彼得·曼斯菲爾德（1933—2017）

韓前廣/編譯

彼得·曼斯菲爾德（1933—2017）

韓前廣/編譯

● 彼得·曼斯菲爾德發(fā)明了革命性的醫(yī)療技術(shù)——磁共振成像技術(shù)（MRI）。

英國著名物理學(xué)家彼得·曼斯菲爾德在1972年的發(fā)現(xiàn)推動了磁共振成像技術(shù)（MRI）的發(fā)展，造福了數(shù)以百萬計的人。曼斯菲爾德是一位受過傳統(tǒng)訓(xùn)練的物理學(xué)家，他意識到可以利用核磁共振（NMR）技術(shù)獲得活體組織的橫截面影像。他開發(fā)的安全、無侵襲技術(shù)可以對組織切片的軟組織和器官清晰成像，革新了醫(yī)療診斷，改變了人腦的研究。仰賴這項(xiàng)工作，他獲得了2003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

曼斯菲爾德于2017年2月8日逝世。1933年他出生在倫敦的一個普通家庭，他的父親是個煤氣工，母親是個服務(wù)員。由于戰(zhàn)爭的影響，15歲的他不得不中斷了學(xué)校教育，在一家印刷公司工作，他只能在夜校繼續(xù)學(xué)習(xí)，隨后又在白金漢郡韋斯科特的戰(zhàn)時供給部的火箭推進(jìn)部門找到了一份工作。經(jīng)過一段時間的軍隊生涯后，24歲的曼斯菲爾德在倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院的業(yè)余課程上學(xué)習(xí)科學(xué)，并獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

在這里，他與核磁共振物理學(xué)家杰克·波爾斯建立了持久的聯(lián)系。核磁共振利用一個事實(shí)，即氫原子核能發(fā)揮精微指南針的作用，在強(qiáng)磁場中，氫原子核將有序排列，當(dāng)射入電磁波脈沖時，原子核的能量分布發(fā)生改變。脈沖過后，原子核發(fā)出共振波并回到以前的狀態(tài)，可以據(jù)此推斷出原子核所處的原子結(jié)構(gòu)。

1959年，還是博士生的曼斯菲爾德在觀察一組核磁共振無線電激發(fā)脈沖的部分固體時，發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的“固體回波”。這一發(fā)現(xiàn)需要復(fù)雜的量子力學(xué)加以解釋，并引起了核磁共振先驅(qū)查爾斯·斯利特（Charles Slichter）的注意，他邀請曼斯菲爾德前往厄巴納的伊利諾伊大學(xué)從事博士后研究。不久之后，他被他的博士后導(dǎo)師雷蒙德·安德魯（Raymond Andrew）招募到英國諾丁漢大學(xué)物理系，在那里他繼續(xù)他的職業(yè)生涯（我們見面的地方）。

1972年，曼斯菲爾德提出可以用核磁共振替代X射線來研究晶體結(jié)構(gòu)。他意識到：他可以在k空間形成自旋物理來繪制自旋的空間分布圖像。在一次關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，曼斯菲爾德將磁場梯度應(yīng)用到毫米厚的樟腦層，并測量了核磁共振譜。磁場梯度可以將核磁共振信號擴(kuò)散到樟腦層的衍射圖中。用著名的傅立葉變換可以將這些信息轉(zhuǎn)換為相關(guān)圖像。

曼斯菲爾德得知保羅·勞特布爾（Paul Lauterbur）（他們后來共同獲得了諾貝爾獎）幾乎同時表示：旋轉(zhuǎn)磁場梯度可以生成液體的核磁共振圖像。因此，考慮到高含水的活體組織成像的潛力，勞特布爾也轉(zhuǎn)移到了液體成像技術(shù)領(lǐng)域。曼斯菲爾德發(fā)明了一種方法來選擇成像材料的切片，提出了創(chuàng)建圖像的關(guān)鍵概念（“線掃描成像”）。這項(xiàng)工作是一系列開創(chuàng)性論文和第一本關(guān)于磁共振成像技術(shù)的書——《生物醫(yī)學(xué)中的核磁共振成像》的部分（愛思唯爾，1982）。

1977年，曼斯菲爾德領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊獲得了首張人體器官的MRI圖像：學(xué)生的手指橫截面圖像，這使該小組獲得了研究人體全身掃描成像技術(shù)的足夠資金。1978年，盡管擔(dān)心大的磁場會導(dǎo)致心臟病發(fā)作，但曼斯菲爾德和他的團(tuán)隊仍然對自己研制的人體成像掃描儀充滿信心。曼斯菲爾德是一個勇敢的人，成為第一個使用高速線掃描成像技術(shù)進(jìn)行腹部成像的人。

曼斯菲爾德極為關(guān)注成像速度，他在1977年開發(fā)了平面回波成像技術(shù)（EPI）來解決這個問題。平面回波成像技術(shù)要求快速變換的磁場梯度在1秒鐘內(nèi)收集完整圖像所需的數(shù)據(jù)，這比早期方法快了將近100倍。曼斯菲爾德開發(fā)的這一技術(shù)主要用于心臟成像，產(chǎn)生了第一個冠狀動脈血管的實(shí)時核磁共振圖像。

1980年，第一個臨床使用的核磁共振掃描儀在阿伯丁大學(xué)研發(fā)成功，并于1984年進(jìn)入市場。該技術(shù)的無侵襲力和優(yōu)異的軟組織對比度推動了診斷放射學(xué)的巨大發(fā)展，并催生了一個新的行業(yè)。

在20世紀(jì)80年代后期，我從曼斯菲爾德的諾丁漢實(shí)驗(yàn)室來到美國國立衛(wèi)生研究院工作。我展示了平面回波成像技術(shù)可以即時映射腦血氧的變化。平面回波成像技術(shù)導(dǎo)致了功能性磁共振成像 （fMRI）技術(shù)，現(xiàn)在用于實(shí)時探測人類的大腦活動。

1987年，曼斯菲爾德當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員，并于1993年被授予爵士稱號。他擁有多項(xiàng)專利，并認(rèn)為發(fā)明家獲得適當(dāng)?shù)莫剟钕喈?dāng)重要。1991年，鑒于重要專利的使用費(fèi)和研究經(jīng)費(fèi)的增加，他在諾丁漢開設(shè)了致力于磁共振成像技術(shù)研究的“彼得·曼斯菲爾德影像中心”。

彼得（他的團(tuán)隊一直稱他為“PM”）于1994年退休，但他仍然與同事繼續(xù)合作。他的領(lǐng)導(dǎo)能力、熱情、細(xì)致和學(xué)識使他成果斐然，他一直致力于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室里的他也是最快樂的。他也喜歡語言，曾經(jīng)安排博士后教他的研究團(tuán)隊阿拉伯語。他熱情慷慨，培養(yǎng)了源源不斷的有才華的博士生，為MRI科學(xué)的新興領(lǐng)域提供了有生力量。許多人被他的樸實(shí)無華和笑容深深感染。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：岳 峰]

羅伯特·特納（Robert Turner）是德國萊比錫馬克·普朗克人類認(rèn)知和腦科學(xué)研究所的神經(jīng)物理學(xué)名譽(yù)主任，1984至1988年他曾與彼得·曼斯菲爾德在諾丁漢大學(xué)合作。