Аннотация: Основные принципы компьютерной медицины. Адаптивная СВЧ решётка может позволить проводить уникальные хирургические операции включая удаление раковых опухолей.
Компьютерная медицина будущего
Концентрация энергии на пространствах, сравнимых с размером клетки может кардинально изменить ситуацию в медицине, позволив выполнение уникальных операций, полностью контролируемых компьютерной программой с одной стороны предельно точно, а с другой стороны почти без вовлечения человеческого фактора. Использование централизованных баз данных программ лечения заболеваний, а также компьютерных сетей позволит проводить самые серьёзнейшие операции любому медицинскому работнику в самых любых труднодоступных местах, используя технику, напоминающую обычную физиотерапию.
Сегодня концентрация энергии на малых участках используется в лечении глазных заболеваниях с помощью лазера. Проблема, связанная с обыкновенным светом связана с тем, что он не может свободно проходить через вещество, поэтому для него необходим прямой контакт с объектом. К тому же ни каком компьютерном управлении процессом не может быть и речи. Такие операции могут проводиться только высококвалифицированными специалистами.
В медицине встречаются случаи, когда необходимо селективно уничтожать отдельные клетки организма при этом минимально задевая другие. При этом необходимо ясное распознавание, какие клетки нужно убивать, а какие нет. К такому типу относится, например весь спектр онкологических заболеваний. Задача стоит в том, чтобы просканировать область организма и очень точно и выборочно уничтожить врага. Наша природа должна быть настолько разумна, чтобы дать в руки людей прямой и простой механизм для выполнения этой задачи. Посмотрим из самых общих соображений на природные явления, благодаря которым возможен критический прорыв для решения поставленной задачи.
Исходя из принципов физической оптики минимальное пятно, которое можно получить с электромагнитного излучения с длинной волны ?может быть порядка этой самой длины волны с точностью до несущественного коэффициента. Так для лазера самая маленькая длина волны на молекулярном фторе соответствует ближнему ультрафиолету и равна 157 нм. = 0.15 микрон. Обычные длины волн лазеров видимого света порядка 0.5 микрон. Реальное пятно, которое получается при фокусировке, может быть на порядок больше. Тем не менее, имея пятно даже 5 микрон можно сфокусироваться на отдельной клетке. Для справки средний размер клеток человеческого тела составляет 20 микрон, а размер ядра клетки 10 микрон.
Длина волны излучения пропорциональна скорости его распространения. Для ультразвука скорость распространения в воде порядка 1000 м/с, что соответственно в 30000 раз меньше чем скорость света. Отсюда можно просчитать, что длина волны ультразвука с частотой 1 GHz будет порядка одного микрона. Не смотря на то, что ультразвук может проходить сквозь вещество, затухание очень значительно. К тому же возникновение кавитации и неоднородность скорости распространения ультразвука в средах с разной плотностью ограничивает область его применения обыкновенной УЗИ диагностикой.
Если бы только обыкновенные электромагнитные волны при каких-то особенных условиях могли распространяться со скоростью звука, то использование частоты широко применяемой в сотовых телефонах могло бы дать длину волны порядка микронов, а, следовательно, появилась бы принципиальная возможность стратегии, которую я описал в самом начале. Если создать матрицу из низкоэнергетичных микроскопических излучателей СВЧ, похожую на жидкокристаллический монитор, то используя управляющий элемент похожий на видеокарту компьютера можно получить возможность селективной концентрации излучения. В радиотехнике такая система известна как адаптивная антенная решётка. Используя математический аппарат обращения волнового фронта можно направленно и очень точно концентрировать излучения в пределах теоретической возможности и програмно управлять направленным пучком.
Но пока не существует ситуации, когда СВЧ излучение может распространяться со скоростью звука такая система не больше чем фантастика. Рассмотрим, когда это условие может быть выполнено.
Ситуации, когда электромагнитное излучение проявляет довольно оригинальные свойства, известны. Если с помощью фотоумножителя и спектроанализатора исследовать суперпозицию прямого лазерного света и отражённого от движущегося зеркала, то даже если это зеркало движется со скоростью нескольких сантиметров в минуту можно найти в свете составляющую с частотой радиоволн. При этом очевидно, что никаких реальных радиоволн в свете нет и можно говорить о виртуальных радиоволнах.
Существует хорошо известный, но до сих пор теоретически не объяснённый эффект внутрирезонаторной спектроскопии. Если исследуемое вещество помещается непосредственно в резонатор лазера, то чувствительность повышается в сто тысяч раз. Дополнительно наблюдается сдвиг частоты света похожий на эффект Комптона. Внутри резонатора существует стоячая волна и эффективная скорость света относительно молекул среды равна скорости самой среды, то есть порядка скорости звука. Если предположить, что такой свет взаимодействует так, как будто бы он реально двигался со скоростью звука то импульс фотонов возрастает в те самые сто тысяч раз и становится примерно соответствовать жёсткому рентгеновскому излучению, что и объясняет эффект Комптона. Если в стоячей волне возникают такие особенные условия, то можно предположить, что это именно то, что нам нужно для концентрации излучения.
Для СВЧ излучения, как это известно, из электродинамики в ближней зоне излучения существует стоячая волна и, следовательно, эффективный импульс фотонов аналогично внутрирезонаторной спектроскопии возрастает в сто тысяч раз и становится по порядку величины соответствовать жёсткому ультрафиолету. Некоторые исследования показывают статистически более высокое число раковых заболеваний головы как раз с той стороны, где обычно используется сотовый телефон. Это может объясняться теми же причинами, по которым частота возникновения раковых заболеваний кожи выше после интенсивного загара - то есть под действием ультрафиолета.
Тот факт, что в ближней зоне волны СВЧ могут концентрироваться на пространствах значительно ниже, чем даёт физическая оптика можно наблюдать на простом эксперименте. Если в печь СВЧ поместить железный гвоздь - это, правда запрещается производителями и может привести к поломке печи - то возникает очень яркий газовый разряд и сильный характерный звук. Вихревые токи в гвозде переизлучают волны печи и не смотря на то что длина волны порядка десяти сантиметров создают явления значительно меньших размеров. Конец гвоздя, направленный в стеклянную подставку создаёт излучение плавящее стекло по размеру торца гвоздя.
Если эффективная длина волны СВЧ в ближней зоне соответствует ультрафиолету это может означать только то, что эффективная скорость распространения такой волны порядка скорости звука - то есть скорости молекул среды. Очевидно, с понижением температуры эта скорость должна снижаться ещё больше. Если у нас есть возможность использовать этот специальный случай, то техническое решение поставленной задачи довольно очевидно. Адаптивная СВЧ решётка - это то, что нам нужно. Длина ближней зоны излучения порядка трети длины волны излучения. На каких расстояниях реально использовать эффект может показать только опыт. Для распространённого бесплатного диапазона в 433 MHz длина волны излучения равняется приблизительно 70 сантиметров и следовательно ближняя зона порядка 20-и сантиметров чего вполне достаточно. Если эффективная скорость распространения излучения равна скорости молекул среды, то по порядку величины мы получаем минимальное пятно, которое можно получить с помощью адаптивной антенны порядка 3-х микрон.
Что получается? СВЧ излучение, созданное на основе хорошо разработанного математического аппарата обращения волновых фронтов, может отлично управляться с помощью компьютера. Два основных режима работы такой антенны сразу видны. С одной стороны это высокочувствительная томография - с точностью до деталей отдельных клеток. С другой стороны - это прямая возможность селективного уничтожения выбранных клеток. Например, процесс излечения раковых метастазов может состоять из двух этапов - вначале в памяти компьютера создаётся общая картина объекта. Математический аппарат распознавания образов идентифицирует злокачественные клетки и отмечает их на уничтожение. Далее, серией направленных ударов ядра всех отмеченных клеток подвергаются мощному электромагнитному удару. Достаточно разорвать молекулу ДНК в одном месте для того чтобы клетка не прошла стадию самопроверки на деление - и перестала делиться. Такая клетка впоследствии будет утилизирована и выведена из организма. Воздействие на соседние клетки и механическую структуру уничтожаемой клетки при этом минимально.
Это революционное направление в медицине может неограниченно развиваться. Для любых, самых редких заболеваний, опытными докторами вместе с программистами могут быть созданы компьютерные программы, которые смогут превратить операции, о которых сейчас даже трудно думать в простую серию сеансов похожих на обычную физиотерапию. Все такие программы могут создаваться самыми известными и узкоспециализированными гениями со всего земного шара, помещаться в центральную базу биотехнологической информации и быть по сети доступными для использования обыкновенным медицинским сотрудникам в любой точке земли.