http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=55795ea1-95cd-45fe-bb6e-6850fca19345&print=1© 2024 Российская академия наук
Современная медицина требует, чтобы врачи не только владели сугубо медицинскими знаниями, но и умели работать со сложнейшим лечебным и диагностическим оборудованием. Ведь своими успехами медицина в значительной степени обязана достижениям физики, электроники, информатики. Пример тому - новые диагностические методы, разработанные под руководством директора Института радиотехники и электроники Российской академии наук Юрия Васильевича Гуляева и его ученика, заместителя директора того же института Сергея Аполлоновича Никитова.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Наш Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН организован в 1953 году. В разгар "холодной войны" разрабатывали радиолокационные станции, помехоустойчивые линии связи, приборы для управления летательными аппаратами и др. Затем начались космические и другие мирные исследования. Появилась уникальная аппаратура для радиолокации околоземного пространства, планет Солнечной системы и дальнего космоса.
Под руководством директора института академика В. А. Котельникова ученые впервые осуществили радиолокационное картирование поверхности Венеры. Исследуя космос, пришлось изучать сверхслабые сигналы и создавать приборы для их расшифровки. И поскольку ИРЭ АН СССР в 1960-х годах стал ведущим в СССР по изучению сверхслабых физических полей, то ему и поручили тогда разобраться с якобы существующими явлениями телепатии, телекинеза и вообще дистанционного воздействия на человека помимо его обычных органов чувств. Ставилась задача выяснить, что такое биополе человека и может ли один человек своим полем воздействовать на другого. Общество сотрясали разговоры о чудесных целителях-чудотворцах, о передаче мысли на расстояние и т.д. Всем этим интересовалась тогда не только значительная часть интеллигенции, но и некоторые члены Политбюро ЦК КПСС и даже сам Л. И. Брежнев.
Разговоры разговорами, однако у науки есть четкие критерии проверки отдельных фактов - это, прежде всего, их воспроизводимость в одинаковых условиях. Нужны были точные измерения для доказательства существования подобных явлений. Было понятно, что измерять придется очень слабые сигналы и необходимы тонкие методы измерения, их не разрушающие. Работу возглавили академики В. А. Котельников, Ю. Б. Кобзарев, Ю. В. Гуляев и профессор Э. Э. Годик. Так появилась специальная лаборатория (см. "Наука и жизнь" N 1,1987г.), преемником которой ныне является Отдел биомедицинской радиоэлектроники нашего института.
А дальше случилось то же, что с попыткой изловить в 80-х годах прошлого века лох-несское чудовище, - не поймали. Зато большие деньги, которые выделили на его поиски, помогли получить ценнейшие экологические данные о горных озерах. Телекинез, телепатия, экстрасенсы оказались такими же отблесками извечной человеческой мечты о чуде, как и лох-несский дракон. На первый взгляд многолетняя работа целого отдела кончилась ничем, если так можно сказать об отрицательном результате. На самом же деле был сделан заметный шаг вперед в фундаментальной биомедицине и в частности в изучении физических полей человеческого тела и его отдельных органов.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЕЙ ЧЕЛОВЕКА
То, что живые тела непрерывно создают сложнейший спектр из электромагнитных, акустических, тепловых и прочих известных физике полей, было установлено еще в середине XX века. Но мы не нашли никакого другого, отличного от известных, "биоэнергетического информационного" поля, о котором сейчас снова рассуждают все кому не лень, даже и не думая объяснять, что они под этим понимают. А когда пытаешься уточнить, что же это такое, либо отмахиваются - "это знают все", либо несут некий псевдонаучный бред.
Но вернемся к реальным полям, создаваемым телом человека. Эти электрические, магнитные, акустические, тепловые и другие поля складываются из полей, генерируемых каждой клеткой при движении в ней ионов, они возникают при передаче нервных импульсов от нейрона к нейрону и при множестве других процессов: при испарении влаги с поверхности кожи, при излучении тепла - оттого, что мы теплее, чем окружающая среда. Наши клетки при нагревании или охлаждении создают и очень слабые акустические сигналы. Но все эти электрические токи и энергетические потоки, генерируемые телом человека, - обычные вольты, амперы и джоули - настолько слабы, что исчисляются числами "с минус со многими нулями". Скажем, если магнитное поле Земли - 0,5 эрстеда, то на человека могут серьезно воздействовать поля такого же порядка (многие люди чувствуют изменения магнитного фона Земли). Магнитные же поля человека составляют около Ю"6 эрстеда, почти в миллион раз меньше. Поэтому биофизические исследования стали возможны лишь в последней четверти прошлого века, когда появились сверхчувствительные приборы.
ОТ ИЗМЕРЕНИЙ К ДИАГНОСТИКЕ
Клетки живого организма - микромир, и любое познание начинается с создания сложнейшего прибора, проникающего в этот микромир, но не разрушающего его. Подобные приборы, разработанные с первоначальной целью разобраться с загадочными явлениями - биополем, телекинезом, телепатией, - и стали главным итогом той "погони за драконом".
В процессе этой работы были сконструированы аппараты, измеряющие тепловое излучение кожной поверхности, а также представляющие как бы послойные тепловые снимки внутренних органов. Приборы оказались эффективными при диагностике онкологических заболеваний, поскольку опухоли излучают значительно больше тепла, чем здоровые ткани.
Для изучения магнитных полей, излучаемых сердцем и мозгом, были созданы магнитный кардиограф и электроимпедансный томограф. По изменениям магнитного поля миокарда, можно гораздо раньше, чем это выявит электрокардиограф (ЭКГ), обнаружить нарушения сердечного ритма, начало ишемической болезни сердца. Магнитокардиографические комплексы на основе сверхпроводниковых детекторов сверхслабых магнитных полей (СКВИДов) представляют собой образцы новой медицинской техники и относятся к приборам, созданным на базе высоких технологий. Они предназначены для исследования магнитных сигналов сердца, бесконтактно регистрируемых над грудной клеткой пациента. Полученные сигналы обрабатываются с использованием оригинальных методов и алгоритмов. Ведь очень слабый сигнал надо отделить от шумов.
Почему, собственно, мы много работали с магнитными полями? В отличие от электрических магнитные сигналы практически не искажаются тканями. В клинических условиях одновременно с электрокардиографами используются магнитокардиографы. Эти устройства, разработанные в ИРЭ РАН и НПО "КРИО-ТОН", не требуют специального оборудования для магнитного экранирования помещения, чем принципиально (и материально) отличаются от зарубежных аналогов.
Исследования магнитного поля мозга раньше и точнее выявляют начало ряда заболеваний, например эпилепсию, чем обычная энцефалограмма. Измерения проводили и у здоровых испытуемых в процессе умственной работы. При переходе от одной задачи к другой регистрировался скачок магнитного поля мозга, правда имеющий ничтожно малую величину - 10'14 Тесла. Такой силы не хватило бы даже, чтобы сдвинуть "магнитную" пылинку. К тому же это излучение затухает уже в нескольких миллиметрах от кожного покрова головы. Следовательно, никакого "телепатического" значения оно не имеет. Тем не менее магнитные поля мозга несут информацию о высшей нервной деятельности человека. Поэтому продолжение исследований крайне интересно для нейропсихологии. Несомненно, будут появляться все более чувствительные и полезные для диагностики приборы, улавливающие различные поля, генерируемые организмом.
Еще одно из направлений наших исследований - акустотермометрия. Так называется новая разновидность зондирования температуры по интенсивности тепловой акустической эмиссии из исследуемой области. Суть эффекта заключается в том, что при нагревании тела меняется отражение акустического шума от внутренних структур, и эти очень слабые изменения можно связать с изменением температуры глубоких слоев тканей. Пример таких измерений приведен на рисунке вверху.
ОТ ДИАГНОСТИКИ - К ЛЕЧЕНИЮ
Мы много занимались диагностическими методами именно благодаря очень тонким измерениям полей организма, но не осталось в стороне и лечение, например болезней кровообращения. Специалистам нашего института и малого инновационного предприятия "КОНСТЭЛ" удалось разработать оригинальные медицинские приборы. В частности, создан первый отечественный комплекс для вспомогательного кровообращения (можно назвать его "вторым сердцем)" с помощью наружной контрпульсации - кардиопульсар. Высокая эффективность этого метода при лечении ишемической болезни сердца (ИБС) и сердечной недостаточности доказана мировой клинической практикой.
Основная сфера применения прибора - лечение и профилактика сердечно-сосудистых заболеваний. Воздействие создается обжатием ног с помощью компрессионных манжет. Манжеты помещают на голени, бедра и ягодицы и последовательно надувают, создавая волну давления крови в артериях. Моменты начала обжатия регулируются относительно сердечного цикла таким образом, чтобы волна давления достигала дуги аорты в момент диастолы - расслабления сердечной мышцы между сокращениями (систолой). Увеличение давления в устье аорты в диастолическую фазу приводит к усилению кровотока по коронарным сосудам. Одновременное опорожнение (сдув) всех манжет происходит перед началом систолы. Результатом такого воздействия становится уменьшение механической работы сердца. Фактически компрессионное воздействие на кровообращение оказывается в противофазе с работой сердца, отчего метод получил название - "наружная контрпульсация". Использование наружной контрпульсации повышает также выносливость к физическим нагрузкам.
В создании и испытании этого метода приняли участие специалисты Государственного НИИ военной медицины и НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского.
ДИАГНОСТИКА И ЛЕЧЕНИЕ НА РАССТОЯНИИ
Телемедицина ("теле" - греч. "далекий") и стандартизация в области информационных медицинских технологий - второе направление наших совместных с врачами исследований.
Телемедицина - отрасль здравоохранения, и одновременно метод медицинской помощи там, где велики расстояния, причем диагностика осуществляется с использованием информационно-коммуникационных технологий (см. "Наука и жизнь" N 8, 2000 г.; NN 1,11, 2004 г.). Также выдаются рекомендации по лечению. Первооткрывателем телемедицины, согласно одной из версий, был Александр Белл, изобретатель телефона, по которому он впервые вызвал к себе доктора. Затем для передачи медицинских данных стали использовать телеграф, а в 1905 году голландский физиолог Виллем Эйнтховен впервые передал электрокардиограмму по телефону. В 20-х годах прошлого столетия в Швеции, используя радио и азбуку Морзе, начали осуществлять дистанционное медицинское сопровождение собственных судов.
Первоочередной задачей телемедицины является дистанционная диагностика, требующая передачи визуальной информации. В 1959 году доктор Альберт Ютрас из канадского госпиталя "Hotel-Dieu" впервые передал изображение больного на телевизионный приемник. В том же году в США телесвязь была использована для консультации психиатра, а затем и передачи флюорограммы легких.
В СССР работы по дистанционной передаче медицинской информации проводились с конца 1960-х годов. Создание таких систем в нашей стране исторически было связано с космической медициной, имеющей большой опыт в разработке и применении биотелеметрических приборов. Наиболее известные примеры применения телемедицины в России - телемедицинские "мосты", позволившие провести более 300 клинических консультаций пострадавшим от двух катастроф: землетрясения в Армении в 1988 году и взрыва газа при аварии газопровода под Уфой в 1989 году. "Мосты" включали одновременную аудио-, видео - и факсимильную связь между зонами бедствия, московскими клиниками и четырьмя медицинскими центрами США. Всего было проведено 34 видеоконференции, рассмотрено 209 клинических случаев по 20 специальностям.
Затем запустили диагностический проект "Архангельск - Тромсе", начатый в 1993 году. В нем и сегодня участвуют Архангельская областная больница и медицинский институт при университете города Тромсе в Норвегии. В проекте используются обычные телефонные линии, но с помощью обновленных методов передачи информации удается достичь достаточно высокого качества трансляции видеоизображений: гистологических срезов, рентгеновских и УЗИ-снимков.
Институт радиотехники и электроники РАН включился в работу по созданию новых телемедицинских технологий в 2001 году. Ранее в Онкологическом научном центре им. Н. Н. Блохина РАМН была собрана уникальная база ("библиотека") из более чем ста тысяч срезов тканей больных органов. Однако с годами она теряла свое качество и нуждалась в систематизации с помощью компьютерных методов. Материалы морфологических анализов сфотографировали, и изображения перевели в цифровую форму. Затем была создана программа, которая организовала этот массив данных в структуру, доступную для быстрой и удобной обработки. Сначала между московским Онкоцентром и госпиталем в г. Барнауле, а потом и другими лечебными учреждениями, где есть онкологические отделения, наладились каналы связи, позволяющие проводить консультации в режиме реального времени (on-line). В результате врачи из нескольких областных медицинских центров России сегодня могут послать изображения срезов тканей в Онкоцентр и, после того как здесь их сличат с образцами из "библиотеки", проконсультировать своих больных у московских онкологов.
ЗА ТЕЛЕМЕДИЦИНОЙ БУДУЩЕЕ
Новым шагом в развитии телемедицины стала созданная нами в 2004 году Универсальная система удаленных консультаций (УСУК). Разрабатывая ее, мы вступили в область телемедицины второго поколения. С начала нынешнего века она быстро совершенствуется и г других развитых странах. Главным отличием Универсальной системы удаленных консультаций является использование в ней Интернет-портала и информационных оболочек, которые мы разработали для двух групп заболеваний: онкологических и кардиологических. Общение между врачами теперь происходит вне режима реального времени. Это значительно повысило качество телемедицинской помощи. Рабочее время консультантов, часто являющихся крупными специалистами, жестко распределено. И только с помощью Интернета, где возможно отложить ответ на запрос на приемлемое для специалиста время, были созданы условия для взаимоудобного общения коллег. Стандартная оболочка для передачи информации о картине болезни позволяет уплотнить и четко конкретизировать каждый блок медицинской информации, относящийся к одному пациенту. В итоге снижается себестоимость такой телемедицины, поскольку отпадает необходимость в длительных телеконференциях, занимающих высококачественные и дорогостоящие каналы связи.
Разработанная нами Универсальная система удаленных консультаций соединит Центральную клиническую больницу РАН в Москве, московские поликлиники РАН и больницы в Пущине, Троицке, Протеине. Важным элементом созданной нами технологии стала программа защиты информации от нежелательного доступа. Преимуществом Универсальной системы удаленных консультаций считаем и ее гармонизацию с общеевропейским стандартом передачи и обработки телемедицинской информации HL7. Для этого мы внедрили программу-адаптер, с помощью которой к европейским телемедицинским системам теперь могут подключаться и российские коллеги из других научных центров, работающих в данном направлении.
Основным препятствием на пути распространения телемедицинских технологий в России мы бы назвали неготовность врачей пользоваться компьютером не только как пишущей машинкой. Медицинской информатике студентов учат лишь в нескольких вузах страны, и то на факультативных курсах. А о программах последипломного образования в этой сфере мы вообще не слышали. Понятно, что любая самая хорошая техника требует умения обращаться с ней. В рамках приоритетного национального проекта "Здоровье" наши медицинские центры сегодня получают дорогостоящую диагностическую аппаратуру, большая часть которой приспособлена для хранения и передачи в сетях информации в оцифрованной форме. Чтобы связать приборы одного медицинского центра в единую информационную структуру, потребуются небольшие затраты, гораздо меньше стоимости даже одного из таких приборов.
Тогда почему же это делается крайне редко? Большинство врачей не готовы работать с такой сетью и не видят в ней необходимости. Зачем переводить, например, рентгенограмму в электронную форму, когда проще пользоваться ею в виде привычного снимка! Что же касается передачи информации в рамках телемедицинских технологий, то ведь потребность в этом "новомодном изыске" возникает лишь в немногих сложных случаях, а чаще всего больной и сам вполне может, как считают наши доктора, отвезти снимок к консультанту.
На самом же деле это никакой не изыск, а необходимый шаг в телемедицину третьего поколения, когда к удаленной консультации кроме двух врачей подключается и третий участник - сверхмощная электронная диагностическая система.
ШАГ ТРЕТИЙ
Обнаружив, что оценка онкологами до 30% маммограмм (маммография - специальное обследование молочной железы с помощью сниженной дозы рентгеновского облучения) ошибочна, сотрудники университетов Оксфорда, Кембриджа и Пизы, а также Европейского центра ядерных исследований (CERN, Женева) разработали в 2006 году систему Mammogrid.
Технология Grid начала использоваться в начале XXI века специалистами CERN для создания интернациональной вычислительной инфраструктуры огромной мощности, которая не может быть достигнута с помощью Интернета (см. "Наука и жизнь" N 6,2005 г.). Термин "Grid" (сетка, решетка) был выбран по аналогии с сетями передачи электроэнергии, где потребность в ней, возникающая в одном месте, покрывается мощностями любых электростанций, создающих в этот момент незадействованную электроэнергию. Развитие Grid-технологий позволит в ближайшем будущем создать принципиально новый международный вычислительный инструмент для развития высоких технологий в различных сферах человеческой деятельности.
Система Mammogrid позволяет сравнить "оцифрованную" маммограмму с образцами из базы данных, уже включающей сотни тысяч файлов. В отличие от нашей разработки, где также были задействованы многие тысячи образцов тканей онкологических больных, но их анализ проводил человек, в технологии Mammogrid этим занимается программа распознавания и сличения графических изображений. В итоге вероятность ошибки при отслеживании признаков начала рака молочной железы снизилась в несколько раз. Маммограммы хранятся в базах данных отдельных больниц, участвующих в проекте. Через локальную сеть больницы имеют выход к выделенным серверам - Gridbox, находящимся в университетах трех европейских стран. Но каждый Gridbox - это и своеобразные ворота в Grid-сеть. Он отвечает за добавление информации, обмен ею между больницами и ее обработку. Передаваемая через такую сеть информация благодаря шифрованию строго конфиденциальна. Для рядовых пользователей - врачей - разработаны специальные клиентские приложения с удобным интерфейсом, которые предоставляют легкий доступ к базам данных.
Статистика европейских проектов в области Grid-технологий свидетельствует о том, что наибольшее их количество посвящено медико-биологическим проблемам. На сегодня их уже более двадцати! Столь же крупным, как Mammogrid, является проект Pharmagrid, где собраны данные по фармакотерапии и свойствам отдельных препаратов. Таким образом, Grid-технологии, как наиболее современное продолжение телемедицины, сегодня активно развиваются. В перспективе планируем подключиться к этим уникальным сетям, а наши достижения в области стандартизации телемедицинских технологий позволяют надеяться, что эти планы реальны.
Надеемся также, что мы, ученые ИРЭ РАН, уже в 2008 году придем к западноевропейским коллегам не с пустыми руками.
В рамках Универсальной системы удаленных консультаций мы разработали программу, называемую системой поддержки принятия решений. На основе анализа симптомов у онкологических и кардиологических больных программа ставит предварительный диагноз, предлагает тактику лечения и прогнозирует исход заболевания. Оснащение Маmmоgrid-технологии нашей диагностической программой, как мы считаем, расширило бы возможности этой замечательной европейской новации и открыло бы новое направление для сотрудничества ученых России и стран ЕС.
Авторы благодарят коллег: А. А. Аносова, Ю. Н. Барабаненкова, Ю. В. Масленникова, А. М. Сударева, М. И. Щербакова и других за предоставленные материалы.
Записал А. РЫЛОВ.
***
АКУСТОТЕРМОМЕТРИЯ: СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ
Лазерное инфракрасное излучение (с длиной волны 1060 нм) через световод поступает в организм человека (в молочную или щитовидную железу). Излучение поглощается, и ткани организма нагреваются. Мощность лазера 3 Вт, длительность процедуры гипертермии составляет несколько минут (обычно от 5 до 15). Лазер работает в импульсном режиме. Длительность импульса и паузы можно менять в пределах от 0 до 999 мс. После введения световода в организм в течение всей процедуры гипертермии некоторое время проводят и акустотермометрические измерения одним или двумя акустотермометрами ATI и АТ2 (разработка Института прикладной физики РАН). При этом ATI установлен так, чтобы, он "смотрел" в центр нагретой области, аАТ2 - немного (приблизительно на 1 см) в сторону. На графиках приведена динамика изменений акустояркостной температуры (фактически - некоторой усредненной температуры в зоне нагрева). Акустояркостная температура усреднена по времени за 20 с. Нуль соответствует температуре ненагреваемого органа. Из графиков видно, что показания акустотермометров снижаются после окончания прогрева. В эксперименте "стрелка отклоняется в правильном направлении", ткани нагреваются, как здоровые. Но пока это первый подход к новым методам диагностики злокачественных образований. Для улучшения качества результатов и повышения их надежности требуются дальнейшие исследования.