100 великих чудес техники

Люстра Чижевского

Можно ли никогда не болеть? Конечно, это почти невозможно. Но вот болеть редко и легче переносить недуги помогает люстра Чижевского. Александр Леонидович Чижевский – великий русский биофизик, космист, основоположник гелиобиологии и изобретатель, бесспорно, знаменитой теперь электроэффлювиальной люстры.

Сам Чижевский, когда речь заходила о приоритете, вспоминал замок Дуино на Адриатике. На одном из его бастионов с незапамятных времен было закреплено копье. Там всегда на часах стоял солдат и следил за погодой. Если на острие копья появлялось огненное свечение или проскакивали искры, часовой звонил в колокол, предупреждая окрестных жителей и рыбаков о надвигающейся непогоде.

Но важно другое: растительность вокруг этого копья была несравнимо богаче, чем в некотором отдалении. И знала об этом вся округа! Что, собственно, подтверждается подлинным письмом бенедиктинского монаха Императи, датированным аж 1602 годом.

В 1748 году французский аббат Ноллет выращивал рассаду в металлических горшках и регулярно подносил их к заряженным частям электрической машинки. И у него увеличивалась энергия прорастания семян.

В 1780-е годы другой французский аббат Бертолон, большой знаток физики и медицины, ставил необычные опыты в своем саду и огороде. Он поливал растения из леек, соединенных проводом с электростатической машиной, и добился поразительных результатов. Овощи росли быстрее, гиацинты давали больше листьев и стеблей, а фрукты созревали скорее и были на редкость вкусны.

Известный революционер Марат тоже экспериментировал с электричеством. Его увлекла идея дуинского копья. Взяв за основу такие копья, он решил протянуть от них проволочки в квартиры парижан. Отрицательно заряженная материя воздуха, считал «друг народа», укрепит здоровье и дух бойцов революции. Они быстрее наберутся сил во благо великой Франции. Известно, что президент США Бенджамин Франклин придумал громоотвод. Он же первым предложил использовать атмосферное электричество в лечебных целях. В его честь такое лечение назвали франклинизацией. А медицинскую электростатическую машинку с паукообразным электродом, который, как люстру, подвешивали над головой пациента, стали звать Франклином.

Однако Франклин, как и его предшественники, не понял самого главного. Лечит отнюдь не всякое электричество, а только отрицательно заряженное. Положительные заряды, наоборот, крайне вредны и даже опасны для здоровья и жизни.

Впервые это установил русский биофизик Александр Чижевский в 1920-е годы. Чижевский ставил такой эксперимент. Помещал мышей в герметичную камеру и пропускал туда воздух сквозь плотный фильтрующий слой ваты. Через 5-10 дней животные становились вялыми, как при авитаминозе. Постепенно болезненное состояние переходило в коматозное, мыши наотрез отказывались от пищи, наконец, агонизировали и гибли. Это явление Чижевский назвал аэроионным голоданием.

«Итак, химический состав воздуха после фильтрации через вату остался тем же, что и до фильтрации, это бесспорно, – пояснял изумленным коллегам суть явления Александр Леонидович. – Воздух стал даже чище, ибо пыль и микроорганизмы осели на вате. И тем не менее он стал "мертвым". Пропуская воздух через вату, мы лишаем его некоторых свойств, абсолютно необходимых для жизнедеятельности организма. Какие же это свойства? При фильтрации кислород воздуха теряет свое великое «нечто» – свои физические свойства, которые необходимы для поддержания жизни. Проходя слой ваты, воздух оставляет на ней все свои электрические заряды, в том числе отрицательные аэроионы – "витамины воздуха"».

Чтобы доказать это, Чижевский ставил другой опыт. В такую же камеру вводилась игла, на которую подавалось высокое напряжение. На острие иглы образовывались отрицательные аэроионы. Теперь подопытные животные чувствовали себя прекрасно. Благодаря «витаминам воздуха» их жизнестойкость становилась даже выше, чем у животных на воле.

Чижевский был отнюдь не кабинетный ученый, не «голый» экспериментатор, а человек, ориентированный на практику. Он не только раскрыл механизм целебного воздействия отрицательно заряженных частиц воздуха – аэроионов – на все живое, но и создал на этом принципе универсальный прибор для лечения электричеством множества болезней. Соратники ученого назвали этот прибор люстрой Чижевского. Она стала одним из самых ярких достижений XX века. Не зря Чижевского на Первом международном конгрессе по биофизике в Нью-Йорке в сентябре 1939 года за заслуги перед человечеством выдвигали на Нобелевскую премию. Международная общественность присвоила ему ни много ни мало почетное звание «Леонардо да Винчи XX века».

Чижевский опубликовал статьи об электронной медицине, незамедлительно запатентовал свою электроэффлювиальную люстру. Англичане попытались купить у него патент. Не вышло. Чижевский передал его в безвозмездное пользование СССР.

Уверенные в своих силах конструкторы крупнейшего немецкого электротехнического концерна «Сименс» всерьез обратили взоры к электронной медицине. Но обойтись решили и без Чижевского, и без его патента. Оказалось, что сделать это не так-то просто. В 1932 году гигант мировой индустрии «Сименс» наладил выпуск генераторов ионов. И были это не люстры под потолком, а портативные устройства на изящных мраморных столиках.

Но вот беда, приборы «Сименса» давали ионы слишком слабых энергий и должным лечебным эффектом не обладали. К тому же больные жаловались на дурные запахи. Дело в том, что аппараты активно генерировали еще и окислы азота, не только плохо пахнущие, а и очень вредные для организма вещества. Уже в 1934 году «Сименс» свернул это производство.

На Западе перспективное дело, конечно, не бросили. Но приоритет русского ученого затушевать попытались. Чтобы подчеркнуть – дескать, Чижевский не был первым, – стали датировать его выдающиеся работы 1953 годом. Хотя они были опубликованы задолго до этого – в 1935 году.

Нарушая принципы Чижевского, западные инженеры создали множество различных модификаций ионизатора. Но хорошие «витамины воздуха» иностранцы делать так толком и не научились.

Исследования, проведенные в Институте имени Н.В. Склифосовского, в НИИ высшей нервной деятельности, в НИИ медицины труда, Институте педиатрии и других научных центрах, подтвердили, что ионы, получаемые на принципах люстры Чижевского, обладают мощной целебной силой. Прав был Александр Леонидович, утверждая, что одним и тем же прибором можно лечить совершенно разные заболевания. Новая теория общей патологии, разработанная М.С. Мачабели в 1960—1970-е годы, объяснила причины практически всех заболеваний одним общим началом – катастрофической потерей электронов в клетках и тканях организма.

Чтобы защититься от этого, нужно иметь запас электронов на мембранах клеток. Именно их и производит люстра Чижевского, а значит, действие ее универсально.

Целебные аэроионы, проникая в легкие человека, заряжают кровь, делают клетки и ткани организма более стойкими, то есть увеличивают иммунитет. При вдыхании аэроионов легкие как бы расправляются. Приступы у больных бронхиальной астмой становятся реже и легче переносятся. Уже не так мучает одышка.

В 1969 году очень тяжело заболел крупнейший советский физик, академик Игорь Евгеньевич Тамм. Лечили его лучшими лекарствами. Врачи уже вынесли ученому приговор: жить ему оставалось всего дня три-четыре. Поэтому против использования аэроионизатора не возражали, пусть повисит. Люстра Чижевского совершила чудо. Прямо на глазах стал меняться цвет лица больного. Потом он стал нормально дышать, открыл глаза, улыбнулся. Через несколько дней «безнадежный» встал на ноги!

Как показала практика, в ожоговых центрах благодаря аэроионам выживают больные с обширнейшими – до семидесяти процентов – ожогами кожи. Лежачие пациенты перестают болеть пневмонией. Раны начинают затягиваться быстрее.

В Институте педиатрии Российской академии медицинских наук отмечено быстрое улучшение самочувствия у детей, страдающих респираторной и кожной аллергией, выявлено положительное воздействие ионизированного воздуха на новорожденных. Дети легче адаптируются к изменяющимся условиям внешней среды. У них снижается уровень тревоги, раздражительности.

Молодые российские конструкторы решили изготовить современный вариант люстры. Они отыскали архивы Чижевского и изумились. Ученые предполагали понизить высокое напряжение в пятьдесят тысяч вольт, используемое в аппарате Чижевского, с целью безопасности. Но оказалось, высокое напряжение ни в коем случае нельзя было снижать, ведь именно оно дает высочайшее качество аэроионов. На этом в свое время и «прокололись» американцы. Проблема электробезопасности решилась проще: человека-то убивает вовсе не напряжение, а ток. Его силу и снизили.

Сегодня поправить здоровье при помощи «люстры Чижевского» может любой, купивший ее в магазине.

Способ применения «люстры Чижевского» чрезвычайно прост. Хорошо проветрив помещение, надо включить люстру и на 10-15 минут выйти в другую комнату. За это время происходит ионизация и оседание пыли, воздух помещения очищается. Первое пребывание под люстрой рекомендуется ограничить 30 минутами. Затем, увеличивая дозировку на полчаса в день, довести ее до 3-4 часов в сутки. Во время аэроионопрофилактики надо избегать сквозняков, поскольку аэроионы легко уносятся потоком воздуха.

Искусственные органы человека

Современная медицинская техника позволяет заменять полностью или частично больные органы человека. Электронный водитель ритма сердца, усилитель звука для людей, страдающих глухотой, хрусталик из специальной пластмассы – вот только некоторые примеры использования техники в медицине. Все большее распространение получают также биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые реагируют на биотоки в организме человека.

Во время сложнейших операций, проводимых на сердце, легких или почках, неоценимую помощь медикам оказывают «Аппарат искусственного кровообращения», «Искусственное легкое», «Искусственное сердце», «Искусственная почка», которые принимают на себя функции оперируемых органов, позволяют на время приостановить их работу.

«Искусственное легкое» представляет собой пульсирующий насос, который подает воздух порциями с частотой 40-50 раз в минуту. Обычный поршень для этого не подходит: в ток воздуха могут попасть частички материала его трущихся частей или уплотнителя. Здесь и в других подобных устройствах используют мехи из гофрированного металла или пластика – сильфоны. Очищенный и доведенный до требуемой температуры воздух подается непосредственно в бронхи.

«Аппарат искусственного кровообращения» устроен аналогично. Его шланги подключаются к кровеносным сосудам хирургическим путем.

Первая попытка замещения функции сердца механическим аналогом была сделана еще в 1812 году. Однако до сих пор среди множества изготовленных аппаратов нет полностью удовлетворяющего врачей.

Отечественные ученые и конструкторы разработали ряд моделей под общим названием «Поиск». Это четырехкамерный протез сердца с желудочками мешотчатого типа, предназначенный для имплантации в ортотопическую позицию.

В модели различают левую и правую половины, каждая из которых состоит из искусственного желудочка и искусственного предсердия.

Составными элементами искусственного желудочка являются: корпус, рабочая камера, входной и выходной клапаны. Корпус желудочка изготавливается из силиконовой резины методом наслоения. Матрица погружается в жидкий полимер, вынимается и высушивается – и так раз за разом, пока на поверхности матрицы не создается многослойная плоть сердца.

Рабочая камера по форме аналогична корпусу. Ее изготавливали из латексной резины, а потом из силикона. Конструктивной особенностью рабочей камеры является различная толщина стенок, в которых различают активные и пассивные участки. Конструкция рассчитана таким образом, что даже при полном напряжении активных участков противоположные стенки рабочей поверхности камеры не соприкасаются между собой, чем устраняется травма форменных элементов крови.

Российский конструктор Александр Дробышев, несмотря на все трудности, продолжает создавать новые современные конструкции «Поиска», которые будут значительно дешевле зарубежных образцов.

Одна из лучших на сегодня зарубежных систем «Искусственное сердце» «Новакор» стоит 400 тысяч долларов. С ней можно целый год дома ждать операции.

В кейсе-чемоданчике «Новакора» находятся два пластмассовых желудочка. На отдельной тележке – наружный сервис: компьютер управления, монитор контроля, который остается в клинике на глазах у врачей. Дома с больным – блок питания, аккумуляторные батареи, которые сменяются и подзаряжаются от сети. Задача больного – следить за зеленым индикатором ламп, показывающих заряд аккумуляторов.

Аппараты «Искусственная почка» работают уже довольно давно и успешно применяются медиками.

Еще в 1837 году, изучая процессы движения растворов через полупроницаемые мембраны, Т. Грехен впервые применил и ввел в употребление термин «диализ» (от греческого dialisis – отделение). Но лишь в 1912 году на основе этого метода в США был сконструирован аппарат, с помощью которого его авторы проводили в эксперименте удаление салицилатов из крови животных. В аппарате, названном ими «искусственная почка», в качестве полупроницаемой мембраны были использованы трубочки из коллодия, по которым текла кровь животного, а снаружи они омывались изотоническим раствором хлорида натрия. Впрочем, коллодий, примененный Дж. Абелем, оказался довольно хрупким материалом и в дальнейшем другие авторы для диализа пробовали иные материалы, такие как кишечник птиц, плавательный пузырь рыб, брюшину телят, тростник, бумагу.

Для предотвращения свертывания крови использовали гирудин – полипептид, содержащийся в секрете слюнных желез медицинской пиявки. Эти два открытия и явились прототипом всех последующих разработок в области внепочечного очищения.

Каковы бы ни были усовершенствования в этой области, принцип пока остается одним и тем же. В любом варианте «искусственная почка» включает в себя следующие элементы: полупроницаемая мембрана, с одной стороны которой течет кровь, а с другой стороны – солевой раствор. Для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты – лекарственные вещества, уменьшающие свертываемость крови. В этом случае происходит выравнивание концентраций низкомолекулярных соединений ионов, мочевины, креатинина, глюкозы, других веществ с малой молекулярной массой. При увеличении пористости мембраны возникает перемещение веществ с большей молекулярной массой. Если же к этому процессу добавить избыточное гидростатическое давление со стороны крови или отрицательное давление со стороны омывающего раствора, то процесс переноса будет сопровождаться и перемещением воды – конвекционный массообмен. Для переноса воды можно воспользоваться и осмотическим давлением, добавляя в диализат осмотически активные вещества. Чаще всего с этой целью использовали глюкозу, реже фруктозу и другие сахара и еще реже продукты иного химического происхождения. При этом, вводя глюкозу в больших количествах, можно получить действительно выраженный дегидратационный эффект, однако повышение концентрации глюкозы в диализате выше некоторых значений не рекомендуется из-за возможности развития осложнений.

Наконец, можно вообще отказаться от омывающего мембрану раствора (диализата) и получить выход через мембрану жидкой части крови: вода и вещества с молекулярной массой широкого диапазона.

В 1925 году Дж. Хаас провел первый диализ у человека, а в 1928 году он же использовал гепарин, поскольку длительное применение гирудина было связано с токсическими эффектами, да и само его воздействие на свертывание крови было нестабильным. Впервые же гепарин был применен для диализа в 1926 году в эксперименте Х. Нехельсом и Р. Лимом.

Поскольку перечисленные выше материалы оказывались малопригодными в качестве основы для создания полупроницаемых мембран, продолжался поиск других материалов, и в 1938 году впервые для гемодиализа был применен целлофан, который в последующие годы длительное время оставался основным сырьем для производства полупроницаемых мембран.

Первый же аппарат «искусственная почка», пригодный для широкого клинического применения, был создан в 1943 году В. Колффом и Х. Берком. Затем эти аппараты усовершенствовались. При этом развитие технической мысли в этой области вначале касалось в большей степени именно модификации диализаторов и лишь в последние годы стало затрагивать в значительной мере собственно аппараты.

В результате появилось два основных типа диализатора, так называемых катушечных, где использовали трубки из целлофана, и плоскопараллельных, в которых применялись плоские мембраны.

В 1960 году Ф. Киил сконструировал весьма удачный вариант плоскопараллельного диализатора с пластинами из полипропилена, и в течение ряда лет этот тип диализатора и его модификации распространились по всему миру, заняв ведущее место среди всех других видов диализаторов.

Затем процесс создания более эффективных гемодиализаторов и упрощения техники гемодиализа развивался в двух основных направлениях: конструирование самого диализатора, причем доминирующее положение со временем заняли диализаторы однократного применения, и использование в качестве полупроницаемой мембраны новых материалов.

Диализатор – сердце «искусственной почки», и поэтому основные усилия химиков и инженеров были всегда направлены на совершенствование именно этого звена в сложной системе аппарата в целом. Однако техническая мысль не оставляла без внимания и аппарат как таковой.

В 1960-х годах возникла идея применения так называемых центральных систем, то есть аппаратов «искусственная почка», в которых диализат готовили из концентрата – смеси солей, концентрация которых в 30-34 раза превышала концентрацию их в крови больного.

Комбинация диализа «на слив» и техники рециркуляции была использована в ряде аппаратов «искусственная почка», например американской фирмой «Travenol». В этом случае около 8 литров диализата с большой скоростью циркулировало в отдельной емкости, в которую был помещен диализатор и в которую каждую минуту добавляли по 250 миллилитров свежего раствора и столько же выбрасывали в канализацию.

На первых порах для гемодиализа использовали простую водопроводную воду, потом из-за ее загрязненности, в частности микроорганизмами, пробовали применять дистиллированную воду, но это оказалось очень дорогим и малопроизводительным делом. Радикально вопрос был решен после создания специальных систем по подготовке водопроводной воды, куда входят фильтры для ее очистки от механических загрязнений, железа и его окислов, кремния и других элементов, ионообменные смолы для устранения жесткости воды и установки так называемого «обратного» осмоса.

Много усилий было затрачено на совершенствование мониторных систем аппаратов «искусственная почка». Так, кроме постоянного слежения за температурой диализата, стали постоянно наблюдать с помощью специальных датчиков и за химическим составом диализата, ориентируясь на общую электропроводность диализата, которая меняется при снижении концентрации солей и повышается при увеличении таковой.

После этого в аппаратах «искусственная почка» стали применять ионо-селективные проточные датчики, которые постоянно следили бы за ионной концентрацией. Компьютер же позволил управлять процессом, вводя из дополнительных емкостей недостающие элементы, или менять их соотношение, используя принцип обратной связи.

Величина ультрафильтрации в ходе диализа зависит не только от качества мембраны, во всех случаях решающим фактором является трансмембранное давление, поэтому в мониторах стали широко применять датчики давления: степень разрежения по диализату, величина давления на входе и выходе диализатора. Современная техника, использующая компьютеры, позволяет программировать процесс ультрафильтрации.

Выходя из диализатора, кровь попадает в вену больного через воздушную ловушку, что позволяет судить на глаз о приблизительной величине кровотока, склонности крови к свертыванию. Для предупреждения воздушной эмболии эти ловушки снабжают воздуховодами, с помощью которых регулируют в них уровень крови. В настоящее время во многих аппаратах на воздушные ловушки надевают ультразвуковые или фотоэлектрические детекторы, которые автоматически перекрывают венозную магистраль при падении в ловушке уровня крови ниже заданного.

Недавно ученые создали приборы, помогающие людям, потерявшим зрение – полностью или частично.

Чудо-очки, например, разработаны в научно-внедренческой производственной фирме «Реабилитация» на основе технологий, использовавшихся ранее лишь в военном деле. Подобно ночному прицелу, прибор действует по принципу инфракрасной локации. Черно-матовые стекла очков на самом деле представляют собой пластины из оргстекла, между которыми заключено миниатюрное локационное устройство. Весь локатор вместе с очковой оправой весит порядка 50 граммов – примерно столько же, сколько и обыкновенные очки. И подбирают их, как и очки для зрячих, строго индивидуально, чтобы было и удобно, и красиво. «Линзы» не только выполняют свои прямые функции, но и прикрывают дефекты глаз. Из двух десятков вариантов каждый может выбрать для себя наиболее подходящий.

Пользоваться очками совсем не трудно: надо надеть их и включить питание. Источником энергии для них служит плоский аккумулятор размерами с сигаретную пачку. Здесь же, в блоке, помещается и генератор.

Излучаемые им сигналы, натолкнувшись на преграду, возвращаются назад и улавливаются «линзами-приемниками». Принятые импульсы усиливаются, сравниваются с пороговым сигналом, и, если есть преграда, тотчас звучит зуммер – тем громче, чем ближе подошел к ней человек. Дальность действия прибора можно регулировать, используя один из двух диапазонов.

Работы по созданию электронной сетчатки успешно ведутся американскими специалистами НАСА и Главного центра при университете Джона Гопкинса.

На первых порах они постарались помочь людям, у которых еще сохранились кое-какие остатки зрения. «Для них созданы телеочки, – пишут в журнале «Юный техник» С. Григорьев и Е. Рогов, – где вместо линз установлены миниатюрные телеэкраны. Столь же миниатюрные видеокамеры, расположенные на оправе, пересылают в изображение все, что попадает в поле зрения обычного человека. Однако для слабовидящего картина еще и дешифруется с помощью встроенного компьютера. Такой прибор особых чудес не создает и слепых зрячими не делает, считают специалисты, но позволит максимально использовать еще оставшиеся у человека зрительные способности, облегчит ориентацию.

Например, если у человека осталась хотя бы часть сетчатки, компьютер «расщепит» изображение таким образом, чтобы человек мог видеть окружающее хотя бы с помощью сохранившихся периферийных участков.

По оценкам разработчиков, подобные системы помогут примерно 2,5 миллионов людей, страдающих дефектами зрения. Ну а как быть с теми, у кого сетчатка практически полностью утрачена? Для них ученые глазного центра, работающего при университете Дюка (штат Северная Каролина), осваивают операции по вживлению электронной сетчатки. Под кожу имплантируются специальные электроды, которые, будучи соединены с нервами, передают изображение в мозг. Слепой видит картину, состоящую из отдельных светящихся точек, очень похожую на демонстрационное табло, что устанавливают на стадионах, вокзалах и в аэропортах. Изображение на «табло» опять-таки создают миниатюрные телекамеры, укрепленные на очковой оправе».

И, наконец, последнее слово науки на сегодняшний день – попытка методами современной микротехнологии создать новые чувствительные центры на поврежденной сетчатке. Такими операциями занимаются сейчас в Северной Каролине профессор Рост Пропет и его коллеги. Совместно со специалистами НАСА они создали первые образцы субэлектронной сетчатки, которая непосредственно имплантируется в глаз.

«Наши пациенты, конечно, никогда не смогут любоваться полотнами Рембрандта, – комментирует профессор. – Однако различать, где дверь, а где окно, дорожные знаки и вывески они все-таки будут…»

Томографы

Среди появившихся в последние годы методов диагностики особенно информативны, по мнению ученых-медиков, так называемые интраскопические методы, рентген-компьютерная томография, ядерно-магниторезонансная (ЯМР) томография и ЯМР-спектроскопия, а также позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

Когда подозрительный участок или орган освещается лазерным импульсом, спектральный отклик – своего рода оптическая подпись – раковой ткани заметно отличается от отклика нормальной ткани. Наиболее известным сегодня примером трехмерной визуализации может служить компьютерная томография.

Обычные методы, даже при очень хорошей рентгеновской трубке и сверхчувствительной фотопленке, дают нечеткое и сильно «зашумленное» изображение, к тому же только двумерное, так что правильно его интерпретировать – отдельная наука.

«Методы диагностики за последние годы сделали небывалый скачок, – рассказывает академик Терновой, – благодаря компьютерным технологиям. Около 20 лет назад создали рентгеновский компьютерный томограф – и стало возможным изучать структуру человеческого мозга, не вскрывая черепную коробку. А нынешняя аппаратура обладает такими свойствами, что можно непосредственно наблюдать, например, сокращающееся сердце. Поэтому традиционная, инвазивная диагностика ("инвазия" означает "проникновение") постепенно уходит в прошлое. Скажем, с помощью магнитно-резонансного томографа внутренние органы видны в действии даже без введения контрастных веществ, которые «очерчивают» их контуры.

…Принцип его действия основан на двух тривиальных фактах: во-первых, человеческое тело состоит главным образом из воды, причем ее молекулы образуют химические связи с белками и другими структурами, разными в разных тканях; во-вторых, молекула воды есть диполь. В организме эти диполи ориентированы, разумеется, как попало и к тому же вращаются. Но если ненадолго поместить человека в магнитное поле (довольно сильное, но не настолько, чтобы представлять опасность для здоровья), все молекулы воды поворачиваются «лицом» в направлении его силовых линий. Затем подают особую радиочастоту – она придает диполям дополнительную энергию и отклоняет их от заданной магнитным полем ориентации на тот или иной угол. Собственно, в том и все дело, что углы разные, их величина зависит от внутренней структуры органа или ткани, а также – что особенно важно – от наличия патологий.

Внешний радиоимпульс подается всего на какое-то мгновение, но его достаточно. Потом молекулы воды возвращаются в прежнее положение, опять выстраиваясь в магнитном поле. При этом они сбрасывают лишнюю энергию – ее регистрируют особые катушки (даже если она очень мала!). Полученные данные поступают в компьютер, там обрабатываются…»

В отличие от традиционных рентгеновских методов томография представляет собой объемную реконструкцию внутренних органов на основе числовых данных, являющихся характеристиками физических свойств тканей. На ЯМР-томографе можно получить, например, трехмерное изображение плода. Врач может рассматривать мельчайшие детали, как угодно преобразовывать изображение, его можно также легко сжимать, архивировать, передавать по каналам связи для участия в телеконсилиумах и т д.

При обследовании на рентгеновском томографе пациент ложится на стол таким образом, чтобы та часть тела, изображение которой требуется получить, находилась бы в пределах кругового отверстия в раме томографа. В верхней части рамы обычно располагаются рентгеновский источник и коллиматор – устройство, преобразующее расходящийся пучок лучей в тонкий направленный поток. В нижней части рамы находится линейка детекторов рентгеновского излучения, как бы заменяющая пленку. При необходимости врач может предварительно ввести в организм пациента химическое вещество, позволяющее улучшить визуальный контраст между исследуемым органом и окружающими тканями. Когда включается рентгеновский источник, тонкие, как карандаш, лучи просвечивают тело и данные, регистрируемые детектором, передаются в компьютер. По мере того как рама поворачивается вокруг пациента, этот процесс повторяется много раз, и каждый раз данные от детекторов, соответствующие набору разных положений, обрабатываются компьютером.

Благодаря математическому алгоритму, основанному на известном в классической интегральной геометрии преобразовании Радона, набор численных показаний детекторов превращается в картинку на экране. Томографическая установка, основанная на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томограф), обычно представляет собой трубу, содержащую длинный цилиндрический магнит, и обмотки, в которых возбуждается ток, соответствующий посылаемому и принимаемому радиочастотным сигналам. Строго говоря, магнитный резонанс – сугубо квантовое явление, и для его объяснения нужно привлекать стандартные квантово-механические понятия.

Суть явления в том, что сильное постоянное магнитное поле, создаваемое цилиндрическим магнитом, выстраивает хаотически ориентированные спины ядер атомов водорода в теле пациента вдоль единого направления, подобно тому как железные опилки выстраиваются вдоль невидимых линий поля вблизи магнита. Когда через камеру-трубу томографа проходит специально возбуждаемый – зондирующий – радиочастотный импульс, магнитное поле импульса, хотя и слабое, все же на какое-то время слегка отклоняет выстроившиеся спины от заданного направления, и они начинают колебаться, как говорят, прецессировать, вокруг направления сильного поля постоянного магнита, подобно закрученному волчку, который слегка подтолкнули. Ядра атомов при этом резонируют, то есть тоже испускают слабый радиосигнал, который можно зарегистрировать чувствительными детекторами. Когда же зондирующий радиочастотный импульс выключается, спины возвращаются в упорядоченное состояние и генерируемый ядрами сигнал затухает. По времени этого затухания и другим характеристикам сигнала, обрабатываемым компьютером, можно судить о химическом составе и биологических свойствах тканей. Для каждой точки изображения на экране собираются и усредняются данные от резонирующих водородных ядер (протонов) в исследуемом внутреннем органе, при этом каждому полученному значению присваивается свой цвет. В результате области с различной плотностью протонов и, соответственно, неоднородные по составу тканей оказываются отмеченными разными цветами.

В отличие от рентгеновского обследования ЯМР-метод абсолютно безвреден и гарантирует намного лучший контраст между разными типами тканей, что позволяет легко различать здоровые и пораженные участки. ЯМР-томография особенно успешно применяется при диагностике патологий центральной нервной системы и костно-мышечного аппарата, а также для распознавания опухолей на фоне здоровых тканей.

Однако ЯМР-томография завоевывает все новые позиции. Перспективный метод диагностики легких с помощью ЯМР-томографии, например, разработан в Германии. Он был представлен на выставке «Expo-2000» в Ганновере и заслужил высокую оценку специалистов и прессы.

Для диагноза легочных заболеваний немецкие медики ежегодно делают двадцать один миллион рентгеновских снимков. Однако эти снимки недостаточно контрастны, а рентгеновское излучение вредно для организма. Иное дело – ЯМР-томография.

При многих заболеваниях, протекающих с нарушением дыхания, таких, например, как астма или эмфизема, ЯМР-томограф дает недостаточно четкое изображение – из-за незначительной плотности легочной ткани. А столь важные для диагностики легкого вещества, как кислород и азот, вовсе не регистрирует. Поэтому исследователи пытаются улучшить снимки легкого тем, что вынуждают пациентов вдыхать безопасные газы в качестве контрастного вещества. Особенно перспективны поляризованные инертные газы. Испытания показали, что насыщение легкого ими позволяет получить отчетливое изображение. Лучшее в сравнении с водородом намагничивание поляризованных инертных газов облегчает работу томографа. Таким образом, медики могут не только диагностировать на ранней стадии астму, муковисцидоз и другие легочные заболевания, но и дополнительно проверить эффективность лечения.

В Германии основы нового метода заложили Эрнст Вильгельм Оттен и Вернер Гайль из Института физики при Университете в Майнце. Оттен и Гайль избрали для своих опытов в качестве контрастного средства гелий-3. На их взгляд, ксенон здесь не очень подходит, так как он всасывается кровью и оказывает наркотическое воздействие на пациентов.

И вот, используя ЯМР-томограф и поляризованный гелий-3 в качестве контрастного вещества, Оттен и Гайль, совместно с радиологом из Майнца Манфредом Теленом и экспертами Немецкого ракового исследовательского центра в Гайдельберге, получили наконец отчетливое изображение воздушного распределения в легком. Новый метод в эксперименте с одной тридцатилетней испытуемой позволил констатировать признаки уже застаревшей легочной эмфиземы. И это при том, что хотя особа и курила, но чувствовала она себя совершенно здоровой и на легкие не жаловалась.

Другой пример – использование ядерно-магниторезонансного томографа для диагностики инфаркта вместо сердечного катетера.

Обследование сердца с помощью ЭКГ, ультразвука и облучения радиоактивными изотопами не всегда приводит к удовлетворительным результатам. В таких случаях часто показана диагностика с помощью сердечного катетера, который вводят в сердце через кровеносные сосуды. Это серьезная нагрузка для организма обследуемого, и многие пациенты предпочитают традиционной методике новую, самую современную, безвредными для человека магнитными полями: сердце «просвечивает» ядерно-магниторезонансный томограф. Предшествующие модели ЯМР-томографов из-за слишком длительных периодов измерений давали недостаточно четкие изображения (сердце непрестанно бьется, и снимок «с большой выдержкой» получается смазанным). Новейшие устройства, улучшенное аппаратное и программное обеспечение позволяют делать достаточно четкие снимки сердца в промежутках между его ударами.

«Точность теперь явно выше, чем при прежних неинвазивных методах, – поясняет Айке Нагель из Немецкого центра сердца в Берлине. – Используя технику, число обследований с помощью сердечного катетера можно сократить, по меньшей мере, на 20 процентов». А по оценке оптимистов – наполовину.

Будучи прибором для всесторонней диагностики, ЯМР-томограф изображает сердце и большие артерии пространственно, измеряет параметры кровоснабжения и распознает омертвевшую ткань. Щадящий высокотехнологичный метод подходит как для профилактики, так и для лечения сердечных больных.

ЯМР-томография избавляет инфарктных пациентов от излишних нагрузок. С помощью этого метода можно предсказать, обещает ли вообще успех расширение сосуда или операция на анастомозе. Это показали ученые из Северо-Западного университета в Чикаго в своем клиническом исследовании.

Очень важно, что новая техника может оградить от опасных вмешательств многих юных пациентов. Сильные магнитные поля, воздействию которых подвергаются обследуемые, практически безвредны – по крайней мере, так считает современная наука. Альтернативные методы, к примеру, компьютерная и позитронно-эмиссионная томография, работают, напротив, с небезопасными для организма субстанциями – рентгеновскими лучами и радиоактивными изотопами.

Своего рода бум испытывает томографическая профилактика сердечно-сосудистых заболеваний в столице Тайваня Тайбэе. Там недавно открылся специальный центр осмотра, где примерно получасовое обследование сердца и сосудов ЯМР-томографом стоит тысячу долларов, при этом расслабиться пациентам помогают видеоочки и приятная музыка…

Лазер-хирург

Пожалуй, сегодня чаще всего лазер используется для операций на глазах. Всем известны успехи знаменитой клиники Святослава Федорова. Но восстановлением зрения, к счастью, его применение не ограничивается. Ежегодно более 150000 жителей России нуждаются в операциях по поводу ишемической болезни сердца, то есть недостаточного кровоснабжения ткани сердечной мышцы.

Такие люди рано или поздно становятся пациентами хирурга. Для того чтобы решить, что делать с больным, проводится тщательное диагностическое исследование – коронарография. По ее результатам врач делает выводы. Если поражен один сосуд, его можно расширить катетером, подобная операция называется ангиопластика. У других больных поражение множественное, тогда им предписывают операцию аортокоронарного шунтирования. Такую успешно сделали первому президенту России Б.Н. Ельцину. Однако иногда тонкие коронарные сосуды настолько забиты атеросклеротическими бляшками, что аортокоронарное шунтирование невыполнимо. Таких пациентов может спасти лишь трансмиокардиальная реваскуляризация – операция с помощью лазера. Ее суть состоит в создании новых сосудов в мышце сердца.

Эта уникальная операция разработана россиянами – директором Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, академиком РАМН Лео Бокерия и его коллегами.

«Известно, что у ряда видов пресмыкающихся коронарных сосудов вообще нет, – рассказывает Бокерия Борису Самойлову, корреспонденту журнала «Техника – молодежи». – Их сердечная мышечная ткань получает кислород непосредственно из полости миокарда. Идея наших ученых в том, чтобы пробить лазерным лучом через всю толщу сердца от 45 до 70 микроскопически узких сквозных отверстий в разных направлениях и получить сеть канальцев. Позже канальца в процессе нормальной физиологической эволюции начинают между собой сообщаться. В результате они создают новую кровеносную систему сердца. Только так можно помочь больному. Ведь старые сосуды восстановить уже нереально – они «намертво» закупорены бляшками, оттого кровь не поступает к некоторым участкам сердца. Через них-то мы и пробиваем канальцы. Операция проходит без подключения системы искусственного кровообращения. Это ведет к снижению травматизма во время операций и сокращает их по времени».

«Лазер у нас особый и заслуживает хотя бы нескольких слов. Он функционирует на углекислом газе, но не в том его уникальность, установки с двуокисью углерода в качестве рабочего тела известны. Главное в другом: наш лазер обладает огромной мощностью, и его воздействие нетрудно синхронизировать с тем или иным этапом работы сердца – в данном случае с диастолой, периодом, когда оно «отдыхает» от очередного сокращения. Именно тогда лазерная установка наносит разряд длительностью 10-20 мс и мощностью 800 Вт – в итоге образуются очень узкие канальцы с идеально ровными краями. Последнее обстоятельство крайне важно, чтобы вновь образованные сосуды сразу не забивались, чтобы в них не формировались дополнительные источники тромбообразования. Иного способа, более эффективного и безопасного, нынешняя медицинская практика предложить не в силах; теоретически-то, конечно, можно придумать что угодно…»

Габариты лазерной установки для трансмиокардиальной реваскуляризации внушительны, потому что огромна его мощность. Мощность нужна затем, чтобы все сделать быстро и точно в удобный момент, и не зависеть от толщины мышечной ткани стенки сердца. Ее толщина у разных людей и на разных участках колеблется от 10 до 35 миллиметров.

Лазерная установка – совместный продукт Центра лазерных технологий, Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им А.Н. Бакулева и ФИАНа. Ее конструировали специально для лазерной хирургии сердца. С виду аппарат очень напоминает бормашину, только заметно крупнее. От установки отходит особым образом устроенный рукав, который подносят к участкам миокарда, лишенным кровоснабжения. Вся оптика здесь – сменная. В ходе операции она в любой момент может запачкаться кровью или физраствором.

Последовательность действий такова. Сначала хирург задает режим разряда. Потом наступает пауза. Ее длительность выбирается такой, чтобы лазер сработал в нужном временном интервале. Для контроля хода операции в пищевод пациента помещается небольшая «таблетка» на тонком проводе – эхокардиографический датчик. Он регистрирует результат проникновения лазерного луча внутрь сердечной мышцы.

«…Вообще-то сама идея создания искусственных сосудов-канальцев уж лет 40 носится в воздухе, – говорит Бокерия, – или, если угодно, бродит в умах ученых. Так что и раньше выполнялись исследования, подобные нашему, в том числе в СССР, но они носили скорее научно-поисковый характер. Да и подобие тут довольно приблизительное – во-первых, лазер, нами применяемый, оригинален по качественным параметрам и заметно превосходит существующие аналоги (в частности, американские) по количественным. Во-вторых, в прежние времена возможности контроля были ограничены – а мы благодаря эхокардиографу сразу и в деталях видим, что делаем».

Лео Антонович с гордостью отмечает, что Россия, несмотря ни на что, располагает высочайшими лазерными технологиями, дающими возможность быстро оснастить новой установкой кардиоклиники.

Биочип

Биочип трудно заметить невооруженным глазом. Это едва заметный матовый квадратик на блестящей черной пластинке, размер которой не больше обычной почтовой марки. Но, похоже, этот кроха способен перевернуть всю медицину. Ведь биочип в состоянии заменить целую лабораторию с ученым штатом, сотнями приборов. Принцип действия такого чипа основан на молекулярной биологии.

О технологии производства рассказывает заместитель заведующего центром биочипов Института молекулярной биологии РАН Александр Заседателев:

«Сначала на пластинку наносится гель, на 99 процентов состоящий из воды. Через специальное «сито» его облучают ультрафиолетовыми лучами. Лучи полимеризуют гель, получаются ячейки размером 100x100x20 микрон. На биочипе их может быть от шестисот до нескольких тысяч.

Автомат под контролем компьютера наносит на ячейки различные растворы. В каждом содержатся молекулы-зонды биологических объектов – фрагментов ДНК, бактерий, вирусов…»

Так получают биочип. Для анализа на него надо нанести каплю «подопытной» крови или плазмы. Затем к каждой их молекуле присоединяют «фонарик» флуоресцентного вещества. За процессом наблюдают в специальный микроскоп, созданный в санкт-петербургском Государственном оптическом институте. Молекулы, завидев «родственников» на биочипе, соединяются с ними. В результате, где больше «фонариков», там и ячейка светится ярче. Так удается определить бактерии или дефектные гены. В принципе же можно распознать любое молекулярное вещество.

Подобный анализ ведется под микроскопом. При желании портрет биочипа можно увеличить, а затем и отпечатать на фотобумаге. Это простой и эффективный способ значительно убыстряет и удешевляет сложнейшие анализы. Затем чип можно высушить и хранить вечно.

Технология изготовления и использования биочипов отрабатывалась десять лет. Ее автору академику Андрею Мирзабекову удалось избрать самый эффективный путь. Конечно же, не случайно пять лет назад Национальная лаборатория Аргонн в США предложила ему возглавить центр биочипов. Академик дал согласие, поставив условие – сохранения центра в России и оказания ему финансовой помощи.

Что оставалось американцам. Они согласились на в общем-то беспрецедентные для Америки условия. Наши ученые получили возможность работать и у себя в институте, и в Чикаго. Но, главное, все права на производство биочипов в России и странах СНГ остались за нами. Конечно, российские ученые гордятся своей работой. Ведь действительно есть чем.

«Биочип для обнаружения спор сибирской язвы срабатывает за полчаса, а традиционный метод занимает полсуток, что в экстренных случаях многовато, – говорит А. Заседателев. – Быстро можно провести анализ многих инфекций и генетических мутаций.

Последняя из работ – биочип для определения 9 штаммов бацилл, вызывающих 93 процента заболеваний лекарственно устойчивыми формами туберкулеза. Диагностикум создан вместе с Московским НПЦ борьбы с туберкулезом. Сегодня, пока не выявлен характер возбудителя, больных долгие месяцы лечат вслепую, часто совсем не тем, что необходимо. Биочип выявит вид бациллы за 2-3 дня.

Доступны биочипу ранние стадии некоторых онкологических заболеваний, предрасположенность к болезням сердца и сосудов, вредные примеси в воде и в воздухе. Но все это пока в сослагательном наклонении. Если бы были средства на промышленное производство, если бы те, кому положено, оценили новейшую, дешевую и во многих случаях спасительную технологию…»

«Пока же ученые решают более актуальную проблему – отопительную, – пишет в «Известиях» Татьяна Батенева. – Высокие технологии можно создавать только теплыми руками, шутят молекулярные биологи, из холодных пробирок они вываливаются. Их амбиции не простираются дальше стремлений создать некий совет, который мог бы убедить начальников от науки в важности сделанного.

Тем временем консорциум фирм «Паккард» и «Моторола» готовится к промышленному производству биочипов, придуманных российскими учеными. Американские варианты оказались в сотню раз дороже».

«Пройдет еще 5-10 лет, и мы сможем купить анализатор-приставку к компьютеру и набор биочипов в аптеке. Узнаем о своем здоровье почти все, – говорит ведущий научный сотрудник ИМБ Виктор Барский. – Дешевыми анализаторами оснастят все поликлиники, травмопункты, отделения милиции – огромная экономия ресурсов…»

«Генное ружье»

«Генное ружье» – металлическая конструкция, сильно смахивающая на микроскоп. Этот прибор позволяет и животных, и человека «обстреливать» генами – частицами наследственной информации.

«Еще неизвестно, что оставит больший след в истории: автомат Калашникова или вот это ружье Колесникова, – говорит профессор Александр Зеленин, руководитель лаборатории Института молекулярной биологии РАН. – Наш сотрудник фактически в одиночку придумал и сделал то, над чем в США корпели целые коллективы.

Сначала эта идея использовалась для работы с трансгенными растениями. У растительных клеток очень толстые стенки, в них трудно ввести чужие гены привычными для биологов методами. Вот американцы и предложили применить энергию выстрела – это намного эффективнее и дешевле. Идей, как сделать такое ружье, было выдвинуто много, они публиковались и обсуждались. На какой конструкции остановились в реальности, до сих пор неизвестно – коммерческая тайна. Вскоре мы первыми в мире выяснили, что точно так же можно «обстреливать» клетки животных и людей».

«Кандидат биологических наук Виктор Колесников, – пишет в газете «Известия» Татьяна Батенева, – придумал конструкцию ружья, которая проще и остроумнее предложенных американцами. И вовремя. В последние три года в мире наблюдается настоящий бум работ с применением генного ружья, которое оказалось, в частности, просто незаменимым прибором для медицинских генетиков. У них сразу возник вопрос можно ли его использовать для генной терапии – одного из главных направлений медицины будущего. Оказалось, ружье можно применить для решения множества лечебных задач.

Белый кролик, недовольно дергая носом, сидит в специальном приспособлении, которое не дает ему двигаться. Его розовое ухо – под прицелом ружья. Негромкий щелчок – и в ухо влетает смесь из микроскопических частиц золота и вольфрама, на которые «подвешены» нужные гены. Своеобразной ракетой-носителем для смеси служит тончайший пыж из тефлона, который энергией взрыва гремучей ртути разгоняется в ружье до 500 метров в секунду. Затем пыж резко тормозится, а пылинки золота и вольфрама вместе с генами продолжают полет, пробивая до десяти слоев клеток… Пройдет какое-то время, и гены, встроившись в наследственный аппарат животного, запустят процесс выработки нужных белков».

«Метод можно использовать в разных целях, – убежден Зеленин. – Например, для лечения наследственных болезней, когда собственные гены больного не обеспечивают выработку нужных организму веществ. Для введения «лечебных» генов в раковые клетки или в раны, чтобы они быстрее заживали. Эта идея, кстати, очень заинтересовала американских военных. Наконец, метод будет незаменим для безопасной и высокоэффективной вакцинации».

Как известно, любая вакцина – это белок. Вакцина, попадая в организм, вызывает естественный иммунный ответ – образование защитных антител. Таким образом, организм получает прививку от потенциальных болезней. Однако белок очень трудно очистить от примесей. Поэтому нередки случаи, когда после прививок возникают аллергические реакции. Другое дело выстрел золотой пулей. В организм сразу вводится необходимый ген. Он быстро запускает процесс производства антител естественным путем.

А не опасен ли такой способ вакцинации? «Однажды в ходе эксперимента я случайно подставил под ружье руку, – рассказывает Виктор Колесников. – Ощущение легкого ожога или ссадины. Но следов на коже не осталось».

Изобретатель продолжает совершенствовать конструкцию своего прибора. По прикидкам Колесникова, в серийном производстве российское «генное ружье» должно стоить в десять раз меньше, чем американское. Последнее «тянет» на 30000 долларов.