Медична візуалізація

В 1896 Вільгельм Рентген відкрив рентгенівські промені, а в 1900 - перший рентген грудної клітини. Потім утворюється рентгенівська трубка. І як це виглядає сьогодні. Ви дізнаєтесь у статті нижче.

1806 Філіп Боззіні розробляє ендоскоп у Майнці, видаючи з нагоди “Der Lichtleiter” – підручник з вивчення поглиблень людського тіла. Першим, хто застосував цей пристрій у успішній операції, був француз Антонін Жан Дезормо. До винаходу електрики зовнішні джерела світла використовувалися для дослідження сечового міхура, матки та товстої кишки, а також носових порожнин.

1. Перший рентгенівський знімок – рука дружини Рентгена

1896 Вільгельм Рентген відкриває рентгенівські промені та його здатність проникати крізь тверді тіла. Першими фахівцями, яким він показав свої “рентгенограми”, були лікарі, а колеги Рентгена – фізики (1). Клінічний потенціал цього винаходу був визнаний через кілька тижнів, коли в медичному журналі була опублікована рентгенограма осколка скла у пальці чотирирічної дитини. Протягом наступних кількох років комерціалізація та масове виробництво рентгенівських трубок поширили нову технологію в усьому світі.

1900 Перший рентген грудної клітки. Широке використання рентгенографії органів грудної клітки дозволило на ранній стадії виявити туберкульоз, який на той час був однією з найчастіших причин смерті.

1906-1912 Перші спроби використання контрастних речовин для кращого дослідження органів та судин.

1913 З'являється справжня рентгенівська трубка, яка називається вакуумною трубкою з гарячим катодом, в якій використовується ефективне кероване джерело електронів завдяки явищу термоемісії. Він відкрив нову еру в медичній та промисловій радіологічній практиці. Його творцем був американський винахідник Вільям Д. Кулідж (2), відомий у народі як «батько рентгенівської трубки». Разом із рухомою сіткою, створеною радіологом із Чикаго Холлісом Поттером, лампа Куліджа зробила рентгенографію безцінним інструментом для лікарів під час Першої світової війни.

1916 Не всі рентгенограми можна було легко прочитати — іноді тканини чи об'єкти затуляли те, що досліджується. Тому французький дерматолог Андре Бокаж розробив метод випромінювання рентгенівських променів під різними кутами, який усунув подібні труднощі. Його.

1919 З'являється пневмоенцефалографія, що є інвазивною діагностичною процедурою центральної нервової системи. Він полягав у заміщенні частини спинномозкової рідини повітрям, киснем або гелієм, введених через прокол у спинномозковий канал, та проведенні рентгенографії голови. Гази добре контрастували із шлуночковою системою головного мозку, що дозволило отримати зображення шлуночків. Метод широко застосовувався в середині ХХ століття, але майже повністю був занедбаний у 80-х роках, оскільки обстеження було вкрай болючим для пацієнта та пов'язане із серйозним ризиком ускладнень.

30-і і 40-і роки У фізичній медицині та реабілітації починає широко застосовуватися енергія ультразвукових хвиль. Росіянин Сергій Соколов експериментує із застосуванням ультразвуку для пошуку дефектів металу. У 1939 році він використовує частоту 3 ГГц, що, однак, не забезпечує задовільного дозволу зображення. У 1940 році Генріх Гор і Томас Ведекінд з Медичного університету Кельна, Німеччина, представили у своїй статті "Der Ultraschall in der Medizin" можливість ультразвукової діагностики, заснованої на ехо-рефлекторних методах, подібних до тих, які використовуються при виявленні дефектів металів. .

Автори припустили, що цей метод дозволить виявляти пухлини, ексудати або абсцеси. Проте, переконливих результатів своїх експериментів вони опублікувати не змогли. Відомі також ультразвукові медичні експерименти австрійця Карла Т. Дуссіка, невролога з Віденського університету в Австрії, розпочаті наприкінці 30-х років.

1937 Польський математик Стефан Качмарж формулює у своїй роботі «Техніка алгебраїчної реконструкції» теоретичні основи методу реконструкції алгебри, який потім застосовувався в комп'ютерній томографії та цифровій обробці сигналів.

40-і роки. Використання томографічного зображення з використанням рентгенівської трубки, що обертається навколо тіла хворого чи окремих органів. Це дозволило побачити деталі анатомії та патологічні зміни у зрізах.

1946 Американські фізики Едвард Перселл та Фелікс Блох незалежно один від одного винайшли ЯМР ядерного магнітного резонансу (3). Їм присуджено Нобелівську премію з фізики за «розробку нових методів точних вимірювань та пов'язаних із ними відкриттів у галузі ядерного магнетизму».

3. Комплект обладнання ЯМР

1950 піднімається прямолінійний сканер, складений Бенедиктом Кассеном Пристрій цієї версії використовувався до початку 70-х років з різними фармацевтичними препаратами на основі радіоактивних ізотопів для візуалізації органів по всьому тілу.

1953 Гордон Браунелл із Массачусетського технологічного інституту створює пристрій, який є попередником сучасної ПЕТ-камери. З її допомогою йому разом із нейрохірургом Вільямом Х. Суїтом вдається діагностувати пухлини головного мозку.

1955 Розробляються динамічні підсилювачі рентгенівського зображення, що дозволяють отримувати рентгенівські зображення зображень тканин і органів, що рухаються. Ці рентгенівські знімки надали нову інформацію про функції організму, такі як серце, що б'ється, і система кровоносних судин.

1955-1958 Шотландський лікар Ян Дональд починає широко використовувати ультразвукові випробування для медичної діагностики. Він займається гінекологією. Його стаття «Дослідження утворень черевної порожнини за допомогою імпульсного ультразвуку», опублікована 7 червня 1958 р. у медичному журналі «Ланцет», визначила використання ультразвукової технології та заклала основи пренатальної діагностики (4).

1957 Розроблено перший оптоволоконний ендоскоп - гастроентеролог Базилі Хіршовіц та його колеги з Мічиганського університету патентують оптоволоконний, напівгнучкий гастроскоп.

1958 Хел Оскар Енгер представляє на щорічних зборах Американського товариства ядерної медицини сцинтиляційну камеру, яка дозволяє проводити динамічне візуалізація органів людини. Пристрій виходить ринку через десятиліття.

1963 Новий доктор Девід Куль разом зі своїм другом, інженером Роєм Едвардсом, представляють світові першу спільну роботу, результат декількох років підготовки: перший у світі апарат для т.зв. емісійна томографіякотрому вони дають назву Mark II. У наступні роки розробляються більш точні теорії та математичні моделі, проводяться численні дослідження та будуються дедалі досконаліші машини. Нарешті, 1976 року Джон Кіз створює перший апарат ОФЕКТ — однофотонну емісійну томографію — на основі досвіду Кула та Едвардса.

1967-1971 Використовуючи метод алгебри Стефана Качмарца, англійський інженер-електрик Годфрі Хаунсфілд створює теоретичні основи комп'ютерної томографії. У наступні роки він конструює перший працюючий комп'ютерний томограф EMI (5), на якому в 1971 в лікарні Аткінсона Морлі в Вімблдоні проводиться перше обстеження людини. Пристрій запущено у виробництво 1973 року. В 1979 Хаунсфілду разом з американським фізиком Алланом М. Кормаком присуджується Нобелівська премія за внесок у розвиток комп'ютерної томографії.

5. Сканер електромагнітних перешкод

1973 Американський хімік Пол Лаутербур (6) виявив, що, вводячи градієнти магнітного поля, що проходить через цю речовину, можна аналізувати та пізнавати склад цієї речовини. Вчений використовує цю техніку для створення зображення, яке розрізняє нормальну та важку воду. На основі його роботи англійський фізик Пітер Менсфілд будує власну теорію та показує, як провести швидке та точне зображення внутрішньої будови.

Результатом роботи обох учених стало неінвазивне медичне обстеження, яке відоме як магнітно-резонансна томографія або МРТ. В 1977 апарат МРТ, розроблений американськими лікарями Реймондом Дамадьяном, Ларрі Мінкоффом і Майклом Голдсмітом, вперше був використаний для дослідження людини. Лаутербур та Менсфілд були спільно удостоєні Нобелівської премії з фізіології та медицини 2003 року.

1974 Американець Майкл Фелпс розробляє камеру для позитронно-емісійної томографії (ПЕТ). Перший комерційний ПЕТ-сканер був створений завдяки роботі Фелпса та Мішеля Тер-Погосянов, які керували створенням системи компанією EG&G ORTEC. Сканер був встановлений у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі у 1974 році. Оскільки ракові клітини метаболізують глюкозу в десять разів швидше за нормальні клітини, при ПЕТ-скануванні злоякісні пухлини виявляються у вигляді яскравих плям (7).

1976 Хірург Андреас Грюнциг репрезентує коронарну ангіопластику в Університетській лікарні Цюріха, Швейцарія. Цей метод використовує рентгеноскопію на лікування стенозу кровоносних судин.

1978 піднімається цифрова рентгенографія. Вперше зображення з рентгенівської системи перетворюється на цифровий файл, який можна обробити для більш чіткої діагностики і зберегти в цифровому вигляді для майбутніх досліджень і аналізу.

80-і роки. Дуглас Бойд є методом електронно-променевої томографії. Сканери для такої томографії (EBT) використовували магнітно-керований пучок електронів для створення кільця рентгенівських променів.

1984 З'являється перша тривимірна обробка зображень з використанням цифрових комп'ютерів та даних КТ або МРТ – у результаті створюються 3D-зображення кісток та органів.

1989 Вживає спіральна комп'ютерна томографія (спіральна КТ). Це випробування полягає в поєднанні безперервного обертального руху системи лампа-детектор і переміщення столу по випробуваній поверхні (8). Важливою перевагою спіральної томографії є ​​скорочення часу обстеження (дозволяє отримати зображення кількох десятків шарів за одне сканування тривалістю кілька секунд), збір показання з усього обсягу, включаючи шари органу, що за традиційної КТ були між сканами, а також оптимальне перетворення скана завдяки новому програмному забезпеченню . Піонером нового методу був директор Siemens з досліджень та розробок доктор Віллі А. Календер. Незабаром стопами Siemens пішли й інші виробники.

8. Схема спіральної комп'ютерної томографії

1993 Розробити метод ехопланарної візуалізації (EPI), який дозволить системам МРТ виявляти гострий інсульт на ранній стадії. EPI також забезпечує функціональну візуалізацію, наприклад активності мозку, що дозволяє клініцистам вивчати функції різних частин мозку.

1998 Так званої мультимодальні ПЕТ-дослідження разом із комп'ютерною томографією. Це було зроблено доктором Девідом В. Таунсендом з Університету Піттсбурга разом із Роном Наттом, спеціалістом із систем ПЕТ. Це відкрило широкі можливості для метаболічної та анатомічної візуалізації онкологічних хворих. Перший прототип ПЕТ/КТ-сканера, спроектований та побудований компанією CTI PET Systems у Ноксвілл, штат Теннессі, розпочав роботу у 1998 році.

2018 MARS Bioimaging представляє техніку color i тривимірна медична візуалізація (9), яка замість чорно-білих фотографій внутрішньої частини тіла пропонує нову якість у медицині — кольорові зображення.

У новому типі сканера використовується технологія Medipix, яка вперше розроблена для вчених з Європейської організації ядерних досліджень (ЦЕРН) для відстеження частинок у Великому адронному колайдері з використанням комп'ютерних алгоритмів. Замість записування рентгенівських променів, коли вони проходять через тканини і як вони поглинаються, сканер визначає точний рівень енергії рентгенівських променів, коли вони потрапляють на різні частини тіла. Потім він перетворює результати у різні кольори, що відповідають кісткам, м'язам та іншим тканинам.

9. Кольоровий зріз зап'ястя, виконаний за технологією MARS Bioimaging.

Класифікація медичної візуалізації

1. рентген (рентген) це рентген тіла з проектуванням рентгенівських променів на плівку чи детектор. М'які тканини візуалізуються після контрасту. Метод, що використовується в основному при діагностиці кісткової системи, відрізняється низькою точністю та малою контрастністю. Крім того, опромінення має негативний вплив - 99% дози поглинається випробуваним організмом.

2. томографія (грец. - поперечний переріз) - збірна назва методів діагностики, що полягають в отриманні зображення поперечного перерізу тіла або його частини. Томографічні методи поділяються на кілька груп:

• UZI (UZI) - неінвазивний метод, що використовує хвилеві явища звуку на межах різних середовищ. У ньому використовуються ультразвукові (2-5 МГц) та п'єзоелектричні перетворювачі. Зображення рухається у реальному часі;
• комп'ютерна томографія (КТ) – використовує керовані комп'ютером рентгенівські промені для створення зображень тіла. Використання рентгенівських променів наближає КТ до рентгену, але рентген та комп'ютерна томографія дають різну інформацію. Це правда, що досвідчений радіолог також може зробити висновок про тривимірне розташування, наприклад, пухлини, за рентгенівським зображенням, але рентгенівські промені, на відміну від КТ, за своєю суттю двовимірні;
• магнітно-резонансна томографія (МРТ) – цей вид томографії використовує радіохвилі для обстеження пацієнтів, поміщених у потужне магнітне поле. Отримане зображення засноване на радіохвилях, випромінюваних досліджуваними тканинами, які генерують більш менш інтенсивні сигнали в залежності від хімічного середовища. Зображення тіла пацієнта можна зберегти як комп'ютерних даних. МРТ, як і КТ, дає XNUMXD-і XNUMXD-зображення, але іноді є набагато чутливішим методом, особливо для розрізнення м'яких тканин;
• позитронно-емісійна томографія (ПЕТ) – реєстрація комп'ютерних зображень змін цукрового обміну, що відбуваються у тканинах. Пацієнту вводять ін'єкцію речовини, що є комбінацією цукру і цукру, міченого ізотопами. Останнє дозволяє визначити місцезнаходження раку, оскільки ракові клітини поглинають молекули цукру ефективніше, ніж інші тканини організму. Після прийому міченого радіоактивним ізотопом цукру пацієнт лягає приблизно.
• 60 хвилин, поки зазначений цукор циркулює у його тілі. Якщо в організмі є пухлина, в ній має ефективно накопичуватись цукор. Потім пацієнта, покладеного на стіл, поступово вводять до ПЕТ-сканеру – 6-7 разів протягом 45-60 хвилин. Сканер ПЕТ використовується визначення розподілу цукру в тканинах організму. Завдяки аналізу КТ та ПЕТ можна краще описати можливе новоутворення. Оброблене комп'ютером зображення аналізується радіологом. ПЕТ може виявити аномалії навіть якщо інші методи вказують на нормальну природу тканини. Це також дозволяє діагностувати рецидиви раку та визначати ефективність лікування - коли пухлина зменшується, її клітини метаболізують все менше і менше цукру;
• Однофотонна емісійна томографія (ОФЕКТ) – томографічна техніка у галузі ядерної медицини. За допомогою гамма-випромінювання дозволяє створити просторове зображення біологічної активності будь-якої ділянки тіла хворого. Цей метод дозволяє візуалізувати кровотік та обмін речовин у заданій ділянці. У ньому використовуються радіофармпрепарати. Вони являють собою хімічні сполуки, що складаються з двох елементів - трасера, що є радіоактивним ізотопом, і носія, здатного відкладатися в тканинах і органах і долати гематоенцефалічний бар'єр. Носії часто мають властивість вибірково зв'язуватися з антитілами пухлинних клітин. Вони осідають у кількостях, пропорційних метаболізму; 
• оптична когерентна томографія (ГКТ) – новий метод, аналогічний до УЗД, але пацієнта промацують за допомогою пучка світла (інтерферометр). Використовується для обстеження очей у дерматології та стоматології. Назад розсіяне світло говорить про становище місць по дорозі світлового променя, де змінюється показник заломлення.

3. Сцинтиграфія – ми отримуємо тут зображення органів, і насамперед їхньої діяльності, із застосуванням малих доз радіоактивних ізотопів (радіофармпрепаратів). В основі цієї методики лежить поведінка деяких фармацевтичних препаратів в організмі. Вони діють як транспортний засіб для ізотопу, що використовується. Мічений препарат накопичується у досліджуваному органі. Радіоізотоп випромінює іонізуюче випромінювання (найчастіше гамма-випромінювання), проникаючи за межі організму, де реєструється так званим гамма-камера.