Первое сканирование пациента на компьютерном томографе (1971)

Тень на пленке

С тех пор как в 1895 году Вильгельм Рентген открыл лучи, названные его именем, врачи получили возможность заглянуть внутрь тела. Рентгеновский снимок отлично показывал кости, но плохо различал мягкие ткани: на пленке все органы накладывались друг на друга, как тени. Особенно трудно было исследовать мозг, укрытый черепом.

Чтобы увидеть опухоль, кровоизлияние или кисту в мозге, врачи середины XX века прибегали к болезненным и опасным процедурам. При пневмоэнцефалографии через пункцию спинного мозга в желудочки мозга вводили воздух, чтобы получить контраст на снимке; больные страдали от сильных головных болей и рвоты. При ангиографии в сосуды вводили контрастное вещество. Часто окончательный диагноз удавалось поставить лишь во время операции или вскрытия.

Еще в 1930-е годы появилась классическая томография: рентгеновская трубка и пленка двигались так, чтобы четким получался лишь один слой тела, а остальные размывались. Но четкость была невысокой, а мягкие ткани по-прежнему различались плохо.

Математика раньше машины

Теоретическая основа будущего изобретения появилась задолго до него. В 1917 году австрийский математик Иоганн Радон доказал, что двумерный объект можно восстановить, если известны все его проекции - суммы значений вдоль прямых линий, проходящих через него под разными углами. Работа Радона была чистой математикой и десятилетиями оставалась известной лишь специалистам.

В 1956 году молодой физик Аллан Кормак, работавший в больнице Грот-Схюр в Кейптауне в Южно-Африканском Союзе, задумался над тем, как точнее рассчитывать дозы при лучевой терапии. Для этого нужно было знать, как разные ткани поглощают излучение. Кормак разработал математический метод восстановления распределения поглощения по множеству проекций и в 1963-1964 годах опубликовал результаты и данные экспериментов на простом самодельном аппарате. Его статьи почти никто не заметил. По его собственным воспоминаниям, единственный запрос на оттиск пришел из швейцарского центра, изучавшего лавины.

Похожие идеи возникали и у других. В 1961 году американский невролог Уильям Олдендорф построил экспериментальную установку, но не нашел поддержки у производителей. В СССР, по имеющимся сведениям, в 1958 году киевские ученые во главе с Борисом Коренблюмом опубликовали работу о схеме томографии с математическим восстановлением изображения. Но довести идею до работающего медицинского прибора не удалось никому.

Инженер без диплома

Годфри Ньюболд Хаунсфилд родился в 1919 году на ферме в графстве Ноттингемшир и был младшим из пяти детей. В школе он учился посредственно, зато в детстве увлекался электроникой, мастерил электрические устройства и даже, по рассказам, экспериментировал с самодельными планерами и реактивными двигателями из подручных материалов. Университетского диплома у него не было.

Во время Второй мировой войны Хаунсфилд служил в Королевских ВВС, где изучал радиолокацию и сам стал преподавателем. После войны он учился в колледже электротехники в Лондоне и в 1949 году поступил в компанию EMI - Electric and Musical Industries, известную прежде всего звукозаписью, но занимавшуюся и электроникой, в том числе военной. Там он работал над радарами и управляемым оружием, а в конце 1950-х годов руководил созданием EMIDEC 1100 - одного из первых британских компьютеров на транзисторах.

Хаунсфилд был замкнутым, скромным человеком, никогда не женился и почти все время отдавал работе. Коллеги вспоминали о его необычной способности решать задачи интуитивно, без сложной математики.

Идея на прогулке

В середине 1960-х годов EMI свернула компьютерное направление, и Хаунсфилду предложили заняться чем-нибудь новым. По распространенному рассказу, идея пришла ему в 1967 году во время прогулки за городом: можно ли, просвечивая предмет со множества направлений и обрабатывая данные на компьютере, узнать, что находится внутри, не вскрывая его? Позже он говорил, что сначала думал об устройстве для распознавания образов, а медицинское применение оказалось наиболее очевидным.

Хаунсфилд не знал о работах Радона и Кормака и разработал собственный метод восстановления изображения. Первый лабораторный прототип был собран буквально из подручных деталей, в том числе, по распространенному рассказу, на основе токарного станка. Источником излучения служил радиоактивный изотоп америций. Аппарат делал измерения девять дней, а компьютеру требовалось около двух с половиной часов, чтобы построить изображение. После замены источника на рентгеновскую трубку время сканирования сократилось до девяти часов.

Хаунсфилд сканировал пластиковые модели, затем законсервированный человеческий мозг, а потом свежий мозг коров со скотобойни. По распространенному рассказу, он сам возил бычьи мозги через Лондон на общественном транспорте. Изображения получались удивительно четкими: на них различалось серое и белое вещество мозга.

Деньги от государства и «Битлз»

Компания EMI сомневалась, стоит ли ей входить в медицинский бизнес. Помогло британское Министерство здравоохранения и социального обеспечения, которое заинтересовалось проектом и выделило средства на создание нескольких аппаратов, взяв на себя значительную часть затрат.

Часто утверждается, что изобретение финансировалось за счет огромных доходов EMI от пластинок The Beatles. Доходы от звукозаписи действительно позволяли компании содержать центральные исследовательские лаборатории, где работал Хаунсфилд. Но, по данным исследования истории проекта, государство вложило в разработку томографа больше, чем сама компания, так что популярная легенда упрощает дело.

Первый пациент

Для клинических испытаний выбрали лондонскую больницу Аткинсон-Морли в Уимблдоне, специализировавшуюся на нейрохирургии. Там работал рентгенолог Джеймс Эмброуз, который поверил в изобретение и стал соавтором Хаунсфилда.

Аппарат, установленный в больнице, предназначался только для исследования головы. Пациент лежал, а голова его помещалась в резиновый мешок с водой, окружавший ее со всех сторон. Рентгеновская трубка и детекторы поворачивались вокруг головы, делая тысячи измерений. Сканирование одного слоя занимало несколько минут, а обработка данных - значительно больше: по имеющимся сведениям, в первые дни магнитные ленты с данными отвозили на компьютер в лаборатории EMI, а готовое изображение получали на следующий день.

1 октября 1971 года на томографе обследовали первую пациентку - женщину средних лет, у которой подозревали опухоль в лобной доле мозга. На изображении был отчетливо виден округлый темный участок - опухоль. Через несколько дней ее удалили хирурги, и, по распространенному рассказу, оперировавший нейрохирург сказал, что опухоль выглядела в точности так, как на картинке. Хаунсфилд и Эмброуз поняли, что метод работает.

Изображение первого скана по современным меркам было очень грубым - матрица из 80 на 80 точек. Но для того времени это было чудо: впервые живой человеческий мозг можно было увидеть изнутри, не вскрывая череп и не подвергая больного мучительным процедурам.

Сенсация

В апреле 1972 года Хаунсфилд и Эмброуз представили результаты на ежегодном конгрессе Британского института радиологии в Лондоне. Доклад произвел сенсацию. Рентгенологи, привыкшие к размытым теням, увидели четкие изображения срезов мозга с опухолями, кровоизлияниями и отеками.

В 1973 году первые сканеры EMI установили в США - в клинике Мейо в Рочестере и в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне. Спрос оказался огромным. Каждый аппарат стоил, по разным данным, сотни тысяч долларов, но больницы стояли в очереди. EMI неожиданно для себя стала лидером нового рынка медицинской техники.

Все тело

Вскоре метод распространили на все тело. В 1974 году американский ученый Роберт Ледли из Джорджтаунского университета создал первый томограф для исследования всего тела. EMI выпустила свой вариант в 1975 году. Время сканирования сокращалось с каждым новым поколением аппаратов: от нескольких минут до нескольких секунд, а затем и долей секунды.

Но успех оказался недолгим для самой EMI. В томографию пришли крупные корпорации - General Electric, Siemens, Philips, японские фирмы, - имевшие опыт производства и сбыта медицинской техники по всему миру. EMI не выдержала конкуренции и в 1979-1980 годах продала медицинское подразделение. Компания, давшая миру томограф, ушла с созданного ею рынка.

Нобелевская премия

В 1979 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак, к тому времени работавший в Университете Тафтса в США. Это был редкий случай: премию по медицине получили двое людей, не имевших медицинского образования, а один из них не имел и университетского диплома. Хаунсфилд и Кормак познакомились лишь на церемонии вручения.

Хаунсфилд был посвящен в рыцари в 1981 году. Его имя носит единица плотности тканей на томографических изображениях - единица Хаунсфилда: вода в этой шкале имеет значение ноль, а воздух - минус тысячу. Хаунсфилд умер в 2004 году, Кормак - в 1998 году.

Томография в СССР

В Советском Союзе компьютерные томографы долгое время закупали за рубежом, и они были доступны лишь в немногих крупных клиниках. Собственные аппараты, по имеющимся сведениям, начали разрабатывать в конце 1970-х - 1980-е годы, но массовым их производство так и не стало. Широкое распространение томографии в России началось уже в 1990-е - 2000-е годы.

Медицина после КТ

Компьютерная томография изменила медицину. Она позволила быстро находить опухоли, инсульты, кровоизлияния, травмы внутренних органов, определять, нужна ли операция, и планировать ее. Мучительные процедуры вроде пневмоэнцефалографии ушли в прошлое.

Томограф стал первым массовым медицинским прибором, в котором изображение создавалось не прямо на пленке, а вычислялось компьютером. Этот принцип открыл дорогу другим методам. В 1977 году было получено первое изображение тела человека методом магнитно-резонансной томографии, а позднее широкое распространение получила позитронно-эмиссионная томография. В 1989 году появилась спиральная томография, а в конце 1990-х годов - многосрезовые аппараты, способные за секунды получить объемное изображение всего тела.

У метода есть и обратная сторона: компьютерная томография связана со значительно большей дозой облучения, чем обычный рентгеновский снимок, и врачи спорят о ее чрезмерном использовании.

Итоги

• Математические основы томографии заложили Иоганн Радон (1917) и Аллан Кормак (1963-1964), но работающий медицинский аппарат первым создал инженер EMI Годфри Хаунсфилд.
• 1 октября 1971 года в лондонской больнице Аткинсон-Морли на томографе EMI впервые обследовали пациентку и обнаружили опухоль мозга, подтвержденную на операции.
• Работа финансировалась компанией EMI и британским Министерством здравоохранения.
• В 1972 году метод был представлен специалистам, с 1973 года томографы распространились в США, а с середины 1970-х годов появились аппараты для всего тела.
• В 1979 году Хаунсфилд и Кормак получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
• Компьютерная томография стала одним из основных методов диагностики и открыла эпоху цифровых медицинских изображений.