ФІЗИКА І МЕДИЦИНА

Почнемо з опису історії взаємин фізики і медицини. «Медичні зв'язку» фізики існували досить давно. Не дарма ж цілий ряд видатних фізиків (наприклад, Н. Коперник, Г. Галілей, Ф. Савар, Р. Майер і ін.) Мали медичну освіту, а деякі з них, зокрема Г. Гельмгольц, був гарячим прихильником ідеї перетворення фізіології як науки шляхом введення в неї методів фізики і хімії. Однак по-справжньому фізика і медицина почали спільний розвиток після відкриття В. К. Рентгеном променів, названих його ім'ям. Як воно було зроблено?

Увечері 8 листопада 1895 р вчений працював із закритою з усіх боків чорним папером катодного трубкою, що представляла собою скляний вакуумний прилад, де відбувається електричний розряд. Ось Рентген в черговий раз включив струм, який призвів до виникнення розряду. Що лежали неподалік кристали платиноціаністого барію стали флуоресцировать. Рентген вимкнув струм - кристали перестали світитися. Він знову подав напругу на прилад, і знову в кристалах, нічим не пов'язаних з трубкою, виникло світіння. Рентген зрозумів, що зіткнувся з ще не вивченим явищем. У цю ніч він так і не пішов з лабораторії.

В результаті подальших досліджень учений дійшов висновку, що з катодного трубки виходить невідоме випромінювання, яке він назвав Х-променями. Експерименти показали, що випромінювання виникає в місці зіткнення катодних променів з металевою перепоною всередині приладу. Рентген удосконалив трубку, ввівши в анод плоску частину (електрод). При зіткненні електронів з ним і виникає випромінювання, яке виходить за межі трубки (рис. 25.1). Для нас важливо, що Х-промені легко проникають через тканини організму людини. Вченим були зроблені перші знімки в рентгенівських променях. Першою рентгенограммой став знімок руки пані Рентген, на одній з фаланг якої видно чорна пляма обручки. Про відкриття Х-променів 28 грудня 1895 їм було повідомлено світовій науковій спільноті.

Схема установки Рентгена

Мал. 25.1. Схема установки Рентгена

Ідея про застосування рентгенівських променів в медицині була зустрінута зі схваленням, і вже 20 січня 1896 в Дартмуті (шт. Нью-Гемпшир, США) лікарі спостерігали за допомогою рентгенівських променів перелом руки пацієнта. Лабораторії університетів на той час вже мали катодно-променевими трубками, була оперативно створена рентгенівська апаратура, пристосована для медичних цілей. Тим самим було покладено початок рентгенології. Зародилися нові напрями в медицині, в першу чергу рентгенодіагностика, методи якої розробив сам Рентген: «Якщо тримати між розрядною трубкою і екраном руку, то видно темні тіні кісток у слабких обрисах тіні самої руки».

Поступово стали зароджуватися нові галузі діагностики: рентгеноостеологія, рентгенокардіологія, рентгенопульма- монолог, рентгеногепатологія і т.д. Даний перелік далеко не повний. В даний час з розвитком цифрових технологій рентгенодіагностика переживає друге народження. Так, наприклад, вдалося в десятки разів знизити дозу опромінення і в стільки ж разів підвищити якість одержуваного зображення.

Не можна, однак, вважати, що рентгеноскопія позбавлена недоліків. При стандартною методикою через тканини тіла на фотоплівку проходить досить широкий пучок рентгенівських променів. Різні тканини по-різному їх поглинають. Щільні тканини, наприклад кістки, володіють високим поглинанням, і про- ходить через них пучок сильно послаблюється. Більш м'які тканини і рідини поглинають менше рентгенівського випромінювання, а повітря - ще менше.

Рентгенограми відображають лише середнє поглинання променів на шляху кожного пучка. За ним важко визначити поглинання конкретних тканин, через які пучок послідовно проходив. Так, при рентгенографії черепа його кістки значно поглинають промені і тим самим приховують зображення м'яких тканин мозку. Крім того, рентгенівська плівка має рівномірну яскравість, тому що сумарне зображення об'єкта є «накладенням» зображень окремих його ділянок. Розглянути на ній досліджувану внутрішню структуру неможливо.

Ця проблема довго залишалася невирішеною і тільки в 1963 р американський фізик Аллан Маклеод Кормак розробив комп'ютерний метод рентгенівської томографії, а 6 років тому британський інженер-електрик Годфрі Хаунсфілд втілив ідею Кормака на практиці, створивши перший діючий апарат - рентгенівський ( комп'ютерний ) томограф. Роботи цих учених зробили переворот не тільки в рентгенодіагностиці, а й у всій фізіології і медицині. В основі роботи рентгенівського томографа лежать добре відомі математичні ідеї, проте його реалізація стала можливою тільки після появи досить потужних комп'ютерів.

Аллан Маклеод Кормак (1924-1998) - американський фізик, народився в 1924 р в Йоганнесбурзі (ПАР). Після закінчення школи він вступив до Кейптаунский університет, де зайнявся фізикою. Надалі Кормак був стажистом-дослідником в Кавендішської лабораторії Кембриджського університету, досліджуючи властивості радіоактивного гелію, і відвідував лекції П. Дірака з квантової механіки. Написавши лист завідувачу кафедри фізики Кейптаунського університету, Кормак отримав запрошення на посаду викладача фізики та почав працювати в області медичної фізики в госпіталі Гроті-Шур.

Спостереження за променевим лікуванням хворих із злоякісними пухлинами стали першими кроками до досліджень, які лягли в основу комп'ютерної томографії. Кормак розумів, що зростання інформації, одержуваної в результаті рентгенівських досліджень, повинен бути пов'язаний з положенням, згідно з яким рентгенівські промені завжди проходять через об'єкт в одній і тій же площині. В результаті можна отримати двомірне поперечний переріз. Кормак розробив теоретичні основи комп'ютерної томографії та продовжив удосконалювати їх протягом декількох років.

У 1979 р А. Кормак став лауреатом Нобелівської премії з фізіології і медицини «за розробку комп'ютерної томографії». Помер вчений в 1998 р

Кожен одержуваний рентгенівський знімок з точки зору математики є проекцією внутрішньої структури об'єкта на площину, яка відповідає цьому знімку. Тим самим завдання зводиться до визначення деякого образу на його проекція. Такими питаннями займається спеціальна область математики - інтегральна геометрія. Але реально використовувати досягнення інтегральної геометрії виявилося складно. Застосування її законів і співвідношень часто призводить до значних помилок при обробці інформації. Для їх подолання був розроблений спеціальний математичний апарат, який носить назву методу рішення некоректно поставлених задач. Звичайно, вказаний метод не може повністю виключити всі помилки (спотворення томографічних зображень), але з його допомогою можна подолати принципові труднощі.

В виникають викривлення можна виділити випадкові (флуктуаційні) і детерміновані складові. Перші визначаються квантової структурою використовуваного випромінювання, випадковим характером процесів, що відбуваються при проходженні випромінювання через об'єкт, наявністю фонового випромінювання, внутрішніх шумів приймача і т.п. Другі - пов'язані з нелінійними характеристиками приймальних пристроїв. Детерміновані спотворення можуть бути мінімізовані шляхом удосконалення технічних пристроїв, в той час як флуктуаційні спотворення не можуть бути менше деякого рівня, що визначається допустимою дозою опромінення. Таким чином, в томографії домінують флуктуаційні спотворення, і саме їм приділяється основна увага при вдосконаленні томографів.

Практична реалізація томографічних методів потребує вирішення низки завдань технічного характеру. По-перше, для неї потрібна значна кількість знімків, отримання яких утруднено допустимими дозами опромінення біологічного об'єкта. По-друге, необхідна адекватна обробка даних, яка не може бути реалізована без відповідних комп'ютерів. Перша проблема вирішується шляхом удосконалення технічних пристроїв, а друга - за допомогою створення і розвитку комп'ютерних методів обробки інформації.

Одним із творців комп'ютерної томографії був професор Кейптаунського університету А. Кормак. Він розумів, що для розрахунку дози радіоактивного опромінення ракової пухлини необхідно володіти точною інформацією про поглинання рентгенівських променів різними тканинами. Але звичайні рентгенівські зображення для цього не годилися. Навіть якщо за допомогою численних рентгенівських вимірів ми отримаємо необхідну інформацію, то як інтерпретувати отримані дані для відтворення деталей внутрішньої будови? На допомогу приходить положення, згідно з яким рентгенівські промені завжди проходять через об'єкт в одній і тій же площині. В результаті у нас є зображення двовимірного поперечного перерізу. Провівши такі вимірювання в серії паралельних площин, можна здійснити тривимірну реконструкцію об'єкта. Рентгенівське зображення з окремих тонких зрізів було названо томограмою (від грец. Tomos - «зріз»), а методика в цілому отримала назву комп'ютерної томографії. У 1963-1964 рр. Кормак розробив теоретичні основи комп'ютерної томографії та продовжив удосконалювати їх протягом декількох років.

Метод Кормака довгий час залишався лише примітивним способом, придатним скоріше для вивчення модельних ситуацій, ніж реальних біологічних тканин. До того ж він був досить трудомістким і вимагав значних витрат часу, так як швидкодіючих комп'ютерів, здатних обробляти одержувану інформацію, ще не було. Тому ідея Кормака реалізувалася лише в 1969 р завдяки Г. Хаунсфілда. Дослідження, які він проводив, наштовхнули його на думку про створення комп'ютера, здатного визначати ступінь поглинання рентгенівських променів біологічними тканинами.

Годфрі Ньюболд Хаунсфілд (1919-2004) - британський інженер-електрик, народився в 1919 р в Ньюарку (графство Ноттінгемшир). У ньому рано виявилася схильність до інженерної справи, а в школі Ньюарка Годфрі зацікавився фізикою та математикою. Під час Другої світової війни він служив інструктором по радарної техніки в військово-повітряної радіолокаційної школі. Після війни Хаунсфілд надійшов в електротехнічний інженерний коледж Фарадея в Лондоні. Успішно закінчивши його, він прийняв пропозицію на посаду в компанії EMI. Саме там групі фахівців, до якої він входив, вдалося створити першу в Англії стаціонарну транзисторную ЕОМ. Дослідження, проведені Хауснфілдом, наштовхнули його на думку про створення комп'ютера, здатного визначати ступінь поглинання рентгенівських променів біологічними тканинами.

Іменем вченого названа шкала вимірювання щільності середовища для рентгенівських променів, яка використовується в томографії, - шкала Хаунсфілда. У 1979 р Г. Хаундсфілд отримав Нобелівську премію з фізіології і медицини «за розробку комп'ютерної томографії». Помер вчений у 2004 р

У 1967 р Хаунсфілд незалежно від Кормака почав працювати над комп'ютерною томографією. Він, як і Кормак спочатку використовував гамма-промені, і його схема спочатку мало чим відрізнялася від застосовувалася Кормаком. Однак незабаром Хаунсфілда була створена нова математична модель, що передбачає використання потужного комп'ютера для обробки даних. Саме Хаунсфілд зміг впровадити томографію в практику.

На початку досліджень час, необхідний для сканування об'єкта, становило 9 днів. Це було пов'язано з тим, що гамма-промені мали низькою інтенсивністю. Потужна рентгенівська трубка зводила час сканування до 9 год. В результаті були отримані вдалі зображення головного мозку людини, головного мозку теляти і області нирок свині. Важливо було те, що ці знімки володіли високою контрастністю і на них чітко було видно тканини головного мозку та інших органів. Проте виникли нові питання: як відрізнити здорові тканини від уражених, як виявити пухлини? Для вирішення цих питань в 1971 р був сконструйований перший клінічний комп'ютерний томограф (КТ). Він складався з чотирьох основних частин: генератора рентгенівського випромінювання, скануючого елемента (рентгенівська трубка і детектор), комп'ютера, який розраховує ступінь ослаблення рентгенівського випромінювання при його поглинанні тканинами, і осцилографа з принтером, призначеного для друку одержуваних картин рентгенівського поглинання. При дослідженні пацієнт залишається нерухомим, а джерело випромінювання і скануючий елемент обертаються навколо нього, роблячи при цьому численні вимірювання поглинання рентгенівського випромінювання. Після закінчення вимірів будується двомірне зображення перетину. Для отримання тривимірного зображення пацієнт зміщується вздовж осі обертання. Це дозволяє зробити послідовні перетину, з яких згодом будується тривимірне зображення. У 1972 р була зроблена перша томограма головного мозку жінки, в якої була чітко виявлена кіста. Потім були зроблені більш швидкі комп'ютерні томографи, що дозволили довести час сканування до 3 с. Вони давали більш чіткі зображення з високою роздільною здатністю.

У 1979 р Хаунсфілда і Кормаку була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини «за розробку комп'ютерної томографії». У своїх Нобелівських лекціях вони обидва підкреслювали важливість знання коефіцієнта поглинання в тканинах, щоб можна було виявити м'які тканини, а також необхідність створення відповідних приладів для виявлення уражених ділянок тіла.

Сучасна томографія для отримання інформації використовує випромінювання різної фізичної природи. Це можуть бути ультразвук, радіо- і оптичні сигнали, рентгенівські і гамма-промені. Для кожного виду випромінювання характерні свої особливості, проте отримана інформація (проекційні дані) можуть бути описані одними і тими ж математичними залежностями. Томографічний метод в сукупності з потужним математичним апаратом і сучасними засобами обробки інформації дозволяють вважати томографію цілим напрямком в області обробки інформації.

І все-таки для звичайної людини томографія - ультрасучасний спосіб діагностики різних хвороб: від онкології до стоматології. До теперішнього часу в світі діє понад 50000 комп'ютерних томографів, з їх допомогою щорічно проводиться близько 80 млн обстежень. Найбільше вражає той факт, що широке використання комп'ютерної томографії призвело до прориву в ранній діагностиці онкологічних захворювань, що дозволяє виліковувати рак в 80-85% випадків. Можна сказати, що завдяки комп'ютерним томографам діагноз «онкологічне захворювання» перетворився з смертного вироку в констатацію наявності важкої, але цілком виліковної хвороби. Подальший прогрес в цьому напрямку пов'язаний з постійним вдосконаленням томографів і методів отримання і обробки зображень. В даний час всі провідні виробники комп'ютерних томографів перейшли до випуску апаратів шостого покоління, які дозволяють отримувати до 16 зрізів за один оборот. Це дозволяє досягати швидкості сканування до декількох десятків зрізів в секунду. При цьому головним напрямком удосконалення є мінімізація дози використовуваного випромінювання, яка в комп'ютерних томографах залишається ще досить великий. Тому в першу чергу творці нових томографів вдосконалюють технічні характеристики пристроїв, збільшуючи чутливість приймачів. У той же час досягнення фізики дають можливість принципово іншого вирішення цього завдання.

Поряд з рентгенівською томографією наука пропонує інший метод отримання зображень різних органів людського тіла. Цей метод, званий ЯМР-інтроскопії, не використовує іонізуючих випромінювань, що обумовлює його нешкідливість. ЯМР - абревіатура назви фізичного ефекту - ядерного магнітного резонансу, відкритого американським фізиком Исидором Айзеком Рабі (1898- 1988) в 1938 р в молекулярних пучках. Експериментальні основи ЯМР-спектроскопії заклали Фелікс Блох (1905- 1983) і Едвард Міллс Перселл (1912-1997) в 1946 р, що спостерігали незалежно один від одного це явище в твердих тілах і рідинах. ЯМР - один з найбільш глибоких фізичних ефектів. Неспроста І. Рабі в 1944 р, а Ф. Блох і Е. Перселл - в 1952 р стали лауреатами Нобелівських премій за його вивчення. Подальші дослідження ЯМР показали, що, поряд з фундаментальною важливістю, цей ефект має і велику прикладну цінність.

Явище ЯМР полягає в резонансному поглинанні електромагнітної енергії, обумовленому магнетизмом ядер. Відомо, що частота v електромагнітного поля, що викликає переходи між сусідніми рівнями, визначається формулою:

де Н 0 - напруженість однорідного магнітного поля; I -спіновое квантове число; р - магнітний момент, рівний де у - гіромагнітне відношення.

З огляду на це частота виявляється пропорційною прикладеному полю. Якщо в якості прикладу взяти значення у для протона, то резонансна частота виявляється рівною 42,577 МГц. Випромінювання такої частоти можна отримати звичайними радіотехнічними методами. Знаючи частоту радіосигналів, відповідну резонансу, коли орієнтація спінів змінюється на протилежну, для конкретного ядра, що знаходиться в магнітному полі заданої напруженості, можна визначити магнітний момент цього ядра з високою точністю.

Змінюючи величину магнітного поля або частоти, можна отримати ЯМР-спектри високого дозволу для багатьох речовин. Ці спектри зазвичай складаються з вузьких, добре дозволених ліній, відповідних магнітним ядер в різному хімічному оточенні. Інтенсивності (площі) ліній при запису спектрів пропорційні числу магнітних ядер, що дає можливість проводити по ним кількісний аналіз без попередньої калібрування.

Прийоми і методи обчислень, що застосовувалися в комп'ютерній томографії в 1970-х рр., Були об'єднані з методикою спостережень ЯМР. В результаті з'явилися скануючі ЯМР пристрої, що дозволяли спостерігати специфічні хімічні реакції всередині людського тіла. Виявилося, що ці пристрої мають величезне значення для наукових досліджень і являють собою потужний інструмент медичної діагностики.

ЯМР-інтроскопія так само, як рентгенівська томографія, відноситься до променевої діагностики. Ці методики дуже близькі: обидві вони використовують одні і ті ж принципи автоматичного, керованого комп'ютером сканування, обробки і отримання пошарового зображення. Їх відмінність полягає в тому, що в ЯМР-інтроскопії використовується випромінювання, що відноситься до радіохвильовому діапазону з частотами 1-300 МГц.

Якими ще перевагами володіє цей вид медичної діагностики? Абсолютно ясно, що головне - це заміна рентгенівських променів радіохвилями, що забезпечує зняття променевого навантаження з пацієнта і лікаря. Ще одна перевага - чутливість методу до окремих ізотопів, особливо до водню, який містять всі м'які тканини людського організму. При цьому фон від кісткових тканин не заважає дослідженню, так як вміст водню там нижче, ніж в оточуючих тканинах. Крім того, слід зазначити високу роздільну здатність методу ЯМР, за допомогою якого можна розрізняти об'єкти розміром в долі міліметра. ЯМР-томографія дозволяє отримувати зображення не тільки поперечних, а й поздовжніх зрізів.

В даний час магнітно-резонансна томографія (МРТ) - один з провідних методів неінвазивної діагностики. Традиційно вона набула широкого поширення в неврології та онкології. Але з розвитком МРТ відкрилися абсолютно нові області її використання: травматологія та ортопедія, кардіологія, хірургія, судинна хірургія, медична спектроскопія і т.д. Застосування нешкідливих контрастують речовин додатково підвищує інформативність і надійність МРТ.

Звичайно, в будь-якому методі є і свої недоліки. Стосовно до ЯМР-інтроскопії основним з них є необхідність створення великої напруженості магнітного поля, що веде до значних енерговитрат.

Вище вже говорилося про Нобелівських преміях, присуджених винахідникам томографії та вченим, який відкрив ЯМР. Магнітно-резонансна томографія також була високо оцінена Нобелівським комітетом. Нобелівська премія з хімії за 1991 була присуджена швейцарським ученим Ріхарда Роберту Ернсту (р. 1933) «за внесок в розвиток методології ядерно ної магнітної резонансної спектроскопії високого дозволу», Нобелівська премія з хімії за 2002 р - круті Вютріху (р. 1938) «за розробку застосування ЯМР-спектроскопії для визначення тривимірної структури біологічних макромолекул в розчині». Нобелівської премії з фізіології і медицині за 2003 р був удостоєний Пол Крістіан Лотербур (1929- 1997) і Пітер Менсфілд (р. 1933) «за винахід методу магнітно-резонансної томографії».

Методи і пристрої, в основі яких лежать досягнення фізики, призначені для діагностики і лікування захворювань, стали сьогодні обов'язкові навіть для медичних установ не надто високого рівня. Вище ми описали тільки томографію - найбільш популярний з цих методів. Але всі ми користуємося і багатьма іншими «фізичними» медичними методами. Широко відома УЗД - ультразвукова діагностика, ряд кріогенних методик, поступово впроваджується в медицину магнітокардіографія.

Аналіз показує, що досягнення фізичної науки все більш широко впроваджуються в медичну практику, приводячи до значних успіхів в діагностиці та лікуванні хвороб. Можна припустити, що цей процес в XXI ст. буде тільки посилюватися.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >