Всего немногим более 100 лет назад люди даже не представляли, что доктора смогут увидеть, что происходит внутри человеческого организма и даже наблюдать за этими процессами в режиме реального времени. Уже в ХХ веке благодаря прорывным технологиям специалисты смогли выявлять такие серьезные заболевания, как, например, туберкулез и рак. УЗИ, рентген, МРТ, КТ — сегодня эти методы визуализации доступны во многих клиниках, но мало кто знает, какие открытия послужили началом развития лучевой диагностики. Глава направления систем медицинской визуализации компании Philips в России и СНГ Михаил Гончаров рассказывает, как появилась первая доступная рентгеновская трубка, какие инновации есть в распоряжении врачей сегодня и каких открытий ждать в ближайшем будущем.
Как развивались технологии лучевой диагностики
Точкой отсчета в истории лучевой диагностики принято считать 1895 год, когда профессор Вильгельм Конрад Рентген, проводя эксперименты с катодными трубками, открыл Х-лучи, позднее названные в его честь. Ученый произвел 15-минутное облучение руки своей жены Берты и получил изображения костей кисти с обручальным кольцом на пальце. Открытие стало мировой сенсацией и импульсом для создания первых рентгеновских аппаратов.
Вильгельм Конрад Рентген — немецкий физик из Вюрцбургского университета. За свою карьеру успел также поработать профессором физики в Хоэнхайме, Страсбурге, Гиссене и Мюнхене. Первый в истории физики лауреат Нобелевской премии (1901 год).
Рентген исследовал пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов, установил взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах, проводил исследования по магнетизму, которые послужили одним из оснований электронной теории Хендрика Лоренца.
Но главным открытием Рентгена стали Х-лучи, которые он обнаружил, когда ему было уже 50 лет. К ученому не раз обращались представители промышленных фирм с предложениями о выгодной покупке прав на использование изобретения. Но Рентген отказывался запатентовать открытие, так как не считал свои исследования источником дохода.
По злой иронии — Рентген скончался от рака, в современной диагностике которого сегодня активно используется изобретение ученого.
Несколько немецких компаний работали над созданием рентгеновских трубок, но они были слишком дорогими, и многие клиники не могли себе позволить это оборудование. В 1918 году компания Philips разработала свою первую медицинскую рентгеновскую трубку, совершившую прорыв в борьбе с туберкулезом и позволившую врачам взять контроль над распространением заболевания. Принцип работы рентгена за много лет не изменился: рентгеновская трубка генерирует излучение, которое проходит сквозь тело человека и попадает на детектор. Разные ткани по-разному пропускают или задерживают рентгеновские лучи, благодаря чему формируется изображение.
В 1932 году стала доступна уменьшенная и облегченная версия рентгеновского аппарата, которым пользовались, в том числе врачи голландской армии. Уже к 1939 году было выпущено 100 тыс. аппаратов. Рентгеновские трубки начали поставляться в медицинские учреждения по всему миру благодаря доступной цене, а распространение знаний о рентгеновских лучах повлияло на создание первых компьютерных томографов (КТ).
Как летучие мыши помогли врачам
История УЗИ началась в XVIII веке, когда итальянский физик и натуралист Ладзаро Спалланцани обратил внимание на способность летучих мышей ориентироваться в полной темноте. Опытным путем ученый установил, что этому не мешает даже отсутствие зрения. А вот восковые затычки в ушах заставляли ночных зверьков терять ориентацию в пространстве. Спалланцани предположил, что летучие мыши издают некий звук, не слышимый людям, который отражается от поверхностей и помогает животным с легкостью обходить препятствия. В то время ультразвуковые сигналы невозможно было зафиксировать, поэтому предположения ученого так и остались гипотезами.
В 1880 году физики Пьер и Жак Кюри выяснили, что некоторые кристаллы (например, кварц) при механическом воздействии способны распознавать электрическое поле. Благодаря этому открытию были созданы первые УЗ-детекторы — основные элементы аппаратов, которые впервые позволили технически принимать сигнал ультразвука.
Оборудование, отдаленно напоминающее современные медицинские приборы, было создано только в 1950-х годах. Английский хирург Джон Джулиан Уайлд впервые измерил с помощью ультразвука толщину стенки кишечника, разработал специальные датчики для диагностики, а также выяснил, что злокачественная ткань лучше отражает УЗ-волны, чем здоровая. Прототип современного УЗ-прибора, где датчик находится в руке врача, появился в США в 1963 году — с этого момента УЗИ широко вошло в медицинскую практику. Сегодня оно является наиболее доступным и безопасным методом диагностики и используется повсеместно для исследования сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний, работы желудочно-кишечного тракта и других.
Безопасность и достоверность — открытие МРТ
В 1946 году Феликс Блох из Стенфордского университета и Эдвард Парселл из Гарварда независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса, за что оба были удостоены Нобелевской премии по физике. Мало кто знает, что первым ученым, который еще в 1960-м году предложил использование магнитно-резонансной томографии (МРТ) для диагностики заболеваний, был советский ученый Владислав Александрович Иванов.
Несмотря на этот факт, датой основания МРТ принято считать 1973 год, когда профессор химии и радиологии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Эта работа и легла в основу МРТ-диагностики.
Еще один ученый Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы формирования изображения. Позже появился способ получить посрезовые снимки органов с помощью магнитного резонанса. Проще говоря, визуализировать состояние внутренних органов и тканей человека путем помещения его в сильное магнитное поле. В 2003 году Лотербур и Мэнсфилд были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины за это открытие.
Диагностика 2-в-1: открытие метода ПЭТ/КТ
Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) прошла долгий путь развития от использования в научной лаборатории до внедрения в клиническую практику. Благодаря новым открытиям в этой области в 50-х годах врачи смогли увидеть распределение в человеческом теле радиофармпрепарата — биологически активного соединения, помеченного радиоактивным атомом.
Первый прототип ПЭТ-сканера появился в 1952 году в Массачусетском госпитале, но с помощью него врачи получали всего одно двумерное изображение, а не их последовательность. Это было связано с тем, что сканер имел лишь два детектора, расположенных слева и справа от головы пациента, а разрешение было низким. Тем не менее чувствительность устройства все же позволяла обнаружить опухоль.
В дальнейшем совершенствование ПЭТ шло по двум направлениям: увеличивалось число и расположение датчиков, параллельно с этим развивались методы математической обработки данных. В конце 1970-х ПЭТ-сканеры стали широко использовать в клинической практике, а в начале 90-х онкохирург Руди Эгели из Женевского университета предложил разместить в зазорах между датчиками ПЭТ-сканера оборудование для проведения КТ, чтобы получать в ходе одного исследования данные о структуре и обмене веществ в организме пациента. Так появились комбинированные ПЭТ/КТ-сканеры, которые сейчас используются в современных клиниках по всему миру.
Инновации здесь и сейчас
Понадобилось всего полвека, чтобы визуализация в медицине совершила скачок в своем развитии. Полное сканирование человека в один клик, возможность передачи снимков на расстояние и удаленные консультации с другими экспертами — могли ли мечтать об этом Вильгельм Рентген или Ладзаро Спалланцани? Сегодня разработки в сфере лучевой диагностики направлены на улучшение качества визуализации, поскольку четкое изображение позволяет врачам провести точное обследование, поставить верный диагноз с первого раза и быстро определить дальнейшую тактику лечения. Более того, современные технологии помогают делать новые исследования и прорывные открытия не только в медицине, но и в других областях, например, в археологии и нейролингвистике.
КТ на страже здоровья и в помощь археологам
Сердце — единственный орган в теле, который находится в непрерывном движении. Когда мы снимаем какой-то предмет в движении на фотоаппарат, то он получается у размытым и нечетким. Но современная компьютерная томография сохраняет четкость снимка. Сегодня КТ-сканеры позволяют за несколько секунд исследовать не только сердце, но и получать высокоточные изображения сосудов, костного скелета и других органов.
Специалисты компании Philips пошли еще дальше и несколько лет назад создали спектральный компьютерный томограф IQon. Этот аппарат стал первой в мире системой, которая работает на базе уникального двухслойного детектора. Он одновременно различает фотоны рентгеновского излучения высокого и низкого уровня энергий, что дает возможность получать не только анатомическую информацию, но и данные о составе тканей. Это помогает врачам принимать более взвешенные решения о дальнейшей тактике диагностики и лечения пациента. После проведения исследования на спектральном КТ радиологи могут анализировать объекты, неразличимые при обычном КТ-сканировании.
Врезка
КТ помогает не только проводить обследование человека, но и приоткрывает завесу тайн древнейшей культуры и истории. Несколько лет назад благодаря возможностям томографии специалистам Philips и музея «Натуралис» удалось заглянуть в прошлое на 66 млн лет назад и изучить хвостовые позвонки тираннозавра Рекса. А до этого с помощью КТ Philips были проведены исследования останков жителей города Помпеи, разрушенного во время катастрофического извержения вулкана в 79 году н.э.
Опухоль под прицелом: на что способен цифровой ПЭТ/КТ
Метод ПЭТ/КТ совмещает в себе сразу два вида исследования: компьютерная томография оценивает структуры измененных тканей и помогает с точностью до миллиметра определить их месторасположение, а позитронно-эмиссионная томография создает высокоточные трехмерные изображения, которые позволяют увидеть процессы, протекающие в тканях и органах.
Врезка
Сегодня ПЭТ дает возможность врачам выявить опухоли размером от трех миллиметров, а КТ способна с точностью до миллиметра определить ее месторасположение. Этот метод стал настоящей революцией в медицине: с помощью ПЭТ/КТ врачи могут провести диагностику головного мозга, выявить возрастные заболевания — болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также распознать ишемические заболевания сердца. К тому же ПЭТ/КТ помогает определить наличие раковых клеток на ранних стадиях и в случае необходимости быстро приступить к лечению.
С помощью этого метода хирург будет точно знать, где находится опухоль, какова динамика ее развития, что даст возможность полностью удалить ее, не затрагивая здоровые органы. Также специалисты могут понять, каким образом лучше провести лучевую терапию, чтобы убить раковые клетки с минимальным ущербом для здоровых тканей. Недавно разработчики Philips представили на российском рынке полностью цифровой ПЭТ/КТ сканер Vereos, где используется цифровой детектор вместо традиционных фотоумножителей. Аппарат улавливает даже очень низкие дозы излучения с сохранением высокого качества изображения, что является более безопасным для пациента и врача. Оборудование позволяет контролировать лучевую нагрузку без потери качества визуализации и сохранять четкость снимков даже при наличии имплантатов.
Что нового в сфере МРТ и причем здесь нейролингвистика
МР-диагностика сегодня считается вполне стандартной процедурой, которую можно пройти во многих медицинских центрах. Но мало кто знает, что МРТ является ценным инструментом не только для врачей, но и для специалистов в области нейролингвистики.
Что происходит в нашей голове, когда мы слышим речь или сами что-то говорим? Как помочь людям с речевыми патологиями? Именно МРТ помогает специалистам «увидеть» язык. Так, ученые из лаборатории нейролингвистики НИУ ВШЭ с помощью функциональной МРТ изучают взрослых людей с различными поражениями мозга, затрагивающими речевую функцию. Благодаря этой диагностике можно увидеть поврежденный участок, и как мозг вместо разрушенных связей строит новые. По данным МРТ можно понять, куда «ушла» речевая функция. Ученые также разработали специальный речевой локалайзер: люди выполняют речевое задание в МРТ, с помощью чего определяется активность участков мозга. На основе полученных данных подбирается оптимальная терапия.
Еще один пример применения МРТ — неинвазивная оценка концентрации железа в организме человека. Такое исследование провели специалисты НИИ им. Рогачева. Дети, страдающие заболеваниями крови, получают ее от доноров, что со временем приводит к накоплению в тканях железосодержащих соединений — продуктов распада гемоглобина крови. Это приводит к серьезным нарушениям функций органов, например, в сердце — к внезапной остановке и кардиомиопатии, в печени — к циррозу, в поджелудочной железе — к диабету. Обычно контроль концентрации железа проверяют при помощи биопсии печени, но этот способ является инвазивным и может привести к серьезным последствиям. Современные методики МРТ позволяют без хирургических вмешательств оценивать концентрацию железа в тканях, однако для внедрения метода в клиническую практику еще требуются дополнительные исследования.
Кардиомиопатии — гетерогенная группа заболеваний миокарда, связанных с механической или электрической дисфункцией, которая обычно проявляется неадекватной гипертрофией или дилатацией. Кардиомиопатии могут как изолированно поражать только сердце, так и быть частью генерализованного системного заболевания, часто приводят к сердечно-сосудистой смерти или к инвалидизации, обусловленной прогрессирующей сердечной недостаточностью.
Медицинское оборудование для диагностики прошло большой путь и с каждым годом совершенствовалось, позволяя получать более качественные изображения. В сентябре 2018 года Philips совершила революцию в отрасли и представила в Европе первый аппарат МРТ с революционной системой охлаждения для достижения эффекта сверхпроводимости. В отличие от классического магнита, для охлаждения которого требуется более 1500 литров жидкого гелия, в новом аппарате задействовано лишь 7 литров этого сжиженного газа. Жидкий гелий помещается в систему на этапе изготовления, после чего магнит полностью герметизируется, что исключает возможность испарения газа и устраняет необходимость его регулярной дозаправки. Безгелиевый сканер отличается более простой установкой и позволяет существенно сократить расходы клиники на эксплуатацию.
Шаг в будущее: каких открытий стоит ждать в ХХI веке
С развитием цифровых интегрированных технологий будут постепенно расширяться возможности телерадиологии. Суть этой сферы состоит в обмене диагностическими изображениями и иными данными пациента внутри клиники и за его пределами для удаленного заключения или для получения второго мнения экспертов. C помощью телерадиологических систем можно повысить качество и доступность медицинской помощи населению в любой точке планеты.
На помощь врачам в анализе и описании медицинских изображений постепенно приходит искусственный интеллект. ИИ обеспечивает комплексный анализ всей доступной на снимке информации, тем самым снижает риск случайного пропуска патологии, которая не попала в поле зрения специалиста. Также ИИ позволит решить проблему качества медицинских изображений, ведь он может автоматически проверить, нет ли на снимке дефектов. Благодаря этому снижается количество повторных исследований, а клиники за счет этого могут более эффективно распределять бюджет. У Philips уже есть подобное решение-прототип.
Врезка
Огромный импульс развитию лучевой диагностики обеспечат технологии дополненной реальности. Одним из таких прорывных решений является разработка Voka, которая позволяет травматологу на этапе обследования и планирования операции увидеть внутри пациента поврежденные кости. На основании данных, полученных в результате проведения КТ или МРТ, создаются 3D-модели травмированных органов и тканей. Полученные модели, а также модели имплантатов и спиц подгружаются на гарнитуру смешанной реальности Microsoft HoloLens для дальнейшей работы хирурга. Это обеспечивает высокую точность операций и быструю реабилитацию пациентов даже после серьёзных травм. Подобная концепция была разработана специалистами Philips совместно с Microsoft для HoloLens 2. Решение позволяет в режиме реального времени перенести 2D-изображения в трехмерную голографическую среду дополненной реальности, которая может легко и интуитивно контролироваться врачом. Эта концепция разработана специально для проведения малоинвазивных операций, где точная и подробная визуализация является ключом к успешной процедуре.
Огромную роль сыграют большие данные. С одной стороны, они содержат огромные массивы информации о пациентах, а значит позволяют хранить больше знаний о существующих патологиях. Это будет способствовать более ранней и точной диагностике не только заболеваний, но и различных предрасположенностей. С другой — big data поможет создавать библиотеки структурных данных, что позволит ученым получать ответ еще до проведения фундаментальных и дорогостоящих исследований: например, следует ли тестировать и развивать теорию в разработке нового лекарства.
Эти 4 сферы являются ключевыми аспектами лучевой диагностики, которые перевернут мир лучевой диагностики и откроют новые возможности перед врачами в борьбе даже с самыми серьезными заболеваниями ХХI века.