Медицина

Нобелевские лауреаты: Годфри Хаунсфилд

Человек, который в одиночку изменил медицину

Wikimedia Commons

О гениальном инженере и увлеченном радиотехнике, создателе первых компьютеров и первого томографа, нобелевском лауреате почти без научных статей рассказывает очередной выпуск нашей рубрики «Как получить Нобелевку».

Он стал «отцом» послойного сечения живых тканей с помощью рентгеновских лучей, позволил врачам заглянуть внутрь человека, подробно рассмотреть структуры органов и создать единую систему, по которой рассчитывается плотность ткани. Он посвятил себя науке без остатка, так и не обзаведшись семьей, и объединил в своей профессии радиофизику с музыкой. Встречайте: Годфри Хаунсфилд.

Годфри Ньюболд Хаунсфилд

Родился 28 августа 1919 года, Ноттингемшир, Великобритания

Умер 12 августа 2004 года, Кингстон-на-Темзе, Суррей, Великобритания

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1979 года (1/2 премии, совместно с Аланом Кормаком). Формулировка Нобелевского комитета: «За разработку компьютерной томографии» (For the development of computer assisted tomography).

Годфри Ньюболд Хаунсфилд родился в маленькой деревеньке в Ноттингемшире (графство в одном из центральных районов Великобритании). Семья обитала на просторной ферме, которую купил глава семейства сразу после Первой мировой войны для своих пятерых детей, поэтому простора для игр и творчества хватало. Годфри оказался самым поздним ребенком, сильно отстающим от своих двух братьев и двух сестер по возрасту, и поскольку интересы были разные, играли дети в разные игры, то юный инженер постоянно оставался один.

Однако, судя по воспоминаниям из автобиографии, его это нисколько не смущало, а даже наоборот — оставляло массу времени для опытов и всякого рода испытаний.

«Период между моими одиннадцатым и восемнадцатым годами остается самым ярким в моей памяти, потому что это было время моих первых попыток экспериментов, которые никогда бы не получилось сделать, живи я в городе. В деревне было множество развлечений, не ощущалось никакого давления со стороны братьев или сестер, и я легко мог проверить любую интересную идею, которая приходила мне на ум», — пишет Хаунсфилд.

Еще совсем юного Годфри крайне интересовала техника, которая стояла в сарае на заднем дворе фермы: молотилки, машины для связки снопов сена, генераторы. Он стремился разобраться, как работает каждая деталь, что приводит их в движение и чем это движение осуществляется. Но он не только разбирался — он применял свои знания на практике и пропадал в сарае сутками, работая над очередной электронной штуковиной.

Так появились разные виды электрических записывающих машин, планер, с помощью которого изобретатель постигал физику полета, даже чуть не угробивший его самодельный флайборд из смоляной бочки с водой и ацетилена. Мальчику было интересно, насколько высоко сможет поднять бочку струя воды. Тогда ему казалось, что абсолютный рекорд высоты, который ему удалось поставить, оказался на отметке в 1000 футов (около 305 метров), что, конечно, вряд ли может быть правдой.

Из-за тяги Годфри ко всему техническому гуманитарные дисциплины ему давались крайне плохо. В отличие от физики с математикой, он не любил языки, историю, обществознание и прочее, что в Магнусской школе грамматики в Ньюарке так старательно пытались ему привить. Тем не менее, он все-таки научился рассуждать, что в жизни впоследствии ему сильно пригодилось.

По окончании школы молодой Хаунсфилд не сразу приступил к дальнейшему обучению, а пошел волонтером в Королевские военно-воздушные силы, поскольку наступала Вторая мировая война, в обществе вовсю обсуждались новинки военной отрасли, в том числе в авиации, и это юношу, помешанного на технике, полностью затянуло.

С жадностью накинувшись на всю кипу литературы, которая только была в доступе ВВС Британии, он постиг основы электроники и радиотехники. Эта тяга помогла ему отлично сдать итоговый тест, и его без лишних вопросов и сомнений забрали в Крэнвеллскую военно-воздушную радиолокационную школу, причем в качестве преподавателя-инструктора. Там он в свободное время развлекался тем, что проходил обучение и в итоге сдал экзамен по радиокоммуникациям, занимался созданием широкоэкранного осциллографа и демонстрационного оборудования в качестве обучающих пособий.

Все это не осталось незамеченным для лиц высокого ранга, которые присматривались к молодым и перспективным кадрам. Благодаря ходатайству одного из них, вице-маршала Британской авиации Джона Реджинальда Кессиди (John Reginald Cassidy), Хаунсфилд получил грант на обучение в электротехническом инженерном колледже Фарадея в Лондоне — одном из лучших и новаторских для того времени технических институтов. Его особенность состояла в том, что тогда он был первым специализированным колледжем (год основания — 1890-й), обеспечивающим университетское образование, причем, еще до распространения инженерных факультетов. К тому же там впервые начали внедрять так называемые сэндвич-курсы, сочетающие в себе теоретическую базу с ее безотлагательным практическим применением.

Джон Кессиди

Wikimedia Commons

Еще во время работы в британских ВВС Хаунсфилда привлекли электронные вычислительные механизмы, в том числе компьютеры, которые в то время еще только покоились в яслях истории. Поэтому, получив элитный диплом Фарадейского колледжа, он в 1949 году подал резюме в компанию EMI (Electric and Musical Industries, также известные как EMI Records Ltd.), куда его с большой охотой взяли. Компания в то время занималась исследованиями в области электроники для коммерческого использования.

Некоторое время он занимался разработкой системы радиоуправления для оружия, руководил небольшой проектной лабораторией, но с середины 50-х плотно приступил к созданию компьютера на основе транзисторов, которые сам же и усовершенствовал. Он внедрил в них магнитный сердечник, смог добиться, чтобы они управлялись магнитным полем, и таким образом увеличил скорость обработки информации в разы, что в итоге вылилось в первый полностью транзисторный и доступный для продажи компьютер EMIDEC 1100.

Тем не менее техника развивалась стремительно, а идеи по совершенствованию, которые далее выдвигал Хаунсфилд, оказывались коммерчески не выгодными. Он решил оставить проект и на некоторое время пустить свои мысли в свободное плавание. Это оказалось верным решением, и в 1967 году к нему пришло то самое, чему можно посвятить всю оставшуюся жизнь — идея об автоматическом распознавании образов, основанном на степени поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. В дальнейшем она вылилась в EMI-сканер и методику вычисления в томографии, и до 1976 года этот проект поглотил исследователя полностью.

Набросок Хаунсфилда

Wikimedia Commons

Интересно, что метод математического анализа данных для определения того, как биологические ткани поглощают рентгеновские лучи, разработал Алан Маклеод Кормак еще в конце 50-х годов. Он основывался на измерениях поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Поскольку пучок зондировал определенный участок с многих точек, полученная информация отображала особенности поглощения каждой отдельной части этого участка. При обычном рентгеновском исследовании определяется лишь суммарное поглощение луча, достигающего пленки, а изображения мягких тканей и костных структур при этом накладываются друг на друга. Метод Кормака же позволял воссоздать изображение внутренних деталей строения.

Аллан Кормак

Wikimedia Commons

Однако проблема была в том, что его алгоритмы оставались еще слишком сырыми и чисто лабораторными, поскольку в то время не существовало настолько мощных и быстрых компьютеров, которым бы удавалось обрабатывать такой массив данных. Поэтому исследование длилось крайне долго. Опубликованная работа также из-за сложности не вызвала у научной общественности особого интереса и энтузиазма.

Другое дело — Хаунсфилд. Он независимо от Кормака стал разрабатывать свой проект и придумал схожую систему, в которой тонкий линейный пучок гамма-излучения кобальта-60 пускался сквозь муляж тела и с противоположной стороны «отлавливался» счетчиком Гейгера. Забавно, что первый муляж тела состоял лишь из алюминиевых цилиндров в деревянной коробке, а его усложненная версия головы — из алюминиевого «черепа» с пластиком в качестве мозга и алюминиевых дисков в качестве опухолей.

Прототип компьютерного томографа

Wikimedia Commons

Эксперименты проходили крайне успешно. Разработанная инженером математическая модель была чуть проще Кормаковской и уже использовала большой компьютер для обработки данных. Усовершенствовали и рентгеновскую трубку: если раньше из-за низкоинтенсивного источника гамма-лучей, требующего длительных экспозиций, время сканирования составляло 9 дней, то в тот момент оно снизилось до 9 часов.

Хаунсфилд с улыбкой вспоминает, как он через весь Лондон в автобусе вез в сумке свежий мозг теленка для того, чтобы посмотреть, как будет регистрироваться и обрабатываться сигнал от живых тканей. Изображения получались удачные, а контрастность снимков была такой четкой, что позволяла оценить ткани головного мозга и других органов. Изобретатель проверял прототип томографа на препаратах мозга (позаимствованных в анатомическом музее), свежем мозге и других органах, даже использовал в качестве подопытного себя самого.

Первая томограмма препарата мозга

Wikimedia Commons

Тем не менее оставалось проверить, насколько хорошо машина сможет отличать норму от патологии. Для этого в 1971 году в госпитале Аткинсона Морли в Уимблдоне сконструировали первый клинический компьютерный томограф, и началось исследование больных с опухолями и другими заболеваниями головного мозга. В 1972 году появилась первая сканограмма головного мозга женщины с подозрением на его поражение, и полученное изображение отчетливо показало наличие темной округлой кисты.

Первая КТ пациента

Wikimedia Commons

Постепенно смонтировали более крупные и быстрые сканеры (в том числе КТ-сканер всего тела, созданный в 1975 году), в которых снижалось время сканирования, а в апреле 1972 года ЕМI объявила о начале производства первого коммерческого компьютерного томографа — ЕМIСТ-1000. И с этого момента в медицине началась совершенно новая эра точной прижизненной диагностики.

Для того, чтобы анализировать изображения, исходя из плотности тканей, Хаунсфилд придумал специальную шкалу ослабления рентгеновского излучения, согласно которой 0 единиц соответствовало чистой дистиллированной шкале, -1000 — плотности воздуха, +1000 — плотности кости, а сам диапазон значений колебался от -1024 до +3071. Таким образом, воздух на томограммах выглядит абсолютно черным, а кость — белой, поскольку костные структуры очень хорошо поглощают рентгеновские лучи.

(Кстати, нельзя не сказать и о роли рок-музыки в появлении томографии. В компании было много исследований, но главный их профит — это звукозапись. И в начале 1960-х EMI вытащила свой счастливый билет: контракт с The Beatles.)

В 1979 году Хаунсфилд и Кормак, как человек, который первым придумал алгоритм, получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за разработку компьютерной томографии». Нобелевский комитет отметил: «Когда метод был введен в медицинскую практику шесть лет назад, быстро стало очевидно, что это означало что-то революционно новое, с большими последствиями для рентгеновской диагностики и медицинских дисциплин, которые используют ее».

Хаунсфилд ушел в отставку из EMI в 1984 году: он не сошелся с руководством и характером, и потом финансово. Зато признанием он был не обделен — и речь не только о Нобелевской премии (наш герой представляет собой удивительную историю, когда премию по физиологии и медицине получил инженер). Еще смешнее оказалось с избранием Хаунсфилда в члены Королевского общества. Оказалось, что у Нобелевского лауреата слишком мало научных трудов, чтобы просто представить его на избрание. И — уникальный случай — в качестве «статей» были представлены изобретения.

Хаунсфилд с мамой по пути в Букингемский дворец

Wikimedia Commons

А еще до Нобелевской премии, в 1976 году, Хаунсфилда удостоили высочайшей чести: Ее Величество королева Елизавета II посвятила инженера, с тех пор — сэра Годфри — в командоры Ордена британской империи. На церемонию он пришел со счастливой мамой.

На банкете после вручения Нобелевской премии не любивший выступать Хаунсфилд отправил отдуваться с речью Кормака, однако слово взять пришлось: все гости — врачи, ученые, королевская семья — хотели услышать «человека, в одиночку изменившего медицину».

Удивительный факт: знаменитый и богатый Хаунсфилд жил очень и очень скромно, до середины 1970-х годов он даже не купил себе жилье, хотя, конечно, мог себе это позволить — и только со скромной части Нобелевской премии обустроил себе двухквартирный дом в Миддлсексе с жилыми комнатами и лабораторией.

Как Нобелевскому лауреату ему пришлось много ездить с лекциями по миру и особенно в США: статус обязывал, но Хаунсфилд всегда подчеркивал, что это «не его» и отнимает время от занятий наукой, ведь он даже не женился ради этого. В конце концов он установил правило, которому следовал до конца своих дней — он соглашался ездить на всякие конгрессы с одним условием: «он вообще ничего не должен будет делать». Хороший принцип!

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

Текст: Анна Хоружая при участии Алексея Паевского