2005世界物理年-物理学会.doc

2003年諾貝爾生醫獎介紹 文 / 李寬容 偉大的NMR科學家(左起)：Felix Bloch (1952物理獎)，Edward M. Purcell (1952物理獎)，Richard R. Ernst (1991化學獎)，Kurt Wuthrich (2002化學獎)，Paul C. Lauterbur (2003醫學獎)，Peter Mansfield (2003醫學獎)。 2003年的諾貝爾生理或醫學獎在十月六日宣佈頒給美國的Paul C. Lauterbur (諾貝爾獎主要工作在State University of New York at Stony Brook化學系完成。1985年轉到Biomedical Magnetic Resonance Laboratory， University of Illinois， Urbana， Illinois) 及英國的Peter Mansfield (Magnetic Resonance Centre， School of Physics and Astronomy， University of Nottingham)，以表彰他們對磁振造影magnetic resonance imaging (MRI) 的傑出貢獻。本文主旨在於很簡單地介紹NMR及MRI的基本原理，以及如何應用在化學、生化、及醫學三大領域。NMR已經發展了50年，1D， 2D NMR以及MRI的理論已經非常豐富，所牽涉到的物理和數學也非常複雜，它是人類自然科學文明中最珍貴的成就之一，因此顯然不是短時間或者短篇幅就能理解的，作者也不可能全部都瞭解。僅針對有興趣的讀者做淺入淺出的概述，與讀者分享這寶貴的知識。 科幻小說或未來太空電影裏的情節，常看到利用儀器透視人體內部的器官結構。這個情節在MRI似乎是做到了。MRI所得到的人體器官構造影像圖，簡直比解剖學教科書還要清楚。由於MRI的原理是利用人體內軟組織的水分子來成像，不似傳統的電腦斷層掃瞄 (CT scan) 須要使用X-Ray，因此MRI是屬於非侵犯性的檢診工具。理論上MRI可以使用在孕婦身上，而病人接受MRI 攝影時也遠比其他侵犯性的檢查(例如穿刺取樣)輕鬆愉快。現在全世界大約有22,000台磁振造影儀，每年提供6,000萬張圖片給醫師們作為診斷的主要依據之一。依據國內外使用MRI的經驗，70% 是用於中樞神經系統的攝影，此特性正好補足CT scan對軟組織較不敏感的缺點 (CT正確全名應該是computer assisted tomography (CAT)， 但是現在放射線醫生大都稱它為CT。CAT是由英國的Godfrey Newbold Housfield 及美國的 Allan M. Cormack在1960至1970年代分別發展的。兩個人素昧平生，但都因為發展CAT而共同獲得1979年諾貝爾生理或醫學獎)。 磁振造影MRI 是核磁共振 NMR理論的延伸與直接應用。MRI與NMR是不可分開的。2003年以前，與NMR有關的理論及應用，已經拿了三次諾貝爾獎。我們先回顧一下1945年至今，大約60年之間的NMR歷史。 1940~1946年研究NMR現象的有Stanford University 物理系Felix Bloch 及MIT 物理系Edward Mills Purcell。值得一提的是Purcell及Bloch素昧平生。巧的是他們不約而同將利用continuous wave NMR (CW-NMR) 觀察到質子nuclear transition的論文發表在同一期的 Physical Review (1946年， vol. 46， p. 37及 p. 127， [1， 2])。兩人因此共同獲頒1952年物理獎。 1991年諾貝爾化學獎頒給將傳統CW-NMR 變成 Fourier transform NMR (FT-NMR) 以及發明 2D FT-NMR用來解化學結構及分子間相互作用的瑞士蘇黎世Eidgennssische Technische Hochschule (簡稱ETH，翻譯為英文是Swiss Federal Institute of Technology。中文似可譯為瑞士國立理工大學或學院)的Richard R. Ernst。 2002年諾貝爾化學獎頒給利用上述 2D，甚至3D FT-NMR研究蛋白質3D結構與功能關聯性的(也是)瑞士ETH的 Kurt Wuthrich。 2003年諾貝爾生理或醫學獎頒給發明磁振造影MRI的美國Paul C. Lauterbur 和英國Peter Mansfield。 至今總共有四次諾貝爾獎，頒給六位物理或物化教授。NMR真可謂是自然科學界的顯學了。Ernst 及 Wuthrich獲得諾貝爾獎的主要