保羅·勞特伯:核磁共振成像技術之父

2020-12-04 財新網



  對於保羅·勞特伯而言,最為動情的時刻,並不是在2003年獲得諾貝爾獎的榮耀,而是當他走在街頭,一些陌生人會主動走到他面前,真誠地說:「感謝你救了我女兒的命!」,或者「感謝你讓我免受手術之痛!」
  2007年3月27日清晨,保羅·勞特伯(Paul Lauterbur)在美國伊利諾州厄巴納(Urbana)的家裡,因腎病悄然離去。全世界都會感念這位老人的寶貴遺產。對於每年數千萬人次接受過核磁共振成像(MRI)掃描的患者,幾乎難以想像,如果離開了這一革命性的醫療設備,他們將不得不通過手術來確定病灶,或者忍受危險的X射線照射,這些無疑都意味著更大的風險。
  不過,當1973年,全球最具權威性的學術期刊——英國《自然》雜誌拒絕發表勞特伯的論文的時候,他們也許並沒有意識到幾乎會錯過一場「革命」。
  在原子中間,由於原子核本身是帶電的,所以其高速旋轉會產生一個磁矩;如果被放在強穩態磁場中,原子核仿佛微型的指南針一樣,會重新排列方向。而在特定頻率的射頻波照射下,原子核本身會發生能級躍遷,從低能級跳到高能級。但這個狀態並不穩定,它還會通過「弛豫過程」跳回低能級,同時輻射出核磁共振信號。
  由於不同原子核對應的頻率不同,因此科學家很自然地利用這個原理,來分辨各種化合物的成分。核磁共振技術得到迅速發展,但它仍只是一個化學工具,與普通人的健康看上去沒有任何直接關係。
  轉折發生在1971年。這年5月,紐約州立大學布魯克林分校的物理學家裡蒙德·達馬迪安(Raymond Damadian)在美國《科學》雜誌上指出,通過對老鼠的解剖研究發現,其腫瘤的核磁共振弛豫時間與普通組織有著明顯差異。
  雖然身為一個化學家,但從20世紀60年代,勞特伯就高度關注核磁共振技術。這年夏天,他在觀察一個博士後進行的老鼠解剖實驗時意識到,既然不同人體組織的核磁共振信號差異如此明顯,也許根本沒必要通過令人厭惡的血淋淋的解剖對其進行研究;只要有良好的空間解析度,完全可以用儀器對動物進行活體研究。
  不過,如何確定信號發生的位置,還是一個無法解決的難題。一天晚上,在和同事參加一個小型聚會時,他突發靈感:也許,可以通過在穩態磁場上疊加一個有著梯度變化的磁場,實現對位置進行二維甚至三維定位。
  在那個年代,既沒有CT(計算機X射線斷層攝影技術),勞特伯本人也不清楚該用什麼樣的數學工具來解決諸多問題。但他以自信和樂觀,設法克服了種種困難,終於成功獲得了有史以來第一張核磁共振成像的照片:他把兩支裝有普通水的試管放到重水中間(重水是以氘這種同位素來代替普通的氫原子),通過數據採集和圖像重建,得到了交叉截面的照片。
  勞特伯本來希望通過他所在的紐約州立大學石溪分校(State University of New York at Stony Brook)為這項發明申請專利。但校方認為,這種技術帶來的收益不足以補償整個申請的開支,所以採取了拖延態度。勞特伯反而展示了更為豁達的一面,他歡迎所有人參觀他的實驗室。在來自不同專業和國度的訪問者中,就有後來與他一起分享諾貝爾獎的英國諾丁漢大學彼得·曼斯菲爾德(Peter Mansfield)教授。
  直到80年代初期,第一臺商用核磁共振成像設備正式投入醫學應用,勞特伯仍然同自己的團隊一起,繼續研究改進這一技術。90年代末期,步入暮年的勞特伯才重返自己的本行化學領域,希望了解與生命起源相關的更多秘密。
  勞特伯1929年5月6日出生於美國俄亥俄州雪梨市一個歐洲移民家庭。很小的時候,他就通過姑媽,想辦法訂閱了《博物學》雜誌。中學時代,生物兼化學老師給了他充分的自由,允許他呆在鍾愛的實驗室中而不是在課堂裡。據說,這位老師聽到勞特伯獲得諾貝爾獎時,淡淡地說:「我始終都相信,他會取得這樣的成就。」
  1951年,勞特伯在凱斯理工學院(現凱斯西儲大學)獲得化學學士;之後,加盟了一家公司的研究院。就在這時,他開始接觸核磁共振技術。在從軍隊退役後,勞特伯於1969年在賓希法尼亞州的匹茲堡大學獲得博士學位,並正式加盟紐約州立大學石溪分校。
  在經歷了一次失敗的婚姻之後,1985年,勞特伯加盟伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign),並在這裡度過了最後22年的光陰。
  勞特伯身後留下的,有兩次婚姻帶來的三個孩子,更有全球正在使用的超過2.2萬臺核磁共振成像設備。這樣一個數字也許仍然只是一個開始,因為隨著功能性核磁共振成像(fMRI)設備的問世,人們已經意識到,這是通往人類了解自身的終極目標的最重要的工具之一。■

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