Сколько оттенков серого в ядерной медицине и зачем обращаться к Росатому
Продолжаем изучать вопрос – как зарождалась и как развивалась ядерная медицина, а также – создавать предельно краткий “ядерно-медицинский путеводитель”, общий обзор всех медицинских новинок в этой отрасли.
Вильгельм Рентген и недостатки
Три описанных в предыдущей статье (“Начало мирного медицинского атома”) метода использования изобретения Вильгельма Рентгена – рентгеноскопия, флюорография и рентгенография – имеют два одинаковых недостатка.
Во-первых, пациент при этих методах диагностирования получает слишком серьезную дозу излучения, такие процедуры можно проводить повторно только через достаточно большой промежуток времени. Для медиков это уже неудобно: диагноз поставлен, терапевтические процедуры проведены, а проверить, насколько они решили, ликвидировали все обнаруженные проблемы, можно только через два-три месяца.
Во-вторых, при этих методах диагностирования облучение получает не только “проблемный” участок, а весь человеческий организм, и вот на таком снимке медикам приходится выискивать то, что конкретно беспокоит их пациента. Тревожит, допустим, желудок, а на снимке наличествуют все человеческое тело от макушки до пяток.
Медики, в силу специальности, люди весьма жесткие: их новое “техническое задание” в адрес физиков и всяких там инженеров явно было “навеяно” разделом медицины, именуемой топографической анатомией – изучение послойного строения анатомических областей организма. Как научная дисциплина топографическая медицина была создана Николаем Пироговым, классика этого метода – пироговские срезы, основной рабочий инструмент – скальпель. От физиков требовалось “то же самое, но никакого хирургического вмешательства”.
Томограф
В конце 1920-х – начале 1930-х годов французский врач Бокаж предложил, а итальянский инженер Валлебона реализовал аппарат под названием “томограф”. Его действие основано на перемещении двух из трех компонентов рентгенографии: пациент неподвижен, рентгеновская трубка и кассета с пленкой перемещаются в противоположных направлениях: трубка движется от головы к пяткам, пленка – от пяток к голове. При их синхронном движении четким на пленке получается только необходимый слой исследуемого органа, все остальное смазывается и не мешает проводить анализ полученного изображения.
Представьте, что у вас в руках – фотоаппарат, позволяющий делать кадр раз в секунду, а сфотографировать вам надо несущегося по дорожке Усейна Болта. Пока он не очутится прямо напротив вас, фотографии будут смазанными, и только одна даст четкое изображение. Приблизительно то же самое происходило и в первых томографах: вот вам, доктор, размазанные изображения пятки и макушки, а вот вам – четкое изображение возлюбленных вами почек.
Конечно, в таком виде томографы работали только в самом начале своей эволюции, ведь доза облучения опять получается не маленькой. Но дантисты используют этот метод и сейчас: за счет движения излучателя и кассеты с рентгеновской пленкой по специальным траекториям выделяется очень четко изображение челюсти. Чувствительность пленки в наше время по сравнению с 1920-и годами увеличена многократно, зуб как объект мал, доза излучения минимальна, так что, почему бы и нет.
Математика ядерной медицины
То, что медики свои требования предъявляли именно физикам, дало дополнительный эффект – для решения этой задачи физики привлекли к развитию нового направления математиков.
Ядерная медицина – удел не только медиков и физиков, третья составляющая – именно математика. Под эту конкретную медицинскую дисциплину математики разработали новую ветвь своей науки – вычислительную томографию, математические методы реконструкции внутренней структуры объекта по проекционным данным.
Работали математики быстро и слаженно, за что заслужили совершенно искреннюю благодарность физических медиков и медицинских физиков, для которых эта отрасль математики стала основой, на которой стоит самый молодой метод диагностики – рентгеновская компьютерная томография.
В 1963 году американский физик Аллан Кормак решил задачу томографического восстановления: как на основании проекций восстановить трехмерную модель исследуемого объекта. В 1969-м английский инженер Годфри Хаунсфилд сконструировал первый компьютерный томограф, который в 1971 году прошел клинические испытания, хотя и только на одной части человеческого организма – на голове, которая с этого момента перестала быть “темным объектом”.
Первое поколение томографов называлось “ЭМИ-сканер”, поскольку Хаунсфилд трудился в фирме EMI Ltd. Читатели постарше могут напрячь память: все верно, деньги на эти исследования и эксперименты EMI заработала на контракте с “Битлз”. Наверное, это можно называть “иронией судьбы” – как и то, что в 1979 году физик Кормак и инженер Хаунсфилд получили Нобелевскую премию по… физиологии и медицине.
4096 оттенков серого
Компьютерная томография может считаться совершенно отдельной наукой, настолько она сложна в том, что касается обработки рентгеновских послойных снимков. Рентгеновские снимки визуализируются как черно-белые изображения – в зависимости от степени ослабления рентгеновского излучения на разных тканях, костях, сухожилиях. В разработанной для этого шкале Хаунсфилда – 4096 оттенков серого.
Представить себе это не очень просто: к примеру, стандартный компьютерный монитор имеет 256 оттенков серого, узко специализированный медицинский – 1024. Человеческий глаз такое количество оттенков различать не может по определению, компьютерные вычисления, программная обеспечение – неотъемлемые составляющие этого метода. Но и это еще не все сложности.
Пациент, которому делают компьютерную томограмму, во время процедуры неподвижен, излучатель и детекторы двигаются синхронно, на выходе – масса черно-белых снимков. Хотим точности – значит, механические узлы должны быть выполнены с высочайшей точностью. Рентгеновская фотопленка ушла в прошлое, сейчас используются сверхчувсвительные детекторы, конструкция и материалы которых постоянно совершенствуются.
Для того, чтобы пациент получал как можно меньшую дозу облучения, к рентгеновским излучателям предъявляются самые жесткие требования и эти излучатели тоже постоянно совершенствуются.
В томографах первого поколения была одна трубка и один излучатель, во втором поколении использовался веерный тип конструкции: на кольце вращения напротив одного излучателя стояло уже несколько детекторов. Третье поколение ввело понятие спиральной компьютерной томографии, в аппаратах нынешнего, четвертого, поколения – 1088 датчиков, которые кольцеобразно охватывают стол аппарата и не двигаются.
Если кто-то бывал на этой процедуре в последнее время, то знает, что теперь стал двигаться стол, на котором лежит пациент, второй подвижный компонент – вращающаяся вокруг стола рентгеновская трубка. Детекторы выстроены в ряды, рентгеновское излучение теперь имеет объемную геометрическую форму пучка, чтобы излучение одновременно принималось всеми рядами детекторов.
Слоистая диагностика
Два слоя детекторов впервые появились в 1992 году, медики получили возможность делать многослойную компьютерную томографию – МСКТ.
Итак, 1992 год – двухслойная томография, 1998 – четырехслойная, 2004-2005 годы – 32, 64 и даже 128-срезовые томографы. В 2007 году Toshiba вывела на рынок 320-срезовые томографы, в 2013-м – японцы представляют уже 512- и 640-срезовые комплексы.
Эти аппараты позволяют получать не только изображения, но и в режиме “онлайн” наблюдать физиологические процессы, происходящие в сердце и даже в головном мозге. При этом получаемая пациентом доза облучения уменьшилась в десятки раз, ведь для качественной съемки целого органа теперь достаточно одного оборота рентгеновской трубки, который происходит всего за 0,4 – 0,5 секунды.
Но и многосрезовая томография не стала вершиной развития этой технологии. В 2005 году Siemens Medical Solutions представила первый аппарат с двумя трубками рентгеновского излучения.
Использование двух трубок, расположенных под 90 градусов друг к другу, позволяет получать изображения объектов, находящихся в постоянном и быстром движении: медики, к примеру, теперь видят сердце независимо от частоты его сокращений. Кроме того, использование двух рентгеновских трубок позволяет лучше различать на получаемом изображении близкорасположенные объекты различных плотностей – к примеру, сосуды, проходящие вдоль костей или вдоль протезов. Методы МСКТ-диагностики позволяют медикам строить трехмерные модели кровеносной системы, головного и спинного мозга, печени, желудка, видеть любые злокачественные изменения и образования.
“Обратись в Росатом”
На день сегодняшний МСКТ-диагностика – наиболее продвинутый способ использования изобретения Рентгена и его трубок, хотя, конечно, мы с вами не гарантированы от того, что медики продолжат и дальше развивать это направление.
Мне кажется, что вот теперь перечисленного уже вполне достаточно, чтобы с пониманием следить за тем, что происходит с развитием всех этих методик в нашей России. Toshiba, Siemens – это ведь все по ту сторону границы, которую европейцы с американцами и прочими японцами старательно превращают в каменную стену. Потому все по старинке: хочешь сделать хорошо – сделай сам. Известная “формула”, которая в данном случае чуточку модернизирована: “Хочешь сделать хорошо – обратись в Росатом”.
Так уж сложилось, что наши ядерные медицинские центры активно оснащались импортным оборудованием, а вот атомная корпорация развивала методы рентгенографии самостоятельно. Напомню, что главная особенность рентгеновского излучения – это способность проникать в непрозрачный для человеческого глаза материал, при этом материал этот не деформируя, не разрушая. Тут нет никаких ограничений на материал, это вовсе не должна быть биологическая ткань, не так ли?
Представьте себе такой “простой” предмет, как корпус атомного реактора, вспомните о том, какие нагрузки в течение какого времени он должен выдерживать, сколько в этом корпусе всяческих технологических отверстий, сварных швов, как важна их точность. Вспомнили-представили? Тогда вот вам сухой текст.
Рентгенография применяется в процессе производства и эксплуатации для контроля:
- отливок и поковок на наличие трещин, газовых и усадочных раковин;
- сварочных швов на наличие непроваров, тепловых и механических трещин, включений шлака;
- неразборных или трудноразборных машин и механизмов на правильность взаимного расположения элементов, их целостности и наличия необходимых зазоров…
Многоточие – только потому, что список занимает несколько страниц. Именно Росатом в России чаще всех использует рентгенографию, а потому и знает про нее больше всех. Все, что было написано выше, являлось и является для него предметом повседневной заботы, все перечисленное оборудование Росатом зачастую разрабатывал и изготовлял для собственных нужд.
Теперь, в общем-то, дело за “малым”: медики должны разработать технические задания и тщательно проверять получаемые результаты. Этот процесс уже пошел, нам остается следить за тем, как именно он будет расширен и углублен.
Оригинал статьи:
https://itek.ru/analytics/stanovlenie-mirnogo-medicinskogo-atoma