Журнал "Здоровье" №2 (86) 1962

Электроника в медицине

Профессор Г. И. Косицкий

С каждым днем в нашу повседневную жизнь все больше входит электроника. Мы привыкли слушать радио. Миллионы семей отдыхают вечером у экранов телевизоров. Управление сложнейшими производственными процессами начинает осуществляться с помощью электронных машин; автоматика и телемеханика становятся составной частью этих процессов.

Без электроники мы не смогли бы запустить искусственные спутники Земли, достигнуть Луны, послать в космос человека. Возникли новые отрасли науки и практической деятельности: радиолокация, радионавигация, радиоастрономия. Электронные машины управляют процессами расщепления и синтеза атомных ядер, а кибернетика и ее «детище» — электронно-счетные машины все более и более претендуют на то, чтобы взять на себя и часть мыслительных функций человека. Жизнь современного общества, отношения между государствами немыслимы без электронных средств связи.

Выполнение величественных задач, поставленных XXII съездом Коммунистической партии Советского Союза, связано с дальнейшим гигантским развитием науки, техники и, в частности, радиоэлектроники.

Медицинская наука приобрела в электронике еще одного могучего союзника. Электронные усилители позволили заглянуть в тайны деятельности отдельных клеток живых организмов. Электронный микроскоп дал возможность увидеть строение вирусов и элементов клетки; с помощью ионного микроскопа можно будет различать даже отдельные молекулы веществ, из которых состоят органы и ткани.

Используя электронику, ученые разгадывают тайны строения белка — главного носителя жизни. Электронная техника позволяет хирургу во время сложнейших операций следить за глубиной наркоза. Электронные приборы могут сами вызвать наркоз без химических веществ, найти попавшее а глубь организма инородное тело, дать врачу нож, который проникнет в ткани, почти не вызывая кровотечения.

Электронные приборы, применяемые в медицине, очень различны по конструкции и принципам действия. Одни из них используются для регистрации электрических потенциалов, возникающих в наших органах и тканях, — электрокардиографы, электроэнцефалографы, электромиографы и т. д. Другие — для записи неэлектрических величин. Эти приборы имеют различные преобразователи механических, тепловых, химических, световых, лучевых и других явлений, возникающих в нашем теле, а колебания электрических потенциалов. Сюда же относятся приборы для телерегистрации, получившие распространение в спортивной, авиационной и космической медицине.

Все это позволило в ряде случаев отказаться от опытов на животных и привело к созданию совершенно новой области науки — клинической физиологии, изучающей сложные процессы жизнедеятельности непосредственно у человека.

Существует ряд электронных приборов для лабораторных анализов крови, воздуха, электрического и радиационного воздействия на организм, для протезирования и моделирования деятельности различных органов и процессов высшей нервной деятельности.

Ежегодно во всех странах выходит огромное количество статей, журналов, книг, научных работ, посвященных применению электроники в медицине, созываются международные конференции; возникли научно-исследовательские институты, электронно-медицинская промышленность. Электроника быстро шагает по земле, охватывая все новые и новые области науки и повседневной жизни.

Мы расскажем лишь о некоторых электронных приборах и научных поисках.

…В груди у нас бьется сердце. Этот неутомимый труженик днем и ночью гонит кровь по всему телу. Человек, если он устал, может отдохнуть, может лечь и проспать несколько часов. Сердце же работает и отдыхает равномерно. Остановка его даже на несколько секунд приведет к потере сознания.

Нервным клеткам мозга для жизни. Необходимы кислород, сахар и другие питательные вещества. Их непрерывно доставляет кровь. Перерыв в доставке этих веществ приведет к гибели наиболее тонких и сложно устроенных структур мозга, к гибели всего организма.

И поэтому — спит ли человек или работает, ест ли он или читает книгу — сердце непрерывно гонит кровь по телу. Каждый удар — и очередная порция — 50—100 кубических сантиметров — уходит в сосуды. Кажется, немного — половина или четверть стакана. Но умножьте это количество на 60–75 сокращений в минуту. Получится 5–7 литров. А в сутки — около десяти тысяч литров. Три тысячи тонн в год!

И мало кто знает, что эта гигантская работа зависит от небольших участков мышечной и нервной ткани, образующих маленький узел в правом предсердии, где возникают импульсы, идущие затем ко всей мышце сердца, вызывая его сокращение.

Этот узел — водитель ритма сердца. Он работает автоматически. Благодаря ему сердце, даже отделенное от организма животного, продолжает некоторое время сокращаться.

Но в некоторых случаях в результате болезни водитель ритма выходит из строя. Вполне здоровая сердечная мышца должна остановиться. Правда, природа очень предусмотрительна. Есть еще один узел — «запасной» — на границе между предсердиями и желудочками. Он становится водителем ритма тогда, когда вышел из строя основной. Сердце медленнее, но все же будет продолжать работу. Человек с таким сердцем не сможет заниматься спортом и даже быстро ходить, но жить он будет.

В качестве «запасного» водителя ритма этот второй узел работает как бы «по совместительству». Основная его задача — передавать импульсы, возникающие в первом узле, то есть в предсердиях, на мускулатуру желудочков сердца. А когда уже выходит из строя и второй узел, что приказы, возникающие в первом узле, не могут передаваться к главной рабочей силе сердце — его желудочкам. В результате сердце останавливается.

Нельзя ли в таких случаях заменить водителей ритма сердца системой металлических проводов и приборов?

Как известно, некоторые сорта металлов прекрасно и длительно могут существовать в живых тканях. В современной хирургии используются металлические стержни для скрепления сломанных костей в живом теле человека и металлические скрепки, напоминающие скрепки ученических тетрадей, для сшивания артерий, вен, бронхов, кишечника. Все эти посторонние для тела предметы постепенно обрастают тканями и могут «жить» долго. Поэтому, очевидно, вполне возможно вживить в сердце провода, по которым извне можно посылать сигналы к сердечной мышце в тех случаях, когда собственные водители ритма вышли из строя.

Эта идея в настоящее время успешно осуществлена. В здоровом организме водители ритма сердца подают сигналы в виде электрических потенциалов. Точно такие же ритмические и незатухающие потенциалы может давать и любой так называемый электронный колебательный контур, состоящий из электрической емкости, самоиндукции, радиолампы и источника питания — батареи. И тогда сердечная мышца начнет подчиняться уже внешним приказам, идущим к нему по проводам. Человек, у которого поражены собственные узлы сердца — водители ритма, может существовать, пока к нему с помощью проводов будет подключен электронный прибор.

Но ведь очень неудобно быть привязанным всю жизнь к штепселю и прибору. Естественно, исследователи стали изыскивать другие пути.

Современная радиоэлектроника предложила медицине вместо громоздких ламповых приборов миниатюрные полупроводниковые, умещающиеся вместе с источником питания — батарейкой или аккумулятором — в кармане. Такую коробку больной человек может носить с собой. Но и здесь возникла новая трудность.

Наше сердце работает в определенном ритме; так же ритмично расширяется и спадает грудная клетка, работают мышцы плечевого пояса и провода, идущие от прибора к сердцу, все время сгибаются и разгибаются. Даже самый мягкий провод в конце концов сломается.

А нельзя ли вообще обойтись без проводов? И наука ответила: можно! Для этого нужно носить приборчик не в кармане, а вживить его в грудную клетку человека, непосредственно около сердца. Сейчас уже осуществлено несколько таких операций.

Больным были вживлены в грудную клетку подобные приборы. Через неделю заживала операционная рана. И человек не только поднимался с постели и начинал ходить, но и возвращался к работе. Он не страдал от того, что вместо естественного водителя ритма в груди у него работал теперь электронный прибор. Ведь не очень страдает человек, который кусает хлеб вставленными зубами или читает книгу с помощью очков.

Правда, такие приборы еще не вышли из стадии лабораторных испытаний. Широкое применение их в медицинской практике — дело будущего. Но над этим упорно работает исследовательская мысль.

ЭЛЕКТРОННЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ СЕРДЦА

Один из них может поместиться в кармане

Другой — так мал, что его можно вживить в грудную клетку

И этот факт далеко не единственный. Представьте себе, у человека остановилось дыхание из-за паралича дыхательной мускулатуры. Необходимо искусственное дыхание. Но аппараты, вентилирующие легкие, требуют точного управления. Если они будут работать очень слабо или, наоборот, сильно, человек погибнет. Нужно, чтобы работа аппарата соответствовала потребности организма в кислороде. И вот возникла идея связать регулирующий механизм аппарата с одним из нервов, участвующих в регуляции дыхания организма. Нервные импульсы, идущие по стволу нерва, представляют собой электрические колебания. Если возникла потребность усилить дыхание, по нерву бегут более частые импульсы. Но эти сигналы передаются не на мышцы, а на прибор. Более частые импульсы усиливают его работу. Таким образом, сложный физиологический акт — дыхание — осуществляется частично мозгом, частично машиной.

Развитие этого направления в медицинской электронике сулит большие перспективы. Известно, что можно подключить токи действия двигательных нервов руки к протезу — «механической руке», снабженной соответствующими моторами. И тогда «механическая рука» будет повторять все задуманные человеком движения.

Не менее важна возможность протезирования органов чувств. Уже сейчас микрофон и усилитель позволяют улучшить слух у тугоухих. Созданы специальные электронные аппараты, которые посредством фотоэлемента могут «читать» обычный текст и переводить его на знаки азбуки, понятной слепым. С помощью такого прибора слепой читает обычные книги.

Но подобные аппараты пока еще очень несовершенны и громоздки. Они не вышли из стадии лабораторных испытаний. Можно ли обойтись без таких аппаратов?

Идеальный протез глаза должен переводить, превращать световые сигналы в электрические импульсы, напоминающие импульсы, идущие по здоровому зрительному нерву, и передавать их непосредственно в те отделы мозга, которые участвуют в восприятии зрительных изображений. Задача эта намного труднее, нежели передача сигналов в сердечную мышцу. Для стимуляции сердца достаточно обойтись парой проводов, для получения четкого зрительного впечатления нужно одновременно стимулировать разными импульсами многие участки мозга. Разработка подобных приборов — дело будущего, но электроника представляет медицине такие возможности.

Электроника позволяет очень точно исследовать сложный механизм нервной деятельности. Дело в том, что работа нервной клетки внешне проявляется в виде электрических потенциалов. Каждая клетка при работе становится как бы генератором электрического тока. Эти потенциалы невелики: они равны ¹/₂₀—¹/₁₅ доли вольта. В некоторых случаях природа соединяет такие «живые генераторы» последовательно и тогда суммарный ток достигает нескольких сотен вольт. Ведь известно, что электрический скат разрядом тока может парализовать или оглушить даже человека.

Хирурги давно мечтали о том, чтобы сократить время операций, сделать их бескровными. Электроника помогла осуществить эти мечты.

В руках у хирурга — электроды. К ним по проводам бегут токи высокой частоты от сложного аппарата — электронного ножа

Еще до конца не раскрыта сущность многих сложнейших процессов, которые лежат в основе высшей нервной деятельности. Исследовать их чрезвычайно трудно, так как размеры нервной клетки исчисляются тысячными долями миллиметра и ее можно видеть только в микроскоп. Но физиологи уже вводят в такую клетку электроды или пипетки, нагнетают через них определенные вещества и следят за изменениями работы клетки. Они исследуют ионные, ферментативные и энергетические механизмы, которые лежат в основе деятельности нервной клетки.

Значение этих работ для будущего науки чрезвычайно велико. Ведь познание принципа работы нервной системы позволило создать электронные машины, работающие по этому же принципу и в некоторой мере заменяющие человеческий мозг. И хотя каждая такая машина еще очень велика по размерам, конструкция их весьма далека от сложной архитектуры нашего мозга. Электронная машина с числом элементов, равным числу клеток мозга, должна была бы занять площадь, ревную величине большого селения. Создать такую машину практически пока невозможно. Но если бы удалось исследовать элементарные процессы, лежащие в основе деятельности каждой нервной клетки, то это могло способствовать тому, что в будущем такая машина была бы сконструирована и стала могучим союзником человека в решении сложнейших научных задач, в покорении сил природы.

Человек мог бы не подвергать себя действию ледяного дыхания Арктики и Антарктики, космических лучей и подземного жара. Электронный мозг в значительной мере выполнял бы нужные исследования за него. Такой искусственный мозг решал бы задачи, связанные с управлением производством и технологическими процессами, планированием целых отраслей промышленности. В медицине такой электронный помощник врача смог бы не только ставить предположительные диагнозы, но и контролировать эффективность лечения, оценивать результаты экспериментов и достоверность научных выводов.

Человек не разучился бы мыслить, имея такого помощника. И это бесспорно. Сейчас, например, есть огромное количество машин, облегчающих физический труд человека, разгружающих его от тяжелых обязанностей. Но, несмотря на появление автопогрузчиков и экскаваторов, подъемных кранов и эскалаторов, транспортеров и лифтов, грузовиков и железнодорожных платформ, человек не стал физически слабее. Список спортивных рекордов свидетельствует о том, что физические достижения и возможности современного человека намного превышают достижения прежних лат. В нашей стране резко улучшилось и общее физическое развитие населения.

Машины сделали человека более свободным, разгрузив его от многих тяжелых ежедневных обязанностей. Электронный мозг разгрузит его от многих обязанностей, связанных с однообразным умственным трудом. У человека останется больше времени для творческой исследовательской работы, приносящей истинное наслаждение. В огромной степени вырастет могущество человека, так как он раскроет многие скрытые закономерности и явления, заставит служить себе могучие силы природы.