Лучевая диагностика. 
Ядерная медицина: физические и химические основы

Успехи лучевой диагностики и ядерной медицины связаны с созданием систем визуализации радиационных полей.

Практически за все время своего развития врачи были вынуждены ставить диагнозы заболеваний, не заглядывая внутрь человека (за исключением случаев исследовательской хирургии). Открытие рентгеновских лучей позволило получать «теневые» изображения органов человека. Метод диагностической рентгенографии в течение первой половины 20-го века медленно совершенствовался, до тех пор, пока в начале 1960;х годов не была создана рентгеновская компьютерная томография. После этого было создано много типов аппаратов, работающих на различных физических принципах (ультразвук, магнитный резонанс, позитронная томография и др.) которые позволили изучать состояние внутренних органов человека по изображениям полей излучений.

Сразу после открытия (конец 1885 г.), рентгеновские лучи стали предметом пристального внимания учёных. Интерес был обусловлен уникальным свойством нового излучения — проникать через сравнительно плотное вещество. Два факта: затемнение фотопластинки под действием ионизирующего излучения и формирование на фотопластинке изображения костного скелета при прохождении рентгеновского излучения через ткани кисти руки привели к созданию первого в мире метода медицинской визуализации.

Практически сразу стали очевидны перспективы рентгеновской диагностики. Во многих странах появились специалисты — рентгенологи. В больницах появились рентгеновские отделения и кабинеты, возникли научные общества рентгенологов, на медицинских факультетах университетов организовались соответствующие кафедры.

Рис. 1. Рентгенограммы раненных конечностей.

В начале 20-го века начали развиваться два основных варианта метода рентгенографического исследования — рентгеноскопия и рентгенография. Совершенно необходимыми они стали при диагностике раненых в i-ой мировой войне (рис. l).

В 1921 г. была разработана методика рентгенографии на заданной глубине. Новые возможности появились благодаря контрастированию полых органов (например, органов желудочно-кишечного тракта путём введения взвеси сернокислого бария). В 1950;х годах основное развитие рентгенографии шло по линии создания эффективных контрастирующих агентов для увеличения контраста изображения и лучшей визуализации диагностируемых органов. В 1968 г. началось внедрение таргетных контрастирующих агентов.

Рентгеновские аппараты постоянно совершенствовались, особенно в плане повышения радиационной безопасности, как пациента, так и врача-рентгенолога; непрерывно повышалась чувствительность и разрешающая способность метода. После появления компьютеров были созданы томографы, позволяющие получить объёмные изображения отдельных органов. С 1955 г. с помощью рентгеновской аппараты изучают динамику изменения органов в пространстве и времени.

В начале 1900;ых итальянский радиолог Валлебона (Alessandro Vallebona) предложил метод отражения отдельного «среза» тела на фотоплёнке — первый вариант рентгеновской томографии.

Впервые задача реконструкции изображения была рассмотрена в 1917 г. австрийским математиком Радоном (Johann Radon), который вывел зависимость поглощения рентгеновского излучения от плотности вещества на некотором луче зрения. Преобразование Радона стало математической основой компьютерной томографии. В 1937 г. польский математик Качмаж (Stefan Kaczmarz) нашёл приближённое решение большой системы линейных алгебраических уравнений. Этот метод лёг в основу другого (отличного от метода И. Радона) мощному методу' реконструкции изображения, получившего название «Техника алгебраической реконструкции» (ART), который позже был использован Хоунсфилдом для обработки результатов, полученных на изобретённым им сканере. В 1959 г. невропатолог Олдендорф (William Oldendorf, Лос-Анжелес, США) предложил концепцию и построил опытный образец медицинского рентгеновского томографа для исследования головного мозга. Результаты этой работы были опубликованы в 1961 г., а в 1963 г. Олдердоф получил патент на своё изобретение.

В 1963 г. математик из ЮАР МакКормак (Allan McLeod Cormack) (ЮАР, затем США) доказал возможность реконструкции трёхмерной структуры объекта из множества его проекций применительно к медицинским задачам (реконструкция изображения головного мозга после его сканирования узким пучком рентгеновских лучей). Спустя 7 лет группа инженеров английской фирмы музыкальных инструментов EMI во главе с Хаунсфилдом (Godfrey Hounsfield) создала промышленный компьютерный томограф — сканер для исследования головного мозга. Время сканирования первого объекта (мозг, консервированный в формалине) составило 9 ч. Компьютерная томография запатентована Хаунсфилдом (Англия) в 1968 г., а первый действующий сканнер компания EMI I собрала в 1971 г. Первая компьютерная томограмма была выполнена женщине с опухолевым поражением головного мозга. 19.04.1972 на конгрессе Британского радиологического института Годфри Хаунсфил и врач Дж. Амброус выступили с сообщением «Рентгенология проникает в мозг». С этого момента начинается бурное развитие компьютерной томографии.

Первые коммерческие компьютерные томографы начали выпускать уже в 1973 г. В 1979 г. А. МакКормаку и инженеру Г. Хаунсфилду была присуждена нобелевская премия в области медицины. Ещё через три года, в 1982 г., нобелевской премии по химии был удостоен английский микробиолог Арон Клут, который внёс значительный вклад в развитие экспериментальных и расчётных методов трёхмерной компьютерной томографии.