Аллан Кормак
Биография
Американский физик Аллан Маклеод Кормак родился в семье инженера Джорджа Кормака и учительницы Амелии Кормак (Маклеод). Аллан был младшим из трех детей. Родители его эмигрировали в ЮАР из Шотландии перед первой мировой войной. Когда Аллану было 12 лет, его отец умер и семья переехала в Кейптаун. Здесь К. поступил в среднюю школу для мальчиков. Во время учебы он особенно интересовался астрономией, физикой и математикой. Он также любил играть в теннис, участвовать в дискуссиях и выступать на сцене любительского театра.
Закончив школу, К. решил, что «астрономия не очень перспективна с материальной точки зрения», и поступил в Кейптаунский университет для изучения электротехники. Два года спустя он понял, что его больше интересует физика, и в 1944 г. получил по этой дисциплине степень бакалавра, а в следующем году –
магистра.
В дальнейшем К. работал стажером-исследователем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Великобритания), исследуя свойства радиоактивного гелия под руководством Отто Фриша и посещая лекции П.А.М. Дирака по квантовой механике. Написав письмо заведующему кафедрой физики Кей
птаунского университета, К. получил приглашение на должность преподавателя физики. В 1956 г. он начал также работать по совместительству в области медицинской физики в госпитале Гроте-Шур.
В Кейптауне не было такой же совершенной научной аппаратуры, как в Кембридже, и, кроме того, К. чувствовал с
ебя в некоторой изоляции от остальных ученых – специалистов по ядерной физике. Однако, по его словам, заведующий кафедрой физики Р.У. Джеймс предоставил ему достаточную свободу для исследований и дал возможность опубликовать несколько научных работ. В отделении радиологии в госпитале Гроте-Шур К. на
блюдал за использованием радиоизотопов и выполнял такие работы, как, например, калибровка специальных пластинок, по которым можно было судить о дозе радиации, полученной персоналом госпиталя. Именно наблюдения над лучевым лечением больных со злокачественными опухолями привели его к той работе, за ко
торую он получил Нобелевскую премию.
К. понял, что для того, чтобы рассчитать дозу облучения для лечения опухолей, необходимо иметь точную информацию о поглощении рентгеновских лучей различными тканями тела. Размышляя о том, как можно было бы измерить такие характеристики поглощения, он пришел к
выводу, что они могли бы иметь и диагностическое значение, например для более точной локализации опухолей. Обычные рентгеновские изображения плохо служили этим целям.
Рентгеновская техника зародилась в конце XIX в., когда Вильгельм Рентген обнаружил лучи, названные им X-излучением, и с их помощью
получил первое рентгеновское изображение кисти руки своей жены. При таких методиках через руку или другую часть тела на чувствительную пленку проходит довольно широкий пучок рентгеновских лучей. Энергия этих лучей, попадающих на пленку, неодинакова из-за того, что различные ткани, через которые про
ходят лучи, по-разному поглощают их. Такие плотные ткани, как кости, обладают очень высоким поглощением, и поэтому проходящий через них пучок сильно ослабляется, мягкие ткани и жидкости поглощают меньше лучей, воздух – еще меньше.
Рентгенограммы отображают лишь общее поглощение лучей на пути кажд
ого пучка. При этом по ним невозможно определить, какое участие в этом общем поглощении приняли ткани, через которые этот пучок последовательно проходил. Это вызывает трудности, например, при рентгенографии головы, т. к. кости черепа поглощают лучи очень сильно и скрывают изображение мягких тканей м
озга. К. пришла в голову мысль о том, что если сделать несколько рентгеновских измерений, при которых луч будет проходить через объект под разными углами, то при этом будет получена информация о поглощении лучей отдельными внутренними участками.
Хотя казалось вполне разумным предположить, что с п
омощью многочисленных рентгеновских измерений можно получить необходимую информацию, оставалась еще чисто математическая проблема: как интерпретировать весь объем получаемых данных для воссоздания деталей внутреннего строения? Эту проблему несколько облегчало положение, согласно которому рентгеновск
ие лучи всегда проходят через объект в одной и той же плоскости, как бы осуществляя при этом тонкий срез тканей, в результате чего образуется двухмерное поперечное сечение. Повторяя такие измерения в серии замкнутых параллельных плоскостей, можно осуществить трехмерную реконструкцию объекта.
Подо
бное рентгеновское изображение, состоящее из отдельных тонких срезов, называется в настоящее время томограммой (от греч. tomos, что означает «срез»), а методика в целом получила название компьютерной томографии. К. разработал математические методы для анализа данных, получаемых при рентгеновских изм
ерениях, и продолжал совершенствовать эти методы в течение нескольких лет.
В 1956 г. К. взял годичный отпуск для научных исследований на циклотроне в лаборатории Гарвардского университета в Кембридже (штат Массачусетс). (Циклотрон – это прибор, придающий атомным частицам высокую скорость; при это
м они сталкиваются с какими-либо «мишенями», например другими частицами, что дает возможность получить ценную информацию о структуре и взаимодействиях атомов.) Здесь К. изучал взаимодействия между протонами и нейтронами. Здесь же у него возникла тесная дружба с директором лаборатории Андреасом Келер
ом. В 1957 г. К. ненадолго съездил в Кейптаун, а затем вернулся в Соединенные Штаты и занял должность ассистент-профессора физики в Университете Тафтса в Медфорде (штат Массачусетс).
В Кейптауне и Медфорде К. продолжал опыты по проверке своего математического метода. В первых экспериментах исполь
зовалось гамма-излучение кобальта-60, для которого были характерны те же закономерности, что и для рентгеновских лучей. К. собирал лучи в тонкий линейный пучок и пропускал через муляж человеческого тела; в качестве детектора использовался счетчик Гейгера, расположенный сзади муляжа. В Кейптауне этот
муляж представлял собой систему из концентрических алюминиевых цилиндров, заключенных в деревянную оболочку; таким образом, он состоял из двух материалов с разными поглощающими свойствами. Источник излучения и детектор были фиксированными, тогда как алюминиево-деревянный цилиндр располагался на под
вижной платформе и мог перемещаться, принимая различные положения по отношению к сканирующим лучам. Этот метод не только дал предполагаемые результаты, но и сверх всякого ожидания позволил выявить в алюминиевых структурах участок с иной плотностью. Позже, уже в Медфорде, К. повторил эксперименты с б
олее сложным муляжом: он состоял из алюминиевой оболочки («череп»), внутри которой находилась пластмасса, симулировавшая мягкие ткани («мозг»), и два алюминиевых диска, соответствующих опухолям. Эксперименты вновь прошли успешно. В 1963 и 1964 гг. К. опубликовал две статьи по математическим методам
и результатам экспериментов, стремясь вызвать интерес у специалистов по радиационной физике. Статьи, однако, не получили существенного отклика. Как бы то ни было, К. доказал эффективность своего метода, получив на основании различий в поглощении рентгеновских лучей изображения поперечных сечений тел
а с деталями внутреннего строения. Это были пока лишь лабораторные демонстрации с механическими муляжами, но для ускорения математических расчетов уже использовались компьютеры. Результаты этих расчетов приводились не в виде сходных с фотографиями изображений, а в виде графиков. Тем временем К. прод
олжал исследования по физике частиц в Университете Тафтса. В 1966 г. он стал американским гражданином. Получив звание сначала адъюнкт-профессора, а затем полного профессора физики в Университете Тафтса, он впоследствии стал заведующим кафедрой физики и руководил этой кафедрой с 1968 по 1976 г.
конце 60-х – начале 70-х гг. научный сотрудник из английского объединения «Электрикал энд мьюзикал инструменте лимитед» (EMI) Годфри Хаунсфилд разработал сходный, но более практичный метод компьютерно-томографического сканирования. Большую роль в этом сыграло появление современных компьютеров. В 197
1 г. 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 г. EMI объявило о производстве первого коммерческого компьютерного томографа – EMIC
T-1000. Клинические испытания этого томографа сразу показали, что компьютерная томография – большой шаг вперед по сравнению с другими методиками получения рентгеновских изображений тканей человека.
Серийный компьютерный томограф состоит из четырех основных блоков: генератор рентгеновского излучен
ия; 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).
По мнению Хаунсфилда, компьюте
рный томограф в 100 раз эффективнее обычного рентгеновского аппарата, т.к. обрабатывает всю получаемую информацию, а обычная рентгеновская установка – лишь около 1%. Компьютерный томограф чувствительнее, и для него требуется меньше энергии на один снимок, чем для обычной рентгеновской установки, хот
я общая доза оказывается примерно одинаковой из-за того, что для томографа необходимо много снимков. Однако 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 при
бор позволяет отличить здоровые ткани от пораженных. Первоначально компьютерные томографы использовались для сканирования мозга, а в настоящее время они применяются для исследования практически любых участков тела.
В 1979 г. К. совместно с Хаунсфилдом была присуждена Нобелевская премия по физиоло
гии и медицине «за разработку компьютерной томографии». В Нобелевской лекции К. рассказал о мотивах, которые побудили его заняться этой работой: «Мне пришла в голову мысль о том, что для того, чтобы более точно намечать план лечения, необходимо знать распределение коэффициента поглощения в различных
тканях тела, а измерять это распределение надо с помощью наружных приборов. Я вскоре понял, что подобная информация была бы полезной для диагностики и, по существу, сводилась бы к томограмме или последовательности томограмм, хотя я и не знал самого этого слова в течение многих лет».
В 1980 г. К.
было присвоено звание университетского профессора Университета Тафтса – высшее профессорское звание в этом учебном заведении. В этом же году он получил почетную степень доктора наук.
В 1950 г. К. женился на Барбаре Сиви. В семье у них один сын и две дочери. К. предпочитает «домашний» образ жизни
; он любит плавать и кататься на лодке, много времени посвящает чтению. Еще учась в колледже, К. стал заядлым альпинистом и большим любителем музыки. К. – помощник редактора «Журнала компьютерной томографии» («Journal of Computed Tomography»), он член Южноафриканского физического института, Американ