[物理史] 磁振造影在临床诊断方面使用到基础物理

2020-06-10



(译自APS News,2006年7月)

[物理史] 磁振造影在临床诊断方面使用到基础物理

拉比(I. I. Rabi)

全球首次为病人做核磁共振造影(MRI)检查是在 1977 年 7 月 3 日。核磁共振利用原子在磁场中不同的行为来辨识它们,现在已成为人体内组织造影及疾病诊断极其有用的非侵入性方法。此救命的医学技术是基于物理学家拉比(I. I. Rabi)的研究,他于 1930 年代发展出测量原子核在磁场中性质的方法。

拉比(I. I. Rabi)于 1898 年 7 月 29 日出生在奥地利雷马努夫镇(Rymanow, Austria),1899 年全家移居美国纽约,先是居住在曼哈顿东南的工人区下东城(Lower East Side),生活贫穷,1907 年才搬到布鲁克林区(Brooklyn)。拉比的双亲都是正统的犹太人,虽然拉比长大后从未参加宗教活动,但他总受到成长过程时的宗教影响。他认为做好物理是「跟随上帝的脚步」。

1919 年,拉比毕业于美国康乃尔大学化学系,但他并非真的着迷于化学,所以毕业后有 3 年并没做甚幺事,之后决定到康乃尔大学上物理研究所。1927 年,拉比完成博士学位后,就到欧洲,跟随量子力学大师,包括索末菲(Sommerfeld)、波耳(Bohr)、包立(Pauli)、斯特恩(Stern)和海森堡(Heisenberg)做研究。

拉比对量子概念深感兴趣,尤其是斯特恩-革拉赫实验(Stern-Gerlach experiment)。斯特恩(Otto Stern)和革拉赫(Walther Gerlach)让狭窄的银原子射线束经过一不均匀的强磁场,他们观察到射线束会分开成两个不同的次射线束,因为其中的原子已根据他们磁矩的方向而稍做偏斜。

当拉比于 1929 年回到美国后,他在哥伦比亚大学任教职。在花了两年找寻有兴趣的研究问题后,他于 1931 年成立了他的分子束实验室,开始研究核自旋及相关钠磁矩的测定。核磁矩比电子的磁矩小很多,很难精确地测出。拉比和布莱特(Gregory Breit,美国原子弹计画早期的主持人)想出了修改典型斯特恩-革拉赫设备的方法,可用以找出钠的核自旋。

时常被视为懒散的拉比对于例行的实验技巧和资料分析总是没耐性,他喜欢说,他要在一天结束时得到答案,所以总想要设计出巧妙、简便的实验方法,可以带领他「更接近上帝」的方法。

在整个 1930 年代,拉比持续改进了分子束的方法,用它来收集越来越精确的原子核自旋的数值,包括氢和重氢。他的研究终于成就了磁共振方法,是磁共振造影的基础。

磁矩倾向于和外磁场平行或反向平行,有些如陀螺般运转的行为,绕着磁场的方向旋转,频率则由磁场强度和原子的核磁矩决定。1937 年,拉比预测,这些实验中的核磁矩假如从适合的频率之电磁波吸收能量的话,应可被诱发而翻转它们的方向;它们也能将这些能量放射出去而回到更低能量的方向。如此拉比即可侦测一个状态转变成另一状态的讯号,他称他的方法为分子束磁共振。

[物理史] 磁振造影在临床诊断方面使用到基础物理

磁振造影

拉比和他的团队修改了分子束设备,让分子束行经磁场时也接触到无线频率讯号,如此调整外磁场或无线频率时即可产生共振。他们于 1938 年以氯化锂分子束观察到第一个磁共振的吸收过程,拉比被磁矩的翻动迷住了,整个团队开趴庆祝此成就。

每一个原子或分子都有其独特的共振频率型态,拉比侦测了一系列不同分子的共振,可用来辨别原子或分子的种类,提供了更多分子结构的细节。

第二次世界大战爆发后,拉比离开他的分子束实验室,接下了麻省理工学院放射线实验室的副主任一职。1944 年,他获得诺贝尔奖,「因为他的共振方法,可以记录原子核的磁性」。

1946 年,普塞尔(Edward Purcell)和布洛赫(Felix Bloch)分别找到了研读在固体和液体中原子和分子磁共振特性的方法,而不只限于拉比分子束方法中的个别原子或分子。后来,核磁共振更进一步发展至成像的技术,现在已普遍应用在医学诊断上。最早期的造影于 1970 年代初期製成,而人的活体造影最早製成则是于 1977 年。磁共振机器于 1980 年代商业化,现在普遍使用于人体内部结构的成像,特别是像脑一样的软组织。

拉比在 1988 年 1 月死前不久,也被核磁共振机器造了影。他说:「真恐怖喔,我在那部机器中见到了自己,我从未想到我的研究会变成这样。」


原文刊载于物理双月刊2013年8月号35卷第4期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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