اختراع سی‌تی اسکن: نبوغ یک دانش‌آموز ضعیف

این اختراع توسط یک مهندس بریتانیایی انجام شد که در شرکت عجیبی فعالیت داشت. این شرکت اکنون به خاطر فروش آلبوم‌های بیتلز شناخته شده است.

امکان پنهان شدن اشیاء گرانبها در اتاق‌های مخفی می‌تواند بسیار هیجان‌انگیز باشد. در اواسط دهه 1960، مهندس بریتانیایی «گادفری هانسفیلد» به این فکر افتاد که آیا می‌توان با گرفتن پرتوهای کیهانی که از فضاهای خالی نادیده عبور می‌کنند، مناطق پنهان در اهرام مصر را شناسایی کرد.

او در طول سال‌ها به بررسی این ایده پرداخت که به نوعی می‌توان آن را «نگاه کردن به داخل جعبه بدون باز کردن آن» نامید. در نهایت او متوجه شد که چگونه از پرتوهای پرانرژی برای آشکار کردن آنچه با چشم غیرمسلح دیدنی نیست، استفاده کند. او راهی برای دیدن داخل جمجمه و تصویربرداری از مغز نرم داخل آن اختراع کرد.

اولین تصویر توموگرافی کامپیوتری – سی‌تی اسکن – از مغز انسان 50 سال پیش، در 1 اکتبر 1971 گرفته شد. هانسفیلد هرگز موفق نشد تا این روش را بر روی اهرام مصر آزمایش کند اما اختراع او، سبب شد تا به استکهلم و کاخ باکینگهام برود.

نوآوری یک مهندس

سبک زندگی گادفری هانسفیلد به هیچ‌وجه نشان نمی‌داد که او بتواند دستاوردهای زیادی بدست آورد. او دانش‌آموز خوبی نبود.

او در آغاز جنگ جهانی دوم به نیروی هوایی سلطنتی بریتانیا پیوست. اما چندان سرباز موفقی نبود. با این‌حال، او رابطه خوبی با ماشین‌آلات الکترونیکی داشت – به خصوص رادار تازه اختراع شده‌ای که او با کمک هیئت داوران و با هدف کمک به خلبانان در یافتن راه خانه در شب‌های تاریک و ابری، راه‌اندازی کرد.

پس از جنگ، هانسفیلد به توصیه فرمانده خود عمل کرد و مدرک مهندسی گرفت. او تجارت خود را در EMI شروع کرد – این شرکت به دلیل فروش آلبوم‌های بیلتز بیشتر شناخته شد. اما با تمرکز بر مهندسی الکترونیک و برق، کار خود را به عنوان مهندس برق شروع کرد.

استعدادهای طبیعی هانسفیلد او را به سوی رهبری تیم ساخت پیشرفته‌ترین رایانه مرکزی موجود در بریتانیا سوق داد. اما در دهه 60، EMI می‌خواست از بازار رقابتی کامپیوتر خارج شود و مطمئن نبود که با مهندس برجسته خود چه کند.

هانسفیلد درحالیکه در تعطیلات اجباری ناشی از معلق شدن شرکت بود و قرار بود به کارهایی که در آینده قصد انجام دارد فکر کند، با پزشکی ملاقات کرد که از کیفیت پایین اشعه ایکس مغز شکایت داشت. اشعه ایکس ساده جزئیات شگفت‌انگیزی از استخوان‌ها را نشان می‌داد اما مغز همانند لکه‌ای بود که هیچ شکل خاص و یا جزئیاتی نداشت – در عکس‌برداری اشعه ایکس همه چیز شبیه مه است. این باعث شد تا هانسفیلد به ایده قدیمی خود برای یافتن ساختارهای پنهان بدون باز کردن جعبه فکر کند.

یک رویکرد جدید نادیده‌های قبلی را آشکار کرد

هانسفیلد روش جدیدی را برای نزدیک شدن به مشکل تصویر برداری از آنچه داخل جمجمه است، اختراع کرد.

ابتدا، او از نظر مفهومی مغز را به تکه‌های متوالی تقسیم می‌کرد – مانند یک قرص نان. سپس او برنامه‌ریزی کرد که یک سری اشعه ایکس را در هر لایه بتاباند و این کار را برای هر درجه از یک نیم دایره تکرار کند. سپس قدرت هر پرتو در طرف مقابل مغز ثبت شود – با پرتوهای قوی‌تر که نشان می‌دهد این پرتوها از مواد با چگالی کمتری عبور کرده‌اند.

درنهایت، هانسفیلد مبتکرانه‌ترین اختراع خود یعنی الگوریتمی برای بازسازی تصویر از مغز را ارائه کرد. او با استفاده از مهندسی معکوس و استفاده از سریع‌ترین رایانه‌های جدید دوران خود توانست میزان فضای داخلی نواحی کوچکی که برای مغز متصور شده بود را، محاسبه کند.

اما مشکلی وجود داشت: EMI در بازار پزشکی شرکت نداشت و تمایلی به ورود به این حوزه نیز نشان نمی‌داد. این شرکت به هانسفیلد اجازه داد تا بر روی محصول خود کار کند اما بودجه بسیار اندک بود. او مجبور شد از لوازم ضایعاتی استفاده کند تا یک دستگاه اسکن اولیه را سرهم کند – این دستگاه به اندازه‌ای کوچک بود که بر روی یک میز نهارخوری قرار می‌گرفت.

حتی با اسکن موفقیت‌آمیز اشیاء بی‌جان و بعدا مغز گاو، سیاست‌های شرکت EMI زندگی او را کماکان تحت تاثیر قرار می‌داد. او اگر می‌خواست با یک دستگاه، بدن و مغز انسان را اسکن کند به بودجه بیشتری نیاز پیدا می‌کرد.

هانسفیلد مخترع باهوش و شهودی بود، اما ارتباط موثری نداشت. خوشبختانه او یک رئیس دلسوز به نام «بیل اینگام» داشت که ارزش پیشنهاد هانسفیلد را می‌دانست و برای ادامه پروژه با EMI مذاکره کرد.

او می‌دانست که هیچ کمکی وجود ندارد که بتواند بودجه را به سرعت دریافت کند. اما استدلال کرد که وزارت بهداشت و تامین اجتماعی بریتانیا می‌تواند تجهیزاتی برای بیمارستان‌ها خریداری کند. به طرز معجزه‌آسایی، اینگام چهار اسکنر را حتی قبل از ساختن به آن‌ها فروخت. بنابراین، هانسفیلد تیمی را مدیریت کرد و آن‌ها مشغول به ساخت یک اسکنر ایمن و موثر برای انسان شدند.

در همین حین، هانسفیلد به بیمارانی نیاز داشت تا دستگاه را مورد آزمایش قرار دهد. او یک متخصص مغز و اعصاب پیدا کرد که با اکراه قبول کرد تا کمک کند. این تیم یک اسکنر با اندازه کامل را در بیمارستان اتکینسون مورلی در لندن نصب کردند و در 1 اکتبر 1971، اولین بیمار خود را اسکن کردند: زنی میانسال که علائم تومور مغزی داشت.

انجام اسکن فرآیند چندان سریعی نبود. 30 دقیقه زمان برای انجام اسکن نیاز بود. سپس باید نوارهای مغناطیسی برای پردازش به قسمت دیگری از شهر برده می‌شد. 2.5 ساعت پردازش داده‌ها در رایانه‌های مرکزی EMI و گرفتن تصاویر با دوربین پولاروید نیاز بود.

در نهایت، در قسمت چپ پیشانی این بیمار یک توده کیستیک به اندازه یک آلو پیدا شد. بدین ترتیب، هر روش دیگری که پیش از این برای تصویربرداری از مغز وجود داشت، منسوخ شد.

سالانه میلیون‌ها سی‌تی اسکن!

EMI بدون تجربه در بازار پزشکی، به طور ناگهانی انحصار فروش یک ماشین پزشکی با تقاضای بالا را در اختیار گرفت. این ماشین به تولید رسید و در ابتدا این شرکت در فروش اسکنرها بسیار موفق بود. اما در عرض پنج سال، شرکت‌های بزرگتر و با تجربه‌تر با ظرفیت تحقیقاتی بیشتر مانند جنرال الکتریک و زیمنس، اسکنرهای بهتری تولید کردند و فروش خود را افزایش دادند. EMI درنهایت از بازار پزشکی خارج شد – و به یک مطالعه موردی تبدیل شد که چرا بهتر است به جای تلاش برای انجام کار به تنهایی، با یک فرد بزرگ همراه و شریک شوید.

نوآوری هانسفیلد علم پزشکی را متحول کرد. او در سال 1979 برنده جایزه نوبل پزشکی شد و در سال 1981 لقب شوالیه را از ملکه دریافت کرد. او تا آخرین روزهای زندگی خود در سال 2004، زمانی که در 84 سالگی درگذشت، به اختراعات خود ادامه داد.

در سال 1973، «رابرات لدلی» آمریکایی یک اسکنر برای کل بدن ساخت که می‌توانست از سایر اندام‌ها، رگ‌های خونی و البته استخوان نیز تصویربرداری کند. اسکنرهای مدرن سریع‌تر هستند، وضوح بهتری دارند و از همه مهمتر، این کار را با قرار گرفتن در معرض تابش کمتری انجام می‌دهند. امروزه حتی اسکنرهای موبایل نیز وجود دارند.

تا سال 2020، تکنسین‌ها سالانه بیش از 80 میلیون اسکن در ایالات متحده انجام می‌دادند. برخی از پزشکان استدلال می‌کنند که این تعداد بیش از حد است و شاید یک سوم آن غیر ضروری است. درحالیکه ممکن است این گفته درست باشد، اما سی‌تی اسکن برای سلامت بسیاری از بیماران در سراسر دنیا مفید بوده و به شناسایی تورموها و تعیین اینکه آیا جراحی نیاز است یا خیر، کمک کرده است. آن‌ها به ویژه برای جستجوی سریع آسیب‌های داخلی پس از تصادفات در اورژانس نیز مفید هستند.

ایده هانسفیلد در مورد اهرام مصر را به یاد دارید؟ در سال 1970 دانشمندان آشکارسازهای پرتوهای کیهانی را در پایین‌ترین اتاقک در هرم خفرع قرار دادند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که هیچ اتاق پنهانی در هرم وجود ندارد. در سال 2017، تیم دیگری آشکارسازهای پرتوهای کیهانی را در هرم بزرگ جیزه قرار داد و یک محفظه پنهان، اما غیرقابل دسترس پیدا کرد. بعید است فلسفه وجود این محفظه به زودی مشخص شود.