От стетоскопа к МРТ и УЗИ

Статья / медицинская техника
История создания медицинских устройств для прослушивания и визуализации внутренних органов

 
1. От стетоскопа к фонендоскопу 
Ещё знаменитый древнегреческий врач Гиппократ описал методы аускультации (прослушивания) путём прикладывания уха к телу больного. Так продолжалось до XIX века, пока в 1816 году французский врач и исследователь Рене Лаэннек, активно занимавшийся вопросами диагностики и изучением особенности работы внутренних органов, не изобрёл стетоскоп. Созданию изобретения способствовал случай. Возвращаясь после неудачного визита, Рене вспомнил, как однажды, по дороге он застал местную детвору возле строительного леса за забавной игрой: один из детей со всей силы колотил по одному концу бревна, а другие прикладывали уши к другому концу и слушали звуки, которые усиливались, пройдя по стволу. 
Как и в случае с яблоком Ньютона, играющие дети помогли Рене Лаэннеку создать прибор, который он окрестил стетоскопом (stethos – грудь, skopeo – смотреть, исследовать, греч. ), со временем ставшим главным атрибутом врача- терапевта.
Позже у стетоскопа появилась существенная модификация – фонендоскоп, созданный русским военным хирургом Николаем Коротковым. Характерное отличие фонендоскопа – отверстие в головке закрыто туго натянутой мембраной.
Наверное, нет ни одного человека в цивилизованном мире, который не был знаком с этим простым, но таким нужным медицинским прибором. 
15 декабря 1896 г. в Туринской газете «Gazzetta medica di Torino» была опубликована статья «Un nuovo sfigmomanometro», в которой автор S. Riva-Rocci описал оригинальный метод измерения артериального давления с помощью ртутного сфигмоманометра своей конструкции. Метод Рива-Роччи был предельно прост. В велосипедную шину, опоясывающую верхнюю треть плеча и соединённую с ртутным сфигмоманометром, резиновой грушей, нагнетался воздух. Фиксировалось давление, при котором прекращалась пульсация, что соответствовало систолическому давлению. Затем из шины давление постепенно стравливалось. Первые появления пульсации соответствовали диастолическому давлению. 
Николай Коротков в 1905 году при использовании пальпаторного метода Рива-Роччи предложил использовать фонендоскоп, что позволило точнее определять систолическое и диастолическое давление. С тех пор такое измерение в России называют методом Рива-Роччи – Короткова. 
Больше 50 лет тонометр, работающий по принципу прослушивания «тонов Короткова», был единственным прибором для измерения кровяного давления и использовался врачами во всем мире. Лишь в 1965 году американский врач Сеймур Лондон изобрёл автоматический тонометр, в котором резиновая груша была заменена компрессором, а стетоскоп – микрофоном.
   Наряду с появлением возможности измерять артериальное давление, в начале 20-го века появился ряд не инвазивных инструментальных методик, которые давали дополнительную информацию о сердечной деятельности практикующему врачу. Это сфигмография, фонокардиография, реография, электрокардиография. С появлением Ультразвукового Исследования (УЗИ) первые три методики ушли в прошлое, а вот электрокардиография получила существенное развитие. 
 
2. Электрокардиография (ЭКГ) 
ЭКГ – один из методов обследования сердца с целью диагностики возможных заболеваний и отклонений в его работе. Регистрация биоэлектрической активности даёт возможность получить информацию о состоянии сердечной мышцы. 
В 1842 году немецкий физиолог Дюбоис-Реймонд обнаружил, что при сокращении сердца лягушки возникает электрический потенциал действия. 
В 1887 году голландский физиолог Вильям Эйнтховен (Einthoven) демонстрирует на 1-м международном конгрессе физиологов в Лондоне кривую потенциалов действия сердца. 
В 1901 году Эйнтховен сконструировал первый в мире электрокардиограф, в котором был использован струнный гальванометр. Весило это чудо техники своего времени более 100 кг.  В 1924 г. Вильяму Эйнтховену за его вклад в развитии электрокардиографии присуждается Нобелевская премия.
И, наконец, в 1952 г. Эксперты ВОЗ принимают стандарт (протокол) записи и расшифровки электрокардиограммы. 
 
3. Рентген аппараты 
Конец 19 и начало 20-го века ознаменовался многими открытиями и технологическими новинками, которые определили дальнейшее развитие медицинской техники на многие годы. 
Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рентгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). 
Справка. Рентге;новское излуче;ние – это электромагнитные волны, энергия фотонов которых определяется диапазоном энергий от ультрафиолетовых до гамма-излучений, что соответствует интервалу длин волн от 10;4 до 10; ;нгстрем. 
На основе этого физического явления были созданы два вида приборов для визуализации внутренних органов – рентгеновские аппараты и компьютерные томографы(гамма-камеры). 
История рентгенологии начинается в 1895 году, когда Вильгельм Конрад Рентген впервые зарегистрировал затемнение фотопластинки под действием рентгеновского излучения. Им же было обнаружено, что при прохождении рентгеновских лучей через ткани кисти на фотопластинке формируется изображение костного скелета. Первое рентгеновское изображение было получено с руки жены В. Рентгена. Изображение показывало её обручальное кольцо, надетое на палец, а также кости руки. 18 января 1896 «рентгеновская машина» была официально представлена Х. Смитом, новая машина представлялась общественности, как техническое чудо. Это открытие стало первым в мире методом медицинской визуализации, до этого нельзя было прижизненно, неинвазивно, получить изображение органов и тканей.
Рентгеновские лучи проходят через кожный покров и в разной степени поглощаются костной и мышечной тканью. Больше всего рентгеновские лучи поглощает кальций, входящий в состав костной ткани. Поэтому на снимке кости ярко белого цвета. Соединительные ткани, мышцы, жир и жидкость не так интенсивно поглощают лучи, поэтому они представляются оттенками серого разной интенсивности. Меньше всего лучи поглощает воздух, поэтому на снимке он самый тёмный.
 
Общим недостатком, характерным для всех обычных рентгенодиагностических установок, является низкая яркость и контрастность светящегося флюоресцирующего экрана. Не менее существенным недостатком общепринятых рентгеноаппаратов является также большая лучевая нагрузка на больного и персонал. Эти отрицательные стороны при рентгеновском исследовании в значительной степени ликвидированы в современных рентгеноаппаратах с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП) или электронно-оптических усилителей(ЭОУ). 
Рентгенография применяется для диагностики: 
– желудка и двенадцатиперстной кишки; 
– желчного пузыря; 
– толстой кишки; 
– рентгенография грудной клетки — инфекционные, опухолевые и другие заболевания; 
– позвоночника ; 
– различных отделов периферического скелета ; 
– брюшной полости; 
–- зубов; 
– молочной железы( Рентген молочных желез (маммография) позволяет определить рак на ранних стадиях. Исследование позволяет спасти жизнь человеку при своевременном обнаружении злокачественной опухоли. 
 
 4. Компьютерный томограф (Гамма-камера) 
В 1958 году Хол Ангер – ученый из Калифорнийского Университета в Беркли – разработал прибор для создания изображений гамма-излучения. Хотя с 1958 года камера претерпела немало усовершенствований, современные гамма – камеры называют камерами Ангера, поскольку они сохранили самые важные элементы первых конструкций этих камер. Рассмотрим основные принципы работы камеры Ангера.
Гамма-камера (Компьютерный томограф) — прибор для графической регистрации распределения радиоактивного изотопа, предварительно введённого в организм человека, путём одновременного детектирования гамма-излучения от всех частей тела (органа). В основе гамма-камеры большой сцинтилляционный детектор. Обычно это монокристалл натрия йодида диаметром до 60 см, связанный с 19 и более фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), собирающими свет со всей его поверхности. Электрические импульсы, возникающие в ФЭУ, обусловливают вспышки света на экране электронно-лучевой трубки; при этом распределение вспышек на экране отражает распределение сцинтилляций в разных отделах кристалла, а они в свою очередь отражают картину распределения гамма-излучающего радиофармацевтического препарата (РФП) в органе. Таким образом, путь преобразования информации здесь следующий:
фотон от радионуклида, распределённого в теле пациента, поступает на сцинтилляционный кристалл, от него световой импульс поступает на ФЭУ, а после усиления – на электронное устройство, формирующее карту изображения в виде вспышек света на экране осциллоскопа. 
 
5. Магниторезонансная томография (МРТ) 
МРТ – один из наиболее молодых и перспективных методов диагностики. МРТ – процедура проводится при помощи специального аппарата, действие которого на организм человека заключается в стимуляции радиоволн, создании сильного магнитного поля и регистрации ответного электромагнитного излучения организма. Результатом процесса становится построение изображения путём обработки поступающего сигнала на компьютере.
Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. В 2003 году обоим исследователям была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за их открытия, касающиеся метода МРТ.
    Каковы же различия в применении компьютерной томографии(КТ) и магнитно- резонансной томографии (МРТ)? 
Возможности КТ и МРТ несколько отличаются, и это объясняется тем, что в аппаратах применяются разные виды излучения. КТ чаще всего назначают в случаях: 
– изучения повреждения костей и зубов; 
– изучения поражения суставов; 
– диагностики при травмах-на КТ хорошо видно «свежее» кровотечение; 
– выявления заболеваний позвоночника, в том числе грыж, остеопороза, сколиоза и других; 
– изучения повреждений головного мозга; 
– обследования органов грудной полости (выявления туберкулёза, пневмонии и прочих заболеваний); 
– обследования щитовидной и паращитовидной желёз ; – обследования полых органов (желудок, кишечник и т. д. ); 
– изучения состояния сосудов, диагностики аневризм, атеросклероза и т. д. ; 
– обследования органов мочеполовой системы. 
МРТ обычно назначают для исследования мягких тканей, суставов и сосудов: 
– обследования при подозрении на наличие опухоли в мягких тканях; 
– обследования внутричерепных нервов, структур головного и спинного мозга; 
– изучения оболочек спинного и головного мозга; 
– обследования больных с рассеянным склерозом и другими неврологическими заболеваниями, а также перенесших инсульт; – исследования связок и мышц; изучения состояния суставных поверхностей. 
 
6. Ультразвуковые приборы 
Современным пациентам сложно представить, что ещё не так давно медики обходились без такого метода диагностики, как ультразвуковое исследование. Ультразвук (УЗ) произвёл настоящую революцию в медицине, наделив врачей в высокой степени информативным и безопасным способом обследования пациентов. 
Прежде чем рассказать об истории появления ультразвукового исследования, нужно упомянуть два важнейших открытия, без которых этого метода не было бы. 
Первое. О наличии в природе звуковых волн, не воспринимаемых человеком, люди догадывались давно, но открыл «невидимые лучи» итальянец Л. Спалланцани в 1794 г., доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестаёт ориентироваться в пространстве. Здесь речь идёт об ультразвуке. 
Второе. В 1880 году братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, возникающий в кварцевом кристалле при механическом воздействии, а спустя 2 года был получен и обратный пьеза – эффект. Это открытие легло в основу создания из пьеза- элементов преобразователя ультразвука – главного компонента любого УЗ-оборудования. 
 
Справка. В терапевтической практике ультразвук используют в диапазоне частот 800-3000 кГц (1 кГц=1000 Гц). Выбор частоты ультразвука зависит от глубины расположения органов и тканей, подлежащих воздействию. При поверхностном их расположении применяют ультразвук высокой частоты (3 МГц), при более глубоком – более низкие частоты. 
    Попытки поставить ультразвук на службу медицине относятся к 30-м годам XX века. Его свойства начали применять в физиотерапии артритов, экземы и ряда других заболеваний. 
Опыты, начавшиеся в 40-е годы, были направлены уже на использование УЗ-волн в качестве инструмента диагностики новообразований. Успехов в исследованиях достиг венский психоневролог К. Дюссик, который в 1947 году представил метод, названный гиперсонографией. Доктору Дюссику удалось обнаружить опухоль мозга, замеряя интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента. 
Именно этот учёный считается одним из родоначальников современной УЗ-диагностики. 
Настоящий прорыв в развитии УЗ-дагностики произошел в 1949 году, когда учёный из США Д. Хаури сконструировал первый аппарат для медицинского сканирования. Это и последующие творения Хаури мало напоминали современные приборы. Они представляли собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп. 
Примерно в это же время американский хирург Дж. Уайлд создал портативный прибор с подвижным сканером, который выдавал в режиме реального времени визуальное изображение новообразований. Свой метод он назвал эхографией. 
Принцип работы: аппарат излучает УЗ-волны, затем воспринимает отражённые сигналы, и по времени, прошедшему от момента излучения до момента восприятия эхо-сигнала, определяют пространственное положение отражающей структуры. В последующие годы эти приборы усовершенствовались, и к середине 60-х годов они стали приобретать вид, близкий к современному оборудованию с мануальными датчиками.

В последующие тоды ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. На смену обычной двухмерной визуализации приходят новые технологии, позволяющие получать объёмную картинку, «путешествовать» внутри полостей тела, воссоздавать внешний вид плода. 
Ультразвуковая томография – это методика, аналогичная по информативности КТ и МРТ, но при этом совершенно безвредная. Прибор собирает объёмную информацию с последующей компьютерной обработкой изображения в трёх плоскостях. 
Этот уникальный информативный не инвазивный метод визуализации внутренних органов, который позволяет : 
– исследовать органы и кровоток в них; 
– перистальтику кишечника в режиме реального времени; 
– выявлять органическую патологию и аномалии развития плода; 
– определять факторы риска по развитию угрожающих состояний (аневризма); 
УЗ мониторинг позволяет изучать моторику кишечника, что является неоспоримым преимуществом метода перед другими способами визуализации. 
Каждый современный УЗИ аппарат также снабжён Доплером. 
Доплер – это такое устройство, которое используется с целью измерения звуковых волн. Эти волны отображаются от объектов, находящихся в движении. Полученная информация обрабатывается посредством компьютера. На мониторе отображается цветное двухмерное изображение, по которому специалист может определить есть ли у пациента затруднения при кровотоке. 
Справка. Эффект Доплера – это разница между длиной звуковой волны излучателя и отражённой волны от движущегося предмета. По этой разнице и определяют скорость движения, в нашем случае, например, скорость кровотока. Эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего это явление в 1842 году. 
С помощью этого устройства можно получить информацию о таких параметрах сосудистой системы: 
– скорость кровотока; 
– анатомия сосуда и его деформации; 
– характер кровотока (турбулентный или ламинарный); 
– наличие тромба или бляшек внутри сосуда 
и степень проходимости сосуда; 
– оценка плацентарного кровообращения и системы «мать — плацента — плод». 
 
   Ультразвуковая томография, как самая безвредная, привлекает исследователей всего мира и имеет огромные перспективы дальнейшего развития. Так исследователи из США создали новый высокотехнологичный материал, который может коренным образом изменить качество и разрешение изображений, получаемых с помощью ультразвука, поскольку он преобразует ультразвуковые волны не в электрические, а в оптические сигналы. Оптическая обработка сигналов позволяет избежать ограничений, связанных с диапазоном частот и чувствительностью датчика (преобразователя), что важно для получения изображений высокой чёткости. 
Дальнейшее развитие УЗ Томографии требует очень большого объема вычислений, которые нужно произвести за относительно небольшое время медицинского обследования пациента. Сделать это можно, только применив принципиально новую технологию вычислений на основе сверхбыстрого графического процессора. Эти работы сейчас только разворачиваются. 
 
В ближайшие годы нас ждут новые открытия в области визуализации внутренних органов человека. Надо отдать должное 20-му веку, Если такими же темпами будет двигаться технический прогресс, трудно себе даже представить, какова будет техника визуализации к концу этого столетия. 
Март 2018 
Статья создана на основе открытых материалов в Интернете