К теме Остановим Большой Андронный Коллайдер.
Так очем бишь я?? М-дя... К-хе... Память, знаете ли...
Ах да, я о фМР-томографии. Как о ее принципах, так и об аппаратах, что в ней используются.
Однако все объяснять своими словами - переформулировывалка отсохнет и отвалится.
Уж лучше я размещу три "документа", обьясняющие мою тему:
1) Отрывок из Письма главреда
2) Статья по принципам фМР-томографии
3) Статья 2я - но там рассказывает человек, испытавший это на своей шкуре, от этого не менее, а только более компетентный.
Отрывок из письма ГлавРеда
...Завершить мои несостоявшиеся подвиги должна была "фотосессия" в МР-томографе травматологического центра, кстати, наименее вероятная из перечисленного списка. К счастью, оказалось, что у сотрудников подразделения медицинских систем компании Philips отчеты занимают не все предновогоднее время, и в бублик сверхпроводящего магнита томографа я попал (голова в разрезе внутри журнала - моя).Честно признаюсь, поначалу я опасался, что сверхмощные магнитные поля могут раскалить, а то и расплавить моизубные коронки. Но оказалось, что МР-томограф никакого отношения к сверхмощным СВЧ-печам не имеет, и неприятности могли бы начаться разве что из-за тазобедренного сустава из магнитного металла. Вот и еще один повод порадоваться тому, что суставы у меня все свои. А коронки могли разве что немного подпортить конечную картинку. Но не подпортили - коронок этих у меня немного. Кстати, томографы эти легко позволяют увидеть разницу между коронками из высокопробного и "цыганского" золота. Говорят, многие обследуемые узнают о своих стоматологах много нового. Не имеют МР-томографы отношения и к радиации, хотьученые и устали всем это объяснять. Раньше МР-томографы назывались ЯМР-томографами, но по названию явления, лежащего в основе этого замечательного диагностического инструмента - Ядерно-Магнитного Резонанса. Но когда после Чернобыльской катастрофы вокруг центров стали бегать сумасшедшие с дозиметрами, а вскоре и устраивать пикеты с плакатами и прочим, букву "Я" из названия просто убрали - так проще. И вправду - психи успокоились...
1 статья.
ДЕКАБРЬ 2007 "Послушать, о чем думает мозг" Автор - Джефф Уайз
Ученые утверждают, что новый метод фМРТ (Функциональной манитнорезонансной томографии) позволяет отслеживать работу мозга с такой точностью, какая раньше и не снилась. Теперь все тайное станет явным - и когда вы говорите ложь, и когда вы влюбились... Впрочем критики сомневаются в том, что новый способ чтения мысли дает достоверные результаты. Они говорят что восторги преждевременны, и что надо бы еще дважды подумать, прежде чем использовать метод фМРТ в нашей частной и общественной жизни.
Фрэнк Тонг внимательно вглядывается в чужой разум. Нейрофизиолог из Института Вандербильта стоит в сумерках перед столом, заставленным мониторами. За стеной из зеркального стекла неподвижно лежит один из студентов, его ноги торчат из-под громозкого сканера фМРТ. Над глазами молодого человека загораются разные картинки - то голубок, то пингвин. В этот момент Тонг еще не знает, что конкретно. По комнате разносится басовитое урчание - это сканер посылает мощные потоки магнитной энергии прямо сквозь черепную коробку испытуемого.
Мониторы на столе тоже показывают картинки - это черно-белые разрезы, произведенные прямо по действующему мозгу. На них видны незначительные флуктуации по яркости, выявляющие зоны повышенной активности. Тонг пристально вглядывается в нерезкие изображения. В сложных фигурах скрыт ключ к мыслям подопытного студента. Нейроны буквально искрят в голове у парнишки, но, глядя на эти пляшущие огоньки, никак не удается понять, о чем же он думает. Тогда Тонг снимает данные со своего сканера, а затем прогоняет их в своей лаборатории сквозь программы обработки.
Несколько часов работы, и акт ясновиденья налицо - экспериментатор с уверенностью заявляет, что испытуемый смотрит на пингвина. Проверка показывает, что Фрэнк Тонг оказался прав. В подобных задачах он читает мысли с точностью до 70-80%. "Когда перед нами всего два возможных ответа, задача не так уж и сложна, - говорит он, - но у нас получается и работа с распознанием исходных образов, Возникающих прямо в мозгу. Если бы мы имели доступ к каждому нейрону, если бы не торопились с анализом данных, можно было бы во всех подробностях рассказать, что человек в данный момент видит или о чем он думает".
Все выглядит так, будто бы Тонг вынул один кирпичик из той стены, что стоит между внешним миром и нашей внутренней жизнью. В этом занятии он не одинок. В течение последнего десятилетия целая когорта исследователей, вообружившись томографами и сканерами, успела вчерне набросать схемы того, как наш мозг разбирается со страхом, воспоминаниями, принятием рискованных решений, романтическими увлечениями и прочими душевными хлопотами. Еще немного, и наука сделает следующий шаг вперед, отбросит занавес, скрывающий самые интимные закоулки нашего личного "я". Энтузиасты говорят, что уже на подходе разработка практически безотказного детектора лжи, основанного на сканировании мозга.
Если они правы, то придет день, и все - правительство, ваши работодатели, даже ваша жена - все возьмут на вооружение достижения науки, чтобы наконец выяснить, кто же вы такой на самом деле. Насколько вы верноподданный гражданин, насколько преданный начальству сотрудник, насколько любящий супруг. Впрочем, скептики полагают, что все эти разговоры о машинах, читающих наши мысли - чистое очковтирательство. "Нам пытаются впарить что-то вроде волшебного зеркльца на торсиооных полях, - говорит профессор-психиатр из Йельского Университета Энди Морган. - это новшество заслуживает самого осторожного обращения. Но даже если все это реально действует, то сразуже должны всплыть весьма интересные вопросы касательно личной свободы человека. Не следует ли назвать принудительное сканирование мозга средствами фМРТ незаконным вторжением, обыском и ограблением, поскольку в подобном случае нечто принадлежащее вам будет отнято у вас без какого-либо вашего на то разрешения? Каким образом вы сможете реализовать ваши права на защиту, если у кого-то появится возможность задавать вопросы напрямую вашему мозгу, не интересуясь вашим согласием? Эти весьма серьезные вопросы можно задавать уже сейчас".
Технические принципы, легшие в основу фМРТ, были хорошо известны уже десятки лет назад. Новое только в том, сколь тонко и изощренно можно сейчас применять старую методику. Сканер фМРТ с помощью большого, похожего на бублик электромагнита формирует мощное поле, которое взаимодействует с протонами в теле испытуемого. Молекулы гемоглобина в красных кровяных тельцах ведут себя в магнитном поле по-разному в зависимости от того, захвачена ли ими молекула кислорода. Когда возбуждается тот или иной участок мозга, он требует больших количеств кислорода, так что при помощи сканера фМРТ можно указать, в каких зонах мозга идет в данный момент более интенсивная работа. Эту информацию можно соотнести с уже имеющимися у нас данными о функциональной анатоми мозга, и чем подробнее мы ее узнаем, тем точнее данные, полученные методом фМРТ. Теперь благодаря фМРТ исследователи получили возможность увидеть сразу все, что происходит в мозгу, причем практически в режиме реального времени, не подвергая опасности или неудобствам своего пациента. "Мы чувствуем себя прямо как астрономы XVI, которые только что получили в свое распоряжение телескопы, говорит Джошуа Фридман, профессор Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе, - Тысячи лет самые умные из людей напряженно пытались понять, что происходит у нас над головами, но они могли только строить предположения о том, что недоступно человеческому глазу. Потом, буквально вдруг, появился прибор, который позволил непосредственно увидеть то, что развертывается там на самом деле".
Активные исследования в области томографии мозга, которые велись в течение последнего десятилетия, непосредственно перелились в сферу интересов фМРТ, наделив новую отрасль неслыханными возможностями. В результате нейрофизиология достигла нового уровня в понимании механизмов работы мозга. В некоторых экспериментах всплыли радикальные различия между тем, как в действительности работает наш мыслительный аппарат, и тем, как мы себе это представляли. Впрочем, в других случаях новые открытия легко ложились в рамки здравого смысла и привычных представлений. Фероуз Б. Мохамед, адьюнкт-профессор радиологии в университете Темпл в Филадельфии поставил интересныый эксперимент. Испытуемым предлагалось стрелять из пистолета, а затем давать заведомо ложные ответы при опросе, который проводили параллельно со сканированием по методике фМРТ. По сравнению с контрольной группой, дававшей правильные ответы, у "лжецов" в мозгу возбуждалось больше разных участков - среди них были участки, отвечавшие за память, принятие решений, планирование, обработку предложений и подавления желаний. Результаты этого исследования лишний раз подтверждают то, что мы и так не раз осознавали в нашей жизни: правду говорить легко и приятно, в то время как ложь то и дело порождает нежданные хлопоты.
На волне тревоги после трагедии 11 сентября 2001 года возможность с помощью фМРТ выявлять лживые показания вызвала особый интерес у определенных госучреждений. Правительство США искало новые пути для получения достоверных сведений у допрашиваемых лиц, задержанных в ходе глобальной войны против террроризма. Особая академия при Пентагоне, Pentagon's Defence Academy for Credibility Assesment ("Оборонная Академия по Оценке Достоверности") в Форт-Джексоне, раньше она называлась Polygraph Institute ("Институт Полиграфа"), профинансировала более 20 программ, направленных на разработку усовершенствованных детекторов лжи. К работам вокруг технологии фМРТ подключился и DARPA - отдел Научно-Технических Исследований при Пентагоне. "На средства Министерства Обороны наши исследователи разработали такие методики, - отмечается в свежей статье из Cornell Law Review, - что "темное искусство" ведения допросов скоро может оказаться ненужным."
Тем временем простые предприниматели ищут, как бы применить новую технологию в мирных целях. В 2006 году компания No Lie MRI (ранее вела исследования на средства DARPA) предложила на рынке свои услуги по выявлению лжи в показаниях. За $10000 она готова была провести сканирование мозга допрашиваемого и определить, правду он говорит или нет. Одним из ее первых клиентов стал человек, обвинявшийся в поджоге. Он хотел таким образом доказать свою невиновность (дело против нег, кстати, впоследствие было прекращено). Кроме него интерес к этому предложению проявило еще более сотни клиентов.
Даже некоторые из самых рьяных стороннников фМРТ сознают, что использование этой методики в подобном контексте может подставить под удар сами осно демократических свобод. Джоэл Хьюизенга, исполнительный директор No Lie MRI, говорит, что он уже готов к подобным нападкам на свою компанию и даже приветствует такое развитие событий. "Нам необходима открытая дискуссия, - говорит он, - Будь я Иосиф Сталин, я бы очень оценил эту технологию. Она позволила бы мне мигом узнать, кто мне друг, а кого сейчас же можно поставить к стенке". Чтобы успокоить чрезмерно подозрительных, скажем сразу, что компания No Lie MRI подвергает сканированию исключительно тех, кто сам об этом просит. "Испытаниям подвергаются только те индивиды, которые идут на это по собственной воле, говорит Хьюзенга, - В наш томограф мы никого насильно не запихиваем"
Что ж, допустим, что компания Хьюзенги декларирует строгие этические рамки, в которых готова применять свою методику, но будут ли так же щепетильны другие? Что, если работодатели пожелают использовать эту технологию в качестве стандартной проверки при приеме на работу? И что вы скажете о школьном томографе, используемом для борьбы сос списыванием, подсказками и прочими видами ученического жульничества? А если авиационные спецслужбы примутся сканировать вам мозг так же беспардонно, как сейчас они просвечивают ваш багаж?
Все это пока только смелые фантазии, но они уже сейчас порождают горячие дискуссии среди юристов и кспертов по биоэтике. В статье из Cornell Law Review утверждается: "фМРТ - одна из таких технологий, к которым по праву можно приклеить ярлык "АнгСоц" в полном соответствии с пророчествами Оруэлла". Там же сделан и вывод: "Использование фМРТ весьма сомнительно в юридическом плане" - и далее: "Принудительное использовани методик фМРТ в ходе расследования нарушает, судя по всему, сами основы Международного Гуманитарного Законодательства".
2я статья
ФЕВРАЛЬ 2008, "Мозги на просвет" Автор - Александр Грек.
МР-томограф относится к классу самого дорогого медицинского оборудования. Поначалу никто и не предполагал, что у медицинских учреждений вообще найдутся деньги на них: цена новых томографов исчисляется в миллионах евро. Однако эти приборы оказались столь эффективны, что сейчас по миру их установлено более 50000, и спрос на них не падает.
Я наполовину засунут в гигантский бублик, и в голове звучит странная музыка, смутно напоминающая продвинутый сет модного диджея. Глаза закрыты, а в руке зажата резиновая груша, похожая на миниатюрную клизму. Это так называемая "паническая кнопка". Пневматическая эта кнопка потому, что бублик - сверхпроводящий магнит мощностью поля в 3 Тл, в несколько сот тысяч раз превышающей магнитное поле Земли. В таком поле любой металлический магнитный предмет превращается в смертоносный снаряд. А "панической" кнопка называется потому, что внутри магнита многих охватывает приступ клаустрофобии - боязни закрытого пространства. Таких, как правило, засовывают в бублик под наркозом. Но лучше, закрыв глаза, слушать неземную музыку, порожденную сильнейшими магнитными и электрическими полями, и думать о том, что лежишь в самом современном и технически сложном медицинском приборе, который когда-либо создавало человечество - магнитно-резонансном томографе.
МЕДИЦИНСКИЕ НОБЕЛИ
Для того, чтобы создать этот прибор, потребовались фундаментальные прорывы в физике, математике и компьютерной технике, недаром за этой технологией тянется целый шлейф нобелевских премий. Первыми стали Феликс Блох из Стэнфордского и Ричард Пурселл из Гарвардского Университетов, в 1952 году получившие Нобелевские премии за открытие в 1946 году явления электронного парамагниного резонанса. В принципе, премию мог получить Евгений Завойский, наблюдавший это явление в Казанском университете на пару лет раньше американцев. Однако у советского физика в 1944 году не было никакой возможности опубликовать свои результаты, и премия "ушла" за океан. Суть открытия заключалась в том, что ядра некоторых элементов периодической системы, помещенные в магнитное поле, способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне с последующим ее излучением. Это явление и получило впоследствии название Ядерного Магнитного Резонанса (ЯМР).
В начале 1960х годов Алан Кормак из Университета Тафтса и Годффри Хаунтсфилд из английской компании EMI разработали математический метод восстановления изображения поперечного среза по многочисленным измерениям поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами. Иными словами, тело просвечивалось рентгеновским аппаратом с различных точек, и после сложной математической обработки можно было получить изображение среза.
Метод был назван томографией, от греческого tomos - "рассечение". Первоначально время, необходимое для сканирования объекта, составляло девять дней, что было связано с низкоинтенсивным источником гамма-лучей. Мощная рентгеновская трубка снижала время сканирования до 9 часов. Отсутствие быстродействующих компьютеров делало последующее восстановление изображения чрезвычайно утомительным занятием.
Тем не менее в 1972 году компания EMI выпустила первые томографы модели EMI Mark I, и технология, несмотря на астрономическую стоимость, начала свое победное шествие по медицинским клиникам мира, что привело к получению в 1979 году Аланом Кормаком и Годдфри Хаунтсфилдом Нобелевской Премии по физиологии и медицине.
Всего через год после появления EMI Mark I в журнале Nature была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Питера Лаутербура "Создание изображения с помощью индуцированного локального воздействия; примеры на основе магнитного резонанса".Хотя окрытие и не было запатентовано, этот день считается днем рождения магнитно-резонансной томографии. Через некоторое время Питер Лаутербур усовершенствовал математические методы получения изображения с помощью магнитного резонанса. "Открытие Лаутербура и Мэнсфилда стало прорывом в медицине, диагностике и лечении", - заявил официальный представитель Нобелевского Комитета Ханс Йорвалл 6 октября 2003 года, вручая Нобелевскую премию по физиологии и медицине двум выдающимся ученым. Вряд ли еще какой прибор в мире собирал большее количество Нобелевских Премий.
ГЛАВА ДЛЯ САМЫХ УМНЫХ (ОСТАЛЬНЫЕ МОГУТ ПРОПУСТИТЬ)
На самом деле явление, лежащее в основе магнитно-резонансной томографи, называется Ядерно-Магнитным Резонансом (ЯМР). Слово "ядерный" исчезло после чернобыльской катастрофы, когда у населения развилась радиобоязнь - страх перед любыми явлениями, связанными с ядерной физикой. Специалисты вспоминают, как в 1986 году, когда в Москве устанавливали первый МР-томограф, вокруг медицинского центра бегали люди с радиационными датчиками и устраивали пикеты. Однако магнитный резонанс не имеет никакого отношения к радиации. Зато напрямую связан с ядрами водорода.
Человек в основном состоит из воды, основу которой, в свою очередь, составляют атомы водорода - от 60 до 70% А ядро водорода, как известно любому человеку, ознакомленному с элементарным курсом химии, есть не что иное, как протон. Каждый протон имеет некий параметр, называемый спином (квантовый аналог собственного механического момента количества движения). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, которые можно условно обозначить, как "вверх" и "вниз". К спину жестко привязан и магнитный момент протона, который также может быть направлен либо "вверх", либо "вниз". Для простоты можно представить протон как миктоскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, магнитный момент его либо в ту же сторону, что и поле, ("вдоль поля"), либо в противоположную, причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими двумя состояниями. Сделать это можно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.
Конечно, обнаружить переход единичного протона из одного состояния в другое проблематично. А вот если поместить образец, содержащий большое количество протонов, в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным "вдоль" и "навстречу" полю, окажутся примерно равными. Если воздействовать на этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, то все протоны с магнитным моментом (и спином) "вдоль поля" перевернутся, заняв положение "навстречу полю". При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемого релаксацией, - переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ЯМР.
КАК УСТРОЕН МР-ТОМОГРАФ. ВТОРАЯ ГЛАВА ДЛЯ САМЫХ УМНЫХ
Мощный сверхпроводящий магнит создает сильное однородное магнитное поле, необходимое для ориентации магнитных моментов протонов. Радиочастотная система томографа служит для облучения обследуемого электромагнитной энергией нужной частоты и регистрации излучения, возникающего при последующей релаксации.
Именно так устроен МР-спектрометр, однако получить изображения внутренних органов при помощи такого прибора невозможно. Просто уловить сигнал - для медицинской диагностики мало, надо знать еще и откуда точно он пришел. Поэтому еще одной очень важной частью томографа являются градиентные катушки. Они добавляют к общему однородному магнитному полю свою небольшую часть - градиентное, изменяющееся в пространстве магнитное поле. Именно градиентное поле и обеспечивает локализацию ЯМР в пространстве. Дело в том, что езонансная частота напрямую зависит от величины магнитного поля. Именно градиентное поле и позволяет немного изменить резонансную частоту магнитных моментов протонов в пространстве и точно локализовать их местрорасположение.
При различных исследований используются различные способы отличить одну ткань от другой. Скажем, когда гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови) теряет кислород, он превращается в парамагнитный дезоксигемоглобин. Магнитные свойства этих молекул позволяют отличать артериальную (гемоглобин) кровь от венозной (дезоксигемоглобин) или, например, устанавливать давность кровоизлияния при инсультах.
ЧТО СМОТРЕТЬ
Заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его, можно четырьмя основными способами: УльтраЗвуковое Исследование (УЗИ), рентген, Рентгеновская Компьютерная Томография (РКТ) и Магнитно-Резонансная Томография (МРТ). Причет УЗИ и МРТ безвредны - в МР-томографе можно даже спать - ничего не случится.
Однако каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Так, УЗИ идеально подходит для исследования частей тела с большим количеством полостей: шеи, брюшной полости и органов таза, - ультразвук хорошо отражается на границах разных сред. Рентген незаменим при исследовании костей и желудочно-кишечного тракта: кости и контрастные вещества, вводимые в желудок и в кишечник, эффективно поглощают излучение. Ну а МР-томография позволяет под любым углом и в любом разрезе все мягкие ткани, или, как говорят медики, "живые структуры": ведь эта технология показывает распределение воды (точнее, протонов) в организме. А любая патология, любая болезнь это распределение меняет.
МАГНИТ
Магниты современных серийных томографов могут быть обычными постоянными, резистивными или сверхпроводящими (три типа). В медицинских целях используются поля (0,01-3 Тл). Самая дорогостоящая часть сверхпроводящего томографа - огромная магнитная катушка, способная генерировать магнитное поле мощностью в 1-3 Тл. Чем мощнее поле, тем выше соотношение сигнал/шум присканировании и тем большие возможности для диагностики предоставляет аппарат.
Для охлаждения нескольких километров проводов сверхпроводящей катушки используют жидкий гелий, позволяющий довести их до температуры, близкой к абсолютному нулю (4,2 градуса по Кельвину, или -268,95C). При такой температуре металл проводов переходит в сверхпроводящее состояние, потери электроэнергии в катушке за год составляют десятитысячные доли процента! Изготовление сверхпроводящих магнитов такой мощности - сверхложная задача, которая по плечу всего паре компаний в мире.
Добавляет цену и гелий, необходимый компонент для охлаждения. Во всем мире насчитывается всего несколько месторождений этого газа, и по некоторым оценкам, они иссякнут еще раньше, чем нефтяные скважины - лет чекрез пятьдесят. Уже сеячас в Западной Европе случаются остановки томографов из-за проблем с поставками гелия. Поэтому последние модели томографов имеют трехступенчатую систему охлаждения, поволяющую свести расходы газа практически к нулю. России, кстати, проблемы с гелием пока не грозят - одно из местородений находится как раз у нас.
Вообще-то сверхпроводящая катушка с закачанным в нее током - вещь чрезвычайно опасная. При утечке гелия сверхпроводимость мгновенно падает, а гигантский ток, циркулирующий в катушке, буквально за мгновения испаряет жидкий гелий внутри. Этот газ расширяется быстрее, чем газы при взрыве динамита. В общем, этакая мощная хайтек-бомба.
Правда, стать свидетелем подобного взрыва вам вряд ли удастся - все томографы оснащены многоуровневой системой защиты: при утечке гелия и росте температуры ток мгновенно заземляется, а гелий экстранно сбрасывается наружу. Кстати, тоже живописное зрелище.
Второй "поражающий фактор" магнитной катушки - собственно магнитное поле. То есть не само поле, разумеется, а захваченные им металлические предметы. Именно поэтому перед входом в помещение с томографом вас несколько раз спросят о наличии металлических предметов: часов, брелоков, ключей, мобильных телефонов - все это необхдимо оставить за дверью. Томографы, кстати, противопоказаны людям с имплантированными суставами из нержавейки. Правда, такие уже лет десять, как не ставят - сплошь немагнитные титановые. Металлические зубы магнит не выдергивает, но картинку они портят изрядно.
Металлические предметы, случайно попавшие с одно помещение с томографом - самая распространенная причина выхода из строя доргостоящего оборудования. Любой врач, работающий в томографическом отделении, расскажет вам десяток историй про летающие настольные лампы, кресла-каталки, стальные тросточки и даже приборы для наркоза.
ЗАВТРА
Нсмотря на почти сорокалетний опыт эксплуатации томографов, эта перспективная область диагностики находится в начале своего развития. Специалисты возлагают большие надежды на появление высокотемпературных проводников. Они позволили бы сделать томографы более компактными и дешевыми, а сам процесс из достаточно дорогостоящего обследования превратился бы в забавный аттракцион. Неужели вам не интересно, что творится у вас в голове?
