Godfrey Hounsfield, inżynier w EMI, obok swojego tomografu komputerowego - 1972 r.
Perspektywa cennych obiektów ukrytych w tajemnych komnatach może naprawdę rozpalić wyobraźnię. W latach 60. XX wieku, brytyjski inżynier Godfrey Hounsfield rozmyślał, czy możliwe jest znalezienie ukrytych miejsc w egipskich piramidach, wyłapując promieniowanie kosmiczne przechodzące przez niewidzialne pustki.
Pomysł ten, który można sparafrazować jako „zaglądanie do pudełka bez otwierania go”, towarzyszył mu przez lata. Ostatecznie udało mu się opracować metodę, która wykorzystuje wysokoenergetyczne promienie, aby odkryć to, czego nie da się zobaczyć gołym okiem. Wynalazł sposób, który pozwala zajrzeć w głąb twardej czaszki i otrzymać obraz zawartego wewnątrz miękkiego mózgu.
Pierwszy tomogram komputerowy ludzkiego mózgu wykonano 50 lat temu, 1 października 1971 roku. Hounsfield nie dotarł do Egiptu, jednakże jego wynalazek zabrał go do Sztokholmu i Pałacu Buckingham.
Inżynierska Innowacja
W młodości Godfrey Hounsfield nie miał zadatków na znamienitego naukowca. Nie był też wyjątkowo pilnym uczniem. Jego nauczyciele określali go „głupim”.
Dołączył do Królewskich Sił Powietrznych na początku II Wojny Światowej, ale nie nadawał się na żołnierza. Odkrył jednak w sobie talent do maszynerii elektrycznej, a zwłaszcza do niedawno wynalezionego radaru, który zmodyfikował, aby pilotom łatwiej było odnaleźć drogę do domu podczas ciemnych, pochmurnych nocy.
Po wojnie Hounsfield posłuchał rady swojego dowódcy i zdobył dyplom inżyniera. Fach praktykował w EMI - firmie, która uzyskała potem sławę jako sprzedawca płyt Beatlesów, ale zaczynała jako Electric and Music Industries i skupiała się wówczas na inżynierii elektrycznej.
Wrodzone talenty Hounsfielda popchnęły go do prowadzenia zespołu budującego najbardziej zaawansowany komputer typu mainframe, dostępny w Brytanii. W latach 60. XX wieku EMI planowała jednak opuszczenie konkurencyjnego rynku komputerowego i nie wiedziała, co zrobić z genialnym i ekscentrycznym inżynierem.
Hounsfield został wysłany na przymusowy urlop, aby zastanowić się nad swoją przyszłością i tym, co mógłby zaoferować firmie. Podczas wypoczynku spotkał lekarza, który skarżył się na kiepską jakość prześwietleń mózgu. Zwykłe prześwietlenia pokazują najdrobniejsze detale kości, ale mózg jest bezkształtną bańką tkanek - na zdjęciu rentgenowskim jest całkowicie niewyraźny. Skłoniło to Hounsfielda do rozmyślań nad starym pomysłem odkrywania niewidocznych gołym okiem struktur bez otwierania pojemnika.
Nowe podejście odkrywa to, co wcześniej było niewidzialne
Hounsfield sformułował nowe podejście do problemu obrazowania wnętrza czaszki.
Najpierw koncepcyjnie podzielił mózg na serię plastrów - trochę jak bochenek chleba. Następnie zaplanował przepuszczenie wiązek promieni rentgenowskich przez każdy plaster, powtarzając to dla każdego stopnia półkola. Siłę każdej wiązki mierzono po przeciwnej stronie mózgu - silniejsze oznaczały, że promienie przeszły przez mniej gęstą substancję.
Ta grafika ukazuje promienie rentgenowskie przenikające przez warstwy mózgu, padające pod każdym kątem między 1 a 180 stopniem w półkolu.
Na koniec, co prawdopodobnie było jego najbłyskotliwszym pomysłem, Hounsfield opracował algorytm mający za zadanie rekonstruować obraz mózgu na podstawie wszystkich plastrów. Poprzez pracę wstecz i wykorzystanie jednego z najszybszych wówczas komputerów, był w stanie obliczyć wartość każdego z kwadracików każdej warstwy mózgu. Eureka!
Poprzez obliczenie siły każdego promienia - po tym, jak przeszedł przez obiekt - i pracę wsteczną za pomocą imponującego algorytmu, można zbudować obraz.
Jednakże, był jeden problem: EMI nie było zaangażowane w rynek medyczny i nie chciało nań wejść. Firma pozwoliła Hounsfieldowi pracować nad jego produktem, lecz przy minimalnych środkach. Zmuszony był przeszukiwać pojemniki na złom ośrodków badawczych i sklecić prymitywny skaner na tyle mały, aby mógł zmieścić się na zwykłym stole.
Pomimo udanych skanów nieżywych obiektów, a następnie koszernych mózgów krów, władze EMI nie były zachwycone. Hounsfield musiał znaleźć zewnętrzne źródło finansowania, aby zbudować skaner dla ludzi.
Hounsfield był genialnym wynalazcą o niebotycznej intuicji, lecz nie radził sobie z komunikacją. Na szczęście jego szef, Bill Ingram, współczuł mu i uważał jego pracę za niezwykle ważną, dlatego prowadził walkę z EMI, aby zapewnić projektowi byt.
Był świadomy, że nie mogli szybko otrzymać dofinansowań, lecz doszedł do wniosku, że Ministerstwo Zdrowia i Bezpieczeństwa Społecznego Zjednoczonego Królestwa może zakupić sprzęt do szpitali. Jak za sprawą cudu, Ingram sprzedał im cztery skanery, zanim zdążyły one powstać. Hounsfield zorganizował więc zespół i z jego pomocą starał się jak najszybciej zbudować bezpieczny i skuteczny skaner dla ludzi.
Potrzebował jednak pacjentów, na których mógłby wypróbować urządzenie. Udało mu się znaleźć nieco sceptycznego neurologa, który zgodził się mu pomóc. Zespół zainstalował pełnowymiarowy skaner w Szpitalu Atkinsona Morleya w Londynie i 1 października 1971 roku zbadano pierwszą pacjentkę - kobietę w średnim wieku wykazującą objawy guza mózgu.
Nie był to błyskawiczny proces - 30 minut na skan, przejażdżka przez całe miasto z taśmami magnetycznymi, 2.5 godziny przetwarzania danych na komputerze EMI i uchwycenie obrazu aparatem Polaroida, poprzedzające rajd z powrotem do szpitala.
Ich oczom ukazał się widok masy torbielowatej - wielkości śliwki - w płacie czołowym. Dzięki temu wszystkie inne metody obrazowania mózgu stały się niepotrzebne.
Pierwszy kliniczny tomogram ukazuje guza mózgu wielkości śliwki, widocznego w lewym płacie czołowym pacjentki. Na zdjęciu przybiera postać ciemnego kleksa.
Miliony tomogramów rocznie
EMI, pomimo zerowego doświadczenia na rynku medycznym, nagle uzyskało monopol na maszynę, na którą panował ogromny popyt. Rozpoczęto produkcję i początkowo sprzedaż skanerów była bardzo udana. Jednakże, w przeciągu zaledwie pięciu lat, większe firmy (z większymi możliwościami badawczymi), takie jak General Electric Co. i Siemens, zaczęły produkować lepsze skanery i zawładnęły rynkiem. EMI ostatecznie opuściło rynek medyczny - i stało się studium przypadku, w którym współpraca z większym graczem może okazać się korzystniejsza niż próba samotnego opanowania rynku.
Innowacja Hounsfielda zmieniła medycynę. W 1979 r. otrzymał wraz z innymi Nagrodę Nobla z Fizjologii lub Medycyny i otrzymał tytuł szlachecki w 1981 r. Wynalazkami zajmował się do 2004 r. - aż do śmierci w wieku 84 lat.
W 1973 r. Amerykanin Robert Ledley opracował skaner całego ciała, który potrafił obrazować inne organy, naczynia krwionośne i (oczywiście) kości. Nowoczesne skanery są szybsze, dają lepsze wyniki i, przede wszystkim, emitują mniej promieniowania. Istnieją również skanery przenośne.
Do 2020 r. przeprowadzono ponad 80 milionów tomogramów rocznie w USA. Niektórzy lekarze twierdzą, że liczba ta jest przesadzona i około 1/3 skanów jest niepotrzebna. Mimo prawdziwości tego stwierdzenia, tomograf pomaga ratować życie wielu pacjentów na całym świecie, identyfikując nowotwory i sprawdzając, czy operacja jest niezbędna. Są szczególnie przydatne na izbie przyjęć, szybko wyszukując uszkodzenia wewnętrzne po wypadkach.
A pamiętacie pomysł Hounsfielda z piramidami? W 1970 r. naukowcy umieścili wykrywacze promieniowania kosmicznego w najgłębszej komnacie w piramidzie Chefrena. Wywnioskowali, że w piramidzie nie znajdowała się żadna ukryta komnata. W 2017 roku inny zespół umieścił wykrywacze w piramidzie Cheopsa i znaleźli ukrytą, lecz niedostępną komnatę. Raczej nie zostanie zbadana w najbliższej przyszłości.
Nowoczesne tomogramy oferują znacznie wyższą rozdzielczość obrazów „plastrów” mózgu niż pierwowzór Hounsfielda w 1971 roku.
