Изобретение компьютерной томографии. Хаунсфилд и Кормак

В начале 70-х годов Годфри Хаунсфилд строит свой первый коммерческий томограф. Метод назвали томографией от греческого «томо» - «разрез». В результате, как считал сам Хаунсфилд, получился аппарат, превосходивший существовавшие тогда рентгеновские устройства ровно в сто раз.  

Термин «Компьютерная томография» известен всем. Современная медицина широко использует этот метод в так называемых скрининговых тестах для исключения серьёзных диагнозов. Ещё его используют для экстренной диагностики при травмах, кровоизлияниях в мозг, для плановой диагностики, контроля проведенного лечения и для проведения серьезных медицинских вмешательств. О двух замечательных людях, подаривших человечеству этот превосходный метод, о «тысяче оттенков серого», об искусном английском инженере-экспериментаторе и о блестящем учёном-теоретике из знаменитого шотландского клана Маклаудов будет наш сегодняшний рассказ.

Получение послойных изображений (срезов) организма имеет в истории медицины давние предпосылки. Ещё великий русский хирург Пирогов, обучая студентов, разработал методику изучения взаиморасположения оперируемых органов. Он назвал её «топографической анатомией». Опорой методики были замороженные трупы, послойно разрезанные в различных анатомических плоскостях. Пирогов опубликовал атлас «Топографическая Анатомия, иллюстрированная разрезами, проведёнными через замороженное тело человека в трёх направлениях». Этот атлас стал провозвестником нового метода исследования организма, разработанного через сто лет. К счастью, современный метод получения послойных изображений разрезания исследуемых организмов на части не требует, он абсолютно безопасен.

Британский ученый-физик и инженер Годфри Ньюболд Хаунсфилд появился на свет в самом сердце старой доброй Англии, в графстве Ноттингемшир, родине легендарного Робина Гуда. В городе Ньюарке его отец служил инженером на сталелитейном заводе. Чтобы иметь возможность дышать свежим воздухом, он по окончании первой мировой войны приобрел небольшую ферму в отдалении от города. Будучи младшим ребенком в семье, маленький Годфри постоянно оставался один. Как правило, старшие дети не в восторге, когда им навязывают младшего братца. Годфри привык играть один, устроив на ферме что-то вроде своей штаб-квартиры. Находившаяся там сельхозтехника привлекала мальчика. Именно там работал фонтан, приводимый в действие мощным поршневым насосом с самодельным ацетиленовым мотором. Именно с крыши тамошнего амбара он рванул в небо на планере собственной разработки и постройки. И там, на ферме, юный Годфри спаял собственными руками приёмник и прослушивал грампластинки на патефоне оригинальной авторской конструкции.

В грамматической школе Ньюарка, куда его определили родители, он с увлечением изучал физику и математику. Затем поступил в лондонский Сити-Гилд-колледж, который закончил в 1939 году. Вскоре началась война с нацистами, и Хаунсфилд был призван в Королевские ВВС. Он обучал курсантов радарной технике, служа инструктором при Королевском колледже в Южном Кенсингтоне. Имея несомненный дар преподавателя, Годфри Хаунсфилд читал лекции в Кренвелльской радиолокационной школе ВВС, где сконструировал массу полезных приборов и приспособлений, в том числе и широкоэкранный осциллограф.

Под конец войны он был отмечен специальной наградой, а в 1946 году его демобилизовали. Затем был электротехнический колледж Фарадея в Лондоне, где Годфри смог закончить полный курс благодаря полученной субсидии. В 1951 году его пригласили в компанию EMI, которая исследовала возможности применения электроники в мирных целях. Через семь лет группе специалистов, в которой он трудился, удалось создать транзисторную ЭВМ, первую во всей Англии! По сравнению с ламповыми образцами первые транзисторные ЭВМ не имели особых преимуществ. Но именно нашему герою удалось существенно увеличить производительность, быстродействие и мощность ЭВМ с помощью инновационного управления транзисторами.

Вскоре Хаунсфилд заинтересовался возможностями ЭВМ определять степень поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. Дело в том, что основа лучевой диагностики – рентгеновское излучение, проходящее сквозь исследуемые органы и попадающее затем на чувствительную плёнку. Разные ткани тела человека – мышцы, кости, жир и другие – имеют различную способность поглощать излучение, по-разному высвечиваясь на снимке. Кости видно четко, плотные ткани тоже можно разобрать, а вот опухоль от здоровой лёгочной ткани, к примеру, отличить было невозможно. А ведь внутренности человека – это логово многих болезней!

С этим несовершенством рентгеновского метода срочно нужно было что-то делать, и Годфри Хаунсфилд взялся за работу со свойственной ему основательностью. Будучи закоренелым холостяком, обременён семьёй он не был. Зато любил длительные пешие прогулки и разговоры с приятелями на шутливые отвлечённые темы, что помогало ему расслабиться. При этом Годфри обладал выраженным чувством юмора и, по свидетельству его друзей, завораживающе играл на фортепиано.

Примерно в те же годы специалист по медицинской физике Аллан Кормак, работавший в Университете Тафтса (Массачусетс), создал математическую модель поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. Его способ измерения заключался в постоянном контроле тонкого пучка рентгеновского излучения, проходящего через тело под различными углами, путём непрерывного мониторинга. Поскольку ткань зондировалась отовсюду, каждая исследуемая часть поглощала лучи индивидуально, без наслоений друг на друга и сливания в неразличимые пятна. Как кочан капусты, который разбирают по листьям или, к примеру, «раздевают» луковицу. На бумаге все это выглядело очень красиво, а вот на деле... Опубликованная Кормаком работа не заинтересовала никого, поскольку для такого сканирования нужны были мощные компьютеры, способные проводить быстрые расчеты. Способ был лабораторным, годным для теоретических, моделируемых ситуаций, а не для реальной диагностики. Кормак это прекрасно понимал, но инженером-практиком он не был, его публикации мало кому были интересны.

Аллан Маклауд Кормак был настоящим шотландцем из рода Маклаудов, но умением рубить головы не владел, так как был потомком этого знаменитого рода по женской, а не по мужской линии. Перед первой мировой войной его родители переехали в ЮАР из Шотландии. У его отца, инженера Джорджа Кормака и Амелии Маклауд, его матушки, было трое детей, из которых наш герой был младшим. Всё наше повествование сегодня - о младших сыновьях, и как можно убедиться, младшему сыну не всегда достаётся лишь кот, как герою сказки Шарля Перро, или оранжевая лошадь, как д’Артаньяну. Отличные мозги – вот что было у обоих наших героев! В двенадцать лет отец Аллана скончался, и семья переехала в Кейптаун. Юный Аллан учился великолепно, обожал физику, астрономию и математику. Был и прекрасным спортсменом, играл в теннис, участвовал в любительских спектаклях.

Несмотря на все красоты Южного Креста и других созвездий, глядящих с близкого африканского неба, молодой Кормак решил, что астрономия не блещет материальными перспективами, и поступил в Кейптаунский университет для изучения электротехники. Через несколько семестров он понял, что физика ему все-таки ближе, и в 1944 году стал бакалавром, а в 1945 – магистром физики. Он едет в Англию, становится стажёром-исследователем в знаменитой Кавендишской лаборатории. Под руководством знаменитого Отто Фриша он изучает свойства радиоактивного гелия и посещает лекции Поля Дирака по квантовой механике. Возвратившись в Африку, он работает преподавателем на кафедре физики Кейптаунского Университета, параллельно занимаясь радиоизотопами в госпитале Гроте-Шур.

Кормак год работает на циклотроне Гарвардского Университета в городе Кембридже (штат Массачусетс). К тому времени он уже женат на американской студентке Барби Сиви, к которой пристал прямо в университетской аудитории и потащил на свидание, когда работал в Англии у Фриша. Большой любитель музыки и прекрасный альпинист, он мгновенно завоевал сердце американки, выводя её на длительные прогулки и посещая с ней концерты известных исполнителей. Публикация статей об открытии нового метода ренгеновского сканирования успеха ему не принесла. Исследователи Т. Уоллес и Дж. Торнквил полагают, что причиной могло быть то, что все диаграммы и таблицы статей были выполнены в виде трудно понимаемых графиков, а не картинок. Затем Кормак едет в Массачусетс и работает в Университете Тафта. Он становится сначала адъюнкт-профессором, а затем и полным профессором физики, с 1968 по 1976 годы руководит кафедрой физики.

В начале 70-х годов Годфри Ньюболд Хаунсфилд строит свой первый коммерческий томограф. Метод назвали томографией от греческого «томо» - «разрез». Как и все, что создано инженерами, метод Хаунсфилда был намного практичней и удобней, чем у Кормака, и учитывал возможности тогдашней техники и удобство использования. В результате, как считал сам Хаунсфилд, получился аппарат, превосходивший существовавшие тогда рентгеновские устройства ровно в сто раз.  Возможности современных томографов по сравнению с первым EMICTT1000 – это небо и земля. Сегодня чувствительность компьютерных томографов – более 1000 «оттенков серого цвета»! Скорость исследования возросла на порядки. В 1979 году Кормаку и Хаунсфилду присудили Нобелевскую премию физиологии и медицины с формулировкой: «За разработку компьютерной томографии».

После успеха с созданием томографа Годфри Ньюболд Хаунсфилд много занимался физикой и техникой, нисколько не заинтересовавшись биологией. Умер сэр Годфри, командор ордена Британской Короны, на своей родине в Ньюарке в возрасте 84 лет.

Аллан Маклауд Кормак активно участвовал в общественной жизни, работал редактором томографического журнала. Жена родила ему двух дочерей. Профессор много читал, любил плавание, греблю в лодке. Скончался Аллен Маклауд Кормак в США в возрасте 64 лет. Маловато для Маклаудов, но что сделать – материнская линия!