Наука - практике

Как физики совершали прорывы
в методах медицинской диагностики

Сегодня медицина активно использует знания, накопленные в течение сотен лет в физике. В мире множество физиков занимается разработкой методов, технологий для медицины. Другие работают в учреждениях здравоохранения, управляясь со сложной техникой: ускорителями частиц, установками КТ, МРТ, ПЭТ и т.д. Их называют медицинскими физиками, а область науки, в которой они работают, - медицинской физикой. Это раздел прикладной физики, который использует физические принципы, методы и приемы на практике и в исследованиях для профилактики, диагностики и лечения заболеваний с целью улучшения здоровья и благополучия человека. О зарождении и развитии этих методов, об их многообразии в современном мире мы поговорили с научным сотрудником ЛЯП Владиславом РОЖКОВЫМ.

Открытие рентгеновских лучей. Начало новой эпохи

На пути формирования и развития физика и медицина шли рядом друг с другом. И большое число открытий в области физики ученые практически сразу начинали применять в медицине. На рубеже ХIХ-ХХ веков в науке произошла революция: ученые проникли внутрь атома, а затем и ядра. В двадцатом веке физики и медики добились целого ряда ярких достижений.

"Еще в 1887 году Никола Тесла экспериментировал с различными типами излучения, - отметил Владислав Рожков. - Он фиксировал видимый свет, ультрафиолетовое излучение и особые лучи, способные проникать сквозь предметы. И только с открытием Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-излучения в 1895 году Тесла понял, с чем имел дело. Впоследствии он даже усовершенствовал рентгеновскую трубку и написал несколько научных публикаций о природе этого излучения. Буквально через несколько месяцев после опубликования Рентгеном его научной работы рентгеновские аппараты активно использовались в медицине".

Так, с начала века рентгеновские лучи, за открытие которых Рентген в 1901 году получил Нобелевскую премию по физике, стали неотъемлемой частью любого медицинского учреждения, позволили заглянуть внутрь человека, буквально "увидеть" его кости. Это стало началом новой эпохи. Особенно заинтересовались Х-лучами военные хирурги, и Россия в этом смысле не отставала от Европы.

"Военный министр Петр Сергеевич Ванновский даже распорядился выделить 5 тысяч рублей, на которые Военно-медицинская академия приобрела в Германии два рентгеновских аппарата и расходные материалы к ним - фотопластинки и химикаты. В 1897 году русские врачи с успехом использовали рентген на греко-турецкой войне. Благодаря Александру Попову появились рентгеновские аппараты и на военно-морском флоте. На крейсере "Аврора" был рент­геновский кабинет, где оказывалась помощь морякам, пострадавшим от пулевых и осколочных ранений", - рассказал ученый.

Радиотерапия и радиоактивность

Чикагский студент-медик Эмиль Груббе - это человек, благодаря которому люди задумались о том, что рентгеновское излучение влияет на биологические объекты. Именно с него начинается радиотерапия: Груббе разработал схему, до сих пор не изменившуюся и применяющуюся во всех рентгеновских терапевтических кабинетах, когда пациент с источником находится в одной комнате, а "экран" - в другой, где врач не получает дозу. 27 января 1896 года родилась идея радиотерапии, а уже через два дня был проведен первый радиотерапевтический сеанс.

На стыке ХIХ-ХХ веков появилось и понятие радиоактивности. Французский физик Анри Беккерель обратил внимание, что соли урана, которые он изучал с супругами Кюри, оставляют следы на коже. Существует история, что однажды Анри, уезжая из лаборатории, прихватил с собой кусочек радиоактивной руды и положил его в нагрудный карман, затем забыл про него, проходил с ним около недели. На груди на этом месте появились язвы, и тогда ученый сделал определенные выводы. Его открытие послужило отправной точкой для развития ядерной физики, а впоследствии и ядерной медицины и лучевой терапии.

Возникновение различных побочных эффектов от действия радиации у специалистов, работавших с ней, натолкнуло их на мысль о необходимости защиты. Врачи поняли опасность радиационного излучения и стали надевать специальные прорезиненные освинцованные скафандры.

"Несмотря на это, радию еще долгие годы приписывали чудодейственные свойства, на его радиоактивность "закрывали глаза", - говорит Владислав Рожков. - Некоторые бизнесмены того времени решили использовать его, чтобы обогатиться. Они, например, помещали маленький кусочек радия в контейнер с водой и говорили, что вода очищается, наполняется лучистой энергией. Такие ревигаторы - фильтры с водой - продавали чуть ли не до 60-х. Первое время организм человека действительно получал заряд бодрости от такого напитка, потому что все силы и ресурсы его направлялись на то, чтобы вывести радиоактивное вещество из организма".

Просвечивали рентгеновскими лучами также воду, сахар, кофе. Считалось, что это оздоровляет продукты. Однако на самом деле рентгеновское излучение лишь дезинфицировало их. Продавались и облученные шарики для гольфа. Верили, что обладатель таких шариков будет забивать девять раз из десяти.

Создание ускорителей и наработка изотопов. Зарождение ядерной медицины

27 февраля 1932 года английский физик-экспериментатор Джеймс Чедвик открыл нейтрон - элементарную частицу, не имеющую электрического заряда. За свое открытие в 1935 году Чедвик получил Нобелевскую премию по физике. Нейтрон был открыт последним из трех фундаментальных частиц, которые составляют атом (электрон, протон, нейтрон). Его открытие указало на существование в природе нового типа сил - ядерных.

В 1930-е годы зарождаются идеи и создается множество физических разработок, превратившихся впоследствии в ядерно-физические технологии в медицине. На сложных физических установках - ускорителях элементарных частиц - получают пучки электронов, протонов, высокоэнергетичес­ких фотонов для лечения злокачественных новообразований. В конце 1920-х - начале 1930 х годов были построены первые ускорители заряженных частиц.

В 1928 году запатентован первый линейный ускоритель. Линейные ускорители позволяют достичь больших скоростей легких заряженных частиц (преимущественно электронов). Благодаря им можно облучать вещество, нарабатывать изотопы, проверять материалы на радиостойкость. В медицине линейные ускорители широко используются как основной элемент (источник рентгеновского, электронного, протонного излучения) аппаратов для радиотерапии и радиохирургии.

Достижения физики ускорителей создали фундамент для более широкого применения радиоактивных изотопов. В начале тридцатых годов Эрнестом Лоуренсом был построен резонансный кольцевой ускоритель - циклотрон. Именно на циклотронах было открыто большинство искусственных радиоактивных изотопов, нашедших применение в ядерной медицине и лучевой терапии. Время начала поставок изотопов, относящееся к 1946 году, считается датой зарождения современной ядерной медицины, использующей для диагностики и терапии радиоактивные излучения изотопов.

"В отечественной практике возможность выполнения исследований с радиоактивными изотопами обеспечивались благодаря введению в строй в 1937, 1944, 1947 годах первых циклотронов и в 1946 году первого в стране ядерного реактора. С 1948 года стал осуществляться регулярный выпуск радиоактивных изотопов для научных и медицинских целей: натрия, калия, фосфора, йода, водорода, хрома, железа и других", - подчеркнул ученый.

Методы радиоизотопной диагностики: гамма-камера, ОФЭКТ, ПЭТ

Помимо этого, в диагностике стали развивать методы получения изображений органов человека с помощью радиофарм­препаратов. В 1958 году Холл Ангер создал гамма-камеру - прибор для получения двумерного изображения распределения гамма-источников в исследуемом объекте. Наличие коллиматоров в структуре гамма-камеры позволяет использовать для реконструкции изображения только гамма-кванты выделенного направления, что в свою очередь помогает определить положение источника излучения в пространстве. Сегодня метод активно используется в исследованиях щитовидной, поджелудочной желез и мелких лабораторных животных.

Развитие этих методов диагностики с использованием компьютерной техники в режиме реального времени легло в основу однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). В ОФЭКТ для получения изображения используется радионуклид, испускающий гамма-кванты. Радионуклид входит в состав радиофарм­препарата, который накапливается в различных органах и тканях пациента. ОФЭКТ сегодня - это система, состоящая из нескольких вращающихся вокруг пациента гамма-камер и стола, перемещающегося в горизонтальной плоскости. Сегодня ОФЭКТ является одним из лучших радиоизотопных методов исследования и чаще всего применяется для прицельного анализа какого-либо отдельного органа.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), как и ОФЭКТ, является методом радиоизотопной диагностики, позволяющим получать информацию о функционировании выбранного органа или всего тела. Однако для ПЭТ используют изотопы, испускающие не гамма-кванты, а позитроны - элементарные частицы, равные по массе электрону и заряженные положительно.

ПЭТ состоит из неподвижного кольца детекторов и подвижного стола, на котором размещается пациент. Радиоизотоп в составе радиофармпрепарата вводится пациенту внутривенно, после чего он циркулирует в крови и достигает исследуемого органа. Когда испущенный позитрон встречается с электроном среды, в которой он находится, происходит аннигиляция, то есть частицы превращаются в два гамма-кванта, разлетающихся в противоположных направлениях. Так как они достигают детекторов одновременно, можно определить линию, на которой произошла аннигиляция. Множество этих линий позволяют выявить, где накапливается радиоизотоп.

"Это прекрасный метод для диагностики онкологических заболеваний на ранних стадиях, - отмечает Владислав Рожков. - Пациенту вводят радиофарм­препарат на основе молекулы глюкозы, в которой один из атомов заменен на радиоактивный фтор. Кроме мозга, активно потребляющего глюкозу, высокое потребление этой молекулы характерно и для опухолевых клеток. И по местам накопления препарата можно судить о наличии онкозаболевания".

КТ и МРТ - прорыв в методах диагностики и визуализации

Первый компьютерный томограф был сконструирован в 1969 году английским инженером-физиком Годфри Хаунсфилдом, работающим в звукозаписывающей студии "Эми", где были записаны большинство альбомов группы "Битлз". Он предложил разработать аппарат, который мог бы создавать трехмерные изображения мозга с помощью рентгеновских лучей, и компания одобрила проект. Хаунсфилд понял, что множество проекций, соединенных друг с другом, могут образовать объемное изображение. И это дает возможность точно установить локализацию и распространенность патологического процесса.

Ранние прототипы были испытаны на мозге человека - первой пациентке подтвердили опухоль мозга, которую затем успешно удалили. Результаты сканирования произвели революцию в медицинской визуализации и диагностических процедурах. Новый метод быстро вытеснил болезненные и опасные, иногда бесполезные процедуры. Совместная работа Хаунсфилда и Аллана Кормака - математика из ЮАР - была удостоена Нобелевской премии в 1979 году.

В 1944 году было открыто явление электронного парамагнитного резонанса, в 1946 м - явление ядерного магнитного резонанса, а в 1973-м - создан магнитно-резонансный томограф.

"Суть этого явления состоит в том, что ядра некоторых атомов при помещении их в магнитное поле способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия радиочас­тотного импульса. При этом напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу, что и называется ядерным магнитным резонансом", - поясняет Владислав Рожков.

Магнитом создается в томографе магнитное поле. Его делают трехмерным градиентные катушки, внутри которых находится радиочастотная катушка, которая испускает и принимает радиочастотные импульсы от ядер исследуемого объекта. Современные МРТ позволяют получить трехмерную "карту" распределения ядер водорода, присутствующих в теле человека, хорошо отображают мягкие ткани, в отличие от КТ, визуализирующего лучше костные структуры.

"В современной медицине все чаще используются комбинированные методы, например ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ, КТ/МРТ и другие сочетания: накладывается одно изображение на другое и получается более полная картина. Такие системы называют мультимодальными. Их очень сложно модернизировать и сделать лучше, признается ученый. Однако наука идет по пути улучшения детекторов, которые в обозримом будущем смогут регистрировать не только координаты взаимодействия, но еще и зарегистрированную энергию этого излучения. К тому же достаточно сильно могут измениться методы и алгоритмы реконструкции и анализа полученных изображений. Большое значение здесь придается машинному обучению", - отмечает он.

Ксения МОРУНОВА