4.3. Медицина

Мы изменили свое окружение так радикально, что теперь должны изменить себя, чтобы жить в этом новом окружении.

Норберт Винер

Одна из главных качественных характеристик человека, больше всего влияющих на качество его жизни, – это его физическое здоровье. Неудивительно, что медицина возникла одновременно с возникновением человека. Человек всегда искал средства для продления жизни и излечения от болезней. Именно поэтому любые, вновь появившиеся средства человек сразу же пытается применить в двух взаимно противоположных по целям направлениях: в военном, для выведения человека из строя; и в медицинском, для его лечения.

Если обратить внимание на наскальные рисунки в пещерах на местах стоянки первобытных людей, то ясно видно, что охота, различные военные сражения приводили к травмам и ранениям. Конечно, этих людей пытались лечить – вправить кость, извлечь стрелу и т. п. Наверное, для этого были созданы какие-то примитивные технические средства.

Но техника медленно, но верно развивается, а с ней и медицина. Уже 2400 лет назад «отец медицины», древнегреческий врач Гиппократ придумал прототип шприца – неизменного инструмента любого врача. В качестве шприца он применил полую трубку, к концу которой был прикреплен мочевой пузырь свиньи.

А в 1648 году французский философ, математик и физик Блез Паскаль, изучая особенности поведения жидкости под давлением, попутно изобрел устройство, выполняющее функции шприца. Устройство выглядело весьма устрашающе и представляло конструкцию из пресса и иглы. Наверное, именно тогда зародился генетический страх детей перед уколами.

В современном виде шприц был изобретён лишь в 1853 году. Его практически одновременно сконструировали сразу два человека, работавших независимо друг от друга: шотландец Александр Вуд и француз Шарль Габриель Праваз. А название изобретения Вуда и Праваза происходит от немецкого слова «spritzen», что означает «впрыскивать, брызгать».

В наше время стремительного научно-технического прогресса медицинская техника также быстро развивается. Современное медицинское учреждение просто напичкано самой современной, «наукоемкой» техникой, используемой для профилактики,диагностики, лечения заболеваний,реабилитации, проведениясанитарно-гигиеническихипротивоэпидемическихмероприятий, а такжеработ по приготовлению лекарств. Только перечисление всей используемой техники, от термометра, шприца и автоклава для стерилизации инструментов домагниторезонансных томографов и медицинских ускорителей элементарных частиц, потребует нескольких страниц.

Мы же остановимся только на некоторых изобретениях и открытиях, оказавших наибольшее влияние на развитие медицины.

И первое место, здесь конечно же, принадлежит рентгеновской установке.

Рентгеновские лучи

Телевизионная компания ВВС составляла рейтинг важнейших научных изобретений всех времен. На первом месте с огромным отрывом оказалось открытие и использование рентгеновского излучения. Из почти 50 тысяч участников голосования, организованного сотрудниками лондонского Музея науки, 10 тысяч сочли, что именно рентген оказал наибольшее влияние на прошлое, настоящее и будущее человечества, ведь он впервые позволил заглянуть внутрь объектов, не нарушив их структуры, и проникнуть в человеческое тело без проведения операции.

Действительно, рентген способствовал развитию многих сфер человеческой деятельности: рентгеноастрономия позволила нам узнать много нового о Вселенной; рентгеноструктурный анализ позволил сделать революционное открытие в биологии – построение пространственной модели ДНК – практические последствия которого грандиозны. Это открытие начинает кардинально изменять фармакологию, дает много информации о происхождении и распространении человека.

Но даже без этих заслуг открытие и использование рентгеновского излучения можно смело поставить на первое место только за те революционные изменения, которые оно принесло в медицину. Благодаря рентгену спасены миллионы человеческих жизней, а миллиарды людей избавлены от боли и инвалидности.

Даже страшно представить, какими методами пользовались для определения местоположения осколков и пуль в теле раненого солдата в дорентгеновскую эпоху. Главным диагностическим инструментом был… тонкий металлический щуп, который последовательно вводили в мягкие ткани до тех пор, пока не натыкались на искомый осколок.

Апуть рентгеновской установки до операционного стола хирурга начинался в физической лаборатории Вильгельма Конрада Рентгена, человека, далекого от медицины. Будучи руководителем физического отделения Вюрцбургского университета, он допоздна засиживался в лаборатории, когда его ассистенты уходили домой. Как обычно, однажды он включил ток в катодной трубке, плотно закрытой со всех сторон чёрнойбумагой. Кристаллы платиноцианистого бария, лежавшие неподалёку, начали светиться зеленоватым светом. Учёный выключил ток – свечение кристаллов прекратилось. При повторной подаче напряжения на катодную трубку, свечение в кристаллах возобновилось. В результате дальнейших исследований учёный пришёл к выводу, что из трубки исходит неизвестное излучение, названное им впоследствии икс-лучами. Эксперименты Рентгена показали, что икс-лучи возникают в месте столкновения катодных лучей с преградой внутри катодной трубки.

Причиной применения рентгеновского излучения в медицинской диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось, по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных предметов в теле человека. В России первая рентгенологическая клиника была создана в 1918 году. А в 1921 году в Санкт-Петербурге был открыт первый рентгенстоматологический кабинет.

«В знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей», названных впоследствии в его честь, Рентген Вильгельм Конрад стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, присуждённой ему в 1901 году.

В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).

Рентгенография (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Эти фотографии могут использоваться для дальнейшего анализа.

Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры. Для защиты врача от вредного действия рентгеновских лучей между экраном и глазами врача устанавливается свинцовое окно.

Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов. Широко распространена флюорография для диагностики заболеваний легких. Каждый школьник и взрослый должен регулярно проходить флюорографию. Причем не стоит бояться облучения, оно настолько мало, что полученная доза излучения соизмерима с получаемой дозой на пляже или в солярии.

Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов. 

В современном компьютерном томографе широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, составляет всего около 5-6 секунд. Это позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.

Этот метод характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. Это позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами.

Магниторезонансная томография

Одно из последних достижений медицинской техники в области диагностики, созданное на основе самых современных открытий физической науки – магниторезонансная томография (МРТ).

В основу метода исследования внутренних органов и тканей положено физическое явление ядерного магнитного резонанса. Метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомовводородана возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Эффект ядерного магнитного резонанса был открыт в 1946 году Ф.Блохом и Э.М.Парселлом. Они установили, что ядра некоторых атомов при помещении их в магнитное поле поглощают энергию электромагнитного импульса, а по окончании импульса излучают её в виде радиосигнала. За это исследование ученые получили Нобелевскую премию по физике за 1952 год.

Устройство МРТ и способ его применения изобрёл и подробно описал в 1960 году В. А. Иванов, это изобретение удостоверено патентом СССР.

А вот Нобелевскую премиюв области медицины за изобретение этого метода в2003году получилиПитер МэнсфилдиПол Лотербур. Они нашли практическую возможность использовать градиент магнитного поля для воссоздания двумерной картины организма и построили первый магнитно-резонансный томограф. Первые томографы давали низкое качество получаемых изображений из-за слабого магнитного поля (0,0001 Тл). Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля и дают хорошее качество снимков. В качестве таких источников применяются как сверхпроводящиеэлектромагниты, работающие вжидком гелии(до 9,4 Tл), так ипостоянные очень сильные (неодимовые) магниты (до 0,7 Tл).

Современные методики МРТ делают возможным без вмешательства исследовать функцию органов — измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузиив тканях, наблюдать деятельность корыголовного мозга.

Ультразвуковые установки

Следующее современное средство диагностики, без которого уже нельзя представить современную медицинскую клинику – это ультразвуковое исследование (УЗИ).

Ультразвуковое излучение было открыто на несколько лет раньше рентгеновского луча. Исследование ультразвуковых колебаний началось в 1876 году, когда английский физик Франк Гальтон впервые получил высокочастотные звуковые волны с помощью устройства, которое впоследствии получило название – свисток Гальтона. При продувании через трубку с тонкими стенками струи газа возникали высокочастотные колебания.

Самым значимым для современной ультразвуковой техники открытием было получение колебаний в кристаллах с помощью электрического тока. В 1880 году в Париже братья Пьер и Жак установили, что некоторые кристаллы изменяют форму при приложении к граням электрического потенциала (пьезоэлектрический эффект). Это позволило получать ультразвук.

На основе пьезоэлектрического эффекта был изобретен эхолот. Его сконструировал австрийский физик Александр Бэм в 1912 году. Прибор изначально предназначался для определения уровня воды. Но катастрофа Титаника в этом же году показала, что такой прибор жизненно необходим для обнаружения препятствий для корабля в тумане. Поэтому спустя два года, в 1914 году, Реджинальд Фессенден создал эхолот, способный определять местоположение айсберга на расстоянии двух миль от корабля. Так появилась гидролокация – излучение и восприятие отражённых высокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов в пространстве.

Первый ультразвуковой прибор — гидрофон — был предназначен для борьбы с германскими подлодками в годы Первой мировой войны.

В 1928 году советский ученый С.Я. Соколов своими исследованиями распространения ультразвука в металлах создал основу современной ультразвуковой дефектоскопии для определения качества изделий, не прозрачных для рентгеновского излучения.

Так что медицинские ультразвуковые сканеры являются потомками корабельных гидролокаторов и промышленных дефектоскопов.

Не удивительно, что исследователями медицинского ультразвука были люди, связанные с морем, авиацией и военной службой. В 1950-х годах американцы Холмс и Хоур для достижения акустического контакта с объектом исследований, погружали человека в бак с водой. Первые эксперименты проводились в орудийной башне от самолета B29. Таким образом, человек, пожелавший пройти УЗИ, должен был искупаться в большом баке.

Первый опыт медицинского применения ультразвука относится к 1937 году, когда американец Карл Дуссик с братом Фридрихом сделали попытку диагностировать опухоли мозга с помощью ультразвука.

В 1952 году Дуглас Хаури (Колорадо, США) создал при помощи морских локаторов систему, позволяющую увидеть участок печени вместе с находящимися в нем гвоздем, кусочками пластмассы и дерева, что невозможно осуществить с помощью рентгеновских лучей. В основе ультразвукового исследования преломление и отражение акустических волн при прохождении внутренних органов, имеющих разную плотность.

Ультразвук используется не только для диагностики. Сильно фокусированный пучок ультразвука может вызывать локальные разрушения в тканях, поэтому он еще и применятся в качестве скальпеля. Это позволяет очень быстро воздействовать только на четко ограниченную область в глубине органа без разрушения вышележащих тканей, минимизировать потери крови.

В малых дозах ультразвук, наоборот, стимулирует восстановление поврежденных тканей. Поэтому его используют для заживления ран и язв, рассасывания язв и заживления переломов.

Теперь обозначим некоторые, самые перспективные направления развития медицинской техники.

Самым сложным из всех органов, да и, пожалуй, самым сложным и загадочным во всей Вселенной объектом изучения для человека является его собственный мозг. Несмотря на фантастические достижения нейрохирургии, не существует единой теории его функционирования. Но не дожидаясь ее появления, инженеры уже сейчас создают приборы, которые в будущем существенно расширят возможности человека. Это позволит, например, в случае потери конечности заменить ее на механическую, которая так же, как и ее природный аналог будет управляться непосредственно мозгом.

В 1929 году австрийский психиатр Х. Бергер обнаружил так называемые «мозговые волны», которые можно регистрировать по колебаниям электромагнитного поля на поверхности черепа. Он также заметил, что состояние испытуемого существенно меняет характеристики этих сигналов. Наиболее заметными оказались волны относительно большой амплитуды с частотой около 10 циклов в секунду. Бергер дал им название «альфа-волны». В более активном состоянии Бергер зафиксировал «бета-волны» с более высокой частотой. Это открытие привело к созданию электроэнцефалографии (ЭЭГ) — метода изучения мозга, основанного на регистрации и анализе биотоков.

Нейрофизиологам и нейропсихологам информации, получаемой посредством ЭЭГ, совершенно недостаточно, но на ее вполне можно создавать механические устройства, управляемые сигналами мозга.

В 2003 году корейские инженеры из компании Lims Technology в сотрудничестве с Университетом провинции Чанбук продемонстрировали свою разработку, в которой сигнал ЭЭГ преобразуется в сигналы, понятные компьютеру. Девушка надевает шлем с электродами. Положительные эмоции экспериментатора преобразуются в команду для игрушечной машинки двигаться вперед, а отрицательные заставляют игрушку двигаться назад. Рассказывая грустные и веселые истории девушке, можно управлять движением машинки. Но такой способ лишь доказывает принципиальную возможность такого управления, на практике он крайне ненадежен.

Изобретатели из Эдинбургского университета смогли добиться более интересных результатов: в 1993 году доброволец Кэмпбелл Эйрд, лишившийся руки, получил искусственную конечность, которая имела управляемые узлы в запястье, локте и плече. Для управления механизмами используются нервные импульсы в мускулах оставшейся части плеча. Точность и качество исполнения механизмов и электроники можно оценить по тому, что Эйрд снова стал заниматься спортивной стрельбой и даже управлять спортивным самолетом. К тому времени это был самый совершенный протез, его стоимость оценивается в 170 тысяч долларов.

Американцы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но провели аналогичные операции уже пятерым мужчинам и одной женщине, и предоставили подробные и исчерпывающие данные по каждой операции. В результате Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять роботизированные руки солдатам, покалеченным во время военных действий.

В 1990-х годах в Университете Ханеманна Мигель Николелис и Джон Чэпин применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и диаметром острия около 50 микрон для снятия данных сразу с 48 нейронов головного мозга крысы. Крысу с вживленными электродами поместили в клетку с небольшой педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и пищи. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а вместо нее к дозатору кормушки подключили регистратор сигналов с вживленных электродов. После некоторого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга.

Опыты бразильского нейрофизиолога Мигеля Николелиса с коллегами из Гетеборгского университета в Швеции на обезьянах показали, что сигналы имплантированных электродов для управления искусственной рукой, позволяют осуществлять движение быстрее, чем своей «природной»!

В июне 2004 года американские хирурги имплантировали в двигательную область коры головного мозга 24-летнего полностью парализованного человека микрочип. Крошечный чип дал парализованному человеку возможность управлять телевизором и компьютером — например, рассылать письма по электронной почте и даже играть в компьютерные игры.

Тенденции таковы, что компьютер и человек рано или поздно объединятся физически. Не случайно появилось понятие «cyb(ernetic) org(anism)», сокращенное до звучного слова «киборг». Его придумал в 1960 году специалист по космической медицине Манфред Клайнс. Движение к превращению человека в киборга неумолимо происходит: первый компьютер был размером с дом; затем компьютер стал компактнее, переместился на рабочий стол, и с ним стало можно общаться в своей квартире; далее появился ноутбук, который с комфортом устроился на коленях у своего хозяина; современный телефон, по сути, компьютер, сидит в нашем кармане и посредством гарнитуры общается со своим владельцем. Логично, что шаг по перемещению компьютера в человеческое тело, рано или поздно будет сделан. Внедренные микрочипы значительно расширят возможности человека по получению, хранению и переработке информации. Представим, что человек мысленно сможет общаться с другим человеком, писать и запоминать тексты, слушать музыку!

Любопытным исследованием занимается группа известного американского изобретателя Стивена Джейкобсена, основателя компании Sarcos, которая сегодня стоит на пороге промышленного изготовления робокостюмов. Для слаженной работы всего механизма требуется несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. Сенсоры приводят в действие гидравлическую систему, исполняющую роль мышц. Надевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напрягать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вся нагрузка практически придется на «мышцы» и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм. Неудивительно, что работа финансируется военными ведомствами: солдат, снабженный таким костюмом, становится суперменом, усилие его мышц усиливается десятикратно!

Вместе с развитием идеи создания робота «поверх» человека, активно развивается направление, связанное с помещением роботов «внутрь» человеческого организма.

Американец Брэдли Нельсон, профессор из федеральной политехнической школы Цюриха предлагает для точной доставки медикаментов и очистки кровеносных сосудов от вредных отложений использовать дистанционно управляемых нанороботов. В будущем эти маленькие роботы смогут работать в других труднодоступных местах человеческого тела, например, в головном мозге, во внутреннем ухе, в сердце или в пищеварительном тракте.

Патрик Хунцикер из Базельской университетской клиники хочет посредством нанотехнологий доставлять медикаменты непосредственно в «пункт назначения». Его идея заключается в создании так называемых нано-контейнеров, несущих лекарства и прикрепляющих его только к больным клеткам. Таким образом можно уничтожить раковые клетки и совершенно не затронуть здоровые клетки и органы.

Нанороботы могут осуществлять диагностику, «охоту» за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток и т.п.

Можно представить одетого в робокостюм человека, поднимающего тонны груза, внутри которого тысячи нанороботов поддерживают здоровье его организма. Если кого-то сегодня и пугают такие перспективы, то надо понимать, что к моменту их массового внедрения они перестанут кого-либо удивлять и шокировать. Электрокардиостимулятор сердца, управляемый компьютером, титановые суставы и кости, электронные слуховые аппараты уже перестали быть чем-то необычным.

Естественно, что расходы на медицинскую технику и медицинские инновации в общей доле затрат государства и частных фирм неуклонно повышаются. Эти затраты достаточно быстро окупаются и приносят значительный экономический эффект, особенно в масштабах государства.

Например, синдром диабетической стопы является дорогостоящим осложнением, приводящим к длительной госпитализации, реабилитации, дополнительным расходам, связанными с уходом за больным, его социальным обслуживанием и т.д. Согласно отчетам за период с 1995 по 1996 годы в одной только Германии 1,5 млрд. долларов были потрачены непосредственно на лечение этой, не самой распространенной болезни. При этом 2,5 миллиона дней в году люди не могут приступить к работе, среди которых 1,6 миллионов дней они лежат в больнице.

Современные методы лечения этого заболевания по сравнению с традиционными в состоянии уменьшить время лечения почти в два раза и, соответственно, снизить и расходы на само лечение. Снижение частоты медицинских процедур, уменьшение расходного материала, уменьшение нагрузки на медицинский персонал, снижение частоты использования операционных и времени нахождения больного в больнице многократно окупают использование даже самых дорогостоящих современных методов лечения.

Кроме того, уменьшаются страдания больных, снижается общая смертность, а это уже нельзя оценивать только экономическим эффектом.

Эти рассуждения являются справедливыми и для всех других болезней без исключения. Поэтому можно только представить астрономически огромный экономический эффект от технических инноваций в медицине. Взять хотя бы пример с внедрением рентгеновских установок в медицинскую практику.

Поэтому внедрение технических новинок в медицину является самым эффективным вложением капиталов с государственной точки зрения – здоровье народа и его работоспособность являются главными условиями устойчивого экономического развития любой страны.

Темы для докладов и рефератов

Физические явления и законы, используемые в медицинской диагностике.

Рентгеновская установка – важнейший фактор развития науки и медицины.

Устройство и принцип действия современного прибора компьютерной рентгеновской томографии.

Устройство и принцип действия магнитно-резонансного томографа.

Устройство и принцип действия современного прибора для ультразвукового исследования.

Физика в операционной.

Лазер на службе медицины.

Использование радиоактивных препаратов в медицине.

Искусственная кровь.

Дискуссии

Больница будущего.

Обезьяна – Homo sapiens– киборг?

БАДы – польза или вред?

Литература

1. Власов, П.В. Беседы о рентгеновских лучах /П.В. Власов. – М., Молодая гвардия. 1977.

2. Быковский, Е. От протеза к киборгу / Е. Быковский // Вокруг света. №5. 2006.

3. Шеппард, Г. Интерфейс для головного мозга / Г. Шеппард // Вокруг света. № 2 2007.

4. Биоинформатика и познания. -www.bioinformatix.ru.

5. Нанороботы в медицине. - http://www.nanoindex.ru/stati.

6. Нано-роботы в борьбе против болезней. - www.infuture.ru/article/77.