Информационные технологии в различных областях деятельности

Медицина

Долгие века врач для определения причины болезни мог доверять только своим рукам, глазам и ушам, своим чувствам, с помощью которых он обследовал больного. Первыми приборами, которые стали помогать врачу при осмотре, были стеклянный ртутный термометр для определения температуры тела, секундомер для подсчета пульса и деревянная слуховая трубка - стетоскоп - для прослушивания сердца, изобретенный французским врачом Рене Ланно в 1819 году.

Деревянный стетоскоп

Медицинский термометр

Позднее стетоскоп сменил фонендоскоп с чувствительной мембраной, камера под которой соединена с двумя гибкими трубками. Затем ко всему этому прибавились химические анализы состава крови и мочи.

Фонендоскоп

В 1860 году итальянский врач Ривароччи придумал простой и удобный метод измерения артериального давления. Он основан на измерении внешнего давления, которое нужно для полного пережатия артерии. Для этого накладывают на руку выше локтя полую резиновую манжету и соединяют ее с резиновой грушей и манометром (ртутным или стрелочным). С помощью груши закачивают в манжету воздух и одновременно следят за пульсом на артерии предплечья (у локтевого сгиба) и за показаниями манометра. Давление воздуха увеличивают до тех пор, пока не исчезнет пульс, то есть пока не будет полностью пережата артерия. Измеренное в этот момент давление воздуха в манжете соответствует систолическому давлению. В 1905 году русский врач Н.С. Коротков усовершенствовал метод Ривароччи. Он предложил прослушивать пульс фонендоскопом. Это позволило измерять не только систолическое, но и диастолическое давление крови (то есть, соответственно, при сокращении и расслаблении сердечной мышцы).

Измерение артериального давления тонометром и фонендоскопом

Н.С. Коротков (1874-1920 гг.)

Современные автоматические цифровые тонометры (рис. 12.1) оснащены миниатюрным воздушным насосом и датчиком давления в манжете. Резиновая груша и фонендоскоп при измерении давления таким аппаратом не нужны. Надо только надеть манжету и нажать на кнопку аппарата. Он проделает весь цикл измерения и покажет цифрами на дисплее величины систолического (верхнего), диастолического (нижнего) давления и пульса. Выпускаются даже тонометры, манжета которых надевается на запястье или на палец, но они, хотя и удобнее, не дают такой же точности измерения.

Рис. 12.1. Цифровой тонометр

Открытие Вильгельмом Рентгеном (1845-1923) Х-лучей, названных его именем, дало врачам возможность "заглянуть" внутрь тела человека, не повредив его.

Вильгельм Рентген (1845-1923)

Рентгенограмма кистей рук

Рентгеновская установка

Современный рентгеновский аппарат

Цифровая рентгеновская установка

Рентгеновское обследование позволило увидеть теневое изображение костей и внутренних органов. Появление рентгеновского аппарата вызвало к жизни новую область медицины - рентгенологию, изучающую применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем организма человека. В нее вошли рентгенодиагностика - для установления диагноза заболевания и рентгенотерапия - для лечения. Стал широко применяться такой метод рентгенодиагностики как флюорография: фотографирование теневого изображения с просвечивающего экрана на фотопленку небольших размеров для выявления заболеваний легких при массовых обследованиях. При флюорографии человек получает значительно меньшую дозу облучения, чем при рентгеноскопии (осмотре больного под рентгеновскими лучами) и при рентгенографии (получении рентгеновских снимков).

С середины XX века начали применять электрокардиографию - метод исследования сердечной мышцы, основанный на регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. Записанная на движущейся бумажной ленте или фотопленке прибора - электрокардиографа кривая - электрокардиограмма (ЭКГ) используется для диагностики заболеваний сердца.

Сокращению сердечной мышцы предшествует ее возбуждение, во время которого меняются физико-химические свойства мышечного волокна сердца - миокарда. Это сопровождается появлением электрического тока, который может быть зарегистрирован. Разные отделы сердца (предсердия и желудочки) сокращаются и расслабляются последовательно в разное время. Поэтому биоэлектрические явления, обусловленные их деятельностью, также регистрируются последовательно.

Электрокардиограф

В наше время электрокардиография остается одним из основных методов исследования сердца и диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы. Однако для грамотной расшифровки электрокардиограммы необходимо знание природы кардиографической кривой, поэтому расшифровку следует проводить только специалистам с опытом подобной работы. В последние годы нашла применение компьютерная электрокардиография, в которой расшифровка электрокардиограммы (ЭКГ) осуществляется компьютером.

Для постоянного наблюдения (так называемого мониторинга) за состоянием сердечно-сосудистой системы выпускаются суточные мониторы артериального давления и ЭКГ (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Суточный монитор артериального давления и ЭКГ

Для исследования биоэлектрической активности головного мозга применяется электроэнцефалография: графическая регистрация потенциалов головного мозга прибором - электроэнцефалографом. Записываемая при этом кривая - электроэнцефалограмма - используется в исследовательских и диагностических целях.

Снятие электроэнцефалограммы мозга

Все более широкое применение в медицине находит ультразвуковая диагностика - использование ультразвуковых колебаний для распознавания заболеваний мозга (эхоэнцефалография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т. д. Такая диагностика основана на свойстве ультразвуковых волн отражаться от границ, разделяющих среды. Это позволяет видеть контуры внутренних органов и различать образования с различной плотностью.

Ультразвуковое исследование (УЗИ) применяется для диагностики заболеваний мозга (эхоэнцелография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т.д.

Широко используется УЗИ для диагностики болезней органов брюшной полости, например, желчно-каменной болезни. А определение пола будущего ребенка с помощью ультразвука стало обыденной процедурой. Аппараты УЗИ есть даже на станциях московского метро.

Ультразуковое исследование

"Заглянуть" в такие внутренние органы, как пищевод, желудок, мочевой пузырь, бронхи дает возможность эндоскоп. Это оптический прибор, который вводится внутрь исследуемого органа. Он представляет собой световод - тонкий гибкий пучок стеклянных волокон из специального оптического стекла. Этот световод освещает внутреннюю поверхность органа и передает его изображение на экран телевизора или в фотокамеру.

Эндоскоп

В конце 1960-х годов начали использовать томографию (от греч. tomos - ломоть, слой и grapho - пишу), метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, например мозга. Оно осуществляется с помощью многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях, число которых достигает 10-106 (так называемое сканирующее просвечивание). По виду излучения различают электромагнитную томографию (рентгеновскую, гамма-томографию и магнитную или ядерно-магнитно-резонансную (ЯМР), пучковую томографию (например, протонную), а также ультразвуковую и др. С помощью томографии получают изображения слоев толщиной до 2 мм. Обработку сигналов осуществляют на компьютере: это так называемая компьютерная томография. Томография используется в медицинской диагностике и других областях науки и техники. В медицине благодаря своей высокой точности наибольшее применение получила ядерно-магнитная томография (ЯМР), использующая диапазон сверхвысоких частот. Однако компьютерная и ядерно-магнитная томография имеют побочные эффекты и применяются строго по показаниям.

Еще один метод томографии - магнитно-резонансный. Он позволяет сканировать любую часть тела в нужном направлении. Основная задача медиков при постановке диагноза - определить места уплотнений, разрежений, кровяных сгустков в ткани. Магнитно-резонансная томография позволяет это сделать. За ее разработку Пол Лотербур (США) получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2003 году. После математической обработки сигналы от магнитно-резонансного томографа превращаются в изображение на экране компьютера. Через несколько секунд врач может увидеть, как выглядит больной орган. Этот метод разработал второй нобелевский лауреат по физиологии и медицине в 2003 году Питер Мэнсфилд (Великобритания). С помощью магнитно-резонансной томографии можно с высокой вероятностью диагностировать злокачественные опухоли, воспалительные процессы, кисты, инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, вывихи, переломы, смещение межпозвонковых дисков.

Аппарат МРТ (магнитно-резонансной томографии

За последние годы значительно улучшилась техника и сократилось время получения четкого рентгеновского изображения. Этого удалось достичь благодаря использованию электронно-оптических усилителей и высокочувствительных датчиков. При компьютерной томографии излучатель движется вокруг биологического объекта, формируя множество отдельных рентгенограмм. Полученные изображения исследуемой области организма поступают в компьютер, где подвергаются обработке. В результате получается компьютеризированный срез человеческого тела с четкой прорисовкой всех деталей или стереоскопическое изображение исследуемой области.

До недавнего времени рентгеновские компьютерные томографы использовались только для исследования головного мозга. Это было связано с большим временем получения томограмм (4-6 мин) и с малым диаметром зоны томографирования (24 см). Незначительные естественные движения человека во время исследования (например, дыхание) приводили к значительным помехам в формировании изображения. В современных томографах время томографирования снижено до 1-3 с, а диаметр зоны исследования доведен до 70 см. Это позволило исследовать любую область человеческого тела и свести до минимума помехи от непроизвольных движений пациента.

Аппарат МРТ

МРТ головного мозга

Томограмма (фас) головного мозга (после обработки на компьютере)

Томограмма (профиль) головного мозга (после обработки на компьютере)

Все эти современные методы позволили "заглянуть" в организм человека, не разрушая его. Для этого нет нужды ждать, пока "вскрытие покажет", как говорилось в мрачной медицинской шутке.

Теперь - о молекулярной медицине, эпоха которой наступила в начале XXI века в результате поразительных успехов, достигнутых генетикой и генной инженерией.

Молекулярная медицина - это диагностика, лечение и профилактика наследственных и ненаследственных болезней на генном уровне. Она сможет выявить генетическую предрасположенность человека к различным болезням, проводить лечение наследственных и ненаследственных заболеваний на генном уровне. При этом в качестве лекарственного препарата будут выступать гены. Генная терапия не только устраняет определенные симптомы болезни, но и корректирует функции клеток и всего организма. Ее терапевтический эффект может достигаться заменой "больного" гена на "здоровый", коррекцией его структуры и функции, частичным или полным его подавлением.

Днем рождения реальной генной терапии может считаться 14 сентября 1990 года. В этот день было благополучно завершено лечение 4-летней девочки, родившейся с редким заболеванием - первичным иммунодефицитом. Любая детская болезнь могла убить ее в первые месяцы или годы жизни. Ученые национального института здоровья США забрали клетки иммунной системы девочки, ввели в них с помощью вирусов нормальные человеческие гены, которых ей недоставало, и вернули их в организм ребенка. Вскоре эту процедуру провели еще одной 9-летней девочке. В следующие два года детям проводили такую процедуру еще 12 раз. И хотя она не принесла девочкам полного излечения, перестроенные клетки выживают и производят необходимый больным недостающий фермент.

Существует два способа введения генетической информации в организм больного.

В первом из них, как в случае с американскими девочками, клетки извлекают из организма, вводят в них необходимый ген и снова возвращают. Эти клетки для организма "свои", иммунная система их не отторгает, и они затем синтезируют необходимый продукт, которого не хватало организму.

Другой способ - доставка генов прямо в организм. Чаще всего для доставки используют измененные и поэтому безопасные для организма вирусы, к которым "приклеивают" необходимые гены или их фрагменты.