Рентген: от снимка кисти до 3D-моделей человеческого тела

Два года назад, 13 июля, стало возможно увидеть, что у нас внутри, с помощью рентгеновского сканера, моделирующего цветное трехмерное изображение, новозеландской компании Mars Bioimaging.

В 1895 году немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген, уходя из лаборатории,  накрыл черным картоном трубку Крукса и выключил свет. Прибор, оставшийся под напряжением, осветил бариевый экран. Исследование этого феномена привело к обнаружению Х-лучей, как их назвал сам ученый, которые обладали удивительными свойствами: вызывали свечение солей бария, легко проникали через многие материалы и засвечивали фотобумагу, завернутую в плотную светонепроницаемую упаковку. Доказательством этих свойств стал полученный в таких лучах снимок кисти жены Вильгельма Рентгена. На получившемся изображении отчетливо видны кости ладони и кольцо на безымянном пальце, а мягкие ткани отбрасывают только слабые тени. Сегодня X-лучи также известны нам как рентгеновское излучение.

Трубка Крукса — прибор, заполненный разреженным газом, с двух сторон которого впаяны положительно и отрицательно заряженные электроды: анод и катод. 

Вильгельм Рентген предполагал, что Х-лучи могут быть использованы в медицине. Впервые на практике экспериментальный аппарат использовал британский хирург Джон Холл-Эдвардс в 1896 году. Спустя несколько недель русский физиолог Иван Тарханов облучил лягушек и установил, что лучи «не только фотографируют, но и влияют на работу организма». Оказалось, что новое излучение может вызывать сильные ожоги: во многих случаях приходилось ампутировать пораженные органы, случались и летальные исходы. Впоследствии было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения.

В начале XX века А. С. Попов сконструировал первый отечественный мобильный рентгеновский аппарат, который был установлен на крейсере «Аврора». Уже в годы Первой мировой войны переносные приборы активно применяли на фронте, что значительно упрощало работу военно-полевых хирургов. 

Рентгеновский аппарат состоит из нескольких трубок, питающих устройство, преобразователя излучения в видимое изображение, приемника излучения и кассеты с фотопленкой. Но до недавнего времени они были несовершенны: снимки получались нечеткими, а сама процедура рентгенографии занимала много времени. К тому же, ставить точные диагнозы по таким данным было практически невозможно. 

Поэтому ученые искали способ модернизировать такие аппараты. Решение оказалось на стыке радиологии, компьютерных наук и математической статистики. Поскольку в радиологическом обследовании существует лишь два главных этапа, на них и были направлены улучшения. Первый — получение самого изображения — кардинально изменился со времен Рентгена в лучшую сторону. Усовершенствовав разрешение снимков, специалисты получили возможность рассматривать даже микроскопические анатомические особенности и патологии. Благодаря этому нововведению современные аппараты позволяют визуализировать практически все ткани в теле человека. 

Радиология — это раздел медицины, который изучает, каким образом излучение может быть использовано для лечения заболеваний (радиотерапия) и как устранить последствия облучения живых организмов.

Второй этап радиологического обследования — анализ снимков. На этом этапе специалисты–радиологи рассматривают полученные изображения и делают выводы о наличии заболеваний. Так, в 2018 году новозеландская компания Mars Bioimaging, специализирующаяся в области биоинжиниринга, физики и рентгенологии, разработала аппарат для получения 3D-модели сканируемого объекта. 

Принцип работы этого цветного рентгеновского сканера: волны разной длины при прохождении через различные материалы теряют цвет с разным временным интервалом. Таким образом, на снимке участки с мягкими тканями видны ярче, а  твердые образования (например, кости) — темнее. Далее программа генерирует детальное трехмерное цветное изображение. Для 3D-аппарата использовали чип Medipix3, изначально разработанный европейской организации CERN для Большого адронного коллайдера. Medipix3 работает аналогично датчику цифровой камеры, обеспечивая высокую четкость и контрастность изображения. Теперь рентгенография отражает кости, мышцы, жировые слои и выглядит как иллюстрация из учебника по анатомии.

Сегодня рентгеновские лучи используют в разных областях: благодаря им можно выявить внутренние дефекты в железнодорожных рельсах, определить как структуру вещества на атомном уровне, так и его химический состав. В аэропортах с их помощью определяют содержимое багажа, а в археологии излучение используют для просвечивания статуй или гробниц, чтобы не повредить содержимое или отыскать тайник.

В скором времени с улучшенными и оснащенными рентгеновскими аппаратами врачам не придется оценивать изображения вручную. На это будет уходить меньше времени, снизится вероятность врачебной ошибки.

Автор: Полина Андрюхина