Г. Хаунсфилд – исторический обзор. Изобретение компьютерного томографа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования

Российский Университет Дружбы Народов

Кафедра общей и клинической стоматологии. Заведующий кафедрой д.м.н. профессор Аванесов А.М.

Курсовая работа на тему:

"Г. Хаунсфилд - исторический обзор. Изобретение компьютерного томографа"

Семёнова Д.Д.

Москва 2015

В своей работе я хотела бы осветить основные моменты жизни нобелевского лауреата Годфри Ниюболда Хаунфилда и этапы изобретения компьютерного томографа. Данная тема, несомненно, является актуальной как для стоматологии, так и для медицины в целом. Поскольку диагностика это решающий этап в лечении абсолютно любого заболевания. Целью своей работы я ставлю изучение появления развития компьютерной томографии. Так же в своей работе я хотела бы обратить внимание на личность Годфри Хаунсфилда и его вклад в развитие компьютерной томографии.

Годфри Ньюболд Хаунсфилд родился в Ньюарке (графство Ноттингемшир) 28 августа 1919года. Его отцом был инженер. После мировой войны семья купила ферму. У него было два старших брата и две старшие сестры. В этот период времени он зачастую играл один. В детстве Хаунсфилд много играл на ферме и изучал работу сельскохозяйственной техники, такой как молотильные машины, связующие, генераторы, благодаря этому возникла склонность к инженерному делу. В юности он сконструировал планер, который он пускал с крыши амбара, фонтан, насос, а также патефон и радиоприемник. Сам господин Хаунсфилд называет период от 11 до 18 лет самым ярким в его жизни, поскольку это было время первых экспериментов.

Годфри учился в грамматической школе Ньюарка (Magnus Grammar School),его любимыми предметами в школе были физика и математика. В 1939 г. учился в Сити-Гилд-колледже (Лондон). Годфри заинтересовался самолётами и вступил в RAF (Royal Air Force), на начало Второй мировой войны он являлся добровольцем резервистом, затем он работал инструктором в Королевского колледжа науки в Южном Кенсингтоне. В военно-воздушной радиолокационной школе Кренвелла он читал лекции и здесь он сконструировал широкоэкранный осциллограф, а так же другие технические средства обучения. В 1945 г. был отмечен специальной премией за заслуги во время войны. Его работа была оценена вице-маршалом авиации Кэссиди, который помог получить ему субсидию. Это позволило ему поступить в электротехнический инженерный колледж Фарадея в Лондоне (Faraday House Electrical Engineering College), где он получил диплом. В 1951 г. он начал работать в компании EMI ("Электрикал энд мьюзикал инструменте лимитед"), эта компания проводила исследования в области электроники для коммерческого использования. Когда Хаунсфилд служил в ВВС его внимание привлекла электронно-вычислительная техника, в это время он стал особенно заинтересован в компьютерах, которые были тогда в зачаточном состоянии. Так же Годфри любил играть на фортепиано. В 1958 группа специалистов сконструировала первую в Британии стационарную транзисторную электронно-вычислительную машину, одним из специалистов был Хаунсфилд. Ранние транзисторные ЭВМ не имели особых преимуществ по сравнению с ламповыми. Хаунсфилд увеличил скорость их работы и мощность за счет системы, основанной на управлении транзисторами с помощью магнитных полей. Таким образом, Хаунсфилд ещё в детстве проявил способности к технике и интерес к точным наукам. Его искренняя заинтересованность в процессе позволяла ему реализовать на практике метод компьютерной томографии.

В начале 60-х гг. Хаунсфилд работал над разработкой тонкопленочной технологии с целью увеличения объема памяти компьютеров EMI,но она оказалась не рентабельна и проект закрыли. Хаунсфилд также участвовал в создании компьютерных программ в области идентификации. Данные опыты привели его к мысли разработать компьютер, который бы мог определять степень поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. В 1967 Годфри начал работу над созданием компьютерного томографа. В 1972 г. получил должность руководителя отдела медицинских систем в EMI, а с 1976 г. ведущим научным сотрудником этой компании. С 1978 г. Годфри становится членом научного общества в Манчестерском университете. В 1979 получил Нобелевскую премию. Так же Годфри был отмечен премией Мак-Роберта общества инженеров в 1972, в 1974 ему вручили премию Баркла Британского института радиологии, а через год премию Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования, ещё годом позже медалью и премией Даддела Института физики. также Годфри Хаунсфилд получил премию Гарднеровского международного общества. Хаунсфилд получил степень почетного доктора Базельского и Лондонского университетов. По мимо этого он является почётным членом Королевского колледжа врачей и Королевского колледжа радиологов. А в 1981 он был посвящён в рыцари. Вклад Годфри Хаунсфилда в развитие компьютерной томографии сложно переоценить, ведь он заложил фундамент для развития этого вида диагностики.

Медицинская радиология как наука возникает в конце XIX в, когда Вильгельм Рентген открыл лучи, названные им Х-лучами. С их помощью он смог получить первый рентгеновский снимок. На этом снимке было изображение кисти руки его жены. Метод Вильгельма Рентгена заключался в следующем: рентгеновские лучи возникают как следствие торможения электронов, электроны тормозятся, попадая на металлическую пластину (металлический катод), потерянная кинетическая энергия электронов переходит в энергию высокочастотного излучения с высокой проникающей способностью. При обычном рентгенологическом снимке рентгеновские лучи проходят через исследуемую часть тела и попадают на рентгеновскую пленку. Кости поглощают больше энергии рентгеновских лучей, чем мягкие ткани, менее плотные, кости выглядят на проявленной пленке как светлые участки, называемые тенями. Мягкие ткани, накрадывающиеся друг на друга, очерчиваются плохо. Таким образом отличить нормальную мягкую ткань от изменившейся ткани (например, опухоль) при обычной рентгенографии невозможно. Было необходимо получить послойное изображение тканей. Томография (от греч. сечение) - получение послойного изображения внутренней структуры объекта. Компьютерная томография - метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения предмета. Таким образом, открытие Рентгена дало значительный толчок совершенствованию медицины и являлось чуть ли не чудом своего времени. Уже при жизни Рентгена существовала эффективная диагностика с помощью X-лучей.

У современной томографии были предшественники. Один из методов назывался анатомическая топография, который был предложение Н.И. Пироговым. При использовании этого метода замораживали трупы и нарезали их на тонкие ломтики. Пирогов издал атлас "Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведёнными через замороженное тело человека в трёх направлениях". Этот метод позволял увидеть человека изнутри. Изображения из атласа очень похожи на те, которые дают современные томографы. Хотя до изобретения современного томографа было ещё далеко. анатомическая топография заложила основы методологии томографии. компьютерный томограф хаунсфилд

Первые математические алгоритмы для КТ разработал австрийский математик Иоган Карл Август Радон в 1917 году. Преобразование Радона - интегральное преобразование функции многих переменных. Важнейшее свойство преобразования Радона это обратимость, то есть возможность восстанавливать исходную функцию по её преобразованию Радона. Физической основой данного метода является экспоненциальный закон ослабления излучения, который справедлив для чисто поглощающих сред. В рентгеновском диапазоне излучения экспоненциальный закон выполняется с высокой степенью точности, поэтому разработанные математические алгоритмы были впервые применены именно для рентгеновской компьютерной томографии.

Сама идея создания современной компьютерной томографии принадлежит американскому невропатологу Уильяму Генри Олдендорфу. Он родился в штате Нью-Йорк, окончил Колледже Союза в Скенектади, Нью-Йорк, в 1947 году он получил медицинскую степень. В 1956 он присоединился к Калифорнийском университете, Лос-Анджелес. Ему в голову пришла идея "просмотра головы через переданный луч рентгена". Так же ему принадлежит идея использования математики для расчёта в компьютерной томографии. Его идея так же привела к созданию МРТ. Хотя У. Олдендорф не был удостоен Нобелевской премии, в честь него ежегодно выдаётся премия Одендорфа.

Алан Маклеод Кормак - физик родился 23 февраля 1924 года в Йоханнесбурге (ЮАР). Окончив школу Алан поступил в Кейптаунский университет для изучения электротехники. Через два года Аллан решил, что ему больше интересна физика, и в 1944 году он получил степень бакалавра, а в следующем году степень магистра. В 1956 работал в госпитале Гроте-Шур в области медицинской физики. Кормак наблюдал за использованием радиоизотопов и занимался калибровкой специальных пластинок, по которым можно судить о дозе радиации, которую получает персонал госпиталя. И именно эти наблюдения за лучевым лечением больных с различными злокачественными опухолями постепенно привели его к той работе, за которую он и получил Нобелевскую премию. Кормак понял, что для расчета дозы облучения для лечения опухолей, нужно точно знать, сколько рентгеновских лучей поглощают различные ткани тела. В конце 50-х им был разработан математический метод для определения поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. Его метод основывался на измерениях поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различным углом, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Поскольку пучок зондировал определенный участок с многих точек, полученная информация отображала особенности поглощения каждой отдельной части этого участка. При обычном рентгеновском исследовании определяется лишь суммарное поглощение луча, достигающего пленки, а изображение мягких тканей при этом накладываются друг на друга. Метод Кормака позволил воссоздать изображение внутренних деталей строения. Работа Кормака хотя была опубликована, но внимания научной общественности не привлекла. Метод Кармака оставался примитивным лабораторным способом изучения скорее моделированных ситуаций, нежели биологических тканей. Так же ещё не были созданы компьютеры, способные выполнять большое число математических операций в секунду и анализировать полученные результаты. В связи с этим. Его метом был очень трудным и требовал много времени. Рентгеновское изображение, состоящее из отдельных тонких срезов, называется в настоящее время томограммой (от греч. tomos, что означает "срез"), а методика в целом получила название компьютерной томографии. Алан Кормак разработал математические методы для анализа данных, получаемых при рентгеновских измерениях, и продолжал совершенствовать эти методы в течение нескольких лет. Хотя его работа была революционной, но не смогла быть реализована по причине отсутствия компьютеров с нужным быстродействием.

В 1967 г. Хаунсфилд независимо от Кормака начал работать над своей КАТ-системой, начав с гамма-лучей он разработал схему похожую на схему Кормака. Годфри использовал гамма-излучение кобальта-60, он собирал лучи в тонкий линейный пучок и пропускал через муляж человеческого тела. В качестве детектора он использовал счетчик Гейгера - прибор для измерения радиоактивности, расположенный сзади муляжа. Это был муляж из концентрических алюминиевых цилиндров, которые были заключены в деревянную оболочку. Позже, в Медфорде, он повторил эксперименты на более сложном муляже. Данный муляж состоял из алюминиевой оболочки, представлявшей череп, внутри нее находилась пластмасса, соответствующая мягким тканям - мозгу, и плюс два алюминиевых диска, так называемые опухоли. И эксперименты вновь увенчались успехом. Годфри разработал иную математическую модель и использовал большой компьютер для обработки данных. Благодаря инженерному складу Годфри Хаунсфилд ума внедрил томографический метод исследования в практику. Из-за низкоинтенсивного источника гамма-лучей, требующего длительных экспозиций время для сканирования составляло 9 дней. Мощная рентгеновская трубка снизила время до 9 часов. Удачные изображения были получены при обследовании головного мозга человека, головного мозга живого теленка и области почек свиньи. Контрастность полученных снимков была весьма четкой и позволяла оценить ткани головного мозга и других органов. Но не было уверенности, что можно будет отличить здоровые ткани от больных. Для этого в 1971 г. в госпитале Аткинсона Морли в Уимблдоне был сконструирован первый клинический компьютерный томограф, и началось исследование больных, которые страдали опухолями, а также другими заболеваниями головного мозга. В 1972 г. была сделана первая сканограмма головного мозга женщины с подозрением на его поражение, и полученное изображение отчетливо показало наличие темной округлой кисты. Постепенно были смонтированы более крупные и быстрые сканеры, которые уменьшили время сканирования. В апреле 1972 года ЕМI объявило о начале производства первого коммерческого компьютерного томографа - ЕМIСТ-1000. Его первые клинические испытания сразу же показали, что компьютерная томография - значительный шаг вперед по сравнению с другими методиками, позволяющими получить рентгеновские изображения тканей человека. Успех Хаунсфида был достигнут благодаря междисциплинарному сочетанию физики, медицины, математики и компьютерной техники.

Для визуальной и количественной оценки плотности структур, визуализируемых методом компьютерной томографии, используют шкалу ослабления рентгеновского излучения, которую иначе называют шкала Хаунстфилда. Диапазон единиц шкалы составляет от ?1024 до +3071, т. е. 4096 чисел ослабления. За ноль в шкале Хаунсфилда принимают плотность дистиллированной воды, -1000 плотность воздуха, поэтому на томограмме воздух это всегда абсолютно чёрный цвет.

Хаунсфилд описал создание компьютерных томографов в сборнике ежегодных конференций Британского института в Лондоне и в декабре 1973 г. написал статью "Компьютеризированное поперечное аксиальное сканирование: томография" ("Computerized Fransverse Axial Scanning: tomography"), в которой приводились результаты клинических исследований с помощью первого серийного сканера EMIСТ- 1000. Сразу стало очевидно, что применение компьютерной томографии представляет значительный прогресс по сравнению с использованием других методов получения изображений биологических тканей. Данный метод исследования позволял получить детали строения мягких тканей, ранее недоступных для исследования. Он позволял с большей точностью выявлять такие изменения, как опухоли, и давал возможность точно измерить поглощение рентгеновских лучей различными тканями, что оказалось полезным для использования при диагностике и лечении. Годфри Хаунсфилд подсчитал, что КАТ-сканирование в сотни раз эффективнее по сравнению с обычным рентгеновским исследованием, поскольку данный метод использует всю полученную информацию, а обычное рентгенологическое исследование только 1% от неё. Так же сканер более чувствителен и требует меньше энергии рентгеновских лучей на один кадр, чем стандартная рентгенологическая аппаратура, хотя суммарное облучение у них приблизительно одинаково, поскольку сканирование требует многократной экспозиции. Время доказало эффективность компьютерной томографии перед другими диагностическими методами.

Промышленный КАТ-сканер состоит из источника рентгеновских лучей, сканирующего устройства, содержащего рентгеновскую трубку, детектора, компьютера для обработки данных, терминала и принтера для записи просчитанных изображений. Сканирующее устройство перемещается вокруг головы или тела, производя до миллиона отдельных измерений ослабления пучка под разными углами. Из этого колоссального объема информации компьютер воссоздает поперечные срезы исследуемых частей тела. В течении процедуры пациент перемещается вдоль продольной оси рамы сканирующего устройства. В результате обработки серии следующих друг за другом поперечных срезов реконструируется пространственное изображение органов. Разумеется, первоначальные компьютерные томографы претерпели значительные изменения по сравнению с современными томографами.

Аппараты I поколения включали в себя кристаллический детектор с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и связанную с ним трубку. Трубка сначала совершая поступальное, а затем возвратное движение при неприрывном включении рентгеновского излучения. При данном устройстве можно было получить томограммуза 4-20 минут. Томографы первого поколения применялись для мозга. Это объяснялось небольшим диаметром зоны томографии до 24см и большим временем исследования. В 1974 г. были выпущены компьютерные томографы, которые имели несколько детекторов. Поступательное движение совершалось быстрее, чем у аппаратов первого поколения, после него трубка с детекторами делала поворот на 3-10о. Это уменьшало лучевую нагрузку на пациента, улучшало качество получаемого изображения и уменьшало время исследования. Время получения одной томограммы составляло от 20 до 60секунд. Это ограничивало применение томографов II поколения для исследования всего тела ввиду неизбежных артефактов, являющихся следствием произвольных и непроизвольных движений. В 1976-1977 гг. были разработаны компьютерные томографы III поколения. Их главное отличие от предыдущих моделей состоит в отсутствии поступательного движения системы трубка-детекторы, увеличение диаметра зоны исследования до 70 см и первичная матрица компьютера. Данные изменения позволили сократить время исследования до 3-5сек при обороте системы трубка-детекторы на 360о. Повышение качества изображения позволило производить исследование внутренних органов. В 1979 г. некоторые фирмы начали выпуск аппаратов IV поколения. В данных аппаратах подвижна только рентгеновская рубка, детекторы (1100-1200 штук) остаются неподвижными, они расположены по кольцу. Эти изменения привели к сокращению времени до 1-1,5 при повороте трубки на 360о. Данные изменения и сбор информации под разными углами увеличивает объем получаемых данных и уменьшает время исследования. В 1986 г. произошел значительный скачок в развитии аппаратостроения рентгеновской компьютерной томографии. Фирма "Иматрон" выпустила компьютерный томограф V поколения. Данный аппарат работает в реальном масштабе времени. Он включает в себя 200 источников и 5000 приемников рентгеновского света. Время получения одного изображения составляет 5 млсек. С 1986 г. определилось направление по выпуску "дешевых" компактных систем для поликлиник и небольших больниц. Обладая некоторыми ограничениями, связанными с числом детекторов или временем и объемом собираемой информации, аппараты такого типа позволяют выполнять 75-95% (в зависимости от вида органа) исследований, доступных "большим" компьютерным томографам. Развитие томографов шло по пути улучшения качества изображения, сокращения дозы получаемого облучения, времени экспозиции, а так же времени обработки информации. Все эти изменения позволили внедрить компьютерную томографию повсеместно и сделать её более доступной.

Годфри Хаунсфилду и Алану Кормаку была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1979 г. "за развитие компьютерной томографии". В последующие годы Годфри Хаунсфилд работал в направлении совершенствования технологии компьютерной томографии. До конца своих дней Годфри Ньюболд Хаунфилд оставался холост. Годфри умер 12 августа 2001 года.

Таким образом, исходя из всего вышесказанного, можно сказать, что личность Годфри Хаунсфилда сыграло одну из ключевых ролей в создании компьютерной томографии. Именно его детские увлечения, в конечном счёте, привели его к развитию данного метода диагностики. Хаунсфилд смог реализовать свой метод диагностики благодаря тому, что в 1958 году работал в группе, создавшей первую в Британии электронно-вычислительную машину, ведь без этого невозможно было бы произвести расчёты, необходимые для проведения исследования. Следует сказать, что господин Хаунсфилд заложил базовую идею современной компьютерной томографии, но так же не стоит забывать о вкладе других учёных в развитие данного метода диагностики. Без открытия Рентгена создание этого метода исследования было бы не возможно в принципе. Именно идея, конечно, принадлежит В. Олдендорфу. Саму идеологию послойного рассмотрения человеческого тела заложил отечественный хирург Николай Иванович Пирогов. И конечно, математические алгоритмы для КТ были разработаны австрийцем Иоганом Радоном. Хотя и Хаунсфилд, и Олдердорф, и Кормак независимо друг от друга пришли к использованию рентгеновских лучей для послойного рассмотрения тела человека и использованию математических расчётов для диагностики, именно Годфри Хаунсфилд смог воплотить эту идею в жизнь. Изобретение компьютерной томографии с обработкой получаемой информации на электронно-вычислительной машине произвело колоссальный переворот в области получения изображения в медицине. Приведенные факты с придельной наглядностью демонстрируют прогрессивность внедрения в практику компьютерной томографии, которая вывела диагностику в медицине на новый уровень. Изображение, полученное с помощью компьютерного томографа, имеет целый ряд преимуществ, включая возможность его реконструкции в нужной проекции, способность к передаче низкоконтрастных объектов. Ведь именно быстрая, а главное точная диагностика определяет успешность предстоящего лечения. Проделав данную работу, я ознакомилась с личностью Годфри Хаунсфилда, его вкладом в компьютерную томографию, а так изучила развитие КТ и вклад многих учёных в создание данного диагностического метода.

Список использованной литературы

1. http://www.nobelprize.org (http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1979/hounsfield-bio.html)

2. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.- М.: Прогресс

3. Вайнберг Э.И. Промышленная рентгеновская вычислительная томография

4. И.С. Грузман Математические задачи компьютерной томографии.

5. Архив истории математики Мактьютор

6) ru.knowledgr.com (http://ru.knowledgr.com/04107144/ВильгельмХОлдендорф)

Размещено на Allbest.ru