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首次人體核磁共振攝影 │ 科學史上的今天:07/03

侖琴於 1895 年發現 X射線,發布其夫人的左手骨骼相片,震驚世人。隔年,愛迪生即推出商用 X光機,供醫療診斷之用。然而核磁共振現象雖然早在 1938 年就由美國物理學家拉比(Isidor Rabi)發現,卻等了將近四十年,才首度用於掃描人體。

拉比當初是讓原子束或分子束通過變化的磁場,而發現原子核的磁距、角動量會跟著改變,與磁場共振,因此稱之為核磁共振(NMR)。1946 年,瑞士物理學家布洛赫(Felix Bloch)與美國物理學家伯塞爾(Edward Mills Purcell)各自獨立發現在液體與固體上也能產生核磁共振的方法,兩人因而共同獲得 1952 年的諾貝爾物理獎。不過當時都只用來分析化學元素,直到 1969 年,美國醫師達瑪狄恩(Raymond Damadian)才率先主張腫瘤組織與健康組織在核磁共振下的反應有所不同。

七○年代初,美國化學家羅特堡(Paul C. Lauterbur)因為學校的核磁共振儀老是無法產生均勻一致的磁場,而嘗試再外加一個可改變強度的磁場作為補償,結果反而可以藉由磁場梯度的變化測出樣品的空間位置,而得到三度空間的影像,成為實現核磁共振攝影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)的關鍵。但羅特堡只拿來拍蛤蠣與老鼠,尚未用人體試驗,不過他成功區分出一般水與重水就極具意義,因為人體有 70% 都是水。

有了羅特堡的技術,達瑪狄恩著手打造專門診斷腫瘤的核磁共振儀。1977 年的今天,他的病人成為史上第一位接受核磁共振掃描的人。然而他的機器並不實用,花了將近五個小時才拍出只有 160 個三維像素的胸部照片。

這個問題有待英國物理學家曼斯菲爾德(Peter Mansfield)解決。他於 1977 年開發出「回波平面造影術」,利用數學演算法將磁場梯度變化產生的資料快速轉換為影像,不但可得到解析度更高的人體器官影像,還能應用於偵測血液流量與血氧濃度。

MRI 是非侵入性的掃描方式,而且不像 X光或電腦斷層那樣會產生游離輻射,沒有輻射傷害的疑慮,既快速又安全,如今已是現代醫學不可或缺的診斷工具。而這都得感謝羅特堡與曼斯菲爾德的貢獻,他們兩人也因此共同獲頒 2003 年諾貝爾生理或醫學獎的肯定。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。