Великие открытия в медицине которые помогли «заглянуть внутрь» человека

Заглянуть «внутрь» пациента и получить изображение внутренних органов и тканей человека «прижизненно» ученые и медики мечтали давно. Но только в конце 19 века, после появления рентгеновского аппарата, удалось сделать значительный шаг в области медицинской визуализации. Впоследствии наука продвигалась вперед очень быстро, и сейчас в человеческом теле не осталось почти ни одного «потаенного уголка».

Изображения, полученные методом рентгеновской компьютерной томографии, имеют свои аналоги в истории исследования анатомии.

В частности, русский ученый Николай Иванович Пирогов разработал новый метод изучения взаиморасположения органов оперирующими хирургами, получивший название топографической анатомии.

Пирогов ввел в анатомию новый метод исследования — последовательные распилы замороженных трупов («ледяная анатомия») и на основании этого метода написал «Полный курс прикладной анатомии человеческого тела» (1843-1848) и атлас «Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведенными через замороженное тело человека в трех направлениях» (1851-1859). Это были первые руководства потопографической анатомии.

Сутью метода было изучение замороженных трупов, послойно разрезанных в различных анатомических плоскостях («анатомическая томография»). Фактически, изображения в атласе предвосхищали появление подобных изображений, полученных лучевыми томографическими методами исследования.

В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только во второй половине 20 века. Но этому событию предшествовало большое количество исследований и изобретений, которые были сделаны в таких отраслях науки, как физика, математика, материаловедение, электроника, биология.

Ещё Леонардо Да Винчи в 15 веке использовал трубку, погруженную в воду, для определения движения и скорости встречи с вражескими кораблями на море. Несколько веков спустя, в 19 столетии, исследования свойств высокочастотных звуковых волн начали проводить швейцарские и английские ученые.

Самым значимым для современной ультразвуковой техники стало открытие в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри пьезоэлектрического эффекта. Именно пьезоэлектрики стали впоследствии основой современного медицинского ультразвукового оборудования.

Постепенно происходило развитие и усовершенствование ультразвуковой техники. Гибель «Титаника» стала толчком для создания гидролокационного оборудования — с его помощью стало возможным обнаружение айсбергов. Затем ультразвук использовали для подводной передачи сигналов и навигации подводных лодок в Первой мировой войне. Также ультразвук широко применялся в дефектоскопии для обнаружения изъянов в металлических деталях, например, железнодорожном рельсе и др.

Основные принципы работы медицинских ультразвуковых сканеров были заимствованы у гидролокаторов и дефектоскопов, которые применяли корабельные и авиационные заводы

Основателем диагностического УЗИ считается австрийский невролог, психиатр Карл Теодор Дуссик, впервые применивший ультразвук с диагностической целью в 1937 году.

Английский хирург Джон Джулиан Уайлд в 1950 г. начал исследование возможности применения УЗ дня диагностики хирургической патологии — кишечной непроходимости. Работая в США, Уайлд разработан устройство, которое использовалось для сканирования у пациентов рака груди и также разработал трансректальный и трансвлагалищный датчики.

Год спустя американский радиолог Дуглас Хаури с коллегами разработал УЗ-сканер с полукруглой кюветой, имеющей окно. Пациента пристегивали ремнем к пластмассовому окну, и он должен был оставаться неподвижным в течение длительного времени исследования. Аппарат назывался «сомаскоп», он сканировал органы брюшной полости.

Этими же исследователями в 1957 году был разработан кюветный сканер. Пациент сидел в видоизмененном стоматологическом кресле и был закреплен напротив пластмассового окна полукруглой кюветы, заполненной солевым раствором. В 1963 г. в США был разработан первый контактный сканер, управляемый рукой. Это было началом этапа формирования наиболее популярных статических УЗ-аппаратов в медицине.

История ренгенографии как метода исследования начинается в 1895 году, когда Вильгельм Конрад Рентген впервые зарегистрировал затемнение фотопластинки под действием рентгеновского излучения. Им же было обнаружено, что при прохождении рентгеновских лучей через ткани кисти на фотопластинке формируется изображение костного скелета. Это открытие стало первым в мире методом медицинской визуализации. До этого нельзя было прижизненно, неинвазивно получить изображение органов и тканей.

Рентгенография очень быстро распространилась по всему миру. В 1896 году в России был сделан первый рентгеновский снимок, а в 1918 году была создана первая рентгенологическая клиника. В настоящее время рентгенография остается основным методом диагностики поражений костно-суставной системы. Важную роль играет при обследовании легких, особенно в качестве скринингового метода.

Первые математические алгоритмы, которые впоследствии были использованы в компьютерной томографии (КТ), были разработаны в 1917 году австрийским математиком Иоганном Радоном. Физической основой метода КТ 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.

В 1963 году американский физик Алан Кормак повторно (но отличным от Радона способом) решил задачу томографического восстановления, а в 1969 году английский инженер-физик Годфри Хаунсфилд сконструировал «ЭМИ-сканер» — первый компьютерный рентгеновский томограф. Первая вполне качественная томограмма головного мозга человека получена в 1972 году. В 1979 году «за разработку компьютерной томографии» Кормак и Хаунсфилд были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

К 1979 году серийно выпускаемые многими западными фирмами томографы, несмотря на их внушительную стоимость (сканер EMI стоил $390000), работали уже более чем в 2000 клиниках мира.

В этом же 1979 году Г. Хаунсфилду и А. Кормаку за выдающийся вклад в развитие КТ была присуждена Нобелевская премия в области медицины. Еще через три года, в 1982 г., Нобелевской премии по химии был удостоен известный английский микробиолог Арон Клуг, который внес значительный вклад в развитие экспериментальных и расчетных методов трехмерной КТ.

В истории компьютерной томографии завершается уже третье десятилетие, но этот метод продолжает динамично развиваться. С появлением спиральной компьютерной томографии стали очевидными значительный прогресс и большое количество новых диагностических возможностей.

В 1946 году Феликс Блох из Стенфордского университета и Эдвард Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса. В дальнейшем изучение этого явления было продолжено, и в 1973 году 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 метода магнитной резонансной томографии (МРТ). Позже доктор Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. 

В создание магнитно-резонансной томографии серьёзный вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ-сканера.

Спор о том, кто какую роль играл в развитии МРТ, продолжался в течение многих лет до объявления получателей Нобелевской премии. Лотербур и Мэнсфилд были удостоены Нобелевской премии за 2003 год в области физиологии и медицины за решающий вклад в изобретение и развитие метода магнитной резонансной томографии. Дамадьян получателем премии не был объявлен, хотя Нобелевские правила позволяют делить премию на трёх или менее человек. В 2002-ом Дамадьян заявил: «Если бы я не родился, то МРТ существовала бы? Я так не думаю. А если бы не было Лотербура? Я бы рано или поздно докопался до сути дела!» Спор завершился только со смертью Лотербура.

Основываясь на работах основателей метода, в 1975 году Ричард Эрнст предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования. Этот метод используется в МРТ в настоящее время. В 1980 году Эдельштейн с сотрудниками, используя этот метод, продемонстрировали отображение человеческого тела. Для получения одного изображения требовалось приблизительно 5 минут. К 1986 году время отображения было снижено до 5 секунд без какой-либо значимой потери качества.

Первые томографы для исследования тела человека появились в клиниках в 1980-1981 годах, а сегодня томография стала целой областью медицины. По мнению многих ученых, именно появление КТ и МРТ послужило стимулом для невиданного прогресса современной медицины в последние годы.