Рентген, что нам светит?

Лучевая диагностика возникла с открытием Х-лучей, которые в отечественной традиции называются по имени открывшего их физика Вильгельма Рентгена - рентгеновскими, или по-простому, «рентгеном».

Необычное излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 году. Однажды учёный, работая с катодными трубками, заметил, что они испускают излучение, которое обладало двумя замечательными свойствами.

Во-первых, лучи хорошо проходили через все предметы, которые были в лаборатории. Листы бумаги, стекло, карточные колоды и даже рука самого Рентгена не были серьёзным препятствием. Чем плотнее был предмет, тем меньше через него проходило лучей, но полностью их задерживали только свинцовые пластины.

А во-вторых, это излучение засвечивало пластинки, покрытые барием.

Рентген сделал первое публичное сообщение о своём открытии 22 декабря в Физическом институте Вюрцбургского универитета, а 28 декабря 1895 года опубликовал статью под названием «О новом роде лучей». Новый вид излучения он сам называл Х-лучами. Именно это название используется сейчас во всем мире, и только в России мы называем аппарат «рентгеном», излучение – «рентгеновским», а врачей-специалистов – «рентгенологами».

До Рентгена с катодными трубками работали уже 40 лет, с их помощью создавали и исследовали электромагнитное излучение. Но на необычное излучение с высокой проникающей способностью никто не обращал внимания. Открытие было более чем резонансным, физика находилась в «горячей фазе» - через год Антуан Беккерель откроет совместно с супругами Кюри радиоактивность, а ещё годом позже Джозеф Томсон экспериментально подтвердит существование электрона.

В течение двух лет Рентген детально изучал Х-лучи. Он выяснил, что они не отражаются ни от каких поверхностей, а их рассеивание в веществе зависит от размеров атомов этого вещества. Более плотное вещество было менее прозрачно для излучения - именно поэтому на рентгеновском снимке мы видим силуэты костей, а мягкие ткани практически не видны на плёнке.

Открытие моментально нашло применение в медицине. Первые рентгеновские аппараты были сделаны уже в год открытия Х-лучей. В России первый рентген собрал Александр Попов в военном госпитале Кронштадта в 1896 году.

Метод, конечно, обладал недостатками - например, приходилось сидеть неподвижно целый час. Зато, врачи получили возможность заглянуть «внутрь» пациента, не прибегая к операции. До открытия Рентгена никаких других методов визуализации не существовало.

Во всем мире при клиниках и госпиталях начали создавать рентгеновские кабинеты, Конрад Рентген успел обучить целую плеяду учеников, а через 20 лет Первая мировая война подстегнула развитие всей медицины, и рентгенологии в том числе.

За своё открытие Рентген получил в 1901 году первую в истории Нобелевскую премию по физике, а в медицине возникла новая наука - рентгенология.

С момента своего появления до 60-х годов прошлого века принцип устройства рентгеновского аппарата оставался неизменным. Была усовершенствована сама процедура, фиксирующая плёнка стала более чувствительной, пациенты и врачи стали получать значительно меньшие дозы облучения, но принципиально это был тот же аппарат.

И его использование обладало рядом недостатков:

- во-первых, рентгеновский снимок давал проекцию всего, через что проходил луч, - это значит, что на снимке лёгких вы видели ещё рёбра и сердце;

- во-вторых, рентген подходил не для всех тканей или органов. Кости черепной коробки были почти непрозрачны для рентгена и не давали возможности увидеть мозг, а вот мягкие ткани и органы в брюшной полости, наоборот, были мало различимы;

- в-третьих, опыт и знание рентгенолога были крайне важны. Качество изображения оставляло желать лучшего, и рентгенологу требовался огромный опыт, чтобы распознать на снимке патологии или инфекции;

Решение первой из этих проблем пришло из области, совершенно далёкой от медицины.

В 1947 году в фундаментальной науке происходит прорыв. Американские физики Шокли и Бардин создают первый в мире транзистор - и в мире начинается компьютерная революция.

Ламповые компьютеры размером с комнаты исчезают. На смену им приходят значительно более производительные и надёжные машины второго поколения на транзисторах. Конечно, до персональных или домашних компьютеров ещё далеко - Стив Возняк представит Apple II только через 30 лет. Но новые компьютеры значительно меньше, надёжнее, их производительность выше в разы, а главное - они значительно дешевле. Теперь их применяют в самых разных областях науки и промышленности: компьютеры управляют электростанциями, прокладывают маршруты судов, просчитывают архитектурные проекты. Медицина не становится исключением.

В 1960-х годах ученые Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд работают над технологией, позволяющей оцифровать данные рентгеновского исследования. Кормак разрабатывает математическую модель, позволяющую с высокой точностью оценивать степень ослабления рентгеновского излучения при прохождении через вещество, а Хаунсфилд - линейную шкалу, определяющую ослабление рентгеновского излучения при прохождении через те или иные материалы или ткани.

На основе этих теоретических разработок Хаунсфилд в 1969 году строит первый в мире компьютерный томограф, который позволяет делать снимки головы. Это был прототип будущих аппаратов, довольно простой. Сначала Хаунсфилд протестировал его на мозге коровы, а потом сделал снимок своего черепа.

Если работа с обычным рентгеном давала проекцию всех органов, через которые проходил луч, на плоскость, то, имея компьютер, стало возможно делать множество рентгеновских снимков органов в разных проекциях, оцифровывать их и создавать послойное изображение, которое давало гораздо больше информации о предмете исследования.

Этот метод получил название «компьютерная томография» (сейчас в больницах вы скорее услышите сокращённое название «ка-тэ»). За его разработку Кормак и Хаунсфилд получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1979 году.

Впервые на практике метод была применён 1 октября 1971 в лондонском госпитале Atkinson Morley. Томограф смог выдать изображение 80х80 пикселей, каждый снимок занимал около 5 минут, и примерно столько же времени требовалось на обработку данных.

К 1975 году компания EMI, в которой работал Хаунсфилд, представила томограф CT5000, который позволял сканировать всё тело. Первый образец был установлен в госпитале Northwick Park в Лондоне. Эта машина была значительно быстрее: сканирование занимало 20 секунд, при этом изображение было 320х320 пикселей.

В современных томографах сканирование занимает примерно столько же времени, но теперь компьютер получает значительно больше информации для обработки - разрешение у конечного изображения позволяет строить трёхмерные модели и даже снимать органы в динамике.

Благодаря компьютерной томографии врачи получили гораздо более чёткие, реалистичные и информативные изображения. Но поскольку для диагностики по-прежнему использовалось рентгеновское излучение, то метод был применим не для всех тканей.

На помощь пришёл новый метод диагностики - магнитно-резонансная томография.

Параллельно с развитием компьютерной томографии возникает абсолютно новый метод диагностики, основанный на фундаментальном свойстве заряженных частиц, а именно - ядер водорода.

В 1973 году профессор Пол Лотербур публикует в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». В ней он описывает возможность построения изображения органов и тканей благодаря фиксированию излучения, которое атомы водорода испускают, находясь в магнитном поле.

Вода, а следовательно, водород, входят в большом количестве в состав практически всех тканей, кроме костной, а значит, любые органы могут быть просканированы этим методом. Если мы придумаем, как создавать магнитное поле вокруг человеческого тела и сканировать излучение водорода в тканях, то получим изображение этих тканей. Или точнее - построим определённый алгоритм, который на основе данных об излучении электромагнитных волн построит изображение.

В 1977 году доктор Реймонд Дамадьян вместе со своими аспирантами Майклом Голдсмитом и Ларри Минковым собирает первый магнитно-резонансный томограф и проводит диагностику пациента в New York's Downstate Medical Center. Годом позже математик Питер Мэнсфилд усовершенствует алгоритмы получения изображения: процедура сканирования и обработки данных проходит теперь гораздо быстрее.

Магнитно-резонансная томография получает огромное распространение, ведь она решает сразу несколько проблем, связанных с рентгеновским исследованием.

Во-первых, те части тела, которые были практически непрозрачны для рентгена, легко могут быть исследованы с помощью МРТ. А во-вторых, метод не использует ионизирующего излучения, а значит, абсолютно безвреден и может применяться практически без ограничений.

Единственным препятствием является использование мощного магнита - любые металлы, обладающие магнитными свойствами, засасываются внутрь аппарата, поэтому в помещении МРТ все металлические предметы выполнены из специальных сплавов, а у пациента не должно быть металлических конструкций, штифтов или кардиостимулятора.

Посмотрите, как обычный офисный стул засасывает в МРТ.

Развитие лучевой диагностики сопровождалось стандартизацией форматов изображений и систем их хранения. В 1993 году в США был представлен универсальный формат медицинского файла DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), который позволял обмениваться данными лучевой диагностики между врачами и медицинскими учреждениями.

Стандартизация изменила всю диагностику: теперь любой рентгенолог имел возможность просмотреть сотни аналогичных снимков и описаний коллег, не покидая рабочего места, а при необходимости и отправить свой случай на описание. Для контроля качества работы рентгенологов начали применяться методы peer-review и слепого контроля. Это значит, что один и тот же снимок описывают два специалиста, а кроме этого случайно выбранные снимки и описания проверяет сторонний рентгенолог.

В США специализация в рентгенологии дошла до того, что существуют отдельные организации, например VRad (Virtual Radiology), которые берут описания снимков на себя. В больнице при аппарате МРТ или КТ больше не требуется врач-рентгенолог, работающий в три смены, достаточно рентгенлаборанта. Он знает, как правильно уложить пациента и запустить исследование, а также контролирует, чтобы всё происходило по протоколу. А файл отправляют для описания в стороннюю организацию.

В России такое пока невозможно: рентгенолог может ставить под описанием снимка свою подпись, только если он работает в той клинике, где был сделан снимок. А закон о телемедицине, который мог бы допустить такие решения, пока не принят.

В начале XXI века развитие вычислительных мощностей и алгоритмов позволило переложить часть задач с человека на машину. В общем-то, если компьютеры могут распознавать номера на ваших машинах, когда вы превышаете скорость на дорогах, то анализ сотен тысяч снимков - тоже решаемая задача.

Компьютеры точно могут быть полезны при решении рутинных задач, с которыми люди справляются не очень хорошо и могут допустить ошибку. Например, поиск мелких опухолей в лёгких размером в 1 мм - задача сложная и утомительная для человека, а компьютер может справиться с ней очень просто.

Но помимо этого компьютеры могут оказаться в целом эффективнее людей в рентгенологии. Человек ограничен теми снимками и описаниями, которые он видел. Компьютер может проанализировать абсолютно все снимки, которые накопились за всю историю существования метода. Может сравнить изображения с данными всей популяции, отследить изменения в динамике год за годом.

Пока это экспериментальные исследования, но через 10-20 лет, компьютеры если не заменят полностью рентгенологов на расшифровке, то значительно упростят жизнь им.

А значит, и нам с вами.