От стадионных концертов до массовых скринингов: 50 лет компьютерной томографии
Пятьдесят лет назад, в 1971 году, в английском Уимблдоне была проведена первая в мире компьютерная томография — с ее помощью врачи обнаружили опухоль лобной доли головного мозга у 41-летней пациентки. Разработкой нового метода исследования занимался Годфри Хаунсфилд, инженер-электрик компании EMI. Известный звукозаписывающий лейбл зарабатывал огромные деньги на самой популярной группе того времени – The Beatles, собиравшей полные стадионы по всему миру. И с удовольствием инвестировал сверхприбыли в разработки своего талантливого сотрудника: к 70-м будущий Нобелевский лауреат уже успел создать для EMI транзисторный компьютер под управлением магнитного поля – правда, этот многообещающий проект оказался не слишком коммерчески успешным.
Зато компьютерный томограф, как и песни The Beatles, мгновенно стал хитом. Всего через 8 лет Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена двум первопроходцам метода: Годфри Хаунсфилду и другому независимому исследователю, американскому физику Аллану Кормаку. Первые КТ-аппараты были медленными (сканирование могло длиться часами!) и применялись только для исследований головы, но с каждым поколением становились все быстрее и точнее. Сегодня, спустя всего полвека, компьютерная томография превратилась в рутинное исследование, которое позволяет ставить точные диагнозы и эффективно лечить миллионы пациентов каждый год.
Смена оптики
Изобретение компьютерного томографа стало одним из этапов затянувшейся концептуальной революции в медицинской мысли, в результате которой врачи начали считать, что болезни вызываются структурными изменениями в органах и тканях. Сегодня эта идея кажется вполне очевидной, но на самом деле ей не так много лет. На протяжении столетий лучшие умы человечества полагали, что большинство болезней связано с нарушением баланса четырех основных жидкостей, содержащихся в организме, – гуморов: крови, слизи, желтой и черной желчи. Когда в 1816 году французский врач Рене Лаэннек изобрел стетоскоп, он не просто создал полезный инструмент – он описал новое понимание причин болезни.
Такая смена оптики имела колоссальные последствия. Если болезнь проявляется не только в виде симптомов, описанных пациентом, но и в виде изменений, которые определяет врач, то одно лишь наличие поражения может свидетельствовать о том, что человек, чувствующий себя хорошо, на самом деле болен. А это значит, что медицине нужно сфокусироваться на поисках способов, с помощью которых можно находить патологические изменения, незаметные на глаз.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген нашел такой способ: он обнаружил, что особые лучи, испускаемые катодной трубкой, могут проходить через ткани и оставлять тени на фотопластинке. Изобретение рентгеновского аппарата поразило весь мир, но вскоре стало понятно, что у Х-лучей есть серьезные ограничения. Дело даже не в том, что ионизирующее излучение могло представлять опасность для пациента – рентгеновские лучи создавали двухмерное изображение, из-за чего на снимке суммировались разные структуры. Рентгеновское излучение лучше всего поглощается наиболее плотными тканями – костями, и легко проходит через мягкие ткани. Поэтому, например, на рентгеновском снимке черепа видны именно кости. Только через столетие компьютерная томография решила эту проблему.
Логарифмические линейки и искусственный интеллект
Изобретение компьютерного томографа изменило лучевую диагностику до неузнаваемости. Впервые не только врач, но и компьютер стал полноправным участником диагностического процесса. КТ-аппараты создают трехмерные изображения из множества двухмерных снимков – этот процесс основан на математической модели, которая впервые была сформулирована в 1917 году (в статье, не имеющей никакого отношения к медицине) и появилась благодаря логарифмической линейке и расчетам на бумаге. Изобретение компьютерного томографа стало возможным благодаря наступлению новой эры: в 1971 году был изобретен первый микропроцессорный чип, поднявший вычислительные мощности машин на совершенно новый уровень, и уже в следующие несколько лет появилась целая россыпь устройств под управлением алгоритмов.
Первоначально компания EMI предполагала, что мировой рынок компьютерных томографов составит всего 25 аппаратов. Сегодня таким количеством не может удовольствоваться даже небольшой город! Массовое применение компьютерной томографии сделали возможным постоянно растущие мощности компьютеров. Томографы быстро становились все быстрее и универсальнее. Если сначала аппараты были ограничены исследованиями мозга, то к 1975 году с помощью КТ можно было получать изображения всего тела. Если первому КТ-аппарату потребовалось 9 дней для сбора данных и еще 2,5 часа для реконструкции изображения, то всего через несколько лет сканирование занимало уже 4,5 минуты, а получение финального изображения – 20 минут.
Сегодня самые подробные КТ-исследования занимают не больше получаса, а алгоритмам требуется всего несколько секунд, чтобы обработать уже даже не десятки, а тысячи изображений. Такая мощь поставила перед врачебным сообществом новые вопросы. Теперь с помощью КТ можно получать массу дополнительной информации – но действительно ли она нужна? И, если да, как лучше извлекать ее из набора цифровых данных? Ответом на этот вопрос может стать искусственный интеллект: всего через 50 лет после изобретения компьютерной томографии человечество научилось применять алгоритмы не только для «сшивания» снимков, но и для их анализа.
Московский Эксперимент по компьютерному зрению в лучевой диагностике показал, что алгоритмы, обученные на наборах данных, подготовленных опытными врачами, могут помогать рентгенологам в интерпретации исследований. Во время пандемии COVID-19 сервисы на основе искусственного интеллекта помогли врачам быстро находить признаки вирусной пневмонии и высчитывать процент поражения легких, от которого зависит схема лечения пациента. Это уже позволило на 30% ускорить обработку потока исследований!
Лучевая нагрузка
Высокое качество КТ-изображений требует дополнительного излучения. Сегодня на долю компьютерной томографии приходится большая часть лучевой нагрузки, которую человек получает в течение жизни. Стоит ли повышение диагностической точности такого риска? И можно ли уменьшить дозу облучения, связанную с компьютерной томографией?
Как выяснилось позже, да – причем настолько, что метод можно безбоязненно использовать при проведении скринингов – массовых обследований здоровых пациентов, находящихся в группе риска по развитию определенных заболеваний. В 2016 году Центр диагностики и телемедицины рассчитал клиническую эффективность программы скрининга рака легкого, для которого используется не традиционная компьютерная томография, а ее «облегченная» версия – низкодозная КТ, или НДКТ. Новые протоколы исследования позволили снизить дозу облучения, не потеряв в эффективности.
Пилотный проект, проходивший в 10 московских поликлиниках с 2017 по 2019 год, позволил обследовать 1,5 тысячи человек и выявить 308 случаев рака легкого, позже подтвержденного другими методами исследований. Пандемия COVID-19 внесла корректировки в использование компьютерной томографии, однако при достаточном снижении заболеваемости программу можно будет развернуть на всю Москву – тогда у города появится возможность проводить более 60 тысяч НДКТ в год и выявлять 1100 случаев рака легкого, из них свыше 400 – на ранних стадиях.
Текст: Станислав Самбурский
Фото: Екатерина Бугаенко