АВТОР: Мария белянинова
ПОСТАВИТЬ ДИАГНОЗ ПОМОЖЕТ ФАНТОМ
О важности нехирургической диагностики
Герой: Павел Максимович Синицын
Радиофизический факультет
Несмотря на активное развитие медицины, диагностика целого ряда заболеваний остается достаточно непростым и противоречивым процессом. Сложно порой сказать однозначно, не используя нож или другие радикальные методы, произошло ли какое-либо изменение в организме. Именно поэтому так необходим поиск альтернативных методов диагностики и, возможно, лечения каких-либо патологий. В этом случае на помощь врачам приходят физики. Именно на основе этого сотрудничества возник особый комплекс наук - медицинская физика.
Медицинская физика – совокупность разделов биофизики и прикладной физики, занимающихся исследованием физических явлений, находящих свое применение в сфере медицины. Процессы и объекты, которые изучает медицинская физика, достаточно разнообразны: от устройства и способов эксплуатации медицинских аппаратов до диагностики и лечения разнообразных заболеваний физическими методами.
Медицинская физика – совокупность разделов биофизики и прикладной физики, занимающихся исследованием физических явлений, находящих свое применение в сфере медицины. Процессы и объекты, которые изучает медицинская физика, достаточно разнообразны: от устройства и способов эксплуатации медицинских аппаратов до диагностики и лечения разнообразных заболеваний физическими методами.
Главной сферой научного интереса Павла Синицына, студента 2 курса магистратуры радиофизического факультета и младшего научного сотрудника кафедры акустики ННГУ им. Н.И. Лобачевского, является непосредственно медицинская физика. Различные механизмы и физические процессы еще с детства интересовали Павла, что и стало поводом для поступления на радиофизический факультет. Однако Павлу с детства была интересна и биология: мама молодого ученого, Юлия Витальевна Синицына, является кандидатом биологических наук и доцентом кафедры биохимии и физиологии института биологии и биомедицины ННГУ.
“
При выборе кафедры на 3 курсе я узнал, что на кафедре акустики есть такое направление, как медицинская физика, и решил, что это знак судьбы.
Основной сферой своего научного интереса он называет изучение ультразвуковых процессов и их воздействие на мышцы человека и, как следствие, разработка и совершенствование технологии создания фантомов-симуляторов, необходимых для такого рода научной деятельности.
Фантом-симулятор в медицине – созданное в лабораторных условиях медицинское изделие, имитирующее органы, ткани, конечности. Имитируя те или иные способности человеческого тела, они используются в клинических условиях диагностики и изучения патологий без хирургического вмешательства или же для отработки практических навыков без вреда для пациента.
Фантом-симулятор в медицине – созданное в лабораторных условиях медицинское изделие, имитирующее органы, ткани, конечности. Имитируя те или иные способности человеческого тела, они используются в клинических условиях диагностики и изучения патологий без хирургического вмешательства или же для отработки практических навыков без вреда для пациента.
1 – блок питания,
2 – управляющий блок,
3 – компьютер,
4 – монитор,
5 – исследуемый фантом и ультразвуковой датчик
Эта система сканирует фантом посредством эластографии, то есть измеряет его упругость
Медицинские фантомы не являются новшеством. Еще в XVIII веке появились первые подобные устройства, предназначенные для отработки акушерских навыков. Они состояли из хлопковой ткани и кожаных ремней, посредством стягивания или ослабления которых имитировались роды. Так, вплоть до начала XX века, симуляторы применялись лишь в сфере гинекологии и акушерства. Однако с развитием компьютерных технологий, в 1960-х годах, начали появляться приборы, способные имитировать различные кардиологические заболевания. Подобные установки имели возможность воспроизводить дыхание, пульс и даже реагировали на вводимые лекарственные препараты. И лишь в 80-х годах появились первые тканеподобные фантомы.
Математическая модель скелетной мышцы, воплощаемая в фантоме
Такой фантом представляет собой полый куб, внутри которого между металлическими пластинами натянуты струны, имитирующие мышечные связки. В этот сосуд заливается раствор, который, застывая, создает тканеподобную среду, по всем показателям близкую к изучаемой мышечной ткани. Возможна имитация различных биологических тканей. Ранее на кафедре акустики для изготовления фантомов-симуляторов применялся желатиновый раствор. Однако по инициативе Павла он был заменен на более подходящий по физическим характеристикам для этих целей раствор агар-агара.
“
Я посчитал, что этот компонент по своим свойствам более близок к характеристикам человеческих тканей. Результаты изменились в лучшую сторону. К примеру, для изучения параметра упругости тела агар подходит намного больше, нежели компоненты, используемые до этого.
Также важным качественным преимуществом агарового раствора над желатиновым является рецептура. Ранее раствор желатина попросту варился, что в конечном итоге приводило к появлению дефектов на изготовленных фантомах. Это становилось причиной существенных погрешностей при измерении ряда показателей. Раствор же агар-агара изготавливается по строгим правилам: используется водяная баня и поддерживается конкретный показатель температуры, смесь не должна закипать или, напротив, стынуть. Все компоненты добавляются в конкретной граммовке.
“
Агар намного дороже желатина, поэтому при изготовлении мы стараемся не ошибаться.
Таким образом, на кафедре акустики были воссозданы скелетные мышцы человеческой руки. Скелетные мышцы – часть опорно-двигательного аппарата, которая, воздействуя на суставы, приводит в движение кости. Впоследствии они были проанализированы посредством эластографии – ультразвукового метода диагностики, оценивающего упругость тканей.
Как здоровые, так и патологически измененные ткани человеческого организма, имеют определенный уровень эластичности, который можно продиагностировать и изучить при помощи ультразвука.
Схема скелетной мышцы
“
Ультразвук подстраивается под среду, в которую он попадает, и именно эти изменения мы фиксируем на фантомах и сравниваем с человеческими тканями. Этот способ очень помогает избежать вмешательства в организм.
Компрессионная эластография щитовидной железы
Неинвазивное (т.е. не нарушающее целостность) свойство медицинского ультразвука является главным его преимуществом. Этот вид воздействия исключает необходимость любого хирургического вмешательства в организм, и поэтому он может быть применен не только в сфере диагностики, но и сфере лечения. Ультразвук может применяться при необходимости терапии и хирургии внутренних органов без повреждения внешних тканей. Воздействие ультразвука нагревает участок исследуемой ткани, что повышает ее проводимость и снижает шанс погрешности при измерении уровня ее пораженности. При этом меняется интенсивность ультразвуковых волн: в диагностике применяются слабые значения (0,5 Вт/см²), в терапии – средние (0,5 – 3 Вт/см²), что обеспечивает сравнительно быстрый нагрев участка ткани. К примеру, при лечении опухолей ткани необходимо нагреть до 45° C. В таких условиях клетки опухоли становятся более чувствительными и восприимчивыми к терапии, в то время, как чувствительность здоровых клеток почти не меняется. В хирургии используются высокие показатели (5 – 2000 Вт/см²). Это применяется для совершения надреза и удаления ткани через ее перегрев, а также способствует свертываемости крови, что позволяет остановить внутренние кровотечения.
Как отмечает сам Павел, фронт работ еще огромен. Помимо скелетной мышцы предстоит изучить каждую отдельную мышцу человеческого организма. Изготовление фантома и рассмотрение конкретного параметра на нем требует немалого количества времени, поэтому говорить о каких-то грандиозных выводах и итогах пока рано.
Также Павел планирует в дальнейшем заняться изучением тканей раковых больных и сравнить полученные показатели с цифрами, приведенными в западной литературе. В перспективе на базе полученного опыта планируется постройка модели экзоскелета (каркаса, увеличивающего выносливость человеческого тела). Однако такая цель требует выхода за рамки медицинской физики, будут необходимы специалисты из ряда других областей.
