Джон Кейжу - Открытия, которые изменили мир Страница 29

К середине 1920-х трубка Кулиджа в целом вытеснила старую трубку, наполненную газом. Кроме того, позже Кулидж разработал усовершенствования, позволяющие задействовать более высокое напряжение и получать более высокую частоту рентгеновских лучей. Это привело к развитию так называемой глубокой терапии, в ходе которой лучами лечили глубоко расположенные ткани, не нанося при этом вреда внешним кожным покровам. Благодаря разработкам Кулиджа использование рентгеновских лучей в диагностической и терапевтической медицине широко распространилось во всем мире с 1920-х. Принцип работы горячей трубки Кулиджа по-прежнему лежит в основе современных рентгеновских аппаратов.

Веха № 7

Открыта последняя тайна: истинная природа лучей

Если бы вы были ученым или обывателем в 1896 г. и заинтересовались недавно открытыми рентгеновскими лучами, вас наверняка в равной степени заинтриговали и позабавили бы некоторые теории, касающиеся их природы. Например, физик Альберт Майкельсон сделал любопытное предположение, назвав рентгеновские лучи «электромагнитными вихрями, проходящими сквозь эфир». Томас Эдисон предложил версию, которая в итоге также была отброшена как «вздорная»: рентгеновские лучи — это «высокочастотные звуковые волны». Другие теории утверждали, что рентгеновские лучи — это катодные лучи (несмотря на то, что факты этому явно противоречили).

Интересно, что ближе всех к разгадке подошел сам Вильгельм Рентген в своей первой работе 1895 г., когда заметил, что лучи идентичны свету, хотя бы потому, что способны создавать изображение на фотопленке. Кроме того, он заметил, чем рентгеновские лучи отличаются от света: их нельзя разложить с помощью призмы или отклонить магнитом либо другими инструментами. На фоне этих и других противоречивых наблюдений вопрос об истинной природе рентгеновских лучей влился в русло более широких дебатов, развернувшихся в то время между физиками, которые пытались определить, состоит свет из частиц или из волн. Вскоре новые данные продемонстрировали, что рентгеновские лучи действительно представляют собой некую разновидность света — точнее, электромагнитного излучения, проходящего через пространство в виде волн. Поначалу Рентген и другие ученые сомневались в этом, поскольку длина волны рентгеновского луча невероятно мала: примерно в 1000 раз меньше, чем у видимого света.

Окончательное доказательство было получено 23 апреля 1912 г. Физик Макс фон Лауэ обдумывал, как доказать, что рентгеновские лучи действительно являются электромагнитными волнами и одновременно — хотя эта проблема вроде бы была совершенно не связана с первой — что кристаллы обладают упорядоченной атомной структурой (кристаллической решеткой). Блестящее озарение позволило фон Лауэ совместно с Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом ответить на оба вопроса в ходе одного эксперимента. Он пропустил рентгеновский луч через кристалл сульфата меди, предположив, что, если атомы действительно располагаются в виде решетки — и лучи действительно состоят из волн, — пространство между атомами окажется достаточно мало, чтобы рассеять и отклонить коротковолновые лучи. Эксперимент фон Лауэ подтвердил оба предположения. Увидев отчетливый «интерференционный» рисунок, который оставил луч, пройдя сквозь кристалл и засветив фотографическую пластину, фон Лауэ сделал выводы: во-первых, атомы в кристалле упорядочены в виде решетки; во-вторых, рентгеновские лучи распространяются в виде волн, а следовательно, являются одной из форм света. За это историческое открытие фон Лауэ в 1914 г. получил Нобелевскую премию по физике.

XX век и далее: новые вехи развития

Мы рассказали о самых важных этапах в истории открытия и применения рентгеновских лучей в медицине, но на этом история не заканчивается. В последние годы в этой области было сделано много новых шагов. Некоторые из них, например разработка контрастных агентов, универсальны и применяются во всех областях диагностической рентгенологии. Другие относятся к конкретным областям, но существенно влияют на медицинскую практику и состояние пациентов в целом. Один из примеров — маммография, использование рентгеновских лучей для выявления и диагностики новообразований молочных желез. Впервые рентгеновские лучи применил для исследования этой болезни немецкий хирург Альберт Саломон в 1913 г., но методы того времени были весьма приблизительными и ненадежными. В 1930 г. рентгенолог Стаффорд Уоррен одним из первых смог собрать достоверные данные о клиническом использовании рентгеновских лучей в диагностике и лечении грудных болезней. Но только в 1962 г. рентгенолог из Техасского университета Роберт Иган опубликовал эпохальное исследование, в котором описал методы маммографии, позволяющие достичь 92–97% точности при выявлении рака груди. Полученные им результаты подтвердили значение маммографии в медицине и привели к ее широкому использованию в диагностике. К 2005 г. в США с маммографией были связаны 18,3 млн обращений к врачам — около 30% от общего числа рентгеновских исследований.

Но, пожалуй, одним из самых изумительных недавних достижений стало появление новых способов применения рентгеновских лучей для более глубокого понимания внутреннего строения тела. До 1970-х у рентгеновских снимков был один серьезный недостаток: они были плоскими и двумерными. Поскольку они не имели глубины, изображения одних внутренних органов часто перекрывали другие, находящиеся поблизости органы и ткани, которые отбрасывали тени и снижали контрастность. Поэтому врачи, пытаясь получить более четкую картину, часто заказывали сразу два рентгеновских снимка: в прямой и боковой проекциях. В 1971 г. британский инженер Годфри Хаунсфилд положил конец этим затруднениям, разработав компьютерную томографию (КТ): метод создания послойных снимков, или «срезов» исследуемой части тела с помощью рентгеновских лучей. (Греческое слово tomos означает «срез» или «слой».) Раньше на пациента направляли пучок лучей и получали одно изображение. С появлением КТ стало возможно пропускать лучи сквозь пациента много раз, под разными углами. Потом лучи собирались детекторами, которые преобразовывали их в электрические сигналы. Сигналы передавались в компьютер, создававший на основе полученных данных подробные послойные «срезы», из которых затем можно было собрать трехмерное изображение. Во время построения изображения органы не перекрывают друг друга. Кроме того, КТ-детекторы обладают большей чувствительностью, чем пленка, поэтому КТ может дать гораздо более подробные сведения об изменении плотности тканей, чем обычные рентгеновские лучи.

Развитию КТ помогли два ключевых достижения 1960-х и 1970-х. Одним из них было изобретение мощных мини-компьютеров, которые позволяли обрабатывать огромное количество данных, собранных рентгеновскими детекторами, и создавать на их основе достоверное изображение. Вторым была работа Аллана Кормака, который создал математическую модель, позволяющую измерять плотность тканей тела и использовать эту информацию для создания послойных рентгеновских изображений. За свою работу в развитии КТ Хаунсфилд и Кормак были в 1979 г. награждены Нобелевской премией по физиологии и медицине.

С самого начала своего использования КТ позволяла получить четкое изображение серого и белого вещества головного мозга и тем самым оказала огромное влияние на диагностику неврологических заболеваний. С тех пор было предложено множество усовершенствований, которые привели к повышению скорости сканирования, получению более тонких срезов и возможности сканировать более крупные части тела. Сегодня компьютерные томографы могут создавать уникальные 3D-изображения практически любой части тела. Например, недавно эту технологию начали применять в виртуальной колоноскопии (КТ воспроизводит изображение внутренней поверхности толстой кишки). Это менее инвазивный метод, чем традиционное введение длинной гибкой оптической трубки в толстую кишку. Поэтому виртуальная колоноскопия становится важным инструментом предупреждения рака толстой кишки.

Много способов — всегда надежный результат

Рентгеновские лучи не только сыграли заметную роль в медицине, но и оставили след во многих других областях науки и общественной жизни. Уже через несколько лет после открытия их начали использовать в промышленности, в том числе для обнаружения брака деталей на сталелитейных и оборонных заводах, определения целостности изоляции подводных телеграфных кабелей, проверки летательных аппаратов на предмет поломок и даже для того, чтобы определить, есть ли в живой устрице жемчуг. Кроме того, рентгеновские лучи оказались весьма полезными в биологии (открытие структуры белка и ДНК), искусстве (с их помощью определяют живописные подделки), археологии (помогают определить местоположение артефактов и человеческих останков в местах раскопок) и в сфере безопасности (осмотр багажа, посылок и писем).