Питер Мэнсфилд

Питер Мэнсфилд (англ. Peter Mansfield; 9 октября 1933, Лондон — 8 февраля 2017, Ноттингем) — британский физик, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине 2003 года (совместно с Полом Лотербуром) за разработку метода магнитно-резонансной томографии (МРТ). Его работы легли в основу одного из наиболее информативных методов медицинской визуализации, позволяющего получать детальные изображения внутренних органов и тканей без использования ионизирующего излучения.

Биография

Ранние годы и образование

Питер Мэнсфилд родился в Лондоне в семье Сидни Джорджа Мэнсфилда, инженера-газовика, и Роуз Лилиан (урождённой Пиблз). В детстве он посещал начальную школу в Ламбете, а затем — школу имени короля Генриха VIII в Ковентри. В 1951 году, после окончания школы, Мэнсфилд поступил на службу в Королевские военно-воздушные силы Великобритании, где проходил обучение на пилота. Однако в 1953 году он был демобилизован по состоянию здоровья.

После службы Мэнсфилд поступил в Королевский колледж Лондона (Queen Mary College, ныне часть Лондонского университета), где в 1959 году получил степень бакалавра с отличием по физике. В 1962 году он защитил докторскую диссертацию (PhD) по физике в том же колледже, посвящённую ядерному магнитному резонансу (ЯМР) в твёрдых телах.

Научная карьера

После защиты диссертации Мэнсфилд работал научным сотрудником в Иллинойсском университете в Урбана-Шампейне (США), где занимался исследованиями в области ЯМР-спектроскопии. В 1964 году он вернулся в Великобританию и поступил на работу в Ноттингемский университет, где впоследствии стал профессором физики (с 1979 года). В Ноттингеме он основал и возглавил исследовательскую группу по магнитно-резонансной томографии.

В 1970-х годах Мэнсфилд начал активно работать над применением ЯМР для визуализации биологических тканей. Ключевым достижением стало предложение и реализация метода эхо-планарной томографии (EPI), который позволил сократить время получения одного изображения с десятков минут до долей секунды. Это открыло путь к функциональной МРТ (фМРТ), позволяющей наблюдать активность мозга в реальном времени.

В 2003 году Питер Мэнсфилд совместно с Полом Лотербуром был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине «за изобретение метода магнитно-резонансной томографии». Лотербур предложил использовать градиенты магнитного поля для пространственного кодирования сигнала, а Мэнсфилд разработал математические и технические методы быстрого получения изображений.

Помимо Нобелевской премии, Мэнсфилд был удостоен множества других наград, включая медаль и премию Королевского общества (1984), премию Европейского общества магнитно-резонансной томографии (1993) и рыцарское звание (1993). Он был избран членом Лондонского королевского общества (1987) и иностранным членом ряда академий наук.

Научный вклад

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Основой МРТ является явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), открытое в 1940-х годах. В сильном внешнем магнитном поле ядра атомов водорода (протоны), входящие в состав воды и жиров, поглощают и переизлучают радиоволны определённой частоты. Мэнсфилд и Лотербур независимо друг от друга показали, что, накладывая дополнительные градиентные магнитные поля, можно определить пространственное положение каждого протона. Это позволяет реконструировать двумерное или трёхмерное изображение объекта.

До работ Мэнсфилда получение одного МРТ-изображения занимало от 10 до 30 минут, что делало метод непригодным для клинического использования (из-за движений пациента, дыхания и сердцебиения). Мэнсфилд предложил эхо-планарную томографию (EPI), которая использует серию быстрых переключений градиентных полей для сбора данных за один цикл возбуждения. Это сократило время съёмки до 30–50 миллисекунд на один срез.

Функциональная МРТ (фМРТ)

Разработка EPI стала ключевым фактором для появления функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Метод позволяет регистрировать изменения кровотока в мозге, связанные с нейронной активностью. Благодаря высокой временной разрешающей способности EPI, фМРТ даёт возможность наблюдать, какие участки мозга активируются при выполнении различных задач (движение, речь, восприятие, мышление). Это сделало фМРТ важнейшим инструментом в нейронауке, когнитивной психологии и нейрохирургии.

Другие области

Помимо МРТ, Мэнсфилд внёс вклад в развитие ЯМР-спектроскопии твёрдых тел, в частности, в изучение структуры полимеров и жидких кристаллов. Он также занимался разработкой методов визуализации диффузии воды в тканях, что нашло применение в диагностике инсультов и опухолей.

Применение и значение

Медицинская диагностика

МРТ является одним из наиболее информативных методов диагностики заболеваний центральной нервной системы (головного и спинного мозга), опорно-двигательного аппарата (суставов, позвоночника), органов брюшной полости и малого таза. Метод позволяет выявлять опухоли, воспалительные процессы, травмы, сосудистые патологии (аневризмы, стенозы) и дегенеративные изменения.

Преимущества МРТ:

• Высокая контрастность мягких тканей — позволяет чётко различать серое и белое вещество мозга, хрящи, мышцы, связки.
• Отсутствие ионизирующего излучения — в отличие от рентгенографии и компьютерной томографии (КТ), МРТ безопасна для многократного применения, в том числе у детей и беременных (во втором и третьем триместре).
• Мультипланарность — возможность получения изображений в любой плоскости (аксиальной, сагиттальной, корональной) без изменения положения пациента.

Научные исследования

В нейронауке фМРТ используется для картирования функциональных зон мозга, изучения механизмов памяти, внимания, эмоций и принятия решений. В клинической практике фМРТ применяется для предоперационного планирования (например, при удалении опухолей мозга, расположенных рядом с речевыми или двигательными центрами).

Критика и ограничения

Несмотря на огромную пользу, МРТ имеет ряд ограничений:

• Высокая стоимость оборудования и обследования.
• Длительность процедуры (от 15 до 60 минут), что может вызывать дискомфорт у пациентов с клаустрофобией.
• Противопоказания: наличие металлических имплантатов (кардиостимуляторов, клипс на сосудах, некоторых типов стентов), а также тяжёлая почечная недостаточность (при использовании контрастных веществ на основе гадолиния).
• Низкая чувствительность к кальцинатам и костным структурам — в отличие от КТ, МРТ плохо визуализирует кости.

Интересные факты

• Питер Мэнсфилд был удостоен рыцарского звания в 1993 году за заслуги перед наукой и медициной.
• Идея эхо-планарной томографии пришла к нему во время прогулки по парку в 1977 году. Он записал её на салфетке.
• Мэнсфилд активно выступал за доступность МРТ в развивающихся странах и участвовал в проектах по созданию недорогих томографов.
• В 2012 году в его честь был назван аудиториум в Ноттингемском университете (Peter Mansfield Building).

Источники

• Нобелевская лекция Питера Мэнсфилда (2003)
• «Peter Mansfield: A Biography» — The Royal Society
• «Magnetic Resonance Imaging: From Spin Physics to Clinical Applications» — M. A. Bernstein, K. F. King, X. J. Zhou
• Статья «Echo-planar imaging: the development of a rapid imaging technique» — P. Mansfield, Journal of Magnetic Resonance (1984)
• Британская энциклопедия (Encyclopædia Britannica) — статья «Peter Mansfield»