НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1979 г. / ФИЗИОЛОГИЯ ИЛИ МЕДИЦИНА / АЛЪН КОРМАК

Алън Кормак (Allan Cormack)

23 февруари 1924 г. – 7 май 1998 г.

Нобелова награда за физиология или медицина (заедно с Годфри Хаунсфийлд)

(За разработването на компютърната томография.)

Американският физик Алън М. Кормак е роден в Йоханесбург (ЮАР) в семейството на инженера Джордж Кормак и учителката Амелия (Маклауд) Кормак. Алън е най-малкото от трите им деца. Родителите му емигрират от ЮАР в Шотландия преди Първата световна война. Когато момчето е на дванадесет години, баща му умира и семейството се мести в Кейптаун. Там Кормак постъпва в средно мъжко училище. По време на учебния процес той се интересува особено от астрономия, физика и математика. Също така обича да играе тенис, да участва в дискусии и да се изявява на сцената на любителския театър.

Като завършва училището, Кормак решава, че „астрономията не е много перспективна от материална гледна точка“ и постъпва в Кейптаунския университет, за да учи електротехника. Две години по-късно той разбира, че се интересува повече от физика и през 1944 г. става бакалавър по физика, а през следващата година – магистър по физика.

По-нататък Кормак работи като стажант-изследовател в лабораторията „Кавендиш“ към Кеймбриджкия университет (Великобритания), където изследва свойствата на радиоактивния хелий под ръководството на Ото Фриш и посещава лекциите на Пол Дирак по квантова механика. Като пише писмо до завеждащия катедрата по физика в Кейптаунския университет, Кормак получава покана да заеме длъжността преподавател по физика. През 1956 г. той започва да работи по съвместителство и в областта на медицинската физика в болницата „Гроте Шур“.

В Кейптаун няма толкова съвършена научна апаратура като в Кеймбридж и освен това Кормак се чувства в известна изолация от останалите научни специалисти по ядрена физика Но, според неговите думи, завеждащият катедрата по физика Р. У. Джеймс му предоставя достатъчна свобода за изследвания и му дава възможност да публикува няколко научни разработки. В отдела по радиология в болницата „Гроте Шур“ Кормак наблюдава използването на радиоизотопите и изпълнява определени задължения като например да калибрира специалните пластинки, по които може да се съди за дозата радиация, получена от персонала на болницата. Именно наблюдаването на лъчевото лечение на болните със злокачествени тумори привлича учения към работата, за която получава Нобелова награда.

Кормак разбира, че за да изчисли дозата радиация за лечение на туморите, е необходимо да има точна информация за поглъщането на рентгеновите лъчи от различните тъкани на тялото. Размишлявайки как могат да се измерят подобни характеристики на това поглъщане, той стига до извода, че те биха могли да имат и диагностично значение, например за по-точна локализация на туморите. Обикновените рентгенови изображения не са добре пригодени за това.

Рентгеновата техника се появява в края на XIX в., когато Вилхелм Рентген открива лъчите, наречени Х-излъчване, и с тяхна помощ получава първото рентгеново изображение на китката на ръката на своята съпруга. При такива методики през ръката или други части на тялото към чувствителна плака преминава достатъчен широк сноп рентгенови лъчи. Енергията на тези лъчи, попадащи върху плаката, не е еднаква, защото различните тъкани, през които преминават лъчите, ги поглъщат по различен начин. Плътни тъкани като костите имат много високо поглъщане и затова преминаващият през тях сноп отслабва силно, меките тъкани и течностите поглъщат по-малко лъчи, а въздухът – още по-малко.

Рентгенограмите изобразяват само общото поглъщане на лъчите по пътя на всеки лъчев сноп. Като не може да се определи какво участие в общото поглъщане са взели тъканите, през които снопът преминава последователно. Това предизвиква трудности например при рентгенографията на главата, защото костите на черепа поглъщат лъчите много силно и скриват изображението на меките тъкани на мозъка. На Кормак му хрумва, че ако направи няколко рентгенови измервания, при които лъчът преминава през обекта под различни ъгли, ще се получи информация за поглъщането на лъчите от отделните вътрешни участъци.

Макар че изглежда напълно разумно да се предположи, че с помощта на многобройни рентгенови измерения може да се получи необходимата информация, остава един чисто математически проблем: как да се интерпретира целият обем от получените данни, за да се пресъздадат детайлите на вътрешния строеж? Този проблем се облекчава от положението, че рентгеновите лъчи преминават през обекта винаги в една и съща равнина, все едно се осъществява тънък разрез на тъканите, в резултат от което се образува двумерно напречно сечение. Като се повторят измеренията в серия от паралелни равнини, може да се осъществи тримерна реконструкция на обекта.

Подобно рентгеново изображение, състоящо се от отделни тънки слоеве, се нарича в днешно време томограма (от гръц. τομή, което означава „сечение“), а методиката като цяло получава названието компютърна томография. Кормак разработва математически методи за анализ на данните, получени при рентгеновите измервания, и продължава да усъвършенства тези методи в продължение на няколко години.

През 1956 г. Кормак си взема една година отпуска за изследвания с циклотрона в лабораторията на Харвардския университет в Кеймбридж, щат Масачузетс. (Циклотронът е прибор, който придава на атомните частици висока скорост; при това те се сблъскват с определени „мишени“, например с други частици, което дава възможност да се получи ценна информация за структурата и взаимодействията на атомите). Там Кормак проучва взаимодействията между протоните и неутроните. И се сприятелява близко с директора на лабораторията Андреас Келер. През 1957 г. ученият заминава за кратко време в Кейптаун, а след това се връща в Съединените щати и заема длъжността асистент-професор по физика в университета „Тъфтс“ в Медфорд (щат Масачузетс).

В Кейптаун и Медфорд Кормак продължава опитите за проверка на своя математически метод. В първите си експерименти той използва гама-излъчването на кобалт-60, което има същите закономерности като рентгеновите лъчи. Кормак събира лъчите в тънък линеен сноп и ги пропуска през манекен на човешко тяло; за детектор се използва Гайгеров брояч, разположен зад манекена. В Кептаун манекенът представлява система от концентрични алуминиеви цилиндри, затворени в дървена обвивка; така той се състои от два материала с различни поглъщателни свойства. Източникът на излъчване и детекторът са фиксирани, докато алуминиево-дървеният манекен е разположен на подвижна платформа и може да се мести, заемайки различни положения по отношение на сканиращите лъчи. Този метод не само дава предполагаемите резултати, но и свръх всички очаквания позволява да се установят в алуминиевите структури участъци с различна плътност. По-късно, вече в Медфорд, Кормак повтаря експеримента с по-сложен манекен: той има алуминиева обвивка („череп“), в която се намира пластмаса, симулираща меки тъкани („мозък“), и два алуминиеви диска, съответстващи на два тумора. Експериментите отново протичат успешно. През 1963 и 1964 г. Кормак публикува две статии за математическите методи и за резултатите от експериментите, стремейки се да предизвика интереса на специалистите по радиационна физика. Статиите не получават съществен отклик. Но така или иначе Кормак доказва ефективността на своя метод, получавайки въз основа на разлики в поглъщането на рентгеновите лъчи изображения на напречни сечения на тела с детайлен вътрешен строеж. На първо време това са лабораторни демонстрации с механични манекени, но за ускоряване на математическите изчисления вече се използват компютри. Резултатите от тези изчисления се привеждат вече не като подобни на снимки изображения, а във вид на графики. В същото време време Кормак продължава изследванията си по физика на частиците в университета „Тъфтс“. През 1966 г. той става американски гражданин. Като получава отначало званието адюнкт-професор, а след това професор по физика в университета „Тъфтс“, ученият става по-късно и завеждащ катедрата по физика и ръководи тази катедра от 1968 до 1976 г.

В края на 60-те и началото на 70-те години научният сътрудник от английското обединение EMI Годфри Хаунсфийлд разработва сходен, но по-практичен метод за компютърно томографско сканиране. Съществена роля за това изиграва появата на съвременните компютри. През 1971 г. в уимбълдънската болница „Аткинсън Морли“ (Великобритания) е установен първият клиничен компютърен томограф и започва изследването на болни с тумори и други заболявания на главния мозък. През април 1972 г. EMI обявява за производството на първия търговски компютърен томограф - EMICT-1000. Клиничните изпитания на томографа веднага показват, че компютърната томография е голяма крачка напред в сравнение с другите методи за получаване на рентгенови изображения на човешките тъкани.

Серийният компютърен томограф се състои от четири основни блока: генератор на рентгеново излъчване; сканиращ елемент (рентгенова тръба и детектор); компютър, изчисляващ степента на отслабване на рентгеновото излъчване поради поглъщането му от тъканите; осцилоскоп с принтер за извеждане на получените картини на рентгеновото поглъщане. Пациентът при изследването е неподвижен, а източникът на излъчването и сканиращият елемент се въртят около главата му, като правят няколко стотици измервания на поглъщането на лъчите от тъканите на главния мозък, на основа на които по-нататък се изгражда двумерно изображение на едно или друго сечение. За получаване на тримерно изображение пациентът постепенно се мести покрай оста на въртене, което позволява да се направят последователни сечения, от които след това се реконструира тримерно изображение (в някои модели има голямо количество фиксирани по окръжност детектори и се въртят само източниците на излъчване).

Според Хаунсфийлд компютърният томограф е сто пъти по-ефективен от обикновения рентгенов апарат, защото обработва цялата получена информация, а обикновената рентгенова установка обработва едва около 1%. Компютърният томограф е по-чувствителен и му трябва по-малко енергия за една снимка от обикновения рентген, макар че общото число се оказва примерно еднакво, защото за томографа са необходими много снимки. Но главното преимущество на томографа е в това, че с негова помощ може ясно да се различат меките тъкани от тъканите, които ги заобикалят, дори ако разликата в поглъщането на лъчите е много малка. Затова приборът позволява да се различат здравите тъкани от поразените. Първоначално компютърните томографи се използват за сканиране на мозъка, а днес те се прилагат и за изследване на практически всички участъци на тялото.

През 1980 г. Кормак е удостоен със званието университетски професор от университета „Тъфтс“ – най-голямото професорско звание в учебното заведение. През същата година ученият получава и почетната степен доктор на науките.

През 1950 г. Кормак се жени за Барбара Сиви. Семейството има един син и две дъщери. Кормак предпочита „домашния“ начин на живот; обича да плува и да кара лодка, много време посвещава на четенето. Още когато учи в колежа, той е запален алпинист и голям любител на музиката. Ученият е помощник-редактор на „Списание за компютърна томография“ („Journal of Computed Tomography“), член е на Южноафриканския физически институт, на Американското физическо дружество и на Американската академия на науката и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов