Легко ли собрать выжигатель мозгов? История электромагнитных полей в медицине

в 1:00, , рубрики: антенны, ВЧ, гипертермия, Диатермия, здоровье, излучение, история медицины, мозг, МРТ, Научно-популярное, физика, электромагнитные поля

Несмотря на то, что почти вся статья будет посвящена электромагнитным полям, мы начнем издалека, с такого феномена как температура. Температура играет ключевую роль в биологических процессах, определяя как скорость их протекания, так и вовсе саму возможность их существования. Именно её будет измерять доктор, чтобы быстро оценить состояние вашего здоровья. Ведь повышенная температура тела — это естественная защитная реакция организма на болезнь, а результаты её измерения могут служить в качестве простейшего двоичного индикатора болен/не болен. На самом деле диагностические возможности этим не ограничиваются, и температура может рассказать о состоянии здоровья человека намного больше. Например, собрав достаточно данных с поверхности тела, возможно выявить даже специфичные заболевания, вроде рака груди [1]:

Изображения с тепловизора левой и правой молочных желез пациентки с раком груди. Опухоль может быть обнаружена благодаря локально повышенной температуре кожи в районе новообразования. Стоит, однако, отметить, что такой метод не очень точен, потому не заменяет применяемую сегодня массово процедуру маммографии.
Изображения с тепловизора левой и правой молочных желез пациентки с раком груди. Опухоль может быть обнаружена благодаря локально повышенной температуре кожи в районе новообразования. Стоит, однако, отметить, что такой метод не очень точен, потому не заменяет применяемую сегодня массово процедуру маммографии.

Понимание того, что температура работает и в обратную сторону - для лечения пришло к людям очень давно, благо уж само тело человека подсказывало копать в этом направлении. Одним из пионеров в области лечения путём манипуляций с температурой заслуженно считается арабский учёный и врач Абу-ль-Касим аз-Захрави. Около тысячи лет назад он одним из первых решил, что неплохо было бы попробовать задействовать в медицине повышенную температуру, и чтобы не мелочиться, сразу взял раскалённый металл:

Абу-ль-Касим аз-Захрави (справа) целится в опухоль на шее пациента.
Абу-ль-Касим аз-Захрави (справа) целится в опухоль на шее пациента.

Сегодня такие методы лечения кажутся варварскими, однако на тот момент это был самый топ приёмов медицины, которые могли помочь порой в самых безнадежных случаях. Абу-ль-Касим, будучи человеком учёным не просто тыкал в людей горячей кочергой, но еще и проводил исследования влияния типа металла, температуры, формы прижигающих элементов, а также погодных условий на результаты лечения, пытаясь при этом выделить наиболее важные факторы для повышения результативности терапии.

Но прогресс не стоял на месте и вот уже Луиджи Гальвани со своей женой показывают пораженным зрителям как дергаются лапки мертвой лягушки под воздействием протекающего через них электрического тока:

Жена Луиджи Лючия была его ассистентом при проведении научных демонстраций.
Жена Луиджи Лючия была его ассистентом при проведении научных демонстраций.

Температура тут на первый взгляд, казалось бы, ни при чём. Но после открытия настолько живительного действия электричества его не преминули использовать где только можно, и в первую очередь конечно же в медицине. Со времен аз-Захрави менять формат методов особо не стали и взамен прижиганию (Cautery) изобрели Гальванокаустику (Galvanocautery). Суть процедуры можно описать точно такой же картинкой:

Сам Гальвани, конечно, таким не занимался. Его жена - тоже.
Сам Гальвани, конечно, таким не занимался. Его жена - тоже.

Да-да, постоянный электрический ток использовался для совершения всё той же процедуры резкого локального увеличения температуры, проще говоря прижигания. Несмотря на, казалось бы, очевидное сходство двух этих методов испепеления болячек, электричество всё же показало себя более гибким инструментом в плане контроля процедуры и её безопасности. Если раскалённая кочерга прижигает только поверхностные регионы, ток уже способен проникать вглубь тканей, нагревать их объемно, и кроме того, может быть легко отрегулирован или же быстро отключён в случае необходимости. Гальванокаустикой вполне успешно, хоть и всё ещё весьма болезненно лечили новообразования, аневризмы и даже грибок. Постепенно она переросла в то что сегодня известно под названием электрохирургия, но мы эту ветку эволюции технологий пока пропустим, ведь всякие поля гораздо интереснее.

Как только появились первые генераторы, способные вырабатывать переменный ток, обнаружился интересный факт: всё те же опыты с лягушачьими частями показывали, что при достижении определенной частоты генератора или выше её (порог был определён в районе 10 кГц) лапки переставали дёргаться, хотя ток при этом всё ещё как-то тёк по цепи. И здесь в нашей истории появляются такая неоднозначная персона как Арсен Д'Арсонваль [2].

Арсен Д'Арсонваль и некоторые из его изобретений.
Арсен Д'Арсонваль и некоторые из его изобретений.

Д'Арсонваль исследовал влияние низкочастотных токов на тело человека, в том числе, пропуская их через себя любимого. Он заметил, что несмотря на то, что протекание тока никак не ощущается, через некоторое время кожа начинает потеть, а кровяное давление растёт, как будто бы повышается температура тела. Он пошёл дальше и построил ряд устройств для воспроизведения этого эффекта, наиболее интересными из которых являются катушки и кушетки для людей и животных. Примечательны они тем, что взаимодействие с пациентом в этих установках впервые происходило без прямого подключения и только за счет полей. Это вызывало благоговейный трепет у широкой публики, которая уже тогда была неравнодушна ко всему беспроводному и непонятному. Однако Арсен был не единственный, кто увлекался подобными интересными вещами. Ведь все мы знаем, что как только речь заходит об электричестве - там обязательно появляется он.

"Ну что, потомки, как там поживает ваша планетарная система беспроводной передачи энергии?"
"Ну что, потомки, как там поживает ваша планетарная система беспроводной передачи энергии?"

Как и его заокеанский коллега, Никола Тесла также был замечен в экспериментах с применением электричества в медицине. И также как и Д'Арсонваль, был прямым виновником того, что в газетах того времени низкочастотным токам и полям приписывались свойства новой панацеи, способной излечивать что угодно вплоть до туберкулёза. Основания для этого Тесла почерпнул из своих экспериментов, когда обнаружил что микробы (как и туберкулёзные палочки) погибают при пропускании через них тока (ну а кто б не погиб). Такую мелочь как невозможность повторить то же самое внутри легких пациентов при этом даже не рассматривали и, что закономерно, короткие клинические испытания полностью провалились [2]. Тесла вообще был великий затейник, и кроме электричества предлагал лечиться ещё и вибраторами (нет, не такими) и даже тестировал их на Марке Твене [3].

Стоит отметить, что интересной чертой, которая словно нить связывает вместе страницы истории любого вида терапии, является желание людей получить на основе каких-либо физических явлений простой в эксплуатации механизм получения прибыли совершенствования или излечения человеческого тела. Будь то иппликатор Кузнецова, какой-нибудь там "Алмаг" или укус радиоактивного паука, люди обязательно ждут что это будет непременно полезно для здоровья. А особенно когда речь идёт о вещах интуитивно непонятных, вроде электромагнитных полей. Потому с поправкой на время и человеческую психологию, надо учитывать, что никто из пионеров электротерапии не особо вникал в механизм действия предлагаемых ими лечебных процедур. Суть исследований того времени сводилась к тому, чтобы найти желающих, посадить на какую-нибудь "конденсаторную кушетку", сунуть в руку электрод, включить генератор и посмотреть, что будет. По желанию потом можно собрать небольшую статистику и сделать на её основе очень далеко идущие выводы. Данная методика, разумеется, не вызывает ни малейших вопросов у любого здравомыслящего человека, а потому даже сегодня практически в любой аптеке можно купить так называемые «аппараты Д'Арсонваля», с всё таким же сомнительным функционалом как и много лет тому назад. Короче говоря, в итоге так сложилось, что если Тесла стал идолом каких-нибудь эфиропоклонников, то Д'Арсонваль - превратился в лейбл шарлатанов от медицины. Но вернёмся обратно в прошлое.

вжжжжж
вжжжжж

Поколения учёных, гонимых жаждой открытий и взращённых на желании громкой славы их предшественников, ещё сильнее вгрызлись зубами в гранит науки в поисках влияния электромагнитных полей на бренное человеческое тело. Но всё, что удавалось наблюдать в экспериментах, раз за разом оказывались либо прямым, либо косвенным результатом действия растущей температуры. А громкие заявления персон, утверждавших об открытии новых неизвестных механизмов к 30-м годам всех уже порядком подзадолбали, и научный мир стал требовать солидных доказательств, прежде чем начинать разбираться в очередном последствии неграмотности авторов. В итоге выяснилось, что тело в электрическом плане мало чем отличается от резистора, и как подобает этому электронному компоненту, выделяет тепло, когда через него протекают токи разной природы, в том числе и наведённые внешними низкочастотными полями. Именно нагрев и приводил к повышению давления и потоотделения у пациентов Д'Арсонваля, так как таким способом их организм просто пытался себя охладить. Но учёные – пытливые ребята и просто так их не остановить. Многочисленные попытки найти хоть какие-либо значимые не термальные либо долговременные эффекты, оказываемые на организмы живых существ, продолжались (да и продолжаются по сей день, чего уж там). Причём даже не так важно, негативные эффекты или позитивные – при любом раскладе автор открытия был бы в выигрыше, не от врачей так хоть от военных. Однако никаких чудесных излечений болезней, контроля сознания, лучей поноса смерти и прочих фантастических плюшек обнаружить так и не удавалось. Реальность как обычно оказалась серой и унылой, как панельная девятиэтажка на окраине провинциального города. Однако и то, что было выяснено в процессе изучения всё равно пошло в дело: в итоге работы Д'Арсонваля и Теслы переросли в направление терапевтической медицины, названное диатермия, где тело пациента уже целенаправленно прогревались радиоизлучением.

Установка для диатермии в стиле Fallout и вырезка из статьи посвященной этому методу лечения. Оранжевым выделены фразы "Как это работает никто не знает" и "что происходит в теле пациента - всё ещё загадка". Ну что же, зато честно.
Установка для диатермии в стиле Fallout и вырезка из статьи посвященной этому методу лечения. Оранжевым выделены фразы "Как это работает никто не знает" и "что происходит в теле пациента - всё ещё загадка". Ну что же, зато честно.

Большой скачок для диатермии дало появление дешёвых и доступных источников высокочастотного излучения - радиоламп и магнетронов. Аппарат Raytheon microterm с картинки выше был первым из одобренных для применения в клинической практике. Внутри металлического корпуса был размещен магнетрон с рабочей частотой 2.45 ГГц (практически как в микроволновке у вас на кухне, но слабее по мощности). По гибкому волноводу микроволновая энергия от магнетрона подавалась внутрь параболического рефлектора, который фокусировал поля в теле пациента для локального прогрева. И обычно таким образом прогревали суставы.

Несмотря на то, что технологии стали в разы лучше со времён Д'Арсонваля и Теслы, дух раздолбайства еще не до конца покинул умы медицинских экспериментаторов. Интересный момент касается того, что рабочая частота первых аппаратов вроде того, что представлен выше, была выбрана практически произвольно. Первая причина — это то, что магнетрон для частоты 2.45 ГГц будет не слишком большим по размеру, а вторая состоит в том, что действующая на тот момент Федеральная Комиссия Связи США (FCC) выделила для медицинского применения только этот диапазон (ну и еще один в районе 27 МГц) исходя из каких-то своих странных предположений. То есть самый ключевой параметр, который надо учитывать при нагреве живого человека полями – рабочую частоту выбрали буквально пальцем в небо, просто потому что. У кухонных микроволновок кстати ровно такая же история. Величина рабочей частоты там тоже скорее исторически сложилась, а не была выведена в результате кропотливых изысканий в секретных лабораториях и поиска пиков поглощения воды, как некоторые ошибочно полагают.

Безусловно, термический эффект полей был уже для всех устоявшимся фактом, однако было мало данных о том, как именно электромагнитные поля фокусируются внутри организма, какой размер нагреваемой области и где она, собственно, будет находится. И тем не менее, это не останавливало никого, процедура пользовалась популярностью.

Легко ли собрать выжигатель мозгов? История электромагнитных полей в медицине - 9

Разумеется, когда военные, бюрократия и технический прогресс дали такую возможность, исследователи взялись проверять различные частоты и уровни мощности электромагнитного излучения, а также что происходит с ними внутри человека для дальнейшего применения сих знаний в медицине. И на этом месте прервём ненадолго урок истории и поговорим немного о физике - убийце чудес.

Посмотрим глубже в процессы взаимодействия электромагнитных полей и человеческого организма с Эвереста наших сегодняшних знаний. Так как частота электромагнитной волны обратно пропорциональна её физическим размерам, а точнее длине, то вполне очевидно, что волны с частотами, например 27 МГц и 5 ГГц, будут взаимодействовать с тканями и органами человека совершенно по-разному:

Длины радиоволн различной частоты по сравнению с телом человека. Амплитуды у них могут быть вполне одинаковые, так что не обращайте внимания на разницу в вертикальном масштабе и жирноту линий, это как говорится artist view.
Длины радиоволн различной частоты по сравнению с телом человека. Амплитуды у них могут быть вполне одинаковые, так что не обращайте внимания на разницу в вертикальном масштабе и жирноту линий, это как говорится artist view.

В общих чертах, если говорить о радиодиапазоне (а он огромен: от 0,03 Гц до 3 ТГц, поэтому обобщение очень смелое), то чем выше частоты - тем меньше тело человека похоже на упомянутый резистор и больше на конденсатор. Всё дело в том, что наш организм состоит в основном из диэлектриков. А диэлектрики - это материалы, которые плохо проводят ток в привычном всем понимании, как например металлы, но зато способны накапливать в себе энергию электрического поля за счет смещения зарядов в своих молекулярных структурах. Процесс смещения зарядов под действием внешнего поля, по сути, тоже является током, хоть и другой природы (его зовут ток смещения). Именно благодаря смещению зарядов переменный ток может течь сквозь конденсатор, хотя этот элемент вроде как представляет собой разрыв для электрической цепи: кусок воздуха или какой-нибудь там непроводящей керамики. В человеческом теле внешнее переменное электрическое поле заставляет шевелиться, крутиться и двигаться всякие ионы и полярные молекулы, а также растягивает электронные оболочки. Это приводит к возникновению вторичных полей, перераспределению и рассеиванию энергии, проще говоря к нагреву. Таким образом для высокочастотных полей мы представляем собой не простой конденсатор как в электронике, а скорее его комбинацию с резистором - он хоть и накапливает энергию, но при этом еще и кипятится.

Но конденсатор – элемент как правило маленький, а человек по сравнению с ним довольно большой. Это значит, что некоторые волны, подходящие по размеру, могут вполне помещаться внутри тела или его части целиком. А совсем высокочастотные и даже не один а много раз. Когда такое происходит, и электромагнитная волна находится внутри среды, она всё ещё распространяется, но при этом уменьшает свою скорость (а ещё свои физические размеры). На анимации ниже показан примерный механизм того, как это работает на простой модельке с шариками и пружинами:

Пружинки иллюстрируют молекулярные взаимодействия диэлектрика с электромагнитной волной, распространяющейся слева-направо. Синими и красными шариками могут быть как атомы, так и молекулы какого-нибудь вещества.
Пружинки иллюстрируют молекулярные взаимодействия диэлектрика с электромагнитной волной, распространяющейся слева-направо. Синими и красными шариками могут быть как атомы, так и молекулы какого-нибудь вещества.

Для вакуума или воздуха мы легко посчитаем длину волны зная скорость света, но в диэлектриках всё становится сложнее, так как нужно вводить специальную поправку на то самое уменьшение скорости и длины волны. Эту поправку назвали относительной диэлектрической проницаемостью материала и научились её измерять разными способами. Например, пихать кусочек исследуемого материала между обкладками конденсатора и проверять насколько изменилась его ёмкость. Соответственно проницаемость является относительной по отношению к таковой у вакуума, что вполне логично, ведь разных материалов много, а вакуум - один. Если примерять эту величину для умозрительной модельки с шариками с картинки выше, то она будет отвечать за жесткость и длину пружин: чем больше будет способность гипотетических пружин растягиваться и сжиматься - тем выше диэлектрическая проницаемость материала и тем дольше по времени волна будет проходить сквозь него.

Но как уже было сказано, прохождение волны сквозь диэлектрик связано с потерями энергии и соответственно сопровождается нагревом последнего. Пружинная модель весьма показательна даже в этом плане, так как те же пружинки при колебаниях тоже нагреваются, хоть и совсем чуть-чуть. Зная это, логично будет предположить, что чем медленнее будет распространяться волна, тем больше она будет успевать терять энергии по пути и, тем самым быстрее нагревать среду. А ведь это так и есть! Волны более высоких частот с более короткими длинами скоропостижно растрачивают свою энергию и скорее греют поверхностные слои, нежели глубокие зоны. Ага, пюрешка из микроволновки, так вот почему ты постоянно такая холодная внутри!

Относительная диэлектрическая проницаемость — это не одна единственная цифра для конкретного типа материала, как любят рисовать в табличках школьных учебников по физике. Она сильно зависит от частоты (да и от температуры кстати тоже, но пока не будем усложнять). То есть не прокатит измерить один раз эту величину для какого-нибудь подкожного жира или там мышц на частоте 80 МГц и использовать её же на 5 ГГц. Нужно будет озаботиться построением полноценного графика или продвинутой аналитической предсказательной модели, чтобы можно было знать какой всё-таки будет размер волны внутри тела пациента, если хотим полноценно использовать электромагнитные поля как терапевтический инструмент.

Подкрепим наконец сухой непонятный текст сочными картинками. Это простенькая двумерная электромагнитная симуляция, призванная продемонстрировать поведение волн разных частот внутри материала. Возьмём цилиндр с диаметром 160 мм, ну почти как у головы человека (на цилиндр мы смотрим сверху), состоящий из самого распространенного в нашем мире диэлектрика - воды. Он стоит на пути у электромагнитного излучения, падающего на него слева:

На симуляции показана электрическая компонента падающей электромагнитной волны как самая ответственная за нагрев. Пусть вас не смущает разная скорость движения фронтов волн разных частот - все примеры не синхронизированы по времени. Более высокие частоты должны быть ускорены по сравнению с низкими. Амплитуда цветных шкал везде одинаковая.
На симуляции показана электрическая компонента падающей электромагнитной волны как самая ответственная за нагрев. Пусть вас не смущает разная скорость движения фронтов волн разных частот - все примеры не синхронизированы по времени. Более высокие частоты должны быть ускорены по сравнению с низкими. Амплитуда цветных шкал везде одинаковая.

Как видно, даже в простеньком примере с примитивным объектом, электромагнитные волны различных частот внутри диэлектрика ведут себя непохожим образом. Основная причина — это конечно же разница в физическом размере волны и объекта - волны с частотой от 27 до 500 МГц ну никак не могут поместиться внутри маленького водяного цилиндра, а значит прогревают его практически равномерно. Дело кардинально меняется, когда длины волн становятся сопоставимы размером с нашего водяного друга, что хорошо заметно на частоте 2 ГГц. Вот там уже жарит что надо! Дело в том, что длина волны на частоте 2 ГГц очень близка к размерам самого объекта, а значит в дело вступает его величество резонанс с формированием стоячей волны внутри цилиндра. Ожидаемо с повышением частоты до 5 ГГц потери в материале становятся больше и волны уже не могут полноценно проникать в центр объекта, который становится похож на аналог чёрной дыры. На самом деле параметры воды в представленной симуляции близки скорее к кристально чистому дистилляту, чем к реальной жидкости, с которой мы имеем дело в быту. С настоящей водой радиоволны не дружат совсем, особенно с хорошо проводящей морской и распространяются в ней очень неохотно и, как правило, недалеко. Именно поэтому при организации подводной связи пытаются использовать такие костыли как сверхдлинные волны, где потери ещё терпимые или же пытаются прибегать к помощи совсем других технологий вроде ультразвука.

Но не будем отходить от темы. При должных знаниях и наличии времени для объектов примитивных форм можно вывести формулы, которые полностью будут описывать поведение электромагнитных волн внутри них. Это даст знания как можно управлять ими, например, чтобы фокусировать энергию в нужном месте. При этом даже получится принять во внимание эффекты вроде затуханий или всякого рода резонансов. Но наш мир сложен и в целом плохо поддается аналитическому описанию, особенно когда речь заходит о такой непростой структуре как человеческое тело. Конечно, голову человека можно условно представить в виде показанного цилиндра. Но адекватно работать такая модель будет только для очень длинных волн, превышающих её размеры, где как мы уже поняли прогрев будет практически однородным. Если же взять частоту 2.45 ГГц, применявшуюся на заре становления диатермии, такие упрощения уже становятся недопустимы. И дело тут даже не в сложности формы головы, а в том, что своему составу и строению ткани организма очень разнородные. Параметры какого-нибудь жирового слоя сильно отличаются от параметров мышц, костей или там кожи. А ведь есть еще и всякие полости с воздухом и жидкости. Так что же там будет происходить внутри? Со времён диатермии никто долгое время не мог ответить на этот вопрос, пока наконец завесу тайны не приоткрыл вот этот человек:

Легко ли собрать выжигатель мозгов? История электромагнитных полей в медицине - 13

В смысле, вы его не знаете? Вообще-то это первый из людей кто смог обрести цифровое бессмертие. Разве не об этом тут все мечтают? Перед вами Джозеф Пол Джерниган, простой парень осужденный на смерть убийца из Техаса, который волей судеб после своей казни попал в университет Колорадо. Там с ним сделали тоже самое что и с лошадью в фильме Клетка. Тело Джозефа было заморожено в голубом желатине и при помощи ЧПУ станка было сточено слой за слоем с шагом в 1мм:

ЧПУ (человеко-пильное устройство) за работой
ЧПУ (человеко-пильное устройство) за работой

Таким образом, Джозеф даже не будучи учёным открыл огромную веху в истории науки и медицины в частности - компьютерное трёхмерное моделирование человеческого тела. Каждый его слой был снят на камеру в хорошем на то время разрешении и оцифрован, уместившись в 15 Гб данных. Кроме того, перед тем как его тело разрушили, оно также было отсканировано в КТ и МРТ чтобы собрать по максимуму данных.

Полученный датасет
Полученный датасет

Так в историю вошёл Visible Human Project. Кроме Джернигана подобным операциям впоследствии подверглись ещё несколько тел. Полученные данные были применены где только можно: в фильме Пятый элемент, компьютерных тренажёрах для врачей, численном моделировании, анатомических атласах и литературе. Но нас они интересуют конечно же с электромагнитной точки зрения. Так как на датасете прекрасно различим тип тканей (благо они отличаются по цвету), то уже не составляет труда присвоить им нужные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, чтобы объединить в реалистичную электромагнитную 3d-модель. Уже из беглого анализа пространственного распределения этих параметров выяснились интересные вещи. Посмотрим на голову и то что у неё внутри [4]:

Относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей внутри человеческой головы на частоте 1 ГГц. Это модель женщины. Она была сделана много позже Джозефа и более гуманными методами (МРТ).
Относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей внутри человеческой головы на частоте 1 ГГц. Это модель женщины. Она была сделана много позже Джозефа и более гуманными методами (МРТ).

На стыке материалов с разной диэлектрической проницаемостью всегда происходит отражение электромагнитной энергии. Убедится в этом вы можете и сами, посветив лазерной указкой на воду. Часть луча неизменно отразится от границы раздела двух сред, и чем больше разница в диэлектрической проницаемости этих сред - тем больше отражение. И если мы посмотрим на распределение проницаемости в тканях головы, то мы увидим, что мозг окружён именно такой границей. Вдобавок, мозг омывает цереброспинальная жидкость, которая имеет огромную по меркам человеческого тела электропроводность и соответственно показана красным на картинке справа. Это значит что во-первых часть падающих извне электромагнитных волн будет отражаться от черепа, а во-вторых то что всё-таки пройдёт - будет поглощено цереброспинальной жидкостью (которая к тому же ещё и постоянно циркулирует). Таким образом, совпадение это или нет, но эволюция уже экипировала нас своеобразной шапочкой из фольги, спасающей от внешнего радиоизлучения. Так что нет! Сделать выжигатель мозгов чрезвычайно сложно (особенно в таком же виде как он был представлен в нашей любимой игре). С одной стороны это хорошо, учитывая в каком мире мы с вами сегодня живём, окружённые полями со всех сторон. С другой - это создаёт огромные проблемы для тех, кто хочет применять радиоволны в бою для лечения. Стало окончательно понятно, что вариации параметров материалов внутри тела довольно большие, и универсального способа применять поля для терапии скорее всего нет, так как разница размеров, положения и состава тканей от человека к человеку может быть очень существенной. Ну а ещё все модели людей выше - здоровые и без патологий, а как же быть если мы хотим лечить, например, опухоль?

Структура новообразований в человеческом теле обычно связана с неконтролируемым ростом клеток. В связи с этим нарушается строение сосудистой сетки в регионе новообразования. Помните самую первую картинку этой статьи с кадрами тепловизора? Вот именно из-за нарушений в расположении сосудов и появляется регион где ткани охлаждаются током крови хуже чем остальные и который можно выявить термометрией. В какой-то момент, ещё даже до того, как были получены первые цифровые модели, люди задумались, что это свойство может сослужить хорошую службу, ведь если начать греть весь регион, то опухоль перегреется гораздо раньше. Так диатермия превратилась в гипертермию, следующую ступень эволюции электромагнитной терапии:

Иллюстрация того, как выглядит сосудистая сетка новообразования в тазовой области и аппарат гипертермии на частоте 8 МГц для выжигания подобных опухолей.
Иллюстрация того, как выглядит сосудистая сетка новообразования в тазовой области и аппарат гипертермии на частоте 8 МГц для выжигания подобных опухолей.

Итак, если диатермия была лишь баловством, то теперь мы добрались уже до полноценного выжигания тканей при помощи электромагнитных полей. Задача гипертермии состоит в том, чтобы нагреть больные клетки до температур денатурации белков в районе 44—45°С, что замедлит их рост или вовсе убьёт. Долгое время на неё возлагали большие надежды как на перспективный метод борьбы с раком, который мог бы быть использован наравне с химио- и радиотерапией, ну или хотя-бы в комбинации с ними. Однако несмотря на огромное количество исследований и кучи произведённого коммерческого оборудования, вроде того аппарата с картинки выше, клиническая значимость этого метода всё ещё остаётся под вопросом. Но изначально идея была хороша: мы могли бы лечить что-то без какого-либо хирургического вмешательства, в труднодоступных регионах (а голова как раз один из таких), да ещё и не повреждая здоровые ткани как при лучевой терапии. Электромагнитная гипертермия должна была превратится во что-то такое:

В фантастической картине "Элизиум" 2013 года сюжет крутится вокруг машины способной излечить любую болезнь без какого-либо видимого контакта с пациентом. На первом обороте машина сканирует состояние тела, на втором - излечивает. Всё просто.
В фантастической картине "Элизиум" 2013 года сюжет крутится вокруг машины способной излечить любую болезнь без какого-либо видимого контакта с пациентом. На первом обороте машина сканирует состояние тела, на втором - излечивает. Всё просто.

Если отбросить проблемы с медицинской части, с технической стороны краеугольным камнем электромагнитной гипертермии стала невозможность контроля процедуры лечения. Даже если у вас есть точная трёхмерная модель техасского парня, это вовсе не значит, что у пациента который пришёл к вам на приём внутренности такие же. И гарантировать что перегреется только опухоль никто не может, невзирая на описанные выше особенности сетки сосудов в районе новообразований (которая опять же индивидуальна). А потому технологию стали развивать в сторону повышения точности, а значит применения более высоких частот и прицельной фокусировки полей при помощи таких же технологий как в военной радарной технике - фазовых антенных массивов. Но если радары смотрят своими антеннами в небо, то в данном случае мы направляем их внутрь человеческого тела.

Гениальным решением победить слепоту процедуры радиочастотного нагрева стали как ни странно те же электромагнитные поля, но в другой своей ипостаси - в виде магнитно-резонансной термометрии [5]:

Пациент помещен в устройство Sigma Eye компании PYREXAR, которое является массивом антенн-диполей. Вся конструкция вдвигается в аппарат МРТ, который может производить термометрию. 2004 год.
Пациент помещен в устройство Sigma Eye компании PYREXAR, которое является массивом антенн-диполей. Вся конструкция вдвигается в аппарат МРТ, который может производить термометрию. 2004 год.

Аппарат МРТ может не только показывать распределение воды в организме, но ещё и измерять относительные изменения температуры объектов во времени, ведь резонансная частота протонов, сигналы которых он измеряет тоже зависит от температуры. Будучи скомбинированным с массивом антенн, способных фокусировать энергию внутри тела пациента он превращается в этакий прообраз машины из Эллизиума способной как на диагностику, так и на терапию используя только лишь электромагнитные волны! Сперва при помощи МРТ создаётся трехмерная цифровая модель пациента, по которой ведётся расчет фаз и амплитуд для каждой излучающей антенны, а потом начинается нагрев, который чередуется со снимками термометрии для полноценного контроля процесса.

Цифровой двойник тела пациента создаётся в виде тетраэдальной меш-сетки, которая используется для решения уравнений Максвелла и последующего расчета области фокусировки электромагнитной энергии. Примеры термометрии с нагревом опухоли до 30 градусов в двух срезах показаны справа. Обратите внимание что есть участки перегрева и вне опухоли.
Цифровой двойник тела пациента создаётся в виде тетраэдальной меш-сетки, которая используется для решения уравнений Максвелла и последующего расчета области фокусировки электромагнитной энергии. Примеры термометрии с нагревом опухоли до 30 градусов в двух срезах показаны справа. Обратите внимание что есть участки перегрева и вне опухоли.

Снова заметим, что на границе двух сред разной диэлектрической проницаемости всегда есть отражение электромагнитной энергии. Такой границей конечно же является еще и воздух-кожа. Поэтому между антеннами для гипертермии и пациентом ещё и приходится помещать мешки с водой (окружают тело пациента на снимках), иначе эффективность передачи энергии даже с таких близко расположенных антенн сильно страдает. Удобным для пациента конечно такой процесс не назвать. Но это ещё цветочки по сравнению с тем, что шевелиться во время процесса (а он легко занимает и более часа в экспериментах) ни в коем случае нельзя - ведь модель тела при расчёте фокусировки делается для определённого его положения и если пациент сдвинется, то что-то может пойти не так.

В общем несмотря на то, что идея уже очень старая по нашим меркам, до сих пор эксперименты в области проводятся на пике возможностей наших технологий. Один лишь расчет фокусировки для подробной модели человеческого тела может требовать пару часов работы не самого слабого GPU, а алгоритмы для таких расчётов до сих пор совершенствуются и усложняются, как, собственно, и сами модели. Но, наверное, самой главной проблемой на пути гипертермии всё ещё остается непонимание того как использовать температуру для лечения. Как выяснилось, просто выжечь что-то внутри тела это не такая уж и хорошая идея, а потому все исследования в области сменили направление в поисках чего-то более удачного. Одним из таких решений в перспективе может стать применение наночастиц-носителей лекарства, активируемых нагревом. Но пока выходит, что одними лишь электромагнитными полями не обойтись.

Эпилог

Ещё много копий будет сломано в спорах о том, вреден ли 5G и облучает ли вас сосед по ночам. А всё из-за того, что наш прогресс в исследовании электромагнитных полей и их воздействия с человеком показал, что этот вопрос невероятно сложен. Причина этой сложности заключается внутри самих нас - в строении человеческого тела. Для правильного моделирования нагрева одной лишь ткани из многих входящих в состав организма может потребоваться знание до восьми различных параметров, которые ещё и варьируются от человека к человеку. А теперь ещё вспомним что это всё находится в непрерывном движении! Вдобавок - количество энергии что попадет внутрь вашего тела от внешнего источника зависит от ещё большей груды параметров. И попробуй в таких условиях придумать что-то универсальное вроде пластыря на ранку. Именно поэтому в медицине, в области, где люди хотят быть уверены в используемых методах, электромагнитные поля пока так и не нашли твёрдых оснований для применения. Однако в научной среде жизнь кипит, методология постоянно развивается и ждет своих новых героев не хуже аз-Захрави, Теслы, Д'Арсонваля и Джернигана сотрудников университета Колорадо. Тех кто за грудой проблем увидит решение, которое изменит этот мир.

Спасибо за внимание! Вот вам напоследок электромагнитная симуляция наносекундного радиоимпульса, испускаемого близко расположенными широкополосными антеннами прямо в мозг. Обратите внимание сколько энергии теряется на периферии:

Легко ли собрать выжигатель мозгов? История электромагнитных полей в медицине - 21

Автор: Егор Кретов

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js