CC BY
72
Экономические и гуманитарные науки
УДК 61:001
СВЯЗЬ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ И РАЗВИТИЯ МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУК* С.В. Фролов1, Т.А. Фролова2, В.М. Тютюнник3
Кафедры: «Биомедицинская техника» (1), «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» »2), ГОУВПО «ТГТУ» Тамбовский филиал ФГОУВПО «МГУКИ» (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: компьютерная томография; кристаллографический электронный микроскоп; лазер; магнитно-резонансная томография; просвечивающий электронный микроскоп; рентгеновское излучение; сканирующий туннелирующий микроскоп; струнный гальванометр; фронтальная хроматография; циклотрон; электрокардиограмма; электрофоретический метод анализа биологических жидкостей.
Аннотация: Показывается как благодаря достижениям Нобелевских лауреатов в области естественных наук, а именно химии, физики, физиологии и медицины, формировались и развивались медико-технические науки. Проанализировав работы шестнадцати ученых, удостоенных Нобелевской премии, можно увидеть интеграцию медицинских и технических наук.
Наиболее примечательной чертой XX века является бурное развитие науки. Множество необычайных открытий и изобретений было сделано в эту эпоху, названную «веком науки». Благодаря ученым, одна за другой реализовывались фантастические и нереальные мечты прошлого. Сейчас с уверенностью можно утверждать, что повседневная жизнь людей находилась тогда под всеобъемлющим контролем науки. Именно поэтому Нобелевская премия, которая внесла значительный вклад в это развитие, является одной из характерных особенностей ушедшего века.
Альфред Бернхард Нобель - великий изобретатель, находившийся в авангарде научного развития своего времени, был третьим сыном Иммануэля Нобеля. Он родился в 1833 году в Стокгольме, детство и юность его прошли в Санкт-Петербурге. Отец Альфреда, занимавшийся в то время производством мин, заряжаемых порошковыми взрывчатыми составами, обладал великолепной способностью к изобретательству. С талантом, пришедшим от отца, уже в юношестве Альфред начал помогать ему повышать эффективность действия взрывчатых материалов. Когда он запатентовал вещество, обладающее чрезвычайной способностью, назвав его динамитом и получив разрешение шведского правительства на его изготовление, ему не было еще и 34 лет. С этого момента он начал массовое производство динамита, основав заводы в различных странах мира и заложив твердую основу бизнеса на всю жизнь, которая оборвалась в 1896 году. Благодаря знаменитому Нобелевскому фонду и Нобелевским премиям, созданным по его завещанию, его слава останется с человечеством навсегда.
* Принято к печати 06.12.2006 г.
Историческое завещание А. Нобеля написано в Париже за год до его кончины. В завещании Альфред Нобель предусмотрел разделение призового фонда на пять равных частей, присуждаемых лицу:
1) совершившему наиболее важное открытие или изобретение в области физики;
2) добившемуся наиболее важного усовершенствования или совершившему открытие в области химии;
3) совершившему важное открытие в области физиологии или медицины;
4) создавшему в области литературы выдающееся произведение идеалистической направленности;
5) внесшему наибольший вклад в дело укрепления содружества наций, в ликвидацию или снижение напряженности противостояния вооруженных сил, а также в организацию или содействие проведению конгрессов миролюбивых сил.
В 1968 году Шведский банк в связи со своим 300-летием дополнительно к нобелевскому перечню учредил премию по экономическим наукам в память об Альфреде Нобеле.
В XX столетии науки все более специализировались, поэтому особенно интересны работы нобелевских лауреатов, возникшие на стыке наук. Медикотехнические науки являются примером взаимопроникновения медицинских и технических наук для изучения природы здоровья и болезней человека. Новые медицинские технологии создаются коллективными усилиями специалистов разнообразных областей науки и техники: биологии, медицины, физики, химии, электроники, материаловедения и т. д.
Проанализировав достижения нобелевских лауреатов в области естественных наук, а именно физики, химии, физиологии или медицины, можно проследить формирование и развитие медико-технических наук в ХХ веке.
Первая Нобелевская премия присуждена в 1901 году физику Вильгельму Конраду Рентгену (фото 1). Формулировка Нобелевского комитета: «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».
Открытие им рентгеновского излучения стало величайшим достижением человечества. В процессе исследований В.К. Рентген повторил некоторые из более ранних экспериментов, которые проводились Генрихом Гейсслером, Уильямом Круксом, Филиппом Ленардом, Дж. Дж. Томсоном и другими физиками.
Рентген в своих опытах использовал разработанную Гейсслером ртутную вакуумную трубку, в которой высоковольтный разряд между электродами при очень низком давлении порождает свечение. Имеются также веские доказательства, что он воспользовался лампой с наклонным платиновым катодом, изобретенной украинским физиком И.П. Пулюем, который впервые продемонстрировал Рентгену действие Х-лучей.
В 1895 году Рентген, чтобы облегчить наблюдения, затемнил комнату и обернул трубку плотной непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом цианоп-латинитом бария, полосу флуоресценции. Детально проанализировав результат и исключив возможные причины ошибок, он установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку, что источником излучения является именно трубка. фото , Вильгельм Конрад Рентген
Далее Рентген исследовал явление, кото- (Wilhelm Conrad Röntgen), рое он назвал Х-лучами (то есть неизвестными Германия (1845-1923)
лучами). Он обнаружил, что Х-лучи могут проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Рентген сделал поразительное открытие: кости его руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей.
Рентген также обнаружил, что Х-лучи вызывают не только свечение экрана, покрытого цианоплатинитом бария, но и потемнение фотопластинок (после проявления) в тех местах, где Х-лучи попадают на фотоэмульсию. Так Рентген стал первым в мире радиологом. В его честь Х-лучи стали называть рентгеновскими лучами. Широкую известность приобрела выполненная Рентгеном в Х-лучах фотография (рентгенограмма) кисти жены. На ней, как на негативе, отчетливо видны кости (белые, так как более плотная костная ткань задерживает Х-лучи, не давая им попасть на фотопластинку) на фоне более темного изображения мягких тканей (задерживающих Х-лучи в меньшей степени) и белые полоски от колец на пальцах.
Первое сообщение Рентгена о его исследованиях, опубликованное в местном научном журнале в конце 1895 года, вызвало огромный интерес и в научных кругах, и у широкой публики. Т ак, открыв неизвестное ранее излучение, Рентген революционизировал методы медицинской диагностики.
Следующим Нобелевским лауреатом, внесшим вклад в развитие медико-технических наук, стал датский ученый Нильс Рюберг Финсен (фото 2). В 1903 году ему была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины «в признание вклада в лечение заболеваний, особенно обыкновенной волчанки, концентрированными световыми лучами, что открыло новое направление в медицинской науке».
Волчанка - туберкулез кожи - почти не поддавалась терапии и часто настолько обезображивала внешность своих жертв, что они становились изгоями общества. Во второй половине 1890-х годов Финсен увлекся разработкой способа лечения этого заболевания. Анализируя работы своих предшественников, Финсен поначалу пришел к выводу о том, что неэффективность попыток лечения связана с недостаточной продолжительностью световых воздействий. Он решил исследовать проблему заново.
Финсен, изучая терапевтическое воздействие света, провел опыты, в ходе которых он понял, что свет - или его отсутствие - могут обладать терапевтическим эффектом. Чтобы усилить воздействие света, Финсен сконцентрировал его с помощью зеркал и линз. Для устранения обжигающего действия инфракрасной составляющей он исключил из спектра красно-желтую часть и обнаружил, что это существенно не снижало бактерицидного эффекта. Соединяя выпуклые линзы
с цветными фильтрами, Финсен сконструировал аппараты для концентрирования солнечного света и лучей дуговой электрической лампы.
В два стеклянных сосуда с желатинообразной питательной средой Финсен внес культуру бактерий. Снаружи он защитил сосуды от света с помощью бумаги, белой снаружи и черной внутри. В течение одного-двух дней Финсен выращивал культуры в темноте, затем подвергал сосуды действию солнечных лучей -прямых или концентрированных. Концентрированный свет давал больший бактерицидный эффект.
Финсен решил выяснить, проходят ли сине-фиолетовые лучи сквозь ткани человеческого тела. Он подложил под мочку уха фотобумагу, и оказалось, что лучи не оставили
Фото 2. Нильс Рюберг Финсен (Niels Ryberg Finsen), Дания (1860-1904)
на ней следа. Тогда Финсен сдавил мочку уха между двумя стеклянными пластинками и снова подействовал сине-фиолетовым светом. Изображение на фотобумаге появилось. Финсен сделал вывод о том, что значительная часть лучей поглощается кровью, и в дальнейшем он перед началом лечебного сеанса плотно прибинтовывал стеклянную пластину к обрабатываемой области кожи.
Финсен испробовал свой метод лечения при различных поражениях кожи, включая папулы, вызываемые натуральной оспой. Однако наилучший эффект был получен при лечении кожного туберкулеза. Краснота, припухлость и другие признаки воспаления кожи после нескольких сеансов значительно уменьшались, язвы, если они были, - рубцевались. Наступало выздоровление.
В 1896 году в Копенгагене был основан Финсеновский институт светолечения, директором которого стал Финсен. В институте были разработаны способы лечения с помощью финсеновских дуговых ванн, а также терапевтические методы, позволившие увеличить лечебную дозу ультрафиолетового излучения при минимальном повреждении тканей. В последующие пять лет 800 больных волчанкой прошли курс лечения в Финсеновском институте: 50 % полностью выздоровели, у 45 % отмечалось значительное улучшение. Финсен был прав, когда предсказывал, что в будущем эта болезнь в Дании будет ликвидирована.
В последующие десятилетия параметры лучевого воздействия и аппаратура менялись, к собственно фототерапии было сделано множество дополнений. Так, ультрафиолетовое облучение сочетали с воздействием рентгеновских лучей. Реже к ним присоединяли сверхнизкие дозы ионизирующих излучений. Появились лекарственные препараты местного действия. Применялось хирургическое удаление пораженных тканей и общая терапия туберкулеза. Тем не менее, принцип, предложенный Финсеном, оставался неизменным - бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей. Эти лучи были применены (и применяются поныне) для уничтожения бактерий в воздухе хирургических операционных и некоторых производственных помещений.
В настоящее время современную медицинскую науку невозможно представить без методов воздействия разнообразных видов концентрированных потоков энергии на биологические объекты, в первую очередь лазерных технологий.
Огромным успехом в изучении физиологии и патологии сердца явилось изобретение электрокардиографии Виллемом Эйнтховеном (фото 3). Он был удостоен Нобелевской премии в области физиологии и медицины «за открытие механизма электрокардиаграммы» (1924 г.).
Ученый усовершенствовал методику регистрации электрических процессов, происходящих в сердце, и описал механизм их возникновения, в результате чего электрокардиография стала важнейшим диагностическим инструментом в кардиологии. Электрофизиология - наука об электрических явлениях, возникающих в процессе жизнедеятельности организма, - начала развиваться задолго до изобретения Эйнтховена.
В 1880 году было признано, что сокращение сердца сопровождается электрическими явлениями, однако единственным способом, позволяющим регистрировать «сердечные токи», было прямое наложение электродов
на обнаженное работающее сердце. В Фото 3. Виллем Эйнтховен 1887 году обнаружили, что изменения по- (^11ет ЕтШоуеп),
тенциалов, возникающие при сокращении Нидерланды (1860-1927)
сердца, можно регистрировать и с поверхности тела с помощью электродов, наложенных на конечности. Подобные токи записывались с помощью капиллярного электрометра - прибора, состоящего из ртутного столбика, поднимающегося и опускающегося в зависимости от изменения электрического поля. При этом записывалась так называемая электрокардиограмма (ЭКГ), которая была чрезвычайно несовершенной, поскольку ртутный столбик обладал высокой инерцией. Виллем Эйнтховен установил, что при такой записи можно получить точную ЭКГ, если вносить в нее коррективы с помощью довольно кропотливых математических расчетов. Физик создал методику пересчета данных, полученных с помощью капиллярного электрометра. Характерным колебаниям потенциала он дал название зубцов ЭКГ, каждый из которых получил свое наименование: Р, Q, Я, 8 и Т. Временные промежутки между зубцами были названы интервалами.
Для того чтобы избежать трудоемких расчетов, в 1903 году Эйнтховен разработал струнный гальванометр, с помощью которого можно было точно записывать небольшие колебания электрических потенциалов. Главным элементом конструкции прибора Эйнтховена была тонкая (диаметром 2 мкм) нить, которая была натянута, как струна, в магнитном поле. Как только в нити появлялся электрический ток, она отклонялась от положения равновесия под прямым углом к направлению линии магнитного поля, и величина отклонения соответствовала силе тока в нити. Тень нити многократно усиливалась системой линз и регистрировалась на ленте из фотобумаги. Поскольку эта нить была очень легкой, она практически мгновенно реагировала на любые изменения электрического поля.
Снижение массы движущихся частей обеспечило прибору высокую чувствительность и малую инерционность. Эйнтховен говорил, что создал метод, позволяющий производить регистрацию «непосредственно, легко и быстро». Чувствительность прибора была столь высока, что с его помощью Эйнтховену удавалось регистрировать даже звуковые волны частотой более 10 кГц.
Перед записью ЭКГ на концах нити создавали стандартную разность потенциалов (1 мВ). Полученное при этом отклонение луча в дальнейшем служило эталоном для оценки амплитуды потенциалов сердца. Постоянная скорость движения бумажной ленты обеспечивала возможность регистрации временных характеристик электрического процесса.
В 1908 году Эйнтховен предложил так называемые стандартные отведения: запись с электродов, наложенных на обе руки, была названа I отведением, II отведение получали, записывая ЭКГ с правой руки и левой ноги; III отведению соответствовала запись с левой руки и левой ноги. Эти три отведения образуют треугольник Эйнтховена. Сумма потенциалов в отведениях I и III равна потенциалу в отведении II (правило Эйнтховена).
Уже в 1906 году Эйнтховен писал, что «различные формы сердечных заболеваний находят свое характерное отражение в электрокардиограмме», и приводил примеры электрокардиограмм пациентов с гипертрофией правого желудочка при аортальной недостаточности, гипертрофии левого предсердия при митральном стенозе и др.
С 1908 по 1913 годы Эйнтховен работал над трактовкой нормальной ЭКГ (соответствия ее зубцов и интервалов возбуждению различных отделов сердца), создавая, таким образом, базу для анализа ЭКГ больного сердца. В частности, он первым указал на важность проводящей системы сердца - системы особых тяжей, проводящих возбуждение со скоростью, во много раз большей, чем собственно мышечная ткань сердца. Уже в статьях 1906 и 1909 годов Эйнтховен показал, что сравнение электрокардиограмм, полученных в различных отведениях, дает возможность определить точку в сердце, где возникает электрический процесс. Он предложил также использовать электрофонокардиограмму - одновременную запись электрических и акустических явлений, происходящих в сердце.
Эйнтховен дорабатывал свой струнный гальванометр с 1906 по 1921 годы, но первое детальное описание прибора опубликовал уже в 1909 году. Весть о новом приборе распространилась быстро, и различные фирмы начали выпуск струнных гальванометров нескольких типов.
Несколько поколений инженеров совершенствовали электрокардиограф, однако и сегодня эти приборы изготовляются на основе принципа, предложенного Эйнтховеном.
В 1939 году Нобелевскую премию по физике получил американский ученый Эрнест Орландо Лоуренс (фото 4) «за изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов» (1939 г.).
Создание им циклотрона - ускорителя частиц - позволило, в том числе, синтезировать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Изотопы с успехом использовались Лоуренсом и его братом-медиком Джоном для лечения раковых больных.
В 1930-40-х годах развитие химических и биологических наук потребовало более глубокого проникновения в существо изучаемых процессов, детального анализа химического состава разнообразных смесей и биологических объектов. Решение этих задач, как правило, невозможно без применения достаточно эффективных методов разделения сложных смесей. Среди таких методов доминирует хроматография, впервые примененная в 1906 году русским физиологом и биохимиком растений Михаилом Семеновичем Цветом (1872-1919). Другой перспективный метод очистки веществ - электрофорез - движение дисперсных частиц в растворе под действием внешнего электрического поля. Ученые знали, что с помощью электрофореза можно разделять частицы и, в частности, крупные молекулы белков. На практике, различные факторы затрудняли достижение желаемых результатов.
Арне Вильхельм Каурин Тиселиус (фото 5) удостоен Нобелевской премии по химии 1948 года «за исследование электрофореза и адсорбционного анализа, особенно за открытия, связанные со сложной природой сывороточных белков».
Тиселиус обнаружил, что при условии тщательного контроля температуры и электрического тока можно достичь высокого уровня разделения белков. В 1936 году ему удалось сконструировать новый, более чувствительный электрофоретический прибор. Применив его для анализа сыворотки крови, Тиселиус сумел доказать, что сыворотка белка, известная как глобулин, фактически состоит из
Фото 4. Эрнест Орландо Лоуренс Фото 5. Арне Вильхельм Каурин Тиселиус (Ernest Orlando Lawrence), (Arne Wilhelm Kaurin Tiselius),
США (1901-1958) Швеция (1902-1971)
трех видов, которые он назвал альфа-, бета- и гамма-глобулинами. Т ак был разработан метод фронтальной хроматографии, с помощью которого можно анализировать белки, аминокислоты, углеводы.
В начале 40-х годов Тиселиус, наконец, обратил внимание на хроматографию. Ученый разработал оптическую технологию контроля над процессами разделения и технологию, названную им «вытеснительным анализом».
Методы анализа и очистки веществ, предложенные Тиселиусом, широко применяются в различных областях человеческой деятельности.
В настоящее время интенсивно продолжают развиваться новые модификации метода Тиселиуса. Электрофоретический метод стали комбинировать с хроматографией. Иммуноэлектрофоретический метод анализа биологических жидкостей широко используют в клинической диагностике. Бурно развиваясь в последние десятилетия, этот метод открыл возможности разделения смесей, содержащих десятки и сотни компонентов, их качественного и количественного анализа, препаративного выделения индивидуальных веществ. Принципы хроматографии весьма универсальны, благодаря чему она оказалась пригодной для изучения объектов самой различной природы - от нефти и газов атмосферы до белков, нуклеиновых кислот и даже вирусов.
В 1964 году Чарлз Хард Таунс (фото 6), Николай Геннадьевич Басов (фото 7) и Александр Михайлович Прохоров (фото 8) удостоились Нобелевской премии по физике «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе».
Широко известное слово «лазер» образовано от начальных букв английского выражения, означающего световое усиление с помощью индуцированного излучения - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ныне лазеры широко используются в медицине и других областях (связи, машиностроении, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве, в военном деле и в голографии).
Английский ученый, родившийся в Литве, Аарон Клуг (фото 9) в 1982 году получил Нобелевскую премию в области химии «за развитие кристаллографической электронной микроскопии и прояснение структуры биологически важных комплексов нуклеиновая кислота-белок». Этот метод был применен к установлению структуры вируса табачной мозаики и хроматина.
Фото 6. Чарлз Хард Таунс Фото 7. Николай Геннадьевич Басов
(Charles Hard Townes), (Nicolay Gennadiyevich Basov),
США (род. в 1915) СССР (1922-2000)
Фото 8. Александр Михайлович Прохоров Фото 9. Аарон Клуг
(Aleksandr Mikhailovich Prokhorov), (Aaron Klug),
СССР (1916-2002) Великобритания (род. в 1926)
Опираясь на знания в области физики и рентгеновского анализа, Клуг разработал новый метод, называемый кристаллографической электронной микроскопией, при котором изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, подвергается дифракции лазерным излучением. Получаемую в результате картину можно затем расшифровать и установить структуру анализируемого объекта. Этот метод вооружил Клуга не только новым техническим подходом, но и определил процедуру проведения исследований, которые связывают воедино клеточную и молекулярные структуры. Он мог теперь изучать сложную биологическую систему, сначала вычленив ее из клетки, затем получив подробную картину путем рентгеновского и химического анализов и, наконец, создав полное изображение всего устройства с помощью электронного микроскопа.
В 1972 году Клуг начал применять эту последовательность при анализе хроматина, соединения гистонов (особых белков) и ДНК, которые образуют хромосомы высокоорганизованных организмов. В 1981 году Клугу и его коллегам удалось показать, что гистоны так туго свернуты в сферические клубки, что нить ДНК человека длиной приблизительно в 2 метра укладывается в ядро клетки, диаметр которой меньше сотой доли миллиметра.
Разрешающая способность метода Клуга позволила получить изображение большинства атомов химических элементов. Таким образом, современный химик имеет возможность непосредственно наблюдать молекулы и их комплексы.
Исследования Клугом хроматина, составляющего основу хромосом, пролили свет на тончайшую структуру генетического аппарата. Это ускорило изучение функций генов и до сих пор играет важнейшую роль в выяснении многих заболеваний.
Данные Клуга, равно как и информация о результатах, полученных другими учеными, применяющими его методы, в значительной мере проясняют процессы, происходящие внутри живых клеток. Эффектной демонстрацией и дальнейшим развитием достоинств метода Клуга явилась успешная расшифровка структуры сложного биологического объекта - фотосинтетического реакционного центра бактерий, выполненная Дайзенхофером, Хубером и Михелем, за что они были отмечены Нобелевской премией по химии 1988 года.
В 1986 году Нобелевскую премию по физике получили: Эрнст Руска (фото 10) «за фундаментальную работу по электронной оптике и за создание первого электронного микроскопа», а также Герд Бинниг (фото 11) и Хейнрих Рорер (фото 12) «за разработку сканирующего туннелирующего микроскопа».
Фото 10. Эрнст Руска (Ernst Ruska), Федеративная Республика Германия (1906-1988)
Фото 11. Герд Бинниг (Gerd Binning), Федеративная Республика Г ермания (род. в 1947)
Фото 12. Хейнрих Рорер (Heinrich Rohrer), Швейцария (род. в 1933)
Первый электронный микроскоп был спроектирован еще в 1931 году Э. Руска и его научным руководителем Максом Кноллем. Прибор состоял из двух последовательно расположенных магнитных линз. При 15-кратном увеличении этот прибор немного уступал обычному оптическому микроскопу, но именно он позволил установить основные принципы электронной микроскопии.
Уже в 1933 году Э. Руска построил вариант электронного микроскопа, разрешающая способность которого позволяла определять детали размером в 500 ангстрем: его разрешение было в десять раз лучше, чем разрешение самых мощных оптических микроскопов. В 1937 году Э. Руска (в должности инженера-электрика фирмы «Сименс») принял участие в разработке первого коммерческого электронного микроскопа. Этот прибор с разрешающей способностью в 100 ангстрем впервые поступил на рынок в 1939 году. В настоящее время существуют электронные микроскопы, которые способны различать детали размером 1 ангстрем.
Электронный микроскоп Руски нашел применение в самых различных областях науки, в том числе при исследовании металлов, вирусов, белковых молекул и других биологических структур. Брат Эрнста Руски - доктор медицины Гельмут Руска - занимался разработкой применений электронного микроскопа для нужд медицины и биологии.
Изобретение Руски несомненно стимулировало изобретение Биннигом и Ро-рером сканирующего туннелирующего микроскопа. Ученые обратились к данной проблеме, привлеченные тем, что прежде не удавалось осуществить полный анализ поверхности материалов. Основной принцип, лежащий в основе сканирующего туннелирующего микроскопа, включает в себя сканирование твердого тела в вакууме тонким кончиком иглы. Работая с прибором, можно составить карту поверхности в атомном масштабе. Бинниг и Рорер впервые успешно опробовали туннелирующий микроскоп весной 1981 года.
Уже в 1986 году в лабораториях мира находилось, по крайней мере, 40 сканирующих туннелирующих микроскопов, и две компании приступили к выпуску коммерческих вариантов этих приборов. Сканирующий туннелирующий микроскоп стал обычным инструментом во многих исследовательских лабораториях. Кроме вакуума, этот инструмент оказывается эффективным и во многих других средах, включая воздух и криогенные жидкости. Он применяется в медицине для изучения вирусов, молекул ДНК и других микроскопических образований.
Т аким образом, уже в 1980-х годах можно было исследовать такие мельчайшие структуры, как вирусы и ДНК. Но в то время еще невозможно было неинвазивно, тщательно и просто изучить, например, внутренние органы человека. Поэтому создание рентгеновской компьютерной томографии Алланом Маклеодом Кормаком (фото 13) и Годфри Ньюбоулдом Хаунсфилдом (фото 14) явилось триумфом медико-технической науки ХХ века. «За разработку компьютерной томографии» ученые были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине 1979 года. Награждение Кормака и Хаунсфилда стало уникальным в том смысле, что никогда ранее и никогда после Нобелевскую премию по физиологии или медицине не получали физик и инженер.
Рентгенограммы отображают лишь общее поглощение лучей на пути каждого пучка. При этом по ним невозможно определить, какое участие в этом общем поглощении приняли ткани, через которые этот пучок последовательно проходил. При исследовании внутренних органов снимки получаются нечеткие, а изображения органов, через которые последовательно проходит луч, накладываются одно на другое. Т аким образом, для производства съемки необходимо было придавать больному специальные позы, с таким расчетом, чтобы лучи по возможности проходили только через исследуемый орган. Полые органы - желудок, кишку, сосуды - иногда заполняли специальной смесью (как правило, солей бария), непроницаемой для рентгеновских лучей. Особые трудности возникали при исследовании головного мозга, так как кости черепа сильно поглощают рентгеновские лучи и скрывают изображение мягких тканей. Искусству анализа («чтения») рентгенограмм медик учится годами.
Более полувека казалось, что эти трудности неизбежны, пока за решение медицинской проблемы ни взялся физик Кормак, который в конце 50-х - начале 60-х годов ХХ столетия разработал математический метод для определения поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. Метод Кормака основывался на многочисленных измерениях поглощения тонкого рентгеновского
Фото 13. Аллан Маклеод Кормак Фото 14. Годфри Ньюбоулд Хаунсфилд
(Allan MacLeod Cormack), (Godfrey Newbold Hounsfield),
США (1924-1998) Великобритания (род. в 1919)
пучка, проходящего через тело под различным углом, что давало возможность получить тонкий поперечный срез. Это позволило воссоздать изображение внутренних деталей строения тела на основе различного поглощения ими рентгеновских лучей. Работа Кормака, хотя и была опубликована, но не привлекла внимания научной общественности, а его метод оставался скорее примитивным лабораторным способом изучения моделированных ситуаций, нежели биологических тканей. Кроме того, быстродействующие компьютеры, способные выполнять большое количество математических операций в секунду и необходимые для анализа полученных результатов, еще не были созданы, поэтому метод Кормака был трудоемким, требующим значительных затрат времени. Получение таких рентгеновских изображений срезов тела было названо томографией, от греческого tomos (рассечение).
Когда Хаунсфилд в начале 1960-х годов работал в качестве инженера в «Electrical and Musical Instruments Ltd.», он участвовал в создании компьютерных программ для распознавания изображений, и у него появилась идея создать устройство, которое было бы способно так оценивать степень поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями, чтобы разграничить нормальную и измененную ткань, например, опухоль.
К этому времени Кормак уже создавал свой математический метод для оценки поглощения рентгеновских лучей биологическими тканями. В 1967 году Ха-унсфилд, независимо от Кормака, начал работу по созданию своей системы компьютерной томографии. Он разработал несколько иную математическую модель и использовал быстродействующие компьютеры. После начальной экспериментальной работы, проектирования и сооружения четырех клинических опытных образцов для сканирования мозга и целого тела (три из которых пошли в производство) Хаунсфилду удалось внедрить томографический метод исследования в практику. Его усилиями томография превратилась в компьютерную аксиальную томографию, или компьютерную томографию.
В 1971 году в Уимблдонской больнице Аткинсона Морли (Великобритания) был установлен первый клинический компьютерный томограф и начались исследования больных с опухолями и другими заболеваниями головного мозга. В апреле 1972 года EMI объявило о производстве первого коммерческого компьютерного томографа - EMICT-1000. Клинические испытания этого томографа сразу показали, что компьютерная томография - серьезный шаг вперед по сравнению с другими методиками получения рентгеновских изображений тканей человека.
Серийный компьютерный томограф состоит из четырех основных блоков: генератор рентгеновского излучения; сканирующий элемент (рентгеновская трубка и детектор); компьютер, рассчитывающий степень ослабления рентгеновского излучения вследствие его поглощения тканями; осциллоскоп с принтером, предназначенные для вывода полученных картин рентгеновского поглощения. Пациент при исследовании неподвижен, а источник излучения и сканирующий элемент вращаются вокруг его головы, делая при этом несколько сотен измерений поглощения лучей тканями головного мозга, на основании чего далее строится двухмерное изображение того или иного сечения. Для получения трехмерного изображения пациент постепенно смещается вдоль оси вращения, что позволяет сделать последовательное сечение, из которого затем реконструируется трехмерное изображение (в некоторых моделях имеется большое количество фиксированных по окружности детекторов и осуществляется лишь вращение источников излучения).
Главное преимущество томографа заключается в том, что с его помощью можно четко отличить мягкие ткани от тканей, их окружающих, даже если разница в поглощении лучей очень невелика. Поэтому прибор позволяет отличить здо-
ровые ткани от пораженных. Томографы, первоначально разработанные для сканирования мозга, используются сейчас для исследования практически любых участков тела. К настоящему времени созданы томографические атласы и каталоги изображений органов для большинства болезней, сопровождающихся значительными изменениями в структуре органов. Это позволило значительно улучшить диагностику, отслеживать развитие болезни и оценивать результативность лечения. Сравнение компьютерных томограмм, полученных в разное время, позволяет точно оценить изменение размеров различных структур, в частности опухолей.
Исследования в области томографии продолжались, и в 2003 году Нобелевская премия по физиологии или медицине вручена Полу Лотербуру (фото 15) и сэру Питеру Мэнсфилду (фото 16) «за выдающиеся открытия в области магнит-но-резонансной томографии». Основная идея нового метода неинвазивной диагностики заболеваний внутренних органов человека была сформулирована доктором Лотербуром еще в 1971-м году и на протяжении четверти века им, а затем и доктором Мэнсфилдом активно разрабатывалась.
Пол Лотербур стал первым ученым, которому удалось получить на базе ядерного магнитного резонанса двухмерное изображение внутренней структуры двух стеклянных капилляров, заполненных жидкостью. В 1974 году он опубликовал в журнале «Nature» статью, в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса (ПМР) воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ), который основан на свойстве атомов водорода в разных химических соединениях по-разному реагировать на магнитное поле.
Перевести идею Лотербура в практическую клиническую плоскость сумел его британский коллега Питер Мэнсфилд. Ученый разработал методы математического преобразования, благодаря которым стало возможным в короткие сроки получать изображения хорошего качества при последовательном просвечивании слоев сканируемых органов пациента. Эта новейшая технология стала основой при последующем создании МРТ-сканеров, позволяющих неинвазивно исследовать внутренние органы человека. МРТ, в отличие от рентгеновских лучей, используемых в обычной компьютерной томографии, совершенно безвредна для человека. В наше время этот метод получения изображений внутренних органов человека вошел в повседневную практику обследования пациентов. Сегодня, спустя
Фото 15. Пол Лотербур (Paul C. Lauterbur), США (род. в 1929)
Фото 16. Питер Мэнсфилд (Sir Peter Mansfield), Великобритания (род. в 1933)
30 лет после открытия магнитно-резонансной томографии, ежегодно проводится около 60 млн таких исследований. МРТ широко используется в предоперационных обследованиях, что особенно важно для микрохирургии; она незаменима при диагностике многих заболеваний, в первую очередь раковых, поскольку позволяет точно определить локализацию опухоли и метастазов. Современные магнитнорезонансные томографы с высокой разрешающей способностью могут различать объекты, находящиеся на расстоянии в 10 мкм. Применение контрастирующих веществ позволяет изучать кровеносную систему органов и тканей, обнаруживать сужение капиллярного русла и участки тромбоза. Измерение времени релаксации протонов дает возможность получать не только трехмерную картину органа или ткани, но и измерять скорость кровотока в ней. Значение этого метода для медицины сравнимо лишь с применением рентгеновских лучей для диагностики, не говоря о том, что магнитно-резонансная томография во многих случаях дает результаты, которые трудно получить рентгеновскими методами.
Таким образом, еще в начале XX века можно было проследить интеграцию медицинских и технических наук. В новом же тысячелетии эта интеграция продолжается, интенсивно развиваются медицинские технологии по множеству направлений ведущими научными центрами мира. В XXI веке развитие высоких технологий в значительной мере связано с реализацией двух грандиозных проектов: Всемирной информационной сети и нанотехнологии. Прогресс в этих направлениях позволяет медицинским наукам приблизиться к анализу глубинных механизмов жизни и пониманию функционирования организма как единой системы.
Список литературы
1. Зеленин, К.Н. Нобелевские премии по химии за 100 лет / К.Н. Зеленин, А. Д. Ноздрачев, Е.Л. Поляков. - СПб. : Гуманистика, 2003. - 873 с.
2. Нобелевские премии по физиологии или медицине за 100 лет / А.Д. Ноздрачев, А.Т. Марьянович, Е.Л. Поляков, Д.А. Сибаров, В.Х. Хавинсон. - 2-е изд. -СПб. : Гуманистика, 2003. - 752 с.
3. Официальный сайт Нобелевского фонда. - Режим доступа:
www.nobelprize.org, свободный.
4. Нобелевские премии по физике 1901-2004 : в 2 т. / А.М. Финкельштейн, А.Д. Ноздрачев, Е.Л. Поляков, К.Н. Зеленин. - СПб. : Гуманистика, 2005.
5. Фролова, М.С. Нобелевские лауреаты в области медицинской техники. Достижения ученых XXI века / М.С. Фролова // Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Тамбов, 2005. - С. 240-241.
6. Нобелевские лауреаты и медицинская техника / С.В. Фролов, Т.А. Фролова, Е.П. Попечителев, В.М. Тютюнник. - Тамбов : Изд-во Першина Р.В., 2006. - 114 с.
Nobel Prize and the Development of Medical and Technical Science S.V. Frolov1, T.A. Frolova2, V.M. Tyutyunnik3
Department: «Biomedical Equipment» (1),
«Computer-aided Design of the Process Equipment» »2), TSTU;
Tambov Branch of MGUKI (3)
Key words and phrases: computer topography; crystallographic electronic microscope; cyclotron; electrocardiogram; electrophoretic method of analysis of biological liquids; front chromatography; laser; magnet resonant topography; scanning tunneling microscope; string galvanometer; translucent electronic microscope; X-ray radiation.
Abstract: It is shown, that thanks to the achievements of Nobel prize winners in the area of natural science, i.e. chemistry, physics, physiology and medicine medical and technical sciences were formed and developed. Having analyzed the works of sixteen scientists, Nobel Prize winners the integration of medical and technical sciences is shown.
Verbindung des Nobelpreises und der Entwicklung der medizintechnischen Wissenschaften
Zusammenfassung: Es wird aufgezeigt, wie dank der Errungenschaften der Nobelpreisträger auf dem Gebiet der natürlichen Wissenschaften, und zwar der Chemie, Physik, der Physiologie und der Medizin, die medizintechnischen Wissenschaften formiert und entwickelt wurden. Analysiert die Arbeiten der sechszehn Wissenschaftler, die doe Nobelpreise bekommen haben, kann man die Integration der medizinischen und technischen Wissenschaften verstehen.
Liaison du prix Nobel et du développement des sciences médico-techniques
Résumé: Est montré comment grâce aux réalisations des lauréats du prix Nobel dans le domaines des sciences naturelles, notamment chimie, physique, physiologie et médecine, sont formées et sont développées les sciences médico-techniques. Ayant analysé seize ouvrages des savants qui ont reçu le prix Nobel, on peut voir l’intégration des sciences médicales et celles techniques.
