Как связаны между собой The Beatles и КТ: история компьютерной томографии

Компьютерная томография возникла благодаря достижениям в рентгеновской визуализации и вычислительной технике. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году и вскоре стали важным медицинским инструментом.

Начало томографии можно отнести к 1917 году, когда австрийский математик Иоганн Радон математически доказал, что трехмерный объект может быть восстановлен из бесконечного множества его проекций. В то время это было абстрактное математическое утверждение, которое нашло практическое применение только спустя 60 лет.

В 1920-х годах началось развитие томографии фокальной плоскости, которая позволяет визуализировать срезы тела. Французский врач Андре Бокаж, итальянский рентгенолог Алессандро Валлебона и голландский рентгенолог Бернар Зидес де Плант независимо друг от друга работали над этой технологией.

В 1956 году Рональд Н. Брейсвелл использовал похожий на преобразование Радона метод для восстановления карты солнечной радиации. В 1959 году Уильям Олдендорф, невролог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, предложил идею сканирования головы с помощью рентгеновских лучей и возможности реконструкции картин рентгеноплотности плоскости, проходящей через голову. Наблюдая за автоматическим аппаратом для отбраковки обмороженных фруктов, он заметил, что рентгеновские снимки ногтей, окружённых другими ногтями, невозможно сделать под одним углом.

В 1961 году Олдендорф создал прототип с вращающимся источником рентгеновского излучения и детектором, который позволял получать рентгеновские снимки ногтей. В своей статье 1961 года он описал основную концепцию, которую Аллан Маклеод Кормак использовал для разработки математики, лежащей в основе компьютерной томографии.

В октябре 1963 года Олдендорф получил американский патент на «устройство с лучистой энергией для исследования отдельных областей внутренних объектов, скрытых плотным материалом», за который он разделил премию Ласкера с Хаунсфилдом в 1975 году.

Несмотря на важные достижения экспериментов Бокажа, Валлебоны, Ольдендорфа и других исследователей, ни один из них не добился значительного успеха в своем деле. Ольдендорф выразил свою твёрдую убеждённость в создании системы, способной получить поперечное отображение неоднородности радиоплотности внутри объектов неправильной формы, таких как голова. Для того чтобы эти разработки могли быть реализованы на практике, ученым пришлось дождаться необходимых изменений в электронике.

В 1968 году Нирвана Макфадден и Майкл Сарасват разработали рекомендации по диагностике распространённых патологий брюшной полости, таких как острый аппендицит, непроходимость тонкой кишки, синдром Огилви, острый панкреатит, инвагинация кишечника и атрезия кожи яблока.

Большая часть работ Хаунсфилда, удостоенных впоследствии Нобелевской премии, основывалась на разработках Ольдендорфа и работах Аллана Кормака. Вместе с Кормаком в 1979 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии».

Физик Аллан Кормак специализировался в области физики элементарных частиц, однако его интерес к рентгеновской технологии привёл к разработке теоретических основ компьютерной томографии. В 1956 году Кормак стал медицинским физиком-резидентом в радиологическом отделении кейптаунской больницы Groote Schuur.

Кормак заметил, что методы дозиметрии были несовершенными по сравнению с методами физических наук. Изучая этот вопрос, он осознал, что проблема является математической. Его решение позволило бы устранить ограничения в радиографии, связанные с наложением изображений интересующей области на изображения тканей выше и ниже интересующих структур.

Впервые Кормак предложил метод улучшения томографической визуализации в статье «Representation of a Function by its Line Integrals, with Some Radiological Applications», опубликованной в 1963 году в журнале «Journal of Applied Physics». Из-за ограничений вычислительной мощности компьютеров того времени статьи Кормака не вызвали большого интереса. Его теории нашли практическое применение только в 1971 году благодаря Годфри Хаунсфилду.

В лекции, которую Кормак прочитал на Нобелевском банкете в 1979 году, он заявил: «Мне пришла в голову идея, что для улучшения планирования лечения необходимо знать распределение коэффициента ослабления в тканях организма и что это распределение должно быть определено с помощью внешних измерений относительно организма. Вскоре я понял, что эта информация может быть полезна для диагностики и представлять собой томограмму или серию томограмм, хотя слово "томограмма" я узнал только через много лет».

В то время экспоненциальное ослабление рентгеновского и гамма-излучения было известно и использовалось более 60 лет на параллельных однородных слоях материала. Кормак предполагал, что за эти годы было сделано обобщение на неоднородные материалы, но поиск в соответствующей литературе не дал результатов, и ему пришлось начать с самого начала. Стало ясно, что проблема имеет математический характер... Однако, несмотря на то, что казалось, будто эта проблема уже была решена в XIX веке, поиск литературы и консультации с математиками не дали результатов. Только через 14 лет Кормак узнал, что Радон решил эту задачу в 1917 году.

Ранняя жизнь Годфри Хаунсфилда была не особо примечательной — он был средним учеником, а одноклассники дразнили его. После школы молодой человек поступил на службу в Британские королевские военно-воздушные силы — это пришлось на начало Второй мировой войны. Хаунсфилд не был хорошим солдатом, но он был волшебником в области электротехники — во время войны он изобрел радар, который собирался установить, чтобы помочь пилотам лучше находить дорогу домой в темное время суток и при плохих погодных условиях.

После войны Хаунсфилд последовал совету своего командира и получил степень инженера. Молодой изобретатель пошел работать в EMI: в те времена компания занималась не только музыкой, но и электроникой. О ней все узнали чуть позже, когда она начала продавать альбомы The Beatles. Природные таланты Хаунсфилда позволили ему возглавить команду, создающую самый современный мэйнфрейм, доступный в Великобритании.

По завершении проекта Хаунсфилд перешел в Центральную исследовательскую лабораторию EMI (CRL), известную своими инновациями в области стереозаписи, телевидения, радиолокации и коммуникаций. Там, изучая распознавание образов, он сформулировал основную концепцию компьютерной аксиальной томографии.

Для решения проблемы распознавания образов Хаунсфилд задался вопросом: возможно ли определить содержимое неизвестного объекта, снимая показания через него? Однако к 1960-м годам EMI решила покинуть конкурентный рынок компьютеров и не могла определиться, что делать с талантливым и необычным инженером.

Находясь в вынужденном отпуске, чтобы обдумать свое будущее и то, что он может сделать для компании, Хаунсфилд встретил врача, который жаловался на низкое качество рентгеновских снимков головного мозга. Они показывают удивительные детали костей, но серое вещество представляет собой аморфный сгусток ткани — на рентгеновском снимке его невозможно было разглядеть. Это заставило Хаунсфилда задуматься о своей старой идее поиска структур, недоступных для человеческого глаза.

Хаунсфилд сформулировал новый подход к проблеме визуализации того, что находится внутри черепа. Сначала он разделил мозг на воображаемые слои. Затем планировал провести серию рентгеновских лучей через все эти слои, повторяя это для каждого градуса полукруга. Один луч при этом будет пойман детекторами на противоположной стороне.

Интересно отметить, что Хаунсфилд признал устройство Ольдендорфа, запатентованное в США в октябре 1963 года, как единственную другую попытку томографической реконструкции. Годфри задался вопросом, сможет ли система теоретически распознать текст в закрытой книге, освещая каждую страницу под разными углами и измеряя выходящий сигнал. Хаунсфилд предположил, что при достаточном количестве информации можно определить, что написано на странице.

Его идея заключалась в создании машины, способной генерировать трехмерные изображения мозга. Устройство должно было проецировать узкие пучки рентгеновских лучей через голову человека, а компьютер — использовать полученные данные для создания серии поперечных сечений, которые вместе представляли бы мозг в 3D-формате.

Совместно с коллегой Стивеном Бейтсом из CRL он усовершенствовал свою концепцию, используя простейшую арифметику, доступную на тот момент. Его идеи были во многом схожи с идеями Аллана Кормака, но Хаунсфилд смог разработать более совершенную математическую модель, хотя и не был знаком с предыдущими математическими подходами в этой области.

Компания EMI отнеслась к его идее без особого энтузиазма, так как не имела медицинского профиля, и руководство не видело смысла инвестировать в проект. Поэтому изначально финансирование исследований Хаунсфилда было затруднено. С ноября 1967 года по июль 1968 года Годфри работал без финансирования, и именно тогда окончательно смог разработать план по созданию трехмерного рентгеновского снимка.

В начале 1968 года изобретатель подал заявку в Министерство здравоохранения и социального обеспечения Великобритании на финансирование в размере 10 тысяч фунтов стерлингов. Заявка была отклонена, но он получил советы по ее улучшению и через полгода подал новую. Целью обращения было исследование возможностей компьютера для более практичного использования данных, полученных при исследовании объекта с помощью гамма- или рентгеновских лучей.

На начальном этапе работы многие радиологи сулили неудачу изобретению: мол на прибор не будет спроса. Концепция устройства отличалась от современных подходов в радиологии. Правительство Великобритании поддержало предложение, но не смогло предоставить достаточное финансирование.

Существует легенда, что финансирование работы Хаунсфилда осуществлялось за счет доходов EMI от продажи пластинок The Beatles. Однако внутренняя документация компании опровергает это утверждение. Компания предоставила лишь небольшую часть средств, основная сумма поступила от Министерства здравоохранения. Стоимость первого прототипа составила всего 69 000 фунтов стерлингов, что было скромным показателем для такого проекта.

Получив начальный капитал, Хаунсфилд приступил к созданию компьютерного устройства, способного обрабатывать большое количество рентгеновских лучей для получения двумерных изображений мягких тканей живых организмов.

При производстве первого сканера использовались детали от токарного станка. Запись производилась на датчики вместо рентгеновской пленки, что позволило сделать несколько снимков от вращающегося источника света и получить серию «срезов», демонстрирующих разную плотность тканей. Затем, сделав серию фотографий с небольшими промежутками времени, можно было получить трехмерное изображение.

Вскоре Хаунсфилд начал экспериментировать на голове коровы, которую его коллега приобрел на кошерной бойне в восточном Лондоне. Дело в том, что при традиционном забое животных оглушали электричеством, что приводило к заполнению мозга кровью и мешало рентгенологам изучать его структуру.

Хаунсфилд с улыбкой рассказывал о том, как ехал на автобусе через весь Лондон с сумкой, полной свежего мозга теленка, чтобы изучить регистрацию и обработку сигналов от живых тканей в лаборатории. После проведения экспериментов на мозге коров и свиней Хаунсфилд сам стал испытуемым и отсканировал свой мозг. Затем наступило время использования сканера на реальном пациенте в настоящей больнице.

Хаунсфилд активно посещал медицинские учреждения и искал специалистов, готовых протестировать сканер. Большинство медиков скептически относились к новому методу. Однако ему удалось найти опытного рентгенолога Джеймса Амброуза, который также стремился найти альтернативу болезненным способам исследования мозга, применявшимся в то время.

Исследователи установили полномасштабный сканер в лондонской больнице Аткинсона Морли, и 1 октября 1971 года под руководством Амброуза было проведено первое сканирование мозга реального пациента. Это была женщина среднего возраста с подозрением на кисту головного мозга неизвестной локализации.

Изначально первая модель томографа не была оснащена компьютером для обработки изображений. Процесс обработки данных занимал много времени: полчаса ушло на само сканирование, затем Хаунсфилд отвез магнитные ленты с данными в офис компании EMI, где обработка заняла еще 2,5 часа. После этого изображения были получены с помощью фотоаппарата Polaroid и возвращены в больницу.

Амброуз вспоминал, что сканирование позволило четко определить местоположение кисты. Когда снимки были готовы, они с Хаунсфилдом почувствовали себя как игроки, забившие победный гол.

Первая презентация предварительных клинических данных состоялась на конференции Британского института радиологии 20 апреля 1972 года, к этому моменту было обследовано около 70 пациентов. Опубликованные результаты произвели фурор в области медицинской рентгеновской техники со времён открытия рентгеновских лучей. Компьютерная томография быстро стала новым стандартом в развитии медицинской рентгеновской техники.

В декабре 1972 года состоялась встреча Радиологического общества Северной Америки (RSNA). Там Хаунсфилд и Амброуз представили доклад «Компьютерная аксиальная томография». Доклад вызвал большой резонанс, а выставка, проходившая на RSNA, оказалась успешной как для компании EMI, так и для компьютерной томографии. EMI получила множество заказов на сканер EMI.

Компания EMI начала производить компьютерные томографы и успешно продавала их больницам. В 1973 году за пределами больницы Аткинсон-Морли было установлено пять сканеров: три в Великобритании и два в США. Система EMI Mark-I клиники Майо, запущенная в начале 1973 года, получила первое изображение пациента за пределами Великобритании 18 июня 1973 года.

Первые 10 сканеров EMI были частично собраны вручную в процессе расширения производства. Когда стали очевидны клинические возможности КТ-сканеров, спрос на них возрос. В 1975 году EMI представила головной сканер CT1010, в котором благодаря новой конструкции время сканирования сократилось в шесть раз. Эта конструкция стала известна как сканер второго поколения.

После успешного запуска продукта подразделение компьютерных томографов EMI столкнулось с новыми проблемами. Быстро развивающаяся отрасль привлекла множество новых участников. Доля рынка EMI уменьшалась по мере появления всё большего количества конкурентов в 1973–1977 годах. Несмотря на то, что EMI имела преимущество первопроходца, компания не смогла занять прочные позиции на этом рынке.

В 1974 году компании Siemens и Hitachi представили сканеры первого поколения с трансляцией и поворотом головы. Компания Ohio Nuclear, успешно поставлявшая системы для рынка визуализации в ядерной медицине, быстро разработала сканер для всего тела DeltaScan 50 и менее дорогую модель Delta 25: двухсрезовый сканер, предназначенный только для головы, как и система EMI.

На рынке появились новые участники, которые имели ограниченные знания в области диагностической визуализации. Калифорнийская фармацевтическая компания Syntex разработала сканер для исследования головы. CGR, крупная французская компания, специализирующаяся на производстве медицинских изображений, представила свою раннюю систему, также предназначенную для сканирования головы. Однако обе системы не добились значительных успехов на рынке.

К середине 1970-х годов появились сканеры третьего поколения. Среди компаний, выпускавших их, были GE, Siemens, Varian, Searle, CGR, Artronix, Elscint, Philips, Toshiba, Hitachi и Shimadzu.

EMI пыталась конкурировать со всеми основными и потенциальными поколениями КТ-систем, представленных её конкурентами. При этом компания распыляла ресурсы и создавала путаницу в своей деятельности в США и Великобритании. Это привело к увеличению интервала между сроками выполнения заказа и поставки, что негативно сказалось на репутации компании и усилило напряжённость между подразделениями.

К концу 1970-х годов компания EMI прекратила производство сканеров, так как не смогла конкурировать с другими производителями. Однако она навсегда вписала себя в историю развития медицинского оборудования. В конце концов EMI покинула медицинский рынок и... стала продавать альбомы The Beatles.

В 2008 году компания Siemens представила сканер нового поколения, способный делать снимки менее чем за одну секунду, обеспечивая чёткие изображения бьющегося сердца и коронарных артерий. Благодаря использованию непрерывного вращения портала и спиральной техники, позволяющей быстро охватить интересующие области, компьютерная томография может получать данные за считаные секунды. Это сокращает воздействие рентгеновских лучей на пациента. Компании Siemens и Toshiba являются лидерами в этой технологии.

В 2021 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило сканер Siemens для подсчёта фотонов. Этот метод позволяет сканеру учитывать отдельные рентгеновские фотоны, различая их энергию, что повышает детализацию изображения и снижает потребность в рентгеновском излучении.

Компьютерная томография широко применяется в медицине для создания изображений различных органов и тканей:

КТ часто является предпочтительным методом диагностики злокачественных опухолей, например рака печени, легких и поджелудочной железы. С помощью визуализации врач может определить наличие опухоли, ее размеры, местоположение и степень поражения окружающих тканей.

КТ головы предоставляет важную информацию о головном мозге, например фиксирует кровотечения, расширение артерий или опухоли. КТ может обнаружить опухоли в брюшной полости и увеличение размеров или воспаления близлежащих внутренних органов. Также КТ способна «видеть» травмы селезенки, почек и печени.

Так как компьютерная томография обнаруживает патологические изменения в тканях, она полезна для планирования лучевой терапии и биопсии и может предоставить информацию о состоянии сосудов и кровотоке. Этот метод помогает оценить состояние костей, плотность костной ткани и состояние позвоночника пациента. Кроме того, КТ может предоставить важную информацию о травмах кистей, стоп и других костных структур. На КТ хорошо видны даже небольшие кости и окружающие их ткани.

Во время компьютерной томографии пациент получает безопасную дозу облучения. Однако существуют потенциальные риски и опасения, связанные с этим исследованием: