Томография как метод медицинской диагностики начала активно развиваться в 70-х годах ХХ века. Хотя математическая база для её развития была создана И. Радоном ещё в 1917 г., технические и технологические предпосылки к применению томографии в медицине возникли лишь спустя полвека. В 1963–1964 г. были опубликованы работы А. Кормака, в которых описывались томографические алгоритмы, пригодные для медицинских приложений, а в 1972 г. фирма EMI (Великобритания) начала выпуск первого серийного рентгеновского томографа, разработанного под руководством Г. Хаунсфилда. В 1979 г. А. Кормаку и Г. Хаунсфилду была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии «за разработку компьютерной томографии» — тем самым, мировое научное сообщество признало огромное значение нового метода. Сегодня наиболее широко известны так называемая «компьютерная томография» (КТ), под которой понимают рентгеновскую трансмиссионную томографию, и «магнито-резонансная томография» (МРТ), из названия которой — ради спокойствия пациентов — удалили слово «ядерная», хотя никакого отношения к радиоактивности данный метод не имеет. Методы КТ и МРТ хорошо разработаны и нашли широкое применение в клинической практике. Однако использование в этих методах потенциально опасных для здоровья видов излучения и жёстких магнитных полей ограничивает их применение. В частности, как КТ, так и МРТ не применяются для исследования внутренних структур головного мозга новорождённых (являясь в то же время основным средством проведения таких исследований у взрослых пациентов). Именно эта область сегодня рассматривается как основная область применения нового и сравнительно молодого вида томографии — трансмиссионной оптической томографии (ТОТ), использующей практически безвредное для человека маломощное (порядка десятков мВт) излучение ближнего ИК-дапазона.

Потенциальные преимущества ТОТ отнюдь не исчерпываются её безопасностью. Использование ИК-излучения, хорошо поглощаемого гемоглобином в окси- и дезокси-состояниях (на разных длинах волн) позволяет получать пространственное распределение степени оксигенации тканей, что невозможно в других методиках. Использование излучения со специфичными длинами волн позволит так же определять пространственное распределение НАД (NAD), НАД⁺ (NADH), триптофана, различных цитохромов (билирубин, меланин, цитохром-оксидаза) и концентрации воды. Всё это позволяет не только успешно и своевременно диагностировать ряд заболеваний (дисплазия, опухоли, тромбоз, гематомы — в частности, при родовых травмах головы младенца), но и получать информацию о метаболических процессах и функционировании различных органов в динамике. В частности, оптическая томография позволит в реальном масштабе времени наблюдать пространственное распределение насыщенности тканей водой, pH-фактора и т. п.

В КТ и МРТ восстановлению подлежит пространственное распределение одной величины (коэффициента поглощения рентгеновских лучей или концентрации ядер водорода). Задачей оптической томографии является восстановление пространственного распределения двух оптических характеристик — коэффициента поглощения (что даёт информацию о химическом составе тканей) и коэффициента рассеяния (определяемом в первую очередь особенностями клеточного строения). Таким образом, ТОТ позволяет получить существенно больше информации, имеющей важное диагностическое значение.

Наконец, конструкция оптического томографа существенно проще (и дешевле) конструкции систем, применяемых в КТ и МРТ. Это позволит шире использовать ТОТ в медицинской практике, а так же создавать портативные томографические системы, что будет означать настоящий прорыв в развитии медицинской диагностики.

Сегодня оптическая томография находится на пороге широкого внедрения в клиническую практику. Первой — и пока фактически единственной — «продаваемой» системой является маммограф DYNOT (Dynamic Infrared Optical Tomography), разработанный в NIRx Medical Technologies (США) совместно с исследователями из Медицинского центра Downstate при Медицинском университете Нью-Йорка (руководитель работ — доктор Барбур (R. Barbour)). В настоящее время в США проходит клинические испытания система CTLM (Computed Tomography for Laser Mammography), разработанная американской фирмой IDSI (рис. 1). В ЕС, Канаде, Китае, ряде стран Ближнего Востока эта система уже разрешена к продаже. В работах по созданию CTLM принимал участие коллектив Центра биомедицинской фотоники Бриттона Чанса. (Нельзя не отметить тот факт, что создатель и руководитель этого центра, Бриттон Чанс (Britton Chance), не только внёс огромный вклад в науку, но ещё и стал олимпийским чемпионом по парусному спорту в 1952 г., на Олимпиаде в Хельсинки.)

Одним из лидеров в области исследований головного мозга новорождённых сегодня является Исследовательская лаборатория биомедицинской оптики, относящаяся к кафедре Биомедицинской физики и биоинженерии Университетского колледжа в Лондоне. Разработанная под руководством С. Эрриджа (S. Arrige) система MONSTIR (Multi-channel Opto-electronic Near-infrared System for Time-resolved Image Reconstruction, рис. 2 и 3) в настоящее время проходит клинические испытания и, вероятно, в скором времени послужит прототипом для разработки серийного оптического томографа.

Активно развивается примыкающее направление эмиссионной оптической томографии лабораторных животных. Регистрация излучения, возникающего в результате биолюминисценции, и восстановление пространственного распределения источников излучения позволяет наблюдать процесс экспрессии генов, что весьма важно для работ в области создания лекарств. Одним из лидеров этого направления является возглавляемое доктором Сахеджином (G. Sahagian) Подразделение по визуализации органов мелких животных (Small Animal Imaging Facility), с Кафедры физиологии Университета Тафтса (США, Массачусетс).

Следует особо отметить, что интерес к развитию оптической томографии связан не только с огромным прикладным значением, но и с научной сложностью самой задачи, которая, как не устают повторять авторы работ в данной области, представляет собой «настоящий вызов». Оптическая томография не является «продолжением» томографии рентгеновской. Распространение лазерного излучения в биологической среде существенно отличается от распространения рентгеновских лучей. Если в последнем случае наблюдается только поглощение излучения (точнее, рассеяние является пренебрежимо малым), то при прохождении оптического излучения через биологическую ткань рассеяние излучения начинает играть главную роль. Вошедший в биологическую среду лазерный луч «размывается», траектории фотонов становятся существенно криволинейными. Это не позволяет использовать математический аппарат рентгеновской томографии, базирующийся на представлении о прямолинейном распространении излучения в среде, законе Бугера-Ламберта-Бэра и преобразовании Радона. Кроме того, если задачей рентгеновской томографии является восстановление пространственного распределения одной неизвестной величины (коэффициента поглощения излучения), то в оптической томографии восстановлению подлежит пространственно распределение как коэффициента поглощения, так и коэффициента рассеяния. В этом случае использование «рентгеновской» схемы измерений с регистрацией только ослабления постоянного излучения даёт принципиально недостаточно информации. Для задач оптической томографии необходимы новые, более информативные методы измерений, с регистрацией временных распределений пико- или фемтосекундных импульсов, прошедших через исследуемый объект (time-domain tomography) или измерением сдвига фазы зондирующего излучения с высокочастотной модуляцией (frequency-domain tomography).

Таким образом, ТОТ является очень дальним родственником рентгеновской томографии. Фактически, это совершенно новая научная и техническая задача. Её решение связано с развитием самых различных областей как фундаментальной, так и прикладной науки. И даже выход на стадию лабораторных исследований в данной области может рассматриваться как серьёзный успех, а полученные при этом результаты могут найти широкое применение в различных смежных областях знания (например, в области численных методов и математического моделирования, или в области развития фото- и спектрометрии). В связи с этим отрадно констатировать, что столь перспективное и важное направление не остаётся без внимания российской науки. Работы по созданию методов и систем для оптической томографии ведутся в лаборатории нелинейной спектроскопии сверхбыстрых процессов в конденсированных средах МНЛЦ МГУ (руководитель д. ф.-м. н. Шувалов В. В.); на кафедре Биомедицинских систем МИЭТ (руководитель д. ф.-м. н. Селищев В. В.) (рис. 4); в Институте оптики и биофотоники СГУ (руководитель д. ф.-м. н. Тучин В. В.); в НИИ лазерной физики Государственного Оптического Института (руководитель к. ф.-м. н. Любимов В. В.).

Литература

1. Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. М.: «Физматлит», 2004;
2. Тучин В.В. Оптическая биомедицинская диагностика. М.: «Физматлит», 2007;
3. Веб-сайт NIRx Medical Technologies;
4. Веб-сайт Центра биомедицинской фотоники Бриттона Чанса;
5. Веб-сайт Imaging Diagnostic Systems;
6. Веб-сайт Исследовательской лаборатории биомедицинской оптики.