100 великих чудес техники - Мусский Сергей Анатольевич - Страница 33

Когда подозрительный участок или орган освещается лазерным импульсом, спектральный отклик – своего рода оптическая подпись – раковой ткани заметно отличается от отклика нормальной ткани. Наиболее известным сегодня примером трехмерной визуализации может служить компьютерная томография.

Обычные методы, даже при очень хорошей рентгеновской трубке и сверхчувствительной фотопленке, дают нечеткое и сильно «зашумленное» изображение, к тому же только двумерное, так что правильно его интерпретировать – отдельная наука.

«Методы диагностики за последние годы сделали небывалый скачок, – рассказывает академик Терновой, – благодаря компьютерным технологиям. Около 20 лет назад создали рентгеновский компьютерный томограф – и стало возможным изучать структуру человеческого мозга, не вскрывая черепную коробку. А нынешняя аппаратура обладает такими свойствами, что можно непосредственно наблюдать, например, сокращающееся сердце. Поэтому традиционная, инвазивная диагностика ("инвазия" означает "проникновение") постепенно уходит в прошлое. Скажем, с помощью магнитно-резонансного томографа внутренние органы видны в действии даже без введения контрастных веществ, которые «очерчивают» их контуры.

…Принцип его действия основан на двух тривиальных фактах: во-первых, человеческое тело состоит главным образом из воды, причем ее молекулы образуют химические связи с белками и другими структурами, разными в разных тканях; во-вторых, молекула воды есть диполь. В организме эти диполи ориентированы, разумеется, как попало и к тому же вращаются. Но если ненадолго поместить человека в магнитное поле (довольно сильное, но не настолько, чтобы представлять опасность для здоровья), все молекулы воды поворачиваются «лицом» в направлении его силовых линий. Затем подают особую радиочастоту – она придает диполям дополнительную энергию и отклоняет их от заданной магнитным полем ориентации на тот или иной угол. Собственно, в том и все дело, что углы разные, их величина зависит от внутренней структуры органа или ткани, а также – что особенно важно – от наличия патологий.

Внешний радиоимпульс подается всего на какое-то мгновение, но его достаточно. Потом молекулы воды возвращаются в прежнее положение, опять выстраиваясь в магнитном поле. При этом они сбрасывают лишнюю энергию – ее регистрируют особые катушки (даже если она очень мала!). Полученные данные поступают в компьютер, там обрабатываются…»

В отличие от традиционных рентгеновских методов томография представляет собой объемную реконструкцию внутренних органов на основе числовых данных, являющихся характеристиками физических свойств тканей. На ЯМР-томографе можно получить, например, трехмерное изображение плода. Врач может рассматривать мельчайшие детали, как угодно преобразовывать изображение, его можно также легко сжимать, архивировать, передавать по каналам связи для участия в телеконсилиумах и т д.

При обследовании на рентгеновском томографе пациент ложится на стол таким образом, чтобы та часть тела, изображение которой требуется получить, находилась бы в пределах кругового отверстия в раме томографа. В верхней части рамы обычно располагаются рентгеновский источник и коллиматор – устройство, преобразующее расходящийся пучок лучей в тонкий направленный поток. В нижней части рамы находится линейка детекторов рентгеновского излучения, как бы заменяющая пленку. При необходимости врач может предварительно ввести в организм пациента химическое вещество, позволяющее улучшить визуальный контраст между исследуемым органом и окружающими тканями. Когда включается рентгеновский источник, тонкие, как карандаш, лучи просвечивают тело и данные, регистрируемые детектором, передаются в компьютер. По мере того как рама поворачивается вокруг пациента, этот процесс повторяется много раз, и каждый раз данные от детекторов, соответствующие набору разных положений, обрабатываются компьютером.

Благодаря математическому алгоритму, основанному на известном в классической интегральной геометрии преобразовании Радона, набор численных показаний детекторов превращается в картинку на экране. Томографическая установка, основанная на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томограф), обычно представляет собой трубу, содержащую длинный цилиндрический магнит, и обмотки, в которых возбуждается ток, соответствующий посылаемому и принимаемому радиочастотным сигналам. Строго говоря, магнитный резонанс – сугубо квантовое явление, и для его объяснения нужно привлекать стандартные квантово-механические понятия.

Суть явления в том, что сильное постоянное магнитное поле, создаваемое цилиндрическим магнитом, выстраивает хаотически ориентированные спины ядер атомов водорода в теле пациента вдоль единого направления, подобно тому как железные опилки выстраиваются вдоль невидимых линий поля вблизи магнита. Когда через камеру-трубу томографа проходит специально возбуждаемый – зондирующий – радиочастотный импульс, магнитное поле импульса, хотя и слабое, все же на какое-то время слегка отклоняет выстроившиеся спины от заданного направления, и они начинают колебаться, как говорят, прецессировать, вокруг направления сильного поля постоянного магнита, подобно закрученному волчку, который слегка подтолкнули. Ядра атомов при этом резонируют, то есть тоже испускают слабый радиосигнал, который можно зарегистрировать чувствительными детекторами. Когда же зондирующий радиочастотный импульс выключается, спины возвращаются в упорядоченное состояние и генерируемый ядрами сигнал затухает. По времени этого затухания и другим характеристикам сигнала, обрабатываемым компьютером, можно судить о химическом составе и биологических свойствах тканей. Для каждой точки изображения на экране собираются и усредняются данные от резонирующих водородных ядер (протонов) в исследуемом внутреннем органе, при этом каждому полученному значению присваивается свой цвет. В результате области с различной плотностью протонов и, соответственно, неоднородные по составу тканей оказываются отмеченными разными цветами.

В отличие от рентгеновского обследования ЯМР-метод абсолютно безвреден и гарантирует намного лучший контраст между разными типами тканей, что позволяет легко различать здоровые и пораженные участки. ЯМР-томография особенно успешно применяется при диагностике патологий центральной нервной системы и костно-мышечного аппарата, а также для распознавания опухолей на фоне здоровых тканей.

Однако ЯМР-томография завоевывает все новые позиции. Перспективный метод диагностики легких с помощью ЯМР-томографии, например, разработан в Германии. Он был представлен на выставке «Expo-2000» в Ганновере и заслужил высокую оценку специалистов и прессы.

Для диагноза легочных заболеваний немецкие медики ежегодно делают двадцать один миллион рентгеновских снимков. Однако эти снимки недостаточно контрастны, а рентгеновское излучение вредно для организма. Иное дело – ЯМР-томография.

При многих заболеваниях, протекающих с нарушением дыхания, таких, например, как астма или эмфизема, ЯМР-томограф дает недостаточно четкое изображение – из-за незначительной плотности легочной ткани. А столь важные для диагностики легкого вещества, как кислород и азот, вовсе не регистрирует. Поэтому исследователи пытаются улучшить снимки легкого тем, что вынуждают пациентов вдыхать безопасные газы в качестве контрастного вещества. Особенно перспективны поляризованные инертные газы. Испытания показали, что насыщение легкого ими позволяет получить отчетливое изображение. Лучшее в сравнении с водородом намагничивание поляризованных инертных газов облегчает работу томографа. Таким образом, медики могут не только диагностировать на ранней стадии астму, муковисцидоз и другие легочные заболевания, но и дополнительно проверить эффективность лечения.

В Германии основы нового метода заложили Эрнст Вильгельм Оттен и Вернер Гайль из Института физики при Университете в Майнце. Оттен и Гайль избрали для своих опытов в качестве контрастного средства гелий-3. На их взгляд, ксенон здесь не очень подходит, так как он всасывается кровью и оказывает наркотическое воздействие на пациентов.