28 августа 2019 года – 100 лет со дня рождения одного из разработчиков метода компьютерной томографии Годфри Ньюболда Хаунсфилда. Гениальный инженер, увлеченный радиотехник, с помощью рентгеновских лучей позволил врачам заглянуть внутрь человека, подробно рассмотреть структуры органов и создать единую систему, по которой рассчитывается плотность ткани.
Хаунсфилд родился в деревне Ноттингемшир в Великобритании и был младшим из пятерых детей. Семья жила на большой ферме, которую глава семейства купил после Первой мировой войны. Будущего изобретателя с детства интересовала механическая и электрическая техника, которая стояла в сарае на заднем дворе фермы: молотилки, машины для связки снопов сена, генераторы. Он стремился разобраться, как работает каждая деталь, что приводит их в движение и как это движение осуществляется. Применяя свои знания на практике, он сутками пропадал в сарае, проводя опыты и всякого рода испытания: изобретал электрические записывающие устройства, запускал себя в воздух на самодельном планере, устраивал взрывы с помощью воды и ацетилена.
«Период между моими одиннадцатым и восемнадцатым годами остается самым ярким в моей памяти, потому что это было время моих первых экспериментов, которые никогда бы не получилось сделать, живи я в городе. В деревне было множество развлечений, не ощущалось никакого давления со стороны братьев или сестер, и я легко мог проверить любую интересную идею, которая приходила мне на ум», – писал Хаунсфилд в своей автобиографии.
Из-за тяги Годфри ко всему техническому гуманитарные дисциплины давались ему крайне плохо. В отличие от физики с математикой, он не любил языки, историю, обществознание и прочее, что в Магнусской школе грамматики в Ньюарке так старательно пытались ему привить. Тем не менее, он все-таки научился аргументированно рассуждать, что впоследствии ему сильно пригодилось.
С началом Второй мировой войны Хаунсфилд пошел добровольцем-резервистом в Королевские военно-воздушные силы. В обществе широко обсуждались новинки военной отрасли, и это не могло не затронуть юношу, увлеченного техникой. Интерес к электронике позволил ему успешно сдать профессиональный тест, и его сразу же взяли инструктором в Королевский колледж науки в Южном Кенсингтоне и Крэнуэллскую школу радиолокации. В свое свободное время Годфри сдавал экзамены по радиосвязи, занимался созданием демонстрационного оборудования и крупноэкранного осциллографа в качестве вспомогательных средств обучения. Это не осталось незамеченным для лиц высокого ранга, которые присматривались к молодым и перспективным кадрам. Благодаря ходатайству вице-маршала Британской авиации Джона Реджинальда Кэссиди Хаунсфилд получил грант на обучение в электротехническом инженерном колледже Фарадея в Лондоне. Его особенность состояла в том, что тогда он был первым специализированным колледжем, обеспечивающим университетское образование еще до распространения инженерных факультетов. К тому же там впервые начали внедрять курсы, сочетающие в себе теоретическую базу с ее безотлагательным применением на практике.
Еще во время работы в британских ВВС Хаунсфилда привлекли электронные вычислительные механизмы, в том числе компьютеры. Поэтому, получив элитный диплом колледжа Фарадея, он в 1949 году подал резюме в компанию EMI (Electric and Musical Industries), куда его с большой охотой взяли. Компания в то время занималась исследованиями в области электроники для коммерческого использования. Некоторое время Годфри разрабатывал системы радиоуправления для оружия, руководил небольшой проектной лабораторией, но с середины 1950-х плотно приступил к созданию компьютера на основе транзисторов, которые сам же и усовершенствовал. Он внедрил в них магнитный сердечник, смог добиться, чтобы они управлялись магнитным полем, и таким образом увеличил скорость обработки информации в разы, что в итоге вылилось в первый полностью транзисторный и доступный для продажи компьютер EMIDEC 1100.
Техника развивалась стремительно, тем не менее Хаунсфилд решил оставить проект и на некоторое время пустить свои мысли в свободное плавание. Это оказалось верным решением, и в 1967 году к нему пришла идея об автоматическом распознавании образов, основанных на степени поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. В дальнейшем она вылилась в EMI-сканер и методику вычисления в томографии, и до 1976 года этот проект поглотил исследователя полностью.
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, путем непрерывного мониторинга, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Поскольку ткань зондировалась отовсюду, каждая исследуемая часть поглощала лучи индивидуально, без наслоений друг на друга и сливания в неразличимые пятна. При обычном рентгеновском исследовании определяется лишь суммарное поглощение луча, достигающего пленки, а изображения мягких тканей и костных структур при этом накладываются друг на друга. Метод Кормака же позволял воссоздать изображение внутренних деталей строения. Однако опубликованная Кормаком работа не вызвала у научной общественности большого интереса, 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.
Независимо от Кормака Хаунсфилд стал разрабатывать свой проект и придумал схожую систему, в которой тонкий линейный пучок гамма-излучения кобальта-60 пускался сквозь муляж тела и с противоположной стороны «отлавливался» счетчиком Гейгера. Первый муляж тела состоял лишь из алюминиевых цилиндров в деревянной коробке, а его усложненная версия головы – из алюминиевого «черепа» с пластиком в качестве мозга и алюминиевых дисков в качестве опухолей.
Эксперименты проходили крайне успешно. Разработанная инженером математическая модель была чуть проще, чем у Кормака и уже использовала большой компьютер для обработки данных. Усовершенствовали и рентгеновскую трубку: если раньше из-за низкоинтенсивного источника гамма-лучей, требующего длительных экспозиций, время сканирования составляло 9 дней, то в тот момент оно снизилось до 9 часов. Изображения получались удачные, а контрастность снимков была такой четкой, что позволяла оценить ткани головного мозга и других органов. Изобретатель проверял прототип томографа на препаратах мозга, позаимствованных в анатомическом музее, свежем мозге и других органах, даже использовал в качестве подопытного себя самого. Хаунсфилд с улыбкой вспоминал, как он через весь Лондон в автобусе вез в сумке свежий мозг теленка для того, чтобы посмотреть, как будет регистрироваться и обрабатываться сигнал от живых тканей.
Оставалось проверить, насколько хорошо машина сможет отличать норму от патологии. Для этого в 1971 году в госпитале Аткинсона Морли в Уимблдоне сконструировали первый клинический компьютерный томограф, и началось исследование больных с опухолями и другими заболеваниями головного мозга. В 1972 году появилась первая сканограмма головного мозга женщины с подозрением на его поражение, и полученное изображение отчетливо показало наличие темной округлой кисты.
Для того, чтобы анализировать изображения, исходя из плотности тканей, Хаунсфилд придумал специальную шкалу ослабления рентгеновского излучения, согласно которой – «0» единиц соответствовало чистой дистиллированной шкале, «–1000» – плотности воздуха, «+1000» – плотности кости, а сам диапазон значений колебался от –1024 до +3071. Таким образом, воздух на томограммах выглядел абсолютно черным, а кость – белой, поскольку костные структуры очень хорошо поглощают рентгеновские лучи.
Постепенно смонтировали более крупные и быстрые сканеры (в том числе КТ-сканер всего тела, созданный в 1975 году), в которых снижалось время сканирования, а в апреле 1972 года компания ЕМI объявила о начале производства первого коммерческого компьютерного томографа – ЕМIСТ-1000. С этого момента в медицине началась совершенно новая эра точной прижизненной диагностики. 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.
В 1979 году Годфри Хаунсфилду и Алану Кормаку была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за развитие компьютерной томографии». Это был уникальный случай, когда Нобелевскую премию по медицине получил инженер. Кроме того, королева Елизавета II посвятила Хаунсфилда в командоры Ордена британской империи.
В последующие годы Годфри Ньюболд Хаунсфилд работал в направлении совершенствования своего изобретения. Он много занимался физикой и техникой, нисколько не заинтересовавшись биологией. Статус нобелевского лауреата обязывал Хаунсфилда много ездить с лекциями по миру и США, но он всегда говорил, что это отвлекает его от занятий наукой.
Среди многих наград ученого – премия Мак-Роберта общества инженеров (1972), премия Баркла Британского института радиологии (1974), премия Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования (1975), медаль и премия Даддела Института физики (1976), премия Гарднеровского международного общества (1976). Он получил степень почетного доктора Базельского и Лондонского университетов, был почетным членом Королевского колледжа врачей и Королевского колледжа радиологов.
Умер сэр Годфри на своей родине в Ньюарке 12 августа 2001 года в возрасте 84 лет.
По материалам Интернет