區別老鼠的腫瘤和正常細胞,實驗結果並不理想,但似乎有點輪廓。

當天夜晚,他開始認真思考,突然異想天開,在大磁場外另加磁場使樣品感受到更不均勻而有梯度的磁場,這使他能測出樣品的「空間位置分析」(spatial resolution),而不是一般化學家想要的 「光譜分析度」(spectral resolution )。

幾個簡單的實驗下來,證實了他的推理,1973 年他把這研究論文寄到英國著名的《自然》學刊,竟遭退稿,理由是「不具科學價值」。但勞德伯教授不服氣,經過修改,再補上一點新數據,最後《自然》還是接受了。在諾貝爾獎委員會發表勞德伯得獎時,《自然》學刊的總編輯還特別寫信道賀,並為當年退稿一事道歉。

原理

NMR 光譜學早在 1940 年代就發展出來,1952 年的諾貝爾物理獎就是頒給 2 位研究 NMR 光譜學的物理學家:布拉克(Felix Bloch)和普歇爾(Edward M. Purcell)。

NMR 光譜儀必須在大磁場下進行,外加大磁場的作用,是使具有核磁自旋的原子核的能階分裂成多個磁能階。如果再外加一頻率適當的高頻電磁波,就可以使原子核在一定的磁能階間產生共振躍遷。共振躍遷的頻率和外加大磁場的強度有關,不同原子核的共振頻率也不相同,甚至同一原子核也會因在分子中的環境不同而有不同的共振頻率,因此 NMR 可用來研究分子的結構。

勞德伯利用不均勻但有梯度的磁場,造成不同位置的原子核的共振頻率有些微差異,使磁共振技術有分析空間位置的功能。後來英國的曼斯菲教授利用勞德伯的實驗結果,運用數學和電腦的分析,開發出「回波平面影像術」(echo planar imaging),使 MRI 能在短時間內提供清晰的人體器官影像圖。1980 年代後,MRI 才漸漸被醫學界用來做診斷和研究工具。另外一位同時發展 MRI 的還有美國的大馬第安(Raymond Damadian)醫師,但他並沒有得到諾貝爾獎委員會的提名。

當初勞德伯把這影像術叫為 Zeugmatographic imaging,後來又稱為 NMR 影像術。然而 MRI 並不使用對人體有害的放射性元素,如水含有 2 個氫和 1 個氧原子,而氫原子含有 1 個帶有磁性的質子,但氫並沒有輻射性,加上一般人對「核」字敏感,就把「核子」二個字省略,而改稱「磁共振」,後來統一稱為磁共振影像術。

掌聲回響

勞德伯雖非出身醫學界,卻為醫學的臨床和研究帶來重大的貢獻。始料未及的是,當初那靈機一動的實驗,如今會如此廣泛地應用到醫學的診斷和研究上,使他獲得諾貝爾獎。但可惜,他得獎後的第 4 年就去世,沒有真正享受到諾貝爾獎帶來的榮耀。

磁共振影像術仍不斷推陳出新,精益求精。目前全球約有 2 萬 5 千台 MRI 設備,所有大醫院都有,而每年有六千餘萬次的掃描造像。許多腦神經病症,如腦中風、多發性硬化症、小腦萎縮病、脊椎病變等,都能使用 MRI 做準確的診斷和追蹤。近年來,科學家更大大改進了 MRI 影像術,目前已能測量出腦的實際運作情況,稱為「功能性 MRI」(fMRI)。

fMRI 影像掃描譜能準確顯示出腦的活動情況(以循環到腦部的血液氧氣和葡萄糖的消耗量為指標):某一腦部位做某種思考活動時,該部位就會發亮,就像燈泡發亮,愈亮表示愈多思考活動。因此 fMRI 能測量出思考活動是發生在腦的哪個部位,以及它的活動程度。 近年來,腦科學家利用 fMRI 已經可測量出人們在想什麼,包括學語言、思考、回憶、聽音樂、看美女、想做愛等,這對腦的運作機制的研究有莫大幫助。

深度閱讀
  1. Lauterbur, P.C. (1973) Image formation by induced local interactions: examples employing nuclear magnetic resonance, Nature, 242, 190-191。
  2. http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2003/
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/MRI
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