Вильгельм Рентген и Х-лучи: день в истории, который изменил подход к диагностике

Вильгельм Рентген и Х-лучи: день в истории, который изменил подход к диагностике 

Отправить пациента «на рентген» сегодня такая же будничная процедура, как забор крови для анализа. Без рентгеновских снимков нельзя обойтись в хирургии, стоматологии, онкологии. Методы диагностики, использующие рентгеновское излучение, применяются в самых разных областях медицины. Более того, именно рентгенография позволила окончательно определиться со строением ДНК, а значит, сделать возможной генную терапию, редактирование генома и многие другие вещи, которые кажутся удивительными, но при этом активно применяются. 

Всего этого могло бы и не быть, ведь рентгеновские лучи – случайная находка. Конечно, само излучение существовало вне зависимости от факта его обнаружения, однако выявление этих лучей, изучение их свойств и «укрощение» позволяет уже 130 лет применять их на пользу человечеству.

Как обнаружились те самые «рентгеновские» лучи?

Открывателем рентгеновских лучей считается Вильгельм Конрад Рентген, получивший за свое открытие Нобелевскую премию (1). Обнаружение излучения стало сюрпризом для самого ученого, он занимался решением совсем другой проблемы: наблюдал за электрическими разрядами в стеклянных вакуумных трубках, задержался в лаборатории допоздна, а когда уходил, то заметил странное свечение на своем рабочем столе. Оно исходило от экрана, покрытого платиносинеродистым барием. Такие экраны имелись в лабораториях большинства физиков – их применяли для проведения экспериментов с катодными трубками, изучая различные свойства электромагнитного излучения и пытаясь заметить частицы, невидимые глазу. 

Свечение появлялось, когда работала катодная трубка, и исчезало, когда ее выключали. Рентген перемещал экран по лаборатории, отмечая, что для лучей практически не существует преград: они проникали через тома книг, рабочий стол, алюминиевые листы, деревянные ящики, практически не задерживаясь и не преломляясь. Ради интереса ученый поставил на пути невидимого излучения свою руку. Результат оказался ошеломляющим – на экране ученый увидел скелет кисти. 

В тот вечер и в следующие дни ученый изучал свойства нового излучения, названного Х-лучами. Ему удалось показать, что некоторые материалы могли несколько ослаблять лучи, но того, что блокировало бы их полностью, найти не удавалось. 

Название Х-лучи было выбрано из-за того, что природа излучения была неясна, буква Х тогда (да и нередко сейчас) использовалась для всего неизвестного и загадочного. В наши дни свойства рентгеновского изучения изучены довольно хорошо, установлено, что это одна из форм электромагнитного излучения, однако название «Х-лучи» закрепилось и активно применяется по сей день.

Ученый занимался исследованием нового излучения в течение пары месяцев, тщательно фиксируя все то, что ему удавалось заметить. С докладом, посвященным Х-лучам, он выступил в декабре 1895 года на собрании Вюрцбургского физико-медицинского общества. Среди материалов, продемонстрированных научному сообществу, была и фотография, ставшая знаменитой – это было фото руки супруги Рентгена, где были хорошо заметны кости кисти и кольцо на одном из пальцев. Другая известная фотография – сделанный с помощью рентгеновских лучей снимок грузов разного размера, лежащих в закрытом деревянном ящике.

Та скрупулезность, с которой Рентген собирал все данные о лучах, и сделала его мировой знаменитостью. Он был первым, кто изучил свойства Х-излучения настолько тщательно. Позже выяснилось, что лучи замечали и другие исследователи, но ни один прежде не обращал на них столь пристального внимания.

Доводы Рентгена были опубликованы в брошюре «Новый вид лучей», которая очень быстро стала популярной: за первым тиражом последовал второй, а потом и третий, а кроме немецкого книгу быстро издали на других языках, в том числе и на русском.

Несмотря на ажиотаж, поднявшийся вокруг рентгеновских лучей, сам ученый не придавал огромного значения своему открытию. Он обнаружил «странное свечение», когда ему было около 50 лет, а на всестороннее его изучение потратил около года. Множество ученых после Рентгена принялись тоже исследовать эту форму электромагнитного излучения, однако, узнать что-то принципиально новое о них они смогли лишь через 30 лет после выхода первой публикации об Х-лучах. 

Сохранилась переписка Рентгена с коллегами, в которой он жаловался, что интерес журналистов и общественности к Х-лучам мешает ему продолжать свою научную работу и заниматься другими вопросами, которые его интересуют. Он, возможно, недооценивал важность сделанного им открытия и не представлял, как рентгеновские лучи поменяют медицину.

Как Х-лучи начали успешно использовать в медицине?

Поначалу, в первые месяцы после обнаружения этого поразительного эффекта, речь об использовании рентгеновского излучения в медицине даже не заходила. Его планировали применять в фотосъемке, в те годы фотография переживала настоящий бум, и вообще использовать для развлечения публики, просвечивая желающих «на потеху». На волне поднявшегося ажиотажа предприимчивые бизнесмены быстро подсуетились и стали предлагать покупателям кошельки, которые невозможно просветить рентгеновскими лучами, а также и нижнее белье, обладающее аналогичными свойствами. Чуть ли не до 1950-х годов была доступна услуга по примерке обуви с использованием Х-лучей: использование специального прибора позволяло увидеть, как именно расположены пальцы внутри закрытых ботинок. 

Но довольно скоро применять рентгеновские лучи стали не в развлекательных, а в диагностических целях. В 1896 году исследователи из США впервые «просветили» руку пациента с переломом и увидели, как именно смещены кости. Параллельно с совершенствованием диагностических возможностей Х-лучей и созданием рентгеновских установок врачи узнавали о возможном вреде лучей – к сожалению техника безопасности при их применении написана практически «кровью». О дозиметрии в те годы никто не слышал, а потому врачи, ассистенты и даже пациенты, которые пользовались новым типом диагностики, часто сталкивались с лучевыми травмами.

Создателем одного из первых в мире флюороскопов – медицинских приборов для диагностики – был сам Томас Эдисон. Он модифицировал модель, разработанную итальянским ученым Эрнико Сальвиони. Прибор успешно демонстрировался изумленной публике до тех пор, пока ассистенту Эдисона Кларенсу Делли не ампутировали руку – та была покрыта лучевыми ожогами. Ампутация, к сожалению, не помогла спасти жизнь Делли, он очень быстро умер от рака. Эта история шокировала Эдисона, и тот прекратил демонстрацию прибора и вообще изучение рентгеновского излучения.

Но другие ученые не остановились – появлялись новые приборы, формировались правила использования Х-лучей в медицине. В 1904 году с их помощью начали обследовать желудок – пациентам, правда, приходилось пить сернокислый барий, частично задерживающий излучение. В 1919 ученые смогли рассмотреть кровеносные сосуды, предварительно введя в них контрастное вещество – йодид калия, а в 1927 году провести первую процедуру, напоминающую ангиографию сосудов головного мозга. В 1972 был предложен метод компьютерной томографии, который также использует рентгеновское излучение. За его открытие Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд тоже, как и Рентген, стали лауреатами Нобелевской премии (3). Правда, получили они ее в 1979 году не по физике, а по физиологии и медицине. 

Что еще способны «увидеть» рентгеновские лучи?

Использование рентгеновского излучения не ограничивается медициной. Так, например, рентген картин, икон и других предметов искусства, также стал чуть ли не стандартной процедурой, проводимой в ходе реставрации (4) и оценке стоимости. При помощи такого обследования появляется возможность увидеть, есть ли под нынешним изображением другое, более старое, какие проводились работы, вносились изменения. Нередко это позволяет увидеть под слоем краски уникальную работу, неизвестную искусствоведам, настоящий шедевр, записанный поверх по тем или иным причинам. Самые яркие открытия будоражат мир искусства. Например, на полотне «Лоскут Травы» Ван Гога записан портрет женщины (5), а на картине «Дама с единорогом» Рафаэля Санти поначалу не было единорога! Даже под «Черным квадратом» Казимира Малевича – иконой супрематизма – спрятаны целых два изображения: протосупрематическая и кубофутуристическая композиции (6).

Другая область применения – палеонтология и археология. В ходе одного исследования рентгеновское излучение помогло найти мельчайшие фрагменты пигмента на окаменевших остатках динозавров. Это позволило разобраться (7) с тем, какого же цвета были эти вымершие гигантские рептилии. Оказалось, что в их окраске не было ничего впечатляющего – основу составляли (8) черный, коричневый, бурый. 

Египетские мумии тоже неоднократно направлялись на рентген (9) для исследования. Их не пришлось разворачивать с риском повредить хрупкие артефакты. Это позволило идентифицировать не только пол и возраст, то также изучить «анамнез» пациентов, то есть понять, чем они болели и от чего умерли. Еще один пример применения Х-лучей – изучение текстов (10), найденных при раскопках в Помпеях. Рукописи, погребенные под слоями пепла, развернуть было нельзя, так как материал был очень хрупким. Несмотря на это, исследователи смогли узнать, что там написано – помогла в этом рентгеноскопия. 

Существует ли предел возможностей?

Сегодня компьютерная томография стала рутинной процедурой, снимки с ее помощью получаются четкими и информативными, представить такую точность раньше было попросту невозможно. Впрочем, исследователи уверяют, что нет предела совершенству – и действительно, снимки с каждым новым аппаратом получаются все более детальными. Этому, например, способствует использование квантовых эффектов (11) – их применение помогает получать качественные изображения даже при значительном фоновом шуме и помехах.

Само оборудование теперь позволяет не только визуализировать то, что находится внутри, но и, оказывается, способно анализировать полученные изображения. Это становится возможным благодаря применению искусственного интеллекта, помогающего специалистам ставить более точный диагноз и обращающего их внимание на мельчайшие аномалии, которые раньше просто остались бы незамеченными. Технологии, предполагающие применение искусственного интеллекта и машинного обучения, несомненно, будут развиваться и в дальнейшем.

Одновременно с диагностикой совершенствуется и терапия, которая также использует рентгеновские лучи. Один из наиболее современных вариантов — проведение томотерапии (12) применением спирального томографа. Этот подход позволяет высокоточно облучать опухолевую область, минимально воздействуя на здоровые ткани.

Использовать рентгеновское излучение теперь проще и безопаснее – проводить процедуры можно не только в стационаре, но и в «полевых» условиях. Для этого создаются компактные и мобильные варианты. Размеры некоторых из них весьма впечатляют – например, устройство от Fujifilm весило всего 3,5 кг. Впрочем, это экстремально крошечный вариант, большинство портативных аппаратов имеет более значительные размеры. Применение таких устройств значительно расширяет возможности врачей – они могут проводить диагностику там, где людям сложно получать базовую медицинскую помощь, откуда они не могут добираться до крупных больниц. 

Сегодня оборудование, использующее Х-лучи, продолжает развиваться и совершенствоваться. Оно применяется как для базовых диагностических осмотров, так и для процедур, требующих высокой точности. Открытие, сделанное Рентгеном, кажется, нашло более широкое применение, чем сам ученый мог предположить.

Источники

1. Первую Нобелевскую премию в области физики получил Вильгельм Рентген в 1901 году

2  Под конец жизни Томас Эдисон говорил: «Не спрашивайте меня об Х-лучах — я их боюсь»

3. Алан Кормак и Годфри Хаунсфилд разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за развитие компьютерной томографии.

4. Рентгенография проводится при реставрации и оценке стоимости живописных полотен

5. Как рентгеновские лучи используются при исследованиях картин

6. Изучение «Черного квадрата» экспертами Третьяковской галереи

7. Рентген позволил определить цвет динозавров...

8. … черный, коричневый и бурый.

9. Направление на рентген для мумии

10. Рукописи не горят, но отлично просвечиваются

11. Квантовые эффекты в томографии

12. Томотерапия при онкологических диагнозах