Как инженер звукозаписывающей компании изобрел компьютерный томограф

Годфри Хаунсфилд, инженер-исследователь компании EMI, изобрел компьютерный томограф после случайного разговора с врачом во время отпуска. Машина, созданная для изображения человеческого мозга, принесла ему Нобелевскую премию. Он предложил разработать аппарат, который мог бы создавать трехмерные изображения мозга с помощью рентгеновских лучей, и EMI одобрила проект. Что же из этого вышло — под катом.

Хаунсфилд и его команда испытали ранние прототипы на мозге свиньи и коровы, после чего в 1971 году использовали его на человеке. Сканирование выявило у женщины опухоль мозга. EMI начала производство компьютерных томографов, но со временем прекратила его, так как другие компании стали производить более совершенные сканеры всего тела. 

За свое изобретение Хаунсфилд получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1979 года вместе с Алланом Маклаудом Кормаком. Компьютерный томограф ознаменовал начало новой эры в клинической медицине.

1 октября 1971 года впервые было получено изображение мозга живого пациента. После длительной задержки на экране монитора появилось изображение, которое произвело революцию в медицинской визуализации. 

На снимке 200.2A была изображена женщина средних лет, пациентка из больницы Аткинсона Морли с подозрением на опухоль в левой лобной доле. Опухоль была успешно иссечена и подтверждена как кистозная астроцитома.

Сканирование было медленным. Но поскольку каждое новое изображение было не менее революционным, чем предыдущее, ожидание того стоило. Так началась новая глава в медицинской визуализации и диагностических процедурах. Новый метод быстро вытеснил болезненные, опасные, трудоемкие и зачастую бесполезные пневмоэнцефалограммы, вентрикулограммы, а также многие ангиограммы и процедуры ядерной медицины.

Радон, Бокаж и Ольдендорф: начало томографии

Компьютерная томография основана на разработках в области рентгеновской визуализации и вычислительной техники. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году и через несколько лет стали общепризнанным медицинским инструментом. 

Можно сказать, что начало томографии было положено в 1917 году австрийским математиком Иоганном Радоном, который математически доказал, что трехмерный объект может быть восстановлен из бесконечного множества всех его проекций. В то время это была эзотерическая математическая формулировка, и свое применение она нашла лишь спустя 60 лет.

С 20-х годов началось развитие томографии фокальной плоскости, позволяющей визуализировать срезы тела. Независимо друг от друга над ней работали французский врач Андре Бокаж, итальянский рентгенолог Алессандро Валлебона и голландский рентгенолог Бернар Зидес де Плант.

Врачи-новаторы разработали «томографические» методы, позволяющие получать изображения определенных поперечных сечений, или «срезов» тела, путем облучения пациента рентгеновскими лучами под разными углами. 

В частности, в 1920 году Бокаж изобрел и запатентовал томографический механический сканер, который должен был оставлять на рентгенограмме неразмытым только заданный слой тела пациента. Это называлось «рентгеновская планиграфия», а также «биотомия», а позже было названо «классической томографией».

В 1930 году Валлебона реализовал на практике идею сканера Бокажа.

Однако при томографии пациенты подвергались воздействию больших доз радиации. Кроме того, томографические рентгеновские снимки, как и традиционные рентгеновские, не могли четко различать соседние мягкие ткани: например, опухоли и здоровые ткани внутри черепа (хотя могли лучше определять положение твердых предметов, например пуль).

До 60-х годов исследования в области томографии практически не производились. 

Одним из тех, кто внес большой вклад в дальнейшее развитие томографии, был Уильям Ольдендорф — невролог-новатор и изобретатель медицинского оборудования из Калифорнийского университета, медицинской школы Лос-Анджелеса. По сути, он воскресил концепцию томографии 30-х годов и усовершенствовал ее.

В 1959 г. Ольдендорф наблюдал за инженером, работавшим над автоматическим устройством для отбраковки замороженных фруктов. Устройство выявляло обезвоженные части фрукта. Тогда Ольдендорфу пришла идея «просканировать голову рентгеновским лучом и восстановить картину плотности излучения в плоскости головы». 

В 1961 году он создал рабочий прототип и опубликовал статью с подробным описанием. С помощью подручных материалов Ольдендорф продемонстрировал метод получения поперечных изображений мягких тканей с помощью обратной проекции и реконструкции. Источник рентгеновского излучения и механически связанный детектор вращались вокруг отображаемого объекта. 

В своей работе 1961 года он описал базовую концепцию, которая впоследствии была использована физиком Алланом Маклаудом Кормаком для разработки математических основ компьютерной томографии.

Хотя эксперименты Бокажа, Валлебоны, Ольдендорфа, Кормака и многих других исследователей были важными вехами развития, ни один из них не достиг главного практического прорыва. То, к чему они стремились, хорошо описывает Ольдендорф в одной из своих работ:

Как практикующий клинический невролог я ежедневно сталкиваюсь с необходимостью проведения этих травматичных исследований (ангиографии и вентрикулографии), поскольку получаемая информация очень важна для грамотного ведения больных. Эти исследования появились в клинической медицине 30-40 лет назад и с тех пор практически не изменились. Каждый раз, выполняя одну из этих примитивных процедур, я удивляюсь, почему в мире клинической неврологии нет более острой необходимости в поиске методики, которая давала бы прямую информацию о структуре мозга, не травмируя его. Именно эта твердая убежденность и послужила толчком к созданию системы, которая теоретически способна получить поперечное отображение неоднородности радиоплотности внутри объекта неправильной формы, такого как голова. На момент написания статьи ни одна биологическая система не была исследована этим методом. Он может оказаться совершенно бесполезным в такой практически однородной системе, как мозг, и представлен здесь лишь как возможный подход.

Чтобы эти наработки смогли воплотиться в реальном применении, ученым пришлось ждать необходимых изменений в электронике.

Наконец, в 1971 году Годфри Хаунсфилд — инженер-электронщик, работавший в исследовательском подразделении Electra Musical Industries (EMI), компании, известной выпуском пластинок и производством музыкальной звуковоспроизводящей аппаратуры, но уж никак не рентгеновским оборудованием, представил первый сканер для компьютерной томографии. Примечательно, что Хаунсфилд признал единственной другой попыткой томографической реконструкции устройство Ольдендорфа, которое в октябре 1963 году получило патент США.

В основу большей части работ Хаунсфилда, удостоенных в дальнейшем Нобелевской премии, легли разработки Ольдендорфа и работы Аллана Кормака. Вместе с Кормаком в 1979 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии».

Аллан Кормак: недостающее звено КТ

Физик Аллан Кормак в основном занимался физикой частиц. Но побочный интерес Кормака к рентгеновской технике привел его к разработке теоретических основ компьютерной томографии.

В 1956 году Кормак начал работать медицинским физиком-резидентом в радиологическом отделении кейптаунской больницы Groote Schuur. Кормак, единственный из квалифицированных физиков-ядерщиков в клинике, контролировал использование радиоизотопов, а также отвечал за калибровку бейджей, которые применялись для контроля облучения работников больницы. 

Он также наблюдал за тем, как в диагностике и лечении рака используется радиация. Кормак отметил, что методы для дозиметрии были грубыми по сравнению с методами физических наук и что точная дозиметрия рентгеновского излучения может быть выполнена только при знании распределения коэффициентов ослабления между источником и интересующей точкой. Погрузившись в вопрос, Кормак понял, что проблема эта математическая. Ее решение помогло бы устранить в том числе и ограничение в радиографии, связанное с тем, что изображения интересующей области накладываются на изображения тканей, расположенных выше и ниже интересующих структур.

Впервые он предложил метод улучшения томографической визуализации в статье Representation of a Function by its Line Integrals, with Some Radiological Applications, опубликованной в 1963 г. в Journal of Applied Physics. 

Он показал, что изменения плотности тканей можно рассчитать на основе рентгеновских данных. Он также привел математические формулы для построения изображений определенных сечений по результатам измерений.

Из-за ограничений вычислительной мощности компьютеров тех лет статьи Кормака не вызвали особого интереса. Его теории нашли реальное применение только в 1971 благодаря Годфри Хаунсфилду.

В лекции, прочитанной Кормаком в 1979 году на Нобелевском банкете, он говорил:

Мне пришло в голову, что для улучшения планирования лечения необходимо знать распределение коэффициента ослабления в тканях организма и что это распределение должно быть найдено с помощью внешних по отношению к организму измерений. Вскоре я подумал, что эта информация может быть полезна для диагностических целей 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 шестидесяти лет на параллельно расположенных однородных пластах материала. Я предполагал, что за эти шестьдесят лет было сделано обобщение на неоднородные материалы, но поиск в соответствующей литературе не выявил этого, и я был вынужден обратиться к проблеме ab initio (с лат. — «от начала»). Сразу стало ясно, что проблема носит математический характер… Опять же, казалось, что эта проблема уже была решена в XIX веке, но поиск литературы и расспросы математиков не дали никакой информации. Прошло 14 лет, прежде чем я узнал, что Радон решил эту задачу в 1917 году.

Годфри Хаунсфилд: собрать воедино

Годфри Хаунсфилд был инженером-электриком. Он изучал электронику и радиолокацию в составе Королевских ВВС во время Второй мировой войны и учился в лондонском электротехническом колледже Faraday House.

В 1951 году он поступил на работу в исследовательский отдел звукозаписывающей компании Electric and Musical Industries Ltd. В те времена EMI занималась не только музыкой, но и электрикой. В 60-е годы компания производила широкий спектр продукции: от звукозаписывающей аппаратуры и чайников до управляемых ракет. Однако разработкой медицинского оборудования не занималась.

В EMI Хаунсфилд занялся радиолокационными системами, а затем возглавил группу разработчиков, которая создала первый в Великобритании полностью транзисторный компьютер общего назначения — EMIDEC 1100.

После завершения этого проекта Хаунсфилда перевели в Центральную исследовательскую лабораторию EMI (CRL), которая была известна своими новаторскими разработками в области стереозаписи, телевещания, радиолокации и связи. И именно там, исследуя проблему распознавания образов, он выработал основную идею компьютерной аксиальной томографии.

Пытаясь решить проблему распознавания образов, Хаунсфилд задался вопросом: можно ли вычислить неизвестное содержимое ящика, снимая «показания» через него? 

В конце лета 1967 года во время отпуска он познакомился с врачом. Тот сетовал на недостатки традиционной рентгенографии и говорил, что рентгеновские изображения мозга слишком зернистые и могут быть только двухмерными. Возможно, это было первое знакомство Хаунсфилда с анатомией человека как примера проблемы «чтения через ящик». 

Он размышлял о том, может ли система теоретически распознавать текст в закрытой книге, «освещая каждую страницу ярким светом под разными углами и измеряя то, что выходит на другом конце». Хаунсфилд считал, что «при наличии достаточной информации можно вычислить, что написано на странице».

Его идея состояла в том, чтобы спроектировать машину, позволяющую создавать трехмерные изображения мозга. Машина будет проецировать узкие пучки рентгеновских лучей через голову человека, а компьютер — использовать полученные данные для построения серии поперечных сечений, которые в совокупности будут представлять мозг в трехмерном виде.

Вместе со своим коллегой Стивеном Бейтсом из CRL он доработал свою идею, где применил простейшую арифметику, которая могла быть использована в компьютерах того времени. Во многом его размышления были похожи на размышления Аллана Кормака, но Хаунсфилду удалось создать более совершенную математическую модель, при том, что он не был знаком с предыдущими математическими подходами в этой области.

Компания EMI восприняла его идею без особого энтузиазма, поскольку медицинского направления у нее не было, и руководство не видело смысла вкладывать в это деньги. Поэтому поначалу финансирование исследований Хаунсфилда было проблемой. 

С ноября 1967 по июль 1968 года он работал без финансирования вообще, и именно тогда окончательно сформировалась идея создания «трехмерного рентгеновского снимка».

В начале 1968 года Хаунсфилд обратился в Министерство здравоохранения и социального обеспечения Великобритании и подал заявку на финансирование в размере 10 тыс. фунтов стерлингов. Хотя заявка и была отклонена, он получил рекомендации по ее улучшению и спустя полгода подал новую. Целью заявки было «исследовать возможности компьютера для более эффективного использования информации, получаемой при исследовании объекта с помощью гамма- или рентгеновских лучей».

Интересно, что на стадии разработки большинство опрошенных радиологов говорили, что рынка для подобного прибора нет. Концепция отличалась от современных представлений о радиологии. Министерство здравоохранения Великобритании отнеслось к предложению с пониманием, но выделить достаточное финансирование не смогло.

Есть легенда, что работа Хаунсфилда финансировалась музыкальными доходами EMI, в частности деньгами, заработанными от продажи пластинок «Битлз». Однако внутренние документы EMI это опровергают. От компании были получены достаточно скудные поступления, и основные деньги шли от Министерства здравоохранения. Стоимость первого прототипа составляла всего 69 000 фунтов стерлингов, что по тем временам было весьма скромно для подобного проекта.

Получив первичное финансирование, Хаунсфилд начал работу над компьютеризированным устройством, которое могло обрабатывать сотни рентгеновских лучей для получения двухмерного изображения мягких тканей живого организма. 

При изготовлении первого стендового сканера использовались детали от токарного станка. Запись производилась на датчики, а не на рентгеновскую пленку, и получение нескольких снимков от вращающегося источника фотонов позволило сфотографировать серию «срезов», которые показывали различную плотность тканей. Сделав серию таких фотографий через близкие промежутки времени, можно было получить трехмерное изображение. 

Вскоре Хаунсфилд уже практиковался на голове коровы, которую его коллега достал  с кошерной бойни в восточном Лондоне. Все дело в том, что при обычном убое животных оглушали электрическим током, в результате мозг наполнялся кровью, и жидкость мешала рентгенологам просматривать его структуру.

Хаунсфилд с улыбкой вспоминал, как через весь Лондон в автобусе вез в сумке свежий мозг теленка, чтобы в лаборатории посмотреть, как будет регистрироваться и обрабатываться сигнал от живых тканей. 

После экспериментов над мозгами коров и свиней Хаунсфилд сам стал подопытным и просканировал собственный мозг. 

Затем настало время использования сканера на реальном пациенте в настоящей больнице.

EMI-сканер: реальное применение

Хаунсфилд долго ходил по больницам и искал врачей, которые согласились бы использовать сканер. В большинстве своем медики были настроены скептически. Наконец, он нашел врача, который согласился помочь испытать аппарат. Это был рентгенолог Джеймс Амброуз, который тоже потратил много времени на поиск альтернатив болезненным методам исследования мозга, которые в то время использовались в клинической практике и были далеки от идеала.

Исследователи установили полноразмерный сканер в лондонской больнице Аткинсона Морли и 1 октября 1971 г. под контролем Амброуза было проведено первое сканирование мозга реального пациента. Это была женщина средних лет с подозрением на кисту головного мозга неопределенной локализации. 

Первая модель, проходившая испытания, не включала в себя компьютер для формирования изображения. Изначально его не планировали включать и в будущие томографы.

Поэтому весь процесс оказался долгим. Полчаса заняло самое сканирование, затем Хаунсфилд с магнитными лентами, куда записались данные, поехал через весь город, чтобы обработать их на компьютере EMI. Это заняло еще 2,5 часа. И наконец, получение изображений с помощью фотоаппарата Polaroid и возвращение в больницу.

Амброуз вспоминал, что сканирование дало четкое представление о нахождении кисты. Когда снимки были готовы, они с Хаунсфилдом чувствовали себя как футболисты, только что забившие победный гол.

Первая презентация ранних клинических данных состоялась на конференции Британского института радиологии 20 апреля 1972 года, к тому времени было обследовано около 70 пациентов.

Опубликованные результаты произвели сенсацию в медицинской рентгеновской технике со времен открытия рентгеновских лучей. Практически сразу компьютерная томография задала новый курс развития медицинской рентгеновской техники.

В декабре 1972 года состоялась встреча Радиологического общества Северной Америки (RSNA). Там Хаунсфилд и Амброуз выступили с докладом «Компьютерная аксиальная томография». Выступление вызвало большой резонанс. Проходящая на RSNA выставка была очень успешной как для компании EMI, так и для компьютерной томографии. EMI приняла множество заказов на EMI-сканер.

Доктор Джеймс Амброуз рассказывает о сканировании мозга с помощью EMI-сканера:

Дальнейшее развитие

Компания EMI начала производство компьютерных томографов и успешно продавала их больницам.

К 1973 году было установлено пять сканеров за пределами больницы Аткинсон-Морли: три в Великобритании и два в США. Система EMI Mark-I клиники Майо, поставленная в начале 1973 года, получила изображение первого пациента за пределами Великобритании 18 июня 1973 года. Первые 10 сканеров EMI были частично собраны вручную в процессе наращивания производства.

Когда клинические возможности КТ-сканеров стали очевидны, спрос на них возрос. В 1975 г. EMI представила головной сканер CT1010, в котором, благодаря новой конструкции, время сканирования сокращалось в 6 раз. Эта конструкция стала известна как сканер второго поколения.

После успешного запуска продукта подразделение компьютерных томографов EMI столкнулось с множеством новых проблем. Быстро развивающаяся отрасль привлекала множество новых участников. Доля рынка EMI сокращалась по мере появления всё большего числа конкурентов в 1973-1977 годах. Несмотря на то, что EMI имела преимущество первопроходца, компания не смогла прочно закрепиться 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. 

Появлялись новые игроки, которые плохо были знакомы с диагностической визуализацией. Например, Калифорнийская фармацевтическая компания Syntex представила сканер для исследования головы. CGR, крупная французская компания по производству медицинских изображений, представила раннюю систему, также производящую сканирование головы. Но ни одна из этих систем не имела большого успеха на рынке.

К началу второй половины 1970-х годов появились сканеры третьего поколения. В числе компаний, их выпускавших, были GE, Siemens, Varian, Searle, CGR, Artronix, Elscint, Philips, Toshiba, Hitachi и Shimadzu. 

EMI пыталась конкурировать со всеми основными и потенциальными поколениями КТ-систем, представленными ее 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 отрицательно сказалось на репутации компании и усилило напряженность между подразделениями.

К концу 70-х компания EMI прекратила производство сканеров, поскольку не смогла конкурировать с другими производителями. Однако навсегда вписала себя в историю развития медицинского оборудования.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.