Физика и медицина

Начнем с описания истории взаимоотношений физики и медицины. «Медицинские связи» физики существовали достаточно давно. Не зря же целый ряд выдающихся физиков (например, Н. Коперник, Г. Галилей, Ф. Савар, Р. Майер и др.) имели медицинское образование, а некоторые из них, в частности Г. Гельмгольц, был горячим сторонником идеи преобразования физиологии как науки путем введения в нее методов физики и химии. Однако по-настоящему физика и медицина начали совместное развитие после открытия В. К. Рентгеном лучей, названных его именем. Как оно было сделано?

Вечером 8 ноября 1895 г. ученый работал с закрытой со всех сторон черной бумагой катодной трубкой, представлявшей собой стеклянный вакуумный прибор, где происходит электрический разряд. Вот Рентген в очередной раз включил ток, приведший к возникновению разряда. Лежавшие неподалеку кристаллы платиноцианистого бария стали флуоресцировать. Рентген выключил ток — кристаллы перестали светиться. Он снова подал напряжение на прибор, и опять в кристаллах, ничем не связанных с трубкой, возникло свечение. Рентген понял, что столкнулся с еще не изученным явлением. В эту ночь он так и не ушел из лаборатории.

В результате дальнейших исследований ученый пришел к выводу, что из катодной трубки исходит неизвестное излучение, которое он назвал Х-лучами. Эксперименты показали, что излучение возникает в месте столкновения катодных лучей с металлической преградой внутри прибора. Рентген усовершенствовал трубку, введя в анод плоскую часть (антикатод). При столкновении электронов с ним и возникает излучение, которое выходит за пределы трубки (рис. 25.1). Для нас важно, что Х-лучи легко проникают через ткани организма человека. Ученым были сделаны первые снимки в рентгеновских лучах. Первой рентгенограммой стал снимок руки госпожи Рентген, на одной из фаланг которой видно черное пятно обручального кольца. Об открытии Х-лучей 28 декабря 1895 г. им было доложено мировому научному сообществу.

Рис. 25.1. Схема установки Рентгена

Идея о применении рентгеновских лучей в медицине была встречена с одобрением, и уже 20 января 1896 г. в Дартмуте (шт. Нью-Гэмпшир, США) врачи наблюдали с помощью рентгеновских лучей перелом руки пациента. Лаборатории университетов к тому времени уже располагали катодно-лучевыми трубками, была оперативно создана рентгеновская аппаратура, приспособленная для медицинских целей. Тем самым было положено начало рентгенологии. Зародились новые направления в медицине, в первую очередь рентгенодиагностика, методы которой разработал сам Рентген: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки».

Постепенно стали зарождаться новые отрасли диагностики: рентгеноостеология, рентгенокардиология, рентгенопульманология, рентгеногепатология и т. д. Данный перечень далеко не полный. В настоящее время с развитием цифровых технологий рентгенодиагностика переживает второе рождение. Так, например, удалось в десятки раз снизить дозу облучения и во столько же раз повысить качество получаемого изображения.

Нельзя, однако, считать, что рентгеноскопия лишена недостатков. При стандартной методике через ткани тела на фотопленку проходит достаточно широкий пучок рентгеновских лучей. Различные ткани по-разному их поглощают. Плотные ткани, например кости, обладают высоким поглощением, и проходящий через них пучок сильно ослабляется. Более мягкие ткани и жидкости поглощают меньше рентгеновского излучения, а воздух — еще меньше.

Рентгенограммы отображают лишь среднее поглощение лучей на пути каждого пучка. По ним трудно определить поглощение конкретных тканей, через которые пучок последовательно проходил. Так, при рентгенографии черепа его кости значительно поглощают лучи и тем самым скрывают изображение мягких тканей мозга. Кроме того, рентгеновская пленка имеет равномерную яркость, потому что суммарное изображение объекта является «наложением» изображений отдельных его участков. Рассмотреть на ней исследуемую внутреннюю структуру невозможно.

Эта проблема долго оставалась неразрешимой и только в 1963 г. американский физик Аллан Маклеод Кормак разработал компьютерный метод рентгеновской томографии, а 6 лет спустя британский инженер-электрик Годфри Хаунсфилд воплотил идею Кормака на практике, создав первый действующий аппарат — рентгеновский (компьютерный) томограф. Работы этих ученых произвели переворот не только в рентгенодиагностике, но и во всей физиологии и медицине. В основе работы рентгеновского томографа лежат хорошо известные математические идеи, однако его реализация стала возможной только после появления достаточно мощных компьютеров.

Аллан Маклеод Кормак (1924—1998) — американский физик, родился в 1924 г. в Йоханнесбурге (ЮАР). После окончания школы он поступил в Кейптаунский университет, где занялся физикой. В дальнейшем Кормак был стажером-исследователем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, исследуя свойства радиоактивного гелия, и посещал лекции П. Дирака по квантовой механике. Написав письмо заведующему кафедрой физики Кейптаунского университета, Кормак получил приглашение на должность преподавателя физики и начал работать в области медицинской физики в госпитале Гроте-Шур.

Наблюдения за лучевым лечением больных со злокачественными опухолями стали первыми шагами к исследованиям, которые легли в основу компьютерной томографии. Кормак понимал, что рост информации, получаемой в результате рентгеновских исследований, должен быть связан с положением, согласно которому рентгеновские лучи всегда проходят через объект в одной и той же плоскости. В результате можно получить двухмерное поперечное сечение. Кормак разработал теоретические основы компьютерной томографии и продолжил совершенствовать их в течение нескольких лет.

В 1979 г. А. Кормак стал лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии». Скончался ученый в 1998 г.

Каждый получаемый рентгеновский снимок с точки зрения математики представляет собой проекцию внутренней структуры объекта на плоскость, соответствующую этому снимку. Тем самым задача сводится к определению некоторого образа по его проекциям. Такими вопросами занимается специальная область математики — интегральная геометрия. Но реально использовать достижения интегральной геометрии оказалось сложно. Применение ее законов и соотношений часто приводит к значительным ошибкам при обработке информации. Для их преодоления был разработан специальный математический аппарат, который носит название метода решения некорректно поставленных задач. Конечно, указанный метод не может полностью исключить все ошибки (искажения томографических изображений), но с его помощью можно преодолеть принципиальные трудности.

В возникающих искажениях можно выделить случайные (флуктуационные) и детерминированные составляющие. Первые определяются квантовой структурой используемого излучения, случайным характером процессов, происходящих при прохождении излучения через объект, наличием фонового излучения, внутренних шумов приемника и т. п. Вторые — связаны с нелинейными характеристиками приемных устройств. Детерминированные искажения могут быть минимизированы путем усовершенствования технических устройств, в то время как флуктуационные искажения не могут быть меньше некоторого уровня, определяемого допустимой дозой облучения. Таким образом, в томографии доминируют флуктуационные искажения, и именно им уделяется основное внимание при совершенствовании томографов.

Практическая реализация томографических методов требует решения ряда задач технического характера. Во-первых, для нее требуется значительное количество снимков, получение которых затруднено допустимыми дозами облучения биологического объекта. Во-вторых, необходима адекватная обработка данных, которая не может быть реализована без соответствующих компьютеров. Первая проблема решается путем усовершенствования технических устройств, а вторая — с помощью создания и развития компьютерных методов обработки информации.

Одним из создателей компьютерной томографии был профессор Кейптаунского университета А. Кормак. Он понимал, что для расчета дозы радиоактивного облучения раковой опухоли необходимо обладать точной информацией о поглощении рентгеновских лучей различными тканями. Но обычные рентгеновские изображения для этого не годились. Даже если с помощью многочисленных рентгеновских измерений мы получим необходимую информацию, то как интерпретировать получаемые данные для воссоздания деталей внутреннего строения? На помощь приходит положение, согласно которому рентгеновские лучи всегда проходят через объект в одной и той же плоскости. В результате у нас имеется изображение двухмерного поперечного сечения. Проведя такие измерения в серии параллельных плоскостей, можно осуществить трехмерную реконструкцию объекта. Рентгеновское изображение из отдельных тонких срезов было названо томограммой (от греч. tomos — «срез»), а методика в целом получила название компьютерной томографии. В 1963—1964 гг. Кормак разработал теоретические основы компьютерной томографии и продолжил совершенствовать их в течение нескольких лет.

Метод Кормака долгое время оставался лишь примитивным способом, годным скорее для изучения модельных ситуаций, нежели реальных биологических тканей. К тому же он был весьма трудоемким и требовал значительных временных затрат, так как быстродействующих компьютеров, способных обрабатывать получаемую информацию, еще не было. Поэтому идея Кормака реализовалась лишь в 1969 г. благодаря Г. Хаунсфилду. Исследования, которые он проводил, натолкнули его на мысль о создании компьютера, способного определять степень поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями.

Годфри Ньюболд Хаунсфилд (1919—2004) — британский инженер-электрик, родился в 1919 г. в Ньюарке (графство Ноттингемшир). В нем рано проявилась склонность к инженерному делу, а в школе Ньюарка Годфри заинтересовался физикой и математикой. Во время Второй мировой войны он служил инструктором по радарной технике в военно-воздушной радиолокационной школе. После войны Хаунсфилд поступил в электротехнический инженерный колледж Фарадея в Лондоне. Успешно закончив его, он принял предложение на должность в компании EMI. Именно там группе специалистов, в которую он входил, удалось создать первую в Англии стационарную транзисторную ЭВМ. Исследования, проведенные Хауснфилдом, натолкнули его на мысль о создании компьютера, способного определять степень поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями.

Именем ученого названа шкала измерения плотности среды для рентгеновских лучей, используемая в томографии, — шкала Хаунсфилда. В 1979 г. Г. Хаундсфилд получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии». Скончался ученый в 2004 г.

В 1967 г. Хаунсфилд независимо от Кормака начал работать над компьютерной томографией. Он, как и Кормак сначала использовал гамма-лучи, и его схема поначалу мало чем отличалась от применявшейся Кормаком. Однако вскоре Хаунсфилдом была создана новая математическая модель, предполагающая использование мощного компьютера для обработки данных. Именно Хаунсфилд смог внедрить томографию в практику.

В начале исследований время, требуемое для сканирования объекта, составляло 9 дней. Это было связано с тем, что гаммалучи обладали низкой интенсивностью. Мощная рентгеновская трубка сводила время сканирования до 9 ч. В результате были получены удачные изображения головного мозга человека, головного мозга теленка и области почек свиньи. Важно было то, что эти снимки обладали высокой контрастностью и на них отчетливо были видны ткани головного мозга и других органов. Тем не менее возникли новые вопросы: как отличить здоровые ткани от пораженных, как выявить опухоли? Для разрешения этих вопросов в 1971 г. был сконструирован первый клинический компьютерный томограф (КТ). Он состоял из четырех основных частей: генератора рентгеновского излучения, сканирующего элемента (рентгеновская трубка и детектор), компьютера, рассчитывающего степень ослабления рентгеновского излучения при его поглощении тканями, и осциллографа с принтером, предназначенного для печати получаемых картин рентгеновского поглощения. При исследовании пациент остается неподвижным, а источник излучения и сканирующий элемент вращаются вокруг него, делая при этом многочисленные измерения поглощения рентгеновского излучения. После окончания измерений строится двухмерное изображение сечения. Для получения трехмерного изображения пациент смещается вдоль оси вращения. Это позволяет сделать последовательные сечения, из которых впоследствии строится трехмерное изображение. В 1972 г. была сделана первая томограмма головного мозга женщины, в которой была отчетливо выявлена киста. Затем были сделаны более быстрые компьютерные томографы, позволившие довести время сканирования до 3 с. Они давали более четкие изображения с высокой разрешающей способностью.

В 1979 г. Хаунсфилду и Кормаку была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии». В своих Нобелевских лекциях они оба подчеркивали важность знания коэффициента поглощения в тканях, чтобы можно было выявить мягкие ткани, а также необходимость создания соответствующих приборов для обнаружения пораженных участков тела.

Современная томография для получения информации использует излучение различной физической природы. Это могут быть ультразвук, радиои оптические сигналы, рентгеновские и гамма-лучи. Для каждого вида излучения характерны свои особенности, однако получаемая информация (проекционные данные) могут быть описаны одними и теми же математическими зависимостями. Томографический метод в совокупности с мощным математическим аппаратом и современными средствами обработки информации позволяют считать томографию целым направлением в области обработки информации.

И все-таки для обыкновенного человека томография — ультрасовременный способ диагностики различных болезней: от онкологии до стоматологии. К настоящему времени в мире действует более 50 000 компьютерных томографов, с их помощью ежегодно проводится около 80 млн обследований. Больше всего впечатляет тот факт, что широкое использование компьютерной томографии привело к прорыву в ранней диагностике онкологических заболеваний, что позволяет излечивать рак в 80—85% случаев. Можно сказать, что благодаря компьютерным томографам диагноз «онкологическое заболевание» превратился из смертного приговора в констатацию наличия тяжелой, но вполне излечимой болезни. Дальнейший прогресс в этом направлении связан с постоянным совершенствованием томографов и методов получения и обработки изображений. В настоящее время все ведущие производители компьютерных томографов перешли к выпуску аппаратов шестого поколения, которые позволяют получать до 16 срезов за один оборот. Это позволяет достигать скорости сканирования до нескольких десятков срезов в секунду. При этом главным направлением совершенствования является минимализация дозы используемого излучения, которая в компьютерных томографах остается еще достаточно большой. Поэтому в первую очередь создатели новых томографов совершенствуют технические характеристики устройств, увеличивая чувствительность приемников. В то же время достижения физики дают возможность принципиально иного решения этой задачи.

Наряду с рентгеновской томографией наука предлагает другой метод получения изображений различных органов человеческого тела. Этот метод, называемый ЯМР-интроскопией, не использует ионизирующих излучений, что обусловливает его безвредность. ЯМР — аббревиатура названия физического эффекта — ядерного магнитного резонанса, открытого американским физиком Исидором Айзеком Раби (1898— 1988) в 1938 г. в молекулярных пучках. Экспериментальные основы ЯМР-спектроскопии заложили Феликс Блох (1905— 1983) и Эдвард Миллс Перселл (1912—1997) в 1946 г., наблюдавшие независимо друг от друга это явление в твердых телах и жидкостях. ЯМР — один из наиболее глубоких физических эффектов. Неспроста И. Раби в 1944 г., а Ф. Блох и Э. Перселл — в 1952 г. стали лауреатами Нобелевских премий за его изучение. Дальнейшие исследования ЯМР показали, что, наряду с фундаментальной важностью, этот эффект имеет и большую прикладную ценность.

Явление ЯМР состоит в резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Известно, что частота v электромагнитного поля, вызывающего переходы между соседними уровнями, определяется формулой:

где Н₀ — напряженность однородного магнитного поля; I—спиновое квантовое число; р — магнитный момент, равный где у — гиромагнитное отношение.

С учетом этого частота оказывается пропорциональной приложенному полю. Если в качестве примера взять значение у для протона, то резонансная частота оказывается равной 42,577 МГц. Излучение такой частоты можно получить обычными радиотехническими методами. Зная частоту радиосигналов, соответствующую резонансу, когда ориентация спинов меняется на противоположную, для конкретного ядра, находящегося в магнитном поле заданной напряженности, можно определить магнитный момент этого ядра с высокой точностью.

Изменяя величину магнитного поля или частоты, можно получить ЯМР-спектры высокого разрешения для многих веществ. Эти спектры обычно состоят из узких, хорошо разрешенных линий, соответствующих магнитным ядрам в различном химическом окружении. Интенсивности (площади) линий при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер, что дает возможность проводить по ним количественный анализ без предварительной калибровки.

Приемы и методы вычислений, применявшиеся в компьютерной томографии в 1970;х гг., были объединены с методикой наблюдений ЯМР. В результате появились сканирующие ЯМРустройства, позволявшие наблюдать специфические химические реакции внутри человеческого тела. Оказалось, что эти устройства имеют огромное значение для научных исследований и представляют собой мощный инструмент медицинской диагностики.

ЯМР-интроскопия так же, как рентгеновская томография, относится к лучевой диагностике. Эти методики весьма близки: обе они используют одни и те же принципы автоматического, управляемого компьютером сканирования, обработки и получения послойного изображения. Их отличие заключается в том, что в ЯМР-интроскопии используется излучение, относящееся к радиоволновому диапазону с частотами 1—300 МГц.

Какими еще преимуществами обладает этот вид медицинской диагностики? Совершенно ясно, что главное — это замена рентгеновских лучей радиоволнами, что обеспечивает снятие лучевой нагрузки с пациента и врача. Еще одно преимущество — чувствительность метода к отдельным изотопам, особенно к водороду, который содержат все мягкие ткани человеческого организма. При этом фон от костных тканей не мешает исследованию, так как содержание водорода там ниже, чем в окружающих тканях. Кроме того, следует отметить высокую разрешающую способность метода ЯМР, с помощью которого можно различать объекты размером в доли миллиметра. ЯМРтомография позволяет получать изображения не только поперечных, но и продольных срезов.

В настоящее время магнитно-резонансная томография (МРТ) — один из ведущих методов неинвазивной диагностики. Традиционно она получила широкое распространение в неврологии и онкологии. Но с развитием МРТ открылись совершенно новые области ее использования: травматология и ортопедия, кардиология, хирургия, сосудистая хирургия, медицинская спектроскопия и т. д. Применение безвредных контрастирующих веществ дополнительно повышает информативность и надежность МРТ.

Конечно, в любом методе есть и свои недостатки. Применительно к ЯМР-интроскопии основным из них является необходимость создания большой напряженности магнитного поля, что ведет к значительным энергозатратам.

Выше уже говорилось о Нобелевских премиях, присужденных изобретателям томографии и ученым, открывшим ЯМР. Магнитно-резонансная томография также была высоко оценена Нобелевским комитетом. Нобелевская премия по химии за 1991 г. была присуждена швейцарским ученым Рихарду Роберту Эрнсту (р. 1933) «за вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения», Нобелевская премия по химии за 2002 г. — Круту Вютриху (р. 1938) «за разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе». Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2003 г. был удостоен Пол Кристиан Лотербур (1929— 1997) и Питер Мэнсфилд (р. 1933) «за изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

Методы и устройства, в основе которых лежат достижения физики, предназначенные для диагностики и лечения заболеваний, стали сегодня обязательны даже для медицинских учреждений не слишком высокого уровня. Выше мы описали только томографию — наиболее популярный из этих методов. Но все мы пользуемся и многими другими «физическими» медицинскими методами. Широко известна УЗИ — ультразвуковая диагностика, ряд криогенных методик, постепенно внедряется в медицину магнитокардиография.

Анализ показывает, что достижения физической науки все более широко внедряются в медицинскую практику, приводя к значительным успехам в диагностике и лечении болезней. Можно предположить, что этот процесс в XXI в. будет только усиливаться.