Новозеландские учёные изобрели трёхмерный цветной рентген

При слове "рентген" у нас в голове традиционно возникает чёрно-белое изображение, позволяющее врачам исследовать состояние костей. Но что, если при помощи рентгеновского излучения можно "копнуть глубже" и увидеть не только скелет, но и мягкие ткани человека, и всё это — в цвете и формате 3D?

Такую возможность предоставляет медикам разработанная новозеландским стартапом "MARS Bioimaging" технология цветного 3D-рентгена. В результате обследования изобретение выдаёт не просто окрашенную картинку, а детальную виртуальную 3D-модель обследованной части тела, позволяя специалистам в красках и деталях исследовать не только кости, но и прочие ткани и органы человека.

Отдельная изюминка проекта — в том, что рабочая технология была позаимствована у учёных… занимающихся поиском частиц в Большом адронном коллайдере.

А теперь — обо всём по порядку.

Технология 3D-рентгена

Работа традиционного рентгена основана на базовом свойстве рентгеновского излучения. В отличие от видимого света, рентгеновские лучи легко проникают сквозь мягкие ткани человека — но не проходят через твёрдую и плотную костную ткань, которая их поглощает. В итоге после просвечивания человека рентгеном на специальной плёнке остаётся отпечаток, оставляемый излучением. Там, где рентгеновские лучи не встречают препятствий, плёнка окрашивается в чёрный, там, где излучение встречает слабое сопротивление в виде мягких тканей, плёнка сереет — а вот те места, где излучение не проходит сквозь тело, поглощаясь костями, приобретают белый цвет. Так и создаётся классический рентгеновский снимок, позволяющий исследовать кости пациента.

Технология 3D-рентгена тоже использует свойства рентгеновского излучения — но гораздо более продуктивно. Новый прибор не просто фиксирует, насколько беспрепятственно излучение проходит сквозь тело — он детально отслеживает, как меняется рентгеновское излучение на своём пути сквозь плоть человека.

Просвечивая тело, рентгеновские лучи по-разному меняют длину волны в зависимости от ткани, через которую на данный момент проходят.

Кости,
мышцы,
жир,
хрящи,
жидкости,
инородные тела (например, медицинские имплантаты)

— каждая субстанция вызывает у излучения абсолютно разную реакцию. Различия между лучами, проходящими разные ткани, и позволяют прибору создавать детализированное 3D-изображение исследуемой части тела.

Здесь новозеландским учёным и пригодилась технология коллег-физиков. В основу работы инновационного рентгена положена система Medipix3, которую изначально придумали для регистрации частиц в Большом андронном коллайдере.

Похоже, теперь высокоточная технология сможет послужить не только для создания более полной картины мира, но и на благо медицины. Именно благодаря счётчику частиц прибор детально отслеживает, как меняются энергия и поведение каждого отдельного фотона рентгеновского излучения при его прохождении сквозь тело в конкретном месте. В отличие от классического рентгена, новое устройство ориентируется не на плотность, а на состав проходимых субстанций, поэтому позволит различить ткани, даже если они будут одинаковой плотности.

Суммируя информацию об энергии всех фотонов рентгеновского излучения, прошедших через тело, специальная программа прибора создаёт виртуальную трёхмерную модель обследованной части тела, определяя расположение различных тканей. Каждому виду ткани искусственно присваивается свой цвет, сходный с настоящим:

кость окрашивается белым,
мускулы — красным,
жир — жёлтым,
металлические имплантаты — голубым или зелёным.

Преимущества 3D-рентгена

Демонстрационные видео показывают, что врач может как бы "снимать" с виртуальных снимков слой за слоем, постепенно отделяя мышцы от кости и отдельно рассматривая каждый участок ткани.

Создаваемая 3D-рентгеном трёхмерная модель отличается сильным контрастом и высоким разрешением и имеет гораздо лучшее качество, чем обычный рентгеновский снимок. Создатели прибора утверждают, что благодаря высокой точности новое устройство "способно получать изображения, недоступные никаким иным инструментам для съёмки".

Изобретение несёт большую ценность для медицинской науки.

Ранее рентген позволял лишь обследовать общую структуру костей, не рассматривая окружающие ткани — теперь же параллельно с состоянием костной ткани (причём, как трубчатой, так и губчатой) врач может проверить и окружающие мягкие ткани.
Проще становится быстро замечать травмы и патологии, которые ранее нельзя было обнаружить при помощи рентгена.
Повышается точность диагнозов — ведь теперь врач может в деталях изучить место травмы со всех сторон без "наложения" картинки (как это может произойти в случае с обычным рентгеном) и заметить малейшие признаки зарождающегося заболевания.
Специалисты утверждают, что новый рентген облучает пациентов значительно меньше, чем его классические предшественники. При этом точность 3D-сканера настолько высока, что он позволяет отображать на снимках даже кровеносные сосуды — без необходимости вводить пациенту в кровь контрастные вещества.

Как сообщают разработчики, технология 3D-рентгена уже позволяет диагностировать не только проблемы с костями и суставами, но и раковые заболевания и сосудистые болезни, приводящие к инфарктам и инсультам. А в будущем технология может помочь заглянуть и внутрь человеческого мозга.

Углублённое обследование организма с помощью новой технологии позволит сделать лечение в каждом конкретном случае более индивидуальным и, возможно, даже свести к минимуму хирургическое вмешательство, позволяя медикам находить способы оперирования, максимально удобные и щадящие для окружающих тканей.

У нового прибора есть возможность регулировать спектр излучаемых им рентгеновских лучей. Это очень важно при съёмке частей тела с внедрёнными имплантатами, так как позволяет свести к минимуму количество помех от металла на снимке — частую проблему при лечении переломов в подобных ситуациях.

Перспективы использования 3D-рентгена

Первым в мире аппаратом, где была применена революционная технология, стал компактный рентгеновский прибор для обследования рук и запястий пациентов.

Одними из первых результатов работы прибора стали снимки кисти человека, который испытал сложный перелом и установку имплантата. Полученные сканы позволили отслеживать, насколько успешно "приживается" имплантат в теле человека.

Первые испытания ещё раз подтвердили, насколько важно изобретение для будущих медицинских обследований. Так, используя 3D-рентген для диагностики трёх заживающих переломов, врачи обнаружили осложнения, которые было бы непросто заметить на обычных рентгеновских снимках, — к примеру, склероз тканей и мелкие осколки кости.

Новозеландцы отнюдь не собираются останавливаться на достигнутом. Планы у учёных масштабные — создать аппарат 3D-рентгена для сканирования всего тела. Команда нацелена на создание компактных сканеров — тех, что будет легко разместить в медицинских кабинетах.

Уже существующие 3D-сканеры нового образца прошли испытания в отделениях ортопедии и ревматологии нескольких больниц Новой Зеландии и в клиниках Швейцарии и постепенно обретают признание в Европе и Азии.

"Это подобно переходу от чёрно-белых фильмов к цветным", — так поэтично комментирует один из разработчиков масштаб и значение впечатляющего изобретения.

Учитывая, что по всей планете ежедневно проводится множество рентгеновских обследований, остаётся только вообразить, насколько сильно может изменить мир усовершенствованная технология медицинского сканирования. Вполне возможно, что в ближайшие годы благодаря цветному 3D-рентгену жизнь врачей и их пациентов действительно заиграет новыми красками — во всех смыслах этого слова.