Вто­рая жизнь рент­ге­нов­ских лу­чей: раз­ра­бот­ка ком­пь­ю­тер­но­го ак­си­аль­но­го то­мо­гра­фа

На ран­них ста­ди­ях при­ме­не­ния рент­ге­нов­ских лу­чей, что­бы сде­лать ви­ди­мы­ми кос­ти внут­ри тка­ней, впе­ре­ди те­ла по­ме­ща­ли сим­плекс­ные рент­ге­нов­ские труб­ки, а сза­ди - флюо­рес­цент­ный эк­ран или фо­то­гра­фи­че­скую пла­сти­ну. В хо­де усо­вер­шен­ст­во­ва­ния при­бо­ра и спо­со­бов на­строй­ки рент­ге­нов­ско­го ис­точ­ни­­ка бы­ла дос­тиг­ну­та боль­шая гиб­кость и точ­ность в до­­з­иро­вке из­лу­че­ния. Пер­во­на­чаль­но сла­бые флюо­рес­­цен­тные эк­ран­ные изо­бра­же­ния пре­об­ра­зо­вы­ва­лись элек­трон­ны­ми уси­ли­те­ля­ми, что да­ва­ло воз­мож­ность прак­ти­че­ско­го ис­поль­зо­ва­ния флюо­ро­ско­па для на­блю­­д­ения дви­же­ния в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни. Од­на­ко по­лу­ча­лось толь­ко изо­бра­же­ние кос­тей, а тка­ни ос­та­­в­ались поч­ти про­зрач­ны­ми, за ис­клю­че­ни­ем тех слу­ча­­ев, ко­гда для вы­де­ле­ния мяг­ких тка­ней (на­при­­мер, кро­ве­нос­ных со­су­дов и же­лу­доч­но-ки­шеч­но­го трак­та) ис­поль­зо­ва­лись спе­ци­аль­ные кон­тра­ст­ные на­­по­лн­ит­ели.

Наи­бо­лее важ­ной для ди­аг­но­сти­ки раз­ра­бот­кой яви­лось объ­е­ди­не­ние ком­пь­ю­тер­ной тех­но­ло­гии и ис­точ­ни­ков рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. КАТ-ска­нер (ком­пь­ю­­те­рный ак­си­аль­ный то­мо­граф) по­сы­ла­ет тон­кий пу­чок рент­ге­нов­ских лу­чей на изу­чае­мый пред­мет. Луч мед­­ле­нно дви­жет­ся во­круг объ­ек­та и сни­ма­ет мгно­вен­ные " фо­то­гра­фии" при ка­ж­дом уг­ле по­во­ро­та. Ком­пь­ю­тер внут­ри ска­не­ра ана­ли­зи­ру­ет от­дель­ные " фо­то", а за­тем вос­про­из­во­дит " об­раз", на­по­ми­наю­щий перекрёстный раз­рез че­ло­ве­че­ско­го те­ла. Усо­вер­шен­ст­во­ван­ные КТ-ска­не­ры (ком­пь­ю­тер­ные то­мо­гра­фы) соз­да­ют изо­б­р­аж­ения, по­хо­жие на тон­кий срез тка­ней в ска­ни­ро­ван­­ной об­лас­ти те­ла, и по­зво­ля­ют на­блю­дать мяг­кую ткань, поч­ти не­ви­ди­мую для рент­ге­нов­ско­го " гла­за".

КТ-ска­нер име­ет ог­ром­ное зна­че­ние для нев­ро­ло­ги­че­с­кой ди­аг­но­сти­ки, где пре­ж­де ис­поль­зо­ва­лись толь­ко кос­вен­ные ме­то­ды по­лу­че­ния изо­бра­же­ния моз­га и ис­­сл­ед­ов­ател­ьская ней­ро­хи­рур­гия ино­гда бы­ла про­сто не­­о­бх­од­има. Бла­го­да­ря спо­соб­но­сти КТ-ска­не­ра да­вать изо­бра­же­ние тка­ней моз­га и те­ла ста­ло воз­мож­ным ран­нее об­на­ру­же­ние раз­лич­ных опу­хо­лей и струк­тур­­ных ано­ма­лий тка­ни.

Рент­ге­нов­ский КТ-ска­нер лёг в ос­но­ву ком­пь­ю­тер­­ной тех­но­ло­гии, ко­то­рая по­зво­ли­ла пре­об­ра­зо­вы­вать дан­ные, по­лу­чен­ные от ска­ни­рую­щих уст­ройств, в трёхмерные ре­кон­ст­рук­ции час­тей те­ла, на­при­мер го­ло­вы.

Рент­ге­нов­ский КТ-ска­нер спо­со­бен ото­бра­жать толь­ко струк­ту­ру кос­тей и мяг­ких тка­ней; но­вые ска­не­ры да­ют воз­мож­ность про­сле­жи­вать фи­зио­ло­ги­че­­ские и кле­точ­ные про­цес­сы в ор­га­низ­ме. Пер­вым по но­вой тех­но­ло­гии был раз­ра­бо­тан ПЭТ-ска­нер (по­зи­трон­ная эмис­си­он­ная то­мо­гра­фия), ко­то­рый по­зво­лил про­­ни­кнуть в ос­но­ву кле­точ­ной функ­ции моз­го­вой тка­ни. Он пред­став­ля­ет со­бой про­дукт слия­ния двух пре­ж­де со­вер­шен­но раз­лич­ных ди­аг­но­сти­че­ских тех­но­ло­гий: ядер­ной ме­ди­ци­ны и оснащённой вы­чис­ли­тель­ной тех­­н­икой то­мо­гра­фии. В ядер­ной ме­ди­ци­не не­дол­го­­ве­чные ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы, спо­соб­ные кон­цен­т­р­ир­оват­ься в спе­ци­фи­че­ском ор­га­не те­ла (ти­па щи­то­­ви­дной же­ле­зы или пе­че­ни), внут­ри­вен­но впры­ски­­в­аю­тся па­ци­ен­ту, ко­то­рый за­тем по­ме­ща­ет­ся око­ло сцин­тил­ля­ци­он­но­го де­тек­то­ра для ре­ги­ст­ра­ции эмис­сии ра­дио­ак­тив­ных час­тиц от ло­ка­ли­зо­ван­ных в ис­­сл­еду­емом ор­га­не ве­ществ. Де­тек­тор создаёт плос­кое, дву­мер­ное изо­бра­же­ние ор­га­на, на ко­то­ром вид­ны его раз­мер, рас­по­ло­же­ние, на­ли­чие ка­ких-ли­бо де­фек­­тов и т.п.

Пер­во­на­чаль­но ПЭТ-ска­нер ис­поль­зо­вал­ся для изу­­ч­ения функ­ций моз­га. Ра­дио­ак­тив­ная глю­ко­за (пер­­ви­чное " то­п­ли­во" моз­га) вво­дит­ся внут­ри­вен­но и по­сту­­п­ает в мозг; она яв­ля­ет­ся по­зи­трон­ным эмит­те­ром и слу­жит ис­точ­ни­ком по­зи­тро­нов при ПЭТ-ска­ни­ро­ва­нии. Мно­же­ст­во де­тек­то­ров сцин­тил­ля­ции ус­та­нав­ли­­в­ае­тся во­круг го­ло­вы па­ци­ен­та. С по­мо­щью ком­пь­ю­тер­­ных про­грамм КТ тех­но­ло­гии ПЭТ-ска­нер стро­ит изо­бра­же­ние по­пе­реч­но­го раз­ре­за моз­га на ос­но­ва­нии ко­ли­­ч­ес­тва по­зи­тро­нов, из­лу­чае­мых ра­дио­ак­тив­ной глю­ко­­зой, поглощённой клет­ка­ми моз­га. В за­ви­си­мо­сти от ак­­ти­вн­ости кон­крет­ных об­лас­тей моз­га ис­поль­зу­ет­ся боль­шее или мень­шее ко­ли­че­ст­во глю­коз­но­го " го­рю­че­­го". По­лу­чае­мое при ПЭТ-ска­ни­ро­ва­нии изо­бра­же­ние по­­х­оже на то, что даёт КТ-ска­ни­ро­ва­ние го­ло­вы, но до­­по­лн­ител­ьно по­зво­ля­ет су­дить о кле­точ­ной дея­тель­­н­ости раз­лич­ных уча­ст­ков моз­га. С по­мо­щью это­го ска­­н­ера учёные в на­стоя­щее вре­мя изу­ча­ют осо­бен­но­сти дея­тель­но­сти уча­ст­ков моз­га у нор­маль­ных ин­ди­ви­ду­­умов и у лю­дей с ду­шев­ны­ми за­бо­ле­ва­ния­ми ти­па ши­­зо­фр­ении и ма­ниа­каль­но-де­прес­сив­но­го пси­хо­за. В не­­к­от­орых слу­ча­ях из­ме­не­ние ме­ди­ка­мен­тоз­но­го ле­че­­ния, ос­но­ван­ное на ре­зуль­та­тах ПЭТ-ска­ни­ро­ва­ния, да­­в­ало кли­ни­че­ское улуч­ше­ние со­стоя­ния боль­но­го. Ис­­сл­ед­ов­ат­елей так­же ин­те­ре­су­ют об­лас­ти моз­га, от­вет­ст­­ве­нные за раз­ви­тие определённых на­вы­ков — чте­ния, вос­при­ятия ре­чи и му­зы­ки, ру­ко­де­лия. Ес­ли КТ-ска­не­ры спо­соб­ны об­на­ру­жить струк­тур­ные де­фек­ты моз­го­­вой тка­ни, то ПЭТ-ска­нер по­зво­ля­ет ис­сле­до­вать ди­на­­м­ич­еские, функ­цио­наль­ные ка­че­ст­ва са­мо­го че­ло­ве­че­­ск­ого соз­на­ния. Ре­зуль­та­ты его при­ме­не­ния сви­де­тель­­с­тв­уют об ог­ром­ном ди­аг­но­сти­че­ском по­тен­циа­ле это­го при­бо­ра. Од­на­ко вы­со­кая стои­мость, обу­слов­лен­ная, в ча­ст­но­сти, ис­поль­зо­ва­ни­ем ли­ней­но­го ус­ко­ри­те­ля для про­из­вод­ст­ва ра­дио­ак­тив­ной глю­ко­зы, ог­ра­ни­чи­ва­ет при­ме­не­ние ПЭТ-ска­не­ра в пси­хи­ат­рии, хо­тя с его по­­м­ощью мож­но оце­нить, на­при­мер, эф­фек­тив­ность ле­че­ния ум­ст­вен­ных за­бо­ле­ва­ний ме­ди­ка­мен­тоз­ным или дру­ги­ми ме­то­да­ми.

Со вре­ме­ни пер­вых экс­пе­ри­мен­тов с ПЭТ-ска­не­ром бы­ли по­лу­че­ны но­вые ра­дио­ак­тив­ные со­еди­не­ния: на­при­мер, ве­ще­ст­во, по­гло­щае­мое толь­ко до­па­мин­ны­ми ре­цеп­то­ра­ми. Впер­вые в ис­то­рии ме­ди­ци­ны уда­лось уви­деть внут­ри жи­во­го моз­га кле­точ­ные ком­по­нен­ты: до­па­мин­ные ре­цеп­то­ры, па­то­ло­гия ко­то­рых по­зво­ля­ет об­на­ру­жить у че­ло­ве­ка ши­зоф­ре­нию и дви­га­тель­ные рас­строй­ства на­по­до­бие бо­лез­ни Пар­кин­со­на. Пре­ж­де кле­точ­ные ком­по­нен­ты изу­ча­лись по­сред­ст­вом мик­ро­­ск­оп­ич­еск­ого ана­ли­за спе­ци­аль­но об­ра­бо­тан­ной моз­го­­вой тка­ни, взя­той у тру­пов па­ци­ен­тов, стра­дав­ших изу­­ча­емой бо­лез­нью. ПЭТ-ска­ни­ро­ва­ние зна­чи­тель­но рас­­ш­ир­ило на­ши зна­ния о моз­ге, а в на­стоя­щее вре­мя по­­яви­лся но­вый ска­нер, обе­щаю­щий ме­ди­кам уни­каль­­ные воз­мож­но­сти для ис­сле­до­ва­ния че­ло­ве­че­ско­го ор­га­низ­ма.

 

За пре­де­ла­ми ог­ра­ни­че­ний КАТ-ска­не­ра: те­ло в пред­став­ле­нии МРПИ

Как вы помните, рентгеновский КТ-сканер впервые дал нам по­пе­реч­ный раз­рез че­ло­ве­че­ско­го те­ла. По­след­ние не­сколь­ко лет мы бы­ли сви­де­те­ля­ми по­сте­пен­­н­ого вве­де­ния в прак­ти­ку ра­дио­ло­ги­че­ско­го от­де­ле­ния боль­ни­цы но­во­го уст­рой­ст­ва: ска­не­ра МРПИ (маг­нит­­но-ре­зо­нанс­ное по­строе­ние изо­бра­же­ния). Это уст­рой­­с­тво, в три раза де­шев­ле КТ-ска­не­ра, не­дав­но по­лу­чи­ло одоб­ре­ние Фе­де­раль­но­го Управ­ле­ния США по ле­кар­ст­­ве­нным пре­па­ра­там и про­дук­там пи­та­ния. Ин­те­рес к не­му сре­ди вра­чей не­ук­лон­но растёт по ме­ре пуб­ли­ка­­ции в ме­ди­цин­ской ли­те­ра­ту­ре све­де­ний о его ди­аг­но­с­т­ич­еском по­тен­циа­ле, так как этот ска­нер по­зво­ля­ет по­лу­чить изо­бра­же­ния но­во­го ка­че­ст­ва. С чис­то фи­зи­­ч­еской точ­ки зре­ния МРПИ спо­соб­но вы­явить в те­ле опу­хо­ли, ко­то­рые не об­на­ру­жи­ва­лись тра­ди­ци­он­ным КТ ска­ни­ро­ва­ни­ем.

При МРПИ, в от­ли­чие от вышеприведённых ме­­т­одов, не при­ме­ня­ют­ся ни рент­ге­нов­ские лу­чи, ни внут­ри­вен­ное вве­де­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, а ис­­пол­ьз­ую­тся уже зна­ко­мые по опи­са­ни­ям КТ-ска­не­ров ком­пь­ю­тер­ные про­грам­мы, по­зво­ляю­щие ви­зу­аль­­но на­блю­дать за ре­ак­ци­ей ор­га­нов те­ла на воз­дей­ст­­вие маг­нит­ных по­лей вы­со­кой ин­тен­сив­но­сти. Со­­вр­еме­нная ме­то­ди­ка МРПИ ис­поль­зу­ет осо­бен­но­сти рас­пре­де­ле­ния мо­ле­кул во­ды в тка­нях че­ло­ве­че­ско­­го те­ла. Маг­нит­ные ре­зо­нанс­ные бло­ки соз­да­ют свои изо­бра­же­ния, ос­но­вы­ва­ясь на фе­но­ме­не ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са (ЯМР) и тех­ни­ке ана­ли­за, из­ве­с­тной спе­циа­ли­стам в об­лас­ти ор­га­ни­че­ской хи­мии ещё с 1960-х гг., но на­шед­шей при­ме­не­ние в ме­ди­цин­­ских сис­те­мах фор­ми­ро­ва­ния изо­бра­же­ния толь­ко в 1970-х гг.

Что­бы сде­лать ви­ди­мой жи­вую ткань, при МРПИ ис­поль­зу­ют­ся маг­нит­ные свой­ст­ва про­то­нов, ко­то­рые ве­дут се­бя по­доб­но не­боль­шим вра­щаю­щим­ся пла­не­там и об­ла­да­ют маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми, то есть име­ют се­­ве­рный и юж­ный маг­нит­ные по­лю­са. В силь­ном маг­­ни­тном по­ле по­лю­са всех про­то­нов упо­ря­до­чи­ва­ют своё рас­по­ло­же­ние, ори­ен­ти­ру­ясь вдоль си­ло­вых ли­ний. За­тем при­ме­ня­ет­ся вто­рой сти­му­ля­тор - пу­чок элек­тро­­ма­гни­тн­ого из­лу­че­ния в диа­па­зо­не час­тот, со­от­вет­ст­ву­­ющем час­то­те ра­дио­из­лу­че­ния про­то­на. Под его воз­­де­йс­тв­ием про­то­ны на­чи­на­ют мед­лен­но вра­щать­ся во­круг сво­ей оси. За­тем ис­точ­ник из­лу­че­ния вы­клю­ча­ет­­ся. Энер­гия вы­со­кой час­то­ты те­перь ис­хо­дит от сти­му­­л­ир­ова­нных из­лу­че­ни­ем про­то­нов и вос­при­ни­ма­ет­ся де­тек­то­ра­ми ска­не­ра МРПИ, рас­по­ло­жен­ны­ми во­круг Па­ци­ен­та. Ма­те­ма­ти­че­ский ана­лиз по­лу­чен­ных дан­ных по­зво­ля­ет соз­дать та­кое под­роб­ное изо­бра­же­ние по­пе­реч­но­го сре­за тка­ни че­ло­ве­че­ско­го те­ла, ко­то­рое не бы­ло дос­туп­но для лю­бо­го из преж­них ска­не­ров. Де­­тал­ьность ин­фор­ма­ции, по­лу­чае­мой при тон­ких " сре­зах МРПИ", по­зво­ля­ет вы­явить осо­бен­но­сти строе­ния ор­га­­нов че­ло­ве­ка, ко­то­рые до это­го мог­ли ви­деть толь­ко па­­т­ол­ог­оан­ат­омы.

99 про­цен­тов мо­ле­кул на­ше­го ор­га­низ­ма - обыч­ная во­да, сти­му­ли­ро­ван­ные про­то­ны ко­то­рой ис­поль­зу­ют­ся в со­вре­мен­ных ска­не­рах МРПИ в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния.

Клю­че­вой прин­цип, на ко­то­ром ба­зи­ру­ет­ся МРПИ, за­клю­ча­ет­ся в том, что из­лу­чаю­щие ато­мы во­до­ро­да сти­му­ли­ру­ют­ся энер­ги­ей со стро­го определённой дли­ной вол­ны, то есть ато­мом по­гло­ща­ет­ся энер­гия толь­ко кон­крет­ной ре­зо­нанс­ной час­то­ты. Пе­ред на­ми кар­­т­ина, ана­ло­гич­ная мо­де­ли элек­трон­ных ор­бит энер­ге­­т­ич­еских обо­ло­чек ато­ма. Что­бы пе­ре­мес­тить элек­трон с низ­шей ор­би­ты на выс­шую, не­об­хо­ди­ма энер­гия определённой час­то­ты. При пе­ре­хо­де с вы­со­кой ор­би­ты на бо­лее низ­кую элек­трон из­лу­ча­ет фо­тон с той же час­то­­той, ко­то­рая ис­поль­зо­ва­лась для его пе­ре­ме­ще­ния. Ос­­но­вная ха­рак­те­ри­сти­ка не­об­хо­ди­мой для та­ко­го пе­ре­хо­да энер­гии - ре­зо­нанс­ная час­то­та. В про­цес­се МРПИ, ко­гда энер­гия ре­зо­нанс­ной час­то­ты воз­дей­ст­ву­ет на про­то­ны, про­ис­хо­дит не­что по­доб­ное, но с ато­ма­ми во­­д­ор­ода.

Ис­хо­дя из прин­ци­па " ре­зо­нанс­ной спе­ци­фич­но­сти", ис­сле­до­ва­те­ли пы­та­ют­ся при­ме­нить " элек­трон­ное ок­но" МРПИ для изу­че­ния ато­мов дру­гих эле­мен­тов, вклю­чая на­трий и фос­фор. По­след­ний яв­ля­ет­ся ком­по­­не­нтом АТФ (аде­но­зин три­фос­фат) - энер­ге­ти­че­ской ос­но­вы клет­ки, а так­же КФК (креа­тин фос­фо­ки­на­за) — мус­куль­но-спе­ци­фи­че­ско­го эн­зи­ма. При по­мо­щи энер­­г­ет­ич­еск­ого ре­зо­нан­са с мо­ле­ку­лой фос­фо­ра учёные на­де­ют­ся на­блю­дать за хо­дом хи­ми­че­ских ре­ак­ций энер­ге­ти­че­ско­го об­ме­на на кле­точ­ном уров­не и ди­аг­но­­ст­ир­овать по­ра­же­ния мус­ку­ла (на­при­мер, мус­куль­­ную дис­тро­фию) без не­об­хо­ди­мо­сти де­лать био­псию тка­ни. Маг­нит­ная ре­зо­нанс­ная сис­те­ма так­же мо­жет ока­зать­ся сред­ст­вом ис­сле­до­ва­ния кле­точ­но­го ме­та­­б­оли­зма без не­по­сред­ст­вен­но­го втор­же­ния в жи­вые ор­га­ны.

МРПИ по­зво­ля­ет с по­мо­щью маг­нит­ных по­лей на­­гля­дно пред­ста­вить се­бе рас­пре­де­ле­ние во­ды в клет­ках тка­ней и, ис­поль­зуя зна­ния о её " осо­бых энер­ге­ти­че­­ских" свой­ст­вах, на­блю­дать тон­кие энер­ге­ти­че­ские из­ме­не­ния в че­ло­ве­че­ском те­ле при ле­че­нии. Ис­сле­до­ва­­ния Бер­нар­да Трэ­да (см. гл. 2) по­ка­за­ли, что це­ли­те­ли, из­ме­няя мо­ле­ку­ляр­ные и энер­ге­ти­че­ские ка­че­ст­ва во­ды, мог­ли вли­ять на её спо­соб­ность ус­ко­рять рост рас­те­­ния в не­бла­го­при­ят­ных ус­ло­ви­ях. Ес­ли свой­ст­ва во­ды ме­ня­ют­ся под воз­дей­ст­ви­ем эфир­ных по­лей це­ли­те­ля, то МРПИ мо­жет быть ис­поль­зо­ва­но для изу­че­ния их влия­ния на че­ло­ве­че­ское те­ло и на струк­ту­ру во­ды вну­три жи­вой тка­ни. Под­роб­нее об энер­ге­ти­че­ских из­ме­­н­ен­иях, со­вер­шае­мых це­ли­те­ля­ми, бу­дет рас­ска­за­но в гл. 8.

Маг­нит­но-ре­зо­нанс­ное по­строе­ние изо­бра­же­ний спо­соб­но дать зна­чи­тель­но бо­лее под­роб­ную ди­аг­но­сти­че­скую ин­фор­ма­цию о на­шем ор­га­низ­ме, а так­же пре­дос­тав­ля­ет учёным воз­мож­ность де­таль­но­го ис­сле­­д­ов­ания кле­ток, изу­че­ния их струк­ту­ры и функ­ций. Но при­ме­няе­мое в МРПИ по­строе­ние изо­бра­же­ний от­но­­си­тся толь­ко к фи­зи­че­ско­му уров­ню, уров­ню мо­ле­кул. Эта ин­фор­ма­ция весь­ма зна­чи­ма и по­лез­на, од­на­ко не­­о­бх­од­имо ид­ти даль­ше, изу­чая те­ло че­ло­ве­ка с точ­ки зре­ния его энер­ге­ти­че­ской струк­ту­ры. Прин­ци­пы МРПИ в со­во­куп­но­сти с дан­ны­ми, по­лу­чен­ны­ми с по­мо­­щью кир­лиа­нов­ских фо­то­гра­фий, мо­гут ско­ро про­из­ве­­сти один из ве­ли­чай­ших про­ры­вов в изу­че­нии тон­кой энер­ге­ти­че­ской ана­то­мии че­ло­ве­ка.