История развития компьютерной томографии

Самое интересное в любой науке – это ее история, поэтому предпримем краткий экскурс к первым дням зарождения некоторых методов получения медицинских изображений.

Открытие рентгеновского излучения, сделанное в лаборатории Вильгельма Конрада Рентгена в период, когда Рентген был профессором физики в г. Вюрцбурге. Сам Рентген никогда точно не указывал даты открытия. Приоритет открытия принято устанавливать по дате подачи материала в печать (28 декабря 1895 г.) и дате опубликования (5 января 1896 г.).

Стали сразу понятными перспективы рентгеновской диагностики. Однако Рентген отказался от подписания любого коммерческого кон- тракта, связанного с использованием его открытия. Он придерживался того мнения, что его открытие принадлежит всему человечеству и не должно быть объектом патентования, лицензирования и заключения контрактов. Результатом этого, несомненно, явилось широкое распространение дешевых источников рентгеновского излучения. Так, цена портативной рентгеновской установки в США в 1896 г. составляла всего 15 долл.

Предполагается, что первый рентгеновский аппарат был применен в клинике 13 января 1896 г. двумя врачами из Бирмингема (Великобритания) для обнаружения иголки в ладони женщины, «первое клиническое» применение этого открытия последовало за «первым экспериментальным» образцом через промежуток времени, который наверняка является самым коротким по сравнению с любым из последующих периодов внедрения разработок. Рентгеновский снимок, сделанный на бромсодержащем фотоматериале, был вручен пациентке Ратклиффом и Холл-Эдвардсом. На следующее утро она захватила снимок в Королевскую больницу общего типа, где хирург-травматолог Дж. X. Клэйтон сделал первую в мире операцию с использованием рентгеновских снимков, удалив иголку.

Однако Рентген первым указал и на основной недостаток открытого

им метода: на изображении (рентгенограмме) накладываются изображения всех слоев, через которые проходит излучение. Естественно, возникла задача получения изображения каждого изолированного слоя объекта – томограммы. На протяжении 70 лет предпринимались попытки решить эту задачу. В медицинской диагностике наибольшую известность и распространение получила томография, которая была предложена Е. Бокажем в 1921 г. и называется сейчас классической, или

традиционной (ее особенности мы рассмотрим ниже). Однако это было лишь частичное решение проблемы, так как изображение сечения оставалось затененным другими слоями объекта.

Получение неискаженного изображения сечения объекта оказалось возможным лишь с появлением вычислительной томографии, которая представляет собой двухступенчатый метод исследований.

На первом этапе объект зондируется проникающим излучением с различных направлений и прошедшее поле регистрируется, т. е. формируется набор проекций. На втором этапе вся совокупность полученной информации обрабатывается в каком-либо процессоре. Таким образом, томографические измерения являются косвенными: измеряемая величина связана с исследуемой некоторым функциональным отношением. Обработка усложняется еще и тем, что для восстановления томограммы необходимо решать обратную задачу. Очевидно, что это выдвигает высокие требования к системе обработки данных.

Сообщение об установке для получения рентгеновских компьютерных томограмм в условиях клиники, сделанное Хаунсфилдом в 1972 г. на ежегодной конференции Британского института радиологии, можно рассматривать как самое значительное событие со времени открытия Рентгена. Аннотацию данного сообщения, а также сообщение под названием «Рентгеновская диагностика проникает в глубины мозга», напечатанное в апрельском выпуске журнала NewScientist 1972 г., можно рассматривать как фундаментальные основы медицинской рентгеновской компьютерной томографии (КТ). Ряд основополагающих работ, напечатанных Хаунсфилдом с соавторами в 1973 г., не оставил сомнений у научной общественности о значении этого открытия, за которое Хаунсфилду и Кормаку в 1979 г. была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Нобелевские лекции были прочитаны Хаунсфилдом и Кормаком 8 декабря 1979 г. в Стокгольме. При этом Хаунсфилд заявил, что он никогда не говорил о том, что «изобрел метод компьютерной томографии», а ценность сделанного в 1972 г. сообщения состояла в демонстрации практической реализации метода, что дало мощный толчок клиническим исследованиям на последующие годы.

Вопрос о том, кто в действительности автор «компьютерной томографии», оживленно дебатируется и по настоящее время. Возможно, менее известен факт создания КТ-сканера в СССР в 1958 г. Так, в 1958 г. Б. И. Корнблюм, С. И. Тетельбаум и А. А. Тютин дали математическое описание реконструкции изображения по проекциям, а также привели подробное описание эксперимента. В своей статье они написали следующее: «В настоящее время в Киевском политехническом институте нами разработана первая экспериментальная установка для получения рентгеновских изображений тонких сечений по схеме, описанной в этой статье». Это был аналог реконструктивного метода, основанного на использовании веерного пучка рентгеновских лучей и телевизионной регистрации.

Развитие методов регистрации g-излучения, исходящего из организма человека после введения ему радионуклидного препарата, представляет собой, пожалуй, наиболее увлекательное сочетание современных физических методов регистрации ионизирующих излучений и радио- фармацевтики. Методы регистрации радиоактивного излучения почти так же стары, как и само открытие радиоактивности. Для регистрации излучения (но не изображений!) использовались спинтарископ Крукса (1903 г.), камера Вильсона (1895 г.), электроскоп с золотыми лепестка- ми и счетчик Гейгера (1929 г.). До изобретения в 1931 г. Лоуренсом циклотрона искусственных радионуклидов не существовало.

Интересно, что первым из синтезированных в 1938 г. на 37- дюймовом циклотроне в Беркли был радионуклид 99Тсm. Эра современной ядерной медицины исчисляется с 14 июня 1946 г. – со дня публикации американским журналом «Science» объявления о том, что радиоактивные изотопы могут поставляться по заявкам потребителей. Однако лишь в 1948 г. Энселл и Ротблат осуществили поточечную регистрацию изображения щитовидной железы, которую можно рассматривать как первый опыт получения изображения методом сканирования в ядерной медицине.

Вскоре многими исследователями были показаны преимущества автоматического сканирования. В 1957 г. Энгер разработал и первую электронную гамма-камеру с фотоумножителями (ФЭУ). Потом стали появляться промышленные образцы камеры и в 1968 г. тот же Энгер впервые сделал сообщение о возможности получения продольных томографических изображений в нескольких плоскостях путем двухкоординатного сканирования. В указанном аппарате необходимо было выполнять несколько циклов сканирования с коллиматорами на одиночных или двойных детекторах с различными фокусными расстояниями.

Различия между однофотонной эмиссионной компьютерной томографией (ОФЭКТ) и методом визуализации в плоском сечении с помощью камеры Энгера примерно такие же, как между рентгеновской компьютерной томографией и планарной рентгенографией Бокажа.

В настоящее время уже убедительно доказаны диагностические возможности метода ОФЭКТ в ядерной медицине. Кто же изобрел ОФЭКТ и когда? И снова честь открытия оспаривается главным образом потому, что, если даже установлена реализуемость метода, он еще в течение длительного времени не находит своего клинического применения. Тем не менее удалось установить нескольких «изобретателей» ОФЭКТ, поскольку она была получена несколькими сильно различающимися путями.

Так, Кул и Эдварде опубликовали первые лабораторные результаты по визуализации изображений с помощью однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭТ) (не компьютерной!), использующей вращательно- поступательное перемещение кристаллических детекторов с коллиматором. Изображение, которое в настоящее время назвали бы томограммой поперечного сечения, получалось исключительно аналоговым способом и не требовало никакой компьютерной обработки. Кул и Эдварде усовершенствовали также сам метод регистрации изображения, чтобы по- лучить его на бумажной ленте, контраст которой можно было заранее изменять.

Одним из первых томографических изображений, полученных с помощью введения хлормеродрина с изотопом 197Hg, было изображение злокачественной опухоли мозга (астроцитомы). Логическим развитием средств ОФЭКТ-визуализации стала система детектирования аннигиляционных гамма-квантов, испускаемых позитронными излучателями и предназначенных для построения распределений радиофармпрепаратов в организме пациента. Аппаратура позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) в настоящее время выпускается серийно, однако предложения соответствующей аппаратуры на рынке пока недостаточно велики, несмотря на то, что клинические исследования с помощью ПЭТ проводились в ряде специализированных центров с начала 1960-х гг.

Об открытии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) было сообщено в 1946 г. одновременно и независимо двумя группами исследователей, возглавляемых Блохом и Парселлом – лауреатами Нобелевской премии. С этого момента началось неуклонное проникновение метода ЯМР- спектроскопии в химию, биологию и медицину. Метод ЯМР- визуализации был разработан значительно позднее, причем приоритет разработки оспаривают несколько исследователей.

В 1972 г. Лаутербур получил первое в мире двухмерное ЯМР- изображение двух стеклянных капилляров, заполненных жидкостью (правда, на это ушло более 4 часов). Через год он опубликовал в журнале «Nature» статью, в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса (ПМР) воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ).

Однако возможность получения электрических сигналов – это лишь половина современного метода магнитно-резонансной томографии. Обработка сигналов, поступающих от датчиков томографа, требует огромного объема вычислений, осуществляемых мощным компьютером. В основе математических расчетов лежат преобразования Фурье. Большая заслуга в разработке математического аппарата, позволяющего строить пространственные изображения объектов на основе анализа электрических сигналов, принадлежит второму нобелевскому лауреату – Питеру Мэнсфилду.

Открытие Мэнсфилда, которое вначале могло показаться сугубо теоретическим, оказалось вторым краеугольным камнем нового эффективного метода получения изображений внутренних органов человека. В 1978 г. появился и первый промышленный образец ЯМР-сканера, а в 1980 г. Хокс и др. сообщили о первой демонстрации изображения патологического образования у человека. Таким образом, очевидно, что начальный этап развития метода ЯМР-визуализации требует учета вклада большой группы «первооткрывателей».

Интересно проследить динамику Нобелевских премий в области компьютерной томографии. В 1979 г. премия по медицине была при- суждена Г. Н. Хаунсфилду и А. М. Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского сканирующего томографа; в 1991 г. премию по химии получил Р. Эрнс за развитие методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса, а в 2002 г. – К. Вютрих за разработку ЯМР- спектроскопии для определения третичной структуры макромолекул в растворе. В 2003 г. Лаутербур и Мэнсфилд отмечены за разработку ЯМР-томографа.

Работа лауреатов премии 2003 г. Лаутербура и Мэнсфилда во многом способствовала развитию одного из ведущих методов неинвазивной диагностики. Современные магнитно-резонансные томографы с высокой разрешающей способностью могут различать объекты, находящиеся на расстоянии в 10 мкм. Применение контрастирующих веществ позволяет изучать кровеносную систему органов и тканей, обнаруживать сужение капиллярного русла и участки тромбоза. Установление времени релаксации протонов дает возможность получать не только трехмерную картину органа или ткани, но и измерять скорость кровотока в ней. Значение этого метода для медицины сравнимо лишь с применением рентгеновских лучей для диагностики, не говоря о том, что магнитно- резонансная томография безвредна и во многих случаях дает результаты, которые трудно получить рентгеновскими методами. В наше время этот метод вошел в повседневную практику обследования пациентов.

Сегодня, спустя 30 лет после открытия магнитно-резонансной томографии, ежегодно проводится около 60 млн таких исследований. МРТ широко используется в предоперационных обследованиях, что особенно важно для микрохирургии; она незаменима при диагностике многих заболеваний, в первую очередь раковых, поскольку позволяет точно определить локализацию опухоли и метастазов.

Можно предположить, что для диагностики в медицине после рентгеноскопии наиболее часто используется ультразвук. Самые ранние попытки использования ультразвука для этих целей относятся к концу 1930-х гг., однако при этом копировался трансмиссионный метод рентгеноскопии, поэтому данные эксперименты не могут считаться первым опытом ультразвуковой визуализации в том смысле, который мы вкладываем в это понятие сегодня. Разработка эхо-импульсного метода по- лучения ультразвуковых изображений, который лежит также в основе радиолокации, стала возможной благодаря быстрому развитию импульсной электронной техники во время второй мировой войны. Применению ультразвука в медицине, впервые защищенному патентом Файерстона в 1940 г., предшествовало его использование для выявления внутренних дефектов в металлах. Первое двумерное эхо-изображение было получено с помощью простого секторного сканера и представляло собой изображение миобластомы ноги. Эта статья была принята к публикации 25 октября 1951 г. Несмотря на огромное желание сделать реконструктивный компьютерный томограф, использующий ультразвук в качестве зондирующего излучения, проблема ещё далека от разрешения. Причина в том, что процесс распространения ультразвуковых волн в неоднородной биосреде описывается достаточно сложными уравнениями, для которых точное решение задачи реконструкции еще не найдено.

Использование оптического излучения для получения изображений внутренних органов также, конечно, привлекало исследователей. Это было вызвано тем, что оптическое излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазонов безвредно для человека. Первые приборы, основанные на принципах просвечивания, появились в 30-х годах и лишь только в 70-х появились первые приборы для маммографии. Эти приборы не нашли широкого применения из-за низкой диагностической ценности. Попытки создать диагностическую аппаратуру на принципах диафаноскопии (просвечивания) пока не принесли существенных результатов. Однако экспериментальные и клинические исследования в данном направлении непрерывно ведутся, особенно после того, как большое число оптиков в результате конверсии стали искать приложение своим знаниям и опыту.

Одним из достижений последних лет можно назвать когерентную оптическую томографию, которая нашла применение при диагностике кожных покровов, слизистой оболочки и т. д. Принцип работы этих приборов близок к ультразвуковым эхо-локаторам. Основные проблемы, которые возникают при создании реконструктивного оптического томографа для биоткани, во многом связаны с отсутствием теории описывающей процесс распространения оптического излучения в сильно рассеивающей среде. Необходимо отметить, что в медико-биологической лабораторной практике оптические методы исследования являются основными. Прежде всего, это микроскопия, которая в настоящее время вплотную подошла к созданию 3-D микроскопа – томографа.