CC BY
54
Раздел - лекции
От да Винчи до создателей Компьютерной томографии
1 2 Семенюков А.А., Нуднов Н.В.
1ГБУЗ ГКБ № 40 Департамента здравоохранения г. Москвы, 129301, Москва, ул. Касаткина, д. 7
ФГБУ «Российский научный центр рентгенорадиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "РНЦРР" Минздрава России), 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д.86 Информация об авторах
Семенюков Андрей Александрович - врач-рентгенолог ГБУЗ ГКБ № 40 Департамента здравоохранения г. Москвы. ORCID: 0000-0001-9192-1080 Нуднов Николай Васильевич - д.м.н., профессор, заместитель директора по научной работе ФГБУ "РНЦРР" МЗ РФ. ORCID: 0000-0001-5994-0468 Контактное лицо
Нуднов Николай Васильевич, e-mail: nudnov@rncrr.ru
Для цитирования: Семенюков А.А., Нуднов Н.В. «От да Винчи до создателей Компьютерной томографии» «Вестник РНЦРР» 2019. № 4.
From da Vinci to the creators of Computed tomography
1 о
1Semenyukov AA., 2Nudnov N.V.
1City clinical hospital No. 40, 129301, Moscow, Kasatkina str., 7
9
Federal State Budgetary Institution Russian Scientific Center of Roentgenoradiology (RSCRR) of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation Russian Scientific Center of Roentgenoradiology, 117997 Moscow, Profsoyuznaya str., 86
Authors
Semenyukov A.A. - doctor, radiologist of the City clinical hospital No. 40 Nudnov N.V. - MD, Professor, deputy director of the Federal State Budgetary Institution Russian Scientific Center of Roentgenoradiology (RSCRR) of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation
Друзья! Мы знаем немало великих людей, вписавших в историю медицины свои имена золотыми буквами: Леонардо да Винчи, Луи Пастер, Илья Мечников, Роберт Кох, Вильгельм Конрад Рентген, Иван Павлов, Александр Флеминг и многие другие. Безусловно, их вклад в науку бесценен, об этом мы сами читали и нам рассказывали наши учителя. Но сегодня мы хотели бы познакомить Вас с двумя учёными, о которых известно немногим, но без «продукции» их многолетнего труда сейчас трудно представить современную лучевую диагностику.
Итак, посвящается 40-летнему юбилею вручения Нобелевской премии в области физиологии и медицины...
Компьютерная томография, или КТ - медицинская диагностическая методика, основанная на сканировании объекта при помощи рентгеновского излучения, при которой получаются послойные изображения органов и тканей человеческого тела. При проведении КТ пациент лежит на специальном столе в КТ-сканере, который имеет форму большого кольца. Вращающийся сканер пропускает через исследуемую часть тела тонкий рентгеновский луч под разными углами. Разные по плотности ткани по-разному ослабляют рентгеновское излучение; полученные данные анализируются, и с помощью математической и визуальной реконструкции получается цифровое
изображение объекта. Чтобы оно было более информативным, используются рентгенконтрастные вещества с йодом.
У современной томографии были предшественники. Один из методов, который был предложен Н.И. Пироговым, назывался анатомическая топография. При использовании этого метода замораживали трупы и нарезали их на тонкие ломтики. Пирогов издал атлас "Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведёнными через замороженное тело человека в трёх направлениях". Этот метод позволял увидеть человека изнутри. Изображения из атласа очень похожи на те, которые дают современные томографы. Хотя до изобретения современного томографа было ещё далеко, анатомическая топография заложила основы методологии томографии. История создания
История КТ начинается в 1895 году, когда немецкий физик Вильгельм открыл новый вид лучей - сейчас мы знаем его как рентгеновское излучение. В 1917 году австрийский математик Иоганн Радон вывел интегральное преобразование функции многих переменных. В 1937-м году польский математик Стефан Качмаж развил его и разработал способ нахождения приблизительного решения большой системы линейных алгебраических уравнений. На основе этой методики и был сделан первый коммерческий КТ-сканер. Но ни в 10-е, ни в 30-е годы еще не было условий для создания компьютерной томографии. В 1959 году американский невролог Уильям Олдендорф выдвинул идею о том, что можно сканировать голову человека с помощью рентгеновских лучей, а затем реконструировать рентгеноконтрастность слоев. Эта мысль пришла к нему после того, как он увидел в работе аппарат для выбраковывания фруктов - тот определял наличие подмороженных частей.
Он даже построил прототип КТ-сканера и получил патент на "излучающий аппарат для изучения выбранных зон внутренних объектов, скрытых плотным материалом".
Алан Маклеод Кормак - физик - родился 23 февраля 1924 года в Йоханнесбурге (ЮАР). Окончив школу, Алан поступил в Кейптаунский университет для изучения электротехники. Через два года Алан решил, что ему больше интересна физика, и в 1944 году он получил степень бакалавра, а в следующем году степень магистра. В 1956 году он работал в госпитале Гроте-Шур в области медицинской физики. Кормак наблюдал за использованием радиоизотопов и занимался калибровкой специальных пластинок, по которым можно судить о дозе радиации, которую получает персонал госпиталя. И именно эти наблюдения за лучевым лечением больных с различными злокачественными опухолями постепенно привели его к той работе, за которую он и получил Нобелевскую премию. Кормак понял, что для расчета дозы облучения для лечения опухолей, нужно точно знать, сколько рентгеновских лучей поглощают различные ткани тела. В конце 50-х им был разработан математический метод для определения поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. Его метод основывался на измерениях поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различным углом, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Поскольку пучок зондировал определенный участок с многих точек, полученная информация отображала особенности поглощения каждой отдельной части этого участка. При обычном рентгеновском исследовании определяется лишь суммарное поглощение луча, достигающего пленки, а изображения мягких тканей при этом накладываются друг на друга. Метод Кормака позволил воссоздать изображение внутренних деталей строения. Работа Кормака хотя была опубликована, но внимания научной общественности не привлекла. Метод Кормака оставался примитивным лабораторным способом изучения скорее моделированных ситуаций, нежели
биологических тканей. Также ещё не были созданы компьютеры, способные выполнять большое число математических операций в секунду и анализировать полученные результаты. В связи с этим его метод был очень трудным и требовал много времени. Рентгеновское изображение, состоящее из отдельных тонких срезов, называется в настоящее время томограммой (от греч. tomos, что означает "срез"), а методика в целом получила название компьютерной томографии. Алан Кормак разработал математические методы для анализа данных, получаемых при рентгеновских измерениях, и продолжал совершенствовать эти методы в течение нескольких лет. Хотя его работа была революционной, но не смогла быть реализована по причине отсутствия компьютеров с нужным быстродействием.
Годфри Ньюболд Хаунсфилд родился в маленькой деревеньке в Ноттингемшире (графство в одном из центральных районов Великобритании) 28 августа 1919 года. Семья обитала на просторной ферме, которую купил глава семейства сразу после Первой мировой войны для своих пятерых детей, поэтому простора для игр и творчества хватало. Годфри оказался самым поздним ребенком, сильно отстающим от своих двух братьев и двух сестер по возрасту, и, поскольку интересы были разные, играли дети в разные игры, то юный инженер постоянно оставался один. Однако, судя по воспоминаниям из автобиографии, его это нисколько не смущало, а даже наоборот -оставляло массу времени для опытов и всякого рода испытаний. «Период между моими одиннадцатым и восемнадцатым годами остается самым ярким в моей памяти, потому что это было время моих первых попыток экспериментов, которые никогда бы не получилось сделать, живи я в городе. В деревне было множество развлечений, не ощущалось никакого давления со стороны братьев или сестер, и я легко мог проверить любую интересную идею, которая приходила мне на ум», - пишет Хаунсфилд. Еще совсем юного Годфри крайне интересовала техника, которая стояла в сарае на заднем
дворе фермы: молотилки, машины для связки снопов сена, генераторы. Он стремился разобраться, как работает каждая деталь, что приводит их в движение и чем это движение осуществляется. Но он не только разбирался - он применял свои знания на практике и пропадал в сарае сутками, работая над очередной электронной штуковиной. Так появились разные виды электрических записывающих машин, планер, с помощью которого изобретатель постигал физику полета, даже чуть не угробивший его самодельный флайборд из смоляной бочки с водой и ацетилена. Мальчику было интересно, насколько высоко сможет поднять бочку струя воды. Тогда ему казалось, что абсолютный рекорд высоты, который ему удалось поставить, оказался на отметке в 1000 футов (около 305 метров), что, конечно, вряд ли может быть правдой. Из-за тяги Годфри ко всему техническому, гуманитарные дисциплины ему давались крайне плохо. В отличие от физики с математикой, он не любил языки, историю, обществознание и прочее, что в Магнусской школе грамматики в Ньюарке так старательно пытались ему привить. Тем не менее, он всё-таки научился рассуждать, что в жизни впоследствии ему сильно пригодилось. По окончании школы молодой Хаунсфилд не сразу приступил к дальнейшему обучению, а пошел волонтёром в Королевские военно-воздушные силы, поскольку наступала Вторая мировая война, в обществе вовсю обсуждались новинки военной отрасли, в том числе в авиации, и это юношу, помешанного на технике, полностью затянуло. С жадностью накинувшись на всю кипу литературы, которая только была в доступе ВВС Британии, он постиг основы электроники и радиотехники. Эта тяга помогла ему отлично сдать итоговый тест, и его без лишних вопросов и сомнений забрали в Крэнвеллскую военно-воздушную радиолокационную школу, причем в качестве преподавателя-инструктора. Там он в свободное время развлекался тем, что проходил обучение и в итоге сдал экзамен по радиокоммуникациям, занимался созданием широкоэкранного осциллографа и
демонстрационного оборудования в качестве обучающих пособий. Всё это не осталось незамеченным для лиц высокого ранга, которые присматривались к молодым и перспективным кадрам. Благодаря ходатайству одного из них, вице-маршала Британской авиации Джона Реджинальда Кессиди, Хаунсфилд получил грант на обучение в электротехническом инженерном колледже Фарадея в Лондоне - одном из лучших и новаторских для того времени технических институтов. Его особенность состояла в том, что тогда он был первым специализированным колледжем (год основания - 1890-й), обеспечивающим университетское образование, причем, еще до распространения инженерных факультетов. К тому же там впервые начали внедрять так называемые сэндвич-курсы, сочетающие в себе теоретическую базу с ее безотлагательным практическим применением. Еще во время работы в британских ВВС Хаунсфилда привлекли электронные вычислительные механизмы, в том числе компьютеры, которые в то время еще только покоились в яслях истории. Поэтому, получив элитный диплом Фарадейского колледжа, он в 1949 году подал резюме в компанию EMI (Electricand Musical Industries, также известные как EMI Records Ltd.), куда его с большой охотой взяли. Компания в то время занималась исследованиями в области электроники для коммерческого использования. Некоторое время он занимался разработкой системы радиоуправления для оружия, руководил небольшой проектной лабораторией, но с середины 50-х годов вплотную приступил к созданию компьютера на основе транзисторов, которые сам же и усовершенствовал. Он внедрил в них магнитный сердечник, смог добиться, чтобы они управлялись магнитным полем, и таким образом увеличил скорость обработки информации в разы, что в итоге вылилось в первый полностью транзисторный и доступный для продажи компьютер EMIDEC 1100. Тем не менее, техника развивалась стремительно, а идеи по совершенствованию, которые далее выдвигал Хаунсфилд, оказывались коммерчески не
выгодными. Он решил оставить проект и на некоторое время пустить свои мысли в свободное плавание. Это оказалось верным решением, и в 1967 году к нему пришло то самое, чему можно посвятить всю оставшуюся жизнь - идея об автоматическом распознавании образов, основанном на степени поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. В дальнейшем она вылилась в ЕМ1-сканер и методику вычисления в томографии, и до 1976 года этот проект поглотил исследователя полностью.
Как было отмечено выше, метод математического анализа данных для определения того, как биологические ткани поглощают рентгеновские лучи, разработал Алан Маклеод Кормак еще в конце 50-х годов. Он основывался на измерениях поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Поскольку пучок зондировал определенный участок с многих точек, полученная информация отображала особенности поглощения каждой отдельной части этого участка. При обычном рентгеновском исследовании определяется лишь суммарное поглощение луча, достигающего пленки, а изображения мягких тканей и костных структур при этом накладываются друг на друга. Метод Кормака же позволял воссоздать изображение внутренних деталей строения.
Хаунсфилд, независимо от Кормака, стал разрабатывать свой проект и придумал схожую систему, в которой тонкий линейный пучок гамма-излучения кобальта-60 пропускался сквозь муляж тела и с противоположной стороны «отлавливался» счетчиком Гейгера. Забавно, что первый муляж тела состоял лишь из алюминиевых цилиндров в деревянной коробке, а его усложненная версия головы - из алюминиевого «черепа» с пластиком в качестве мозга и алюминиевых дисков в качестве опухолей.
Эксперименты проходили крайне успешно. Разработанная инженером математическая модель была чуть проще Кормаковской и уже использовала большой компьютер для обработки данных. Усовершенствовали и рентгеновскую трубку: если раньше из-за низкоинтенсивного источника гамма-лучей, требующего длительных экспозиций, время сканирования составляло 9 дней, то в тот момент оно снизилось до 9 часов.
Хаунсфилд с улыбкой вспоминает, как он через весь Лондон в автобусе вёз в сумке свежий мозг теленка для того, чтобы посмотреть, как будет регистрироваться и обрабатываться сигнал от живых тканей. Изображения получались удачные, а контрастность снимков была такой четкой, что позволяла оценить ткани головного мозга и других органов. Изобретатель проверял прототип томографа на препаратах мозга (позаимствованных в анатомическом музее), свежем мозге и других органах, даже использовал в качестве подопытного себя самого.
Тем не менее, оставалось проверить, насколько хорошо машина сможет отличать норму от патологии. Для этого в 1971 году в госпитале Аткинсона Морли в Уимблдоне сконструировали первый клинический компьютерный томограф, и началось исследование больных с опухолями и другими заболеваниями головного мозга (рисунок 1).
Рисунок 1.
В 1972 году появилась первая сканограмма головного мозга женщины с подозрением на его поражение, и полученное изображение отчетливо показало наличие темной округлой кисты (рисунок 2).
Рисунок 2.
Постепенно смонтировали более крупные и быстрые сканеры (в том числе, КТ-сканер всего тела, созданный в 1975 году), в которых снижалось время сканирования, а в апреле 1972 года ЕМ1 объявила о начале производства первого коммерческого компьютерного томографа - ЕМ1СТ-1000. И с этого момента в медицине началась совершенно новая эра точной прижизненной диагностики (рисунок 3).
Рисунок 3.
Для того, чтобы анализировать изображения, исходя из плотности тканей, Хаунсфилд придумал специальную шкалу ослабления рентгеновского излучения, согласно которой 0 единиц соответствовало чистой дистиллированной шкале, -1000 -плотности воздуха, +1000 - плотности кости, а сам диапазон значений колебался от -1024 до +3071. Таким образом, воздух на томограммах выглядит абсолютно черным, а кость - белой, поскольку костные структуры очень хорошо поглощают рентгеновские лучи.
Кстати, нельзя не сказать и о роли рок-музыки в появлении томографии. Существует легенда, что финансирование томографа обеспечила группа "Битлз". В компании было много исследований, но главный их профиль - это звукозапись. И в начале 1960-х EMI вытащила свой счастливый билет: контракт с The Beatles, тогда еще малоизвестными музыкантами. Пластинки начали продаваться огромными тиражами, и EMI направила часть неожиданно высокой прибыли на доделку сканера.
В 1979 году Хаунсфилд и Кормак, как человек, который первым придумал алгоритм, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии» (рисунок 4).
Нобелевский комитет отметил: «Когда метод был введен в медицинскую практику шесть лет назад, быстро стало очевидно, что это означало что-то революционно новое, с большими последствиями для рентгеновской диагностики и медицинских дисциплин, которые используют её». На банкете после вручения Нобелевской премии не любивший выступать Хаунсфилд отправил отдуваться с речью Кормака, однако слово взять всё же пришлось: все гости - врачи, ученые, королевская семья - хотели услышать «человека, в одиночку изменившего медицину».
Хаунсфилд ушел в отставку из EMI в 1984 году: он не сошелся с руководством и характером, и потом финансово. Зато признанием он был не обделён - и речь не только о Нобелевской премии (эти двое учёных представляют собой удивительную историю, когда премию по физиологии и медицине получили инженеры). Ещё смешнее оказалось с избранием Хаунсфилда в члены Королевского общества. Оказалось, что у Нобелевского лауреата слишком мало научных трудов, чтобы просто представить его на избрание. И - уникальный случай - в качестве «статей» были представлены изобретения.
А еще до Нобелевской премии, в 1976 году, Хаунсфилда удостоили высочайшей чести: Её Величество королева Елизавета II посвятила инженера, с тех пор - сэра Годфри - в командоры Ордена британской империи. На церемонию он пришел со счастливой мамой. Также Годфри был отмечен премией Мак-Роберта общества инженеров в 1972, в 1974 ему вручили премию Баркла Британского института радиологии, а через год - премию Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования, ещё годом позже он был награжден медалью и премией Даддела, присужденную Институтом физики. Помимо этого Годфри Хаунсфилд получил премию Гарднеровского международного общества и степень почетного доктора Базельского и Лондонского университетов. Ко всему прочему, он являлся почётным
членом Королевского колледжа врачей и Королевского колледжа радиологов. В 1981 году Годфри Хаунсфилд был посвящён в рыцари.
Удивительный факт: знаменитый и богатый Хаунсфилд жил очень и очень скромно, до середины 1970-х годов он даже не купил себе жилье, хотя, конечно, мог себе это позволить - и только со скромной части Нобелевской премии обустроил себе двухквартирный дом в Миддлсексе с жилыми комнатами и лабораторией.
Как Нобелевскому лауреату ему пришлось много ездить с лекциями по миру и, особенно, в США: статус обязывал, но Хаунсфилд всегда подчеркивал, что это «не его» и отнимает время от занятий наукой, ведь он даже не женился ради этого. В конце концов, он установил правило, которому следовал до конца своих дней - он соглашался ездить на всякие конгрессы с одним условием: «он вообще ничего не должен будет делать».
Справедливости ради, следует отметить, что сама идея создания современной компьютерной томографии принадлежит американскому невропатологу Уильяму Генри Олдендорфу. Он родился в штате Нью-Йорк, окончил Скенектади Юнион Колледж, в 1947 году он получил медицинскую степень. В 1956 году Олдендорф присоединился к преподавательскому составу новой медицинской школы Калифорнийского университета, Лос-Анджелес. Ему в голову пришла идея "просмотра головы через переданный луч рентгена". Также ему принадлежит идея использования математики для расчёта в компьютерной томографии. Его идея также привела к созданию МРТ. Хотя У. Олдендорф не был удостоен Нобелевской премии, в честь него ежегодно выдаётся премия Олдендорфа.
Следует сказать, что Хаунсфилд заложил базовую идею современной компьютерной томографии, но также не стоит забывать о вкладе других учёных в развитие данного метода диагностики. Без открытия Рентгена создание этого метода
исследования было бы невозможно в принципе. Именно идея, конечно, принадлежит В. Олдендорфу. Саму идеологию послойного рассмотрения человеческого тела заложил отечественный хирург Николай Иванович Пирогов. И, конечно, математические алгоритмы для КТ были разработаны австрийцем Иоганом Радоном. Хотя и Хаунсфилд, и Олдердорф, и Кормак независимо друг от друга пришли к идее использования рентгеновских лучей для послойного рассмотрения тела человека и использованию математических расчётов для диагностики, именно Годфри Хаунсфилд смог воплотить эту идею в жизнь. Изобретение компьютерной томографии с обработкой получаемой информации на электронно-вычислительной машине произвело колоссальный переворот в области получения изображения в медицине. Приведенные факты с предельной наглядностью демонстрируют прогрессивность внедрения в практику компьютерной томографии, которая вывела диагностику в медицине на новый уровень. Изображение, полученное с помощью компьютерного томографа, имеет целый ряд преимуществ, включая возможность его реконструкции в нужной проекции, способность к передаче низко контрастных объектов. Ведь именно быстрая, а главное точная диагностика определяет успешность предстоящего лечения.
