8.3. Электронные и компьютеризированные устройства и системы в ме­дицине

Современная медицинская диагностическая и лечебная аппаратура харак­теризуется высоким уровнем электронизации и компьютеризации. Процесс ме­дицинской диагностики складывается из нескольких этапов:

• получение необходимой информации на основе наблюдений, исследо­ ваний и измерений;

• принятие решения (формулирование первичного диагноза) на основе имеющейся информации;

• принятие программы лечения и уточнение диагноза основного и по­ путных заболеваний.

Среди электронных средств диагностики наибольшее распространение получили системы визуализации внутренних органов, основанные на различ­ных методиках, реализуемых с помощью микропроцессорных и компьютерных устройств (томография).

110

В ходе совершенствования традиционной рентгенографической аппара­туры для исследования органов дыхания, пищеварения и костно-суставной сис­темы основное внимание уделяется усилению яркости рентгеновского изобра­жения при одновременном снижении дозы облучения до 50 мкР/с. Это достига­ется применением веерного рентгеновского пучка и регистрацией излучения комбинированными приёмниками, преобразующими его в световое. Световое излучение, в свою очередь, поступает на многоматричные кремниевые фотоди­одные преобразователи, формирующие видеоизображение на экране монитора. Наибольшее развитие за последние годы получили ультразвуковые сис­темы и системы на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Аппаратура для ультразвуковых исследований (УЗИ) основана на прин­ципах эхографии. Сейчас наблюдается вытеснение простейших УЗИ-аппаратов с ручным сканированием более современными ультразвуковыми эхографами с электронной разверткой, дающими изображение в реальном масштабе времени. Системы на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исключают необходимость использования рентгеновского и других ионизирующих излуче­ний, обладают более высокой разрешающей способностью при анализе струк­туры тканей и головного мозга, позволяют в некоторых случаях исследовать химический состав тканей без применения биопсии.

Для получения изображения с помощью ЯМР необходимы магниты, соз­дающие поля интенсивностью 0,15 -*-1,5 Тл или сверхпроводники. Рынок ЯМР-аппаратуры развивается очень интенсивно, особенно в США,

Поскольку практически все процессы в организме сопровождаются изме­нением электромагнитных полей, в последнее время большое внимание стало уделяться электропунктурной диагностике, основанной на измерениях элек­трокожных характеристик. Наибольшую популярность приобрели электро-пунктурные методики измерения кожно-гальванической реакции с помощью контактных металлических электродов с зондирующим потенциалом опреде­лённого знака (в методике Фолля - положительного, в методике Накатани - от­рицательного).

На основе персональных компьютеров разрабатываются и внедряются лечебно-диагностические комплексы, объединяющие диагностику по методике Фолля с ИК-терапией, импульсной и гармонической НЧ-терапией, а также с КВЧ-терапией с пунктурньш воздействием. В современных клиниках всё большую роль начинают играть телеметрические компьютеризованные систе­мы непрерывного мониторинга на основе электрокардиографических, электро-гастроэнтерографических и других измерений параметров человеческого орга­низма. Разрабатываются математические модели, имитирующие лечебно-диагностические процессы, на основе которых создаются автоматизированные компьютерные системы оптимального управления этими процессами.

111

Лечебно-диагностические комплексы начинают интегрироваться через глобальные и локальные информационные сети и системы, а индивидуальные пациенты всё чаще пользуются услугами "интернетовской медицины".

Новейшие компьютерные технологии сделали реальной систему вирту­ального сканирования функционального состояния человеческого мозга с по­следующей коррекцией и восстановлением его функций.

В лечебной практике также широко используются электронные средства терапии, хирургии и создания искусственных органов.

Наибольшее развитие и распространение в современном лечебном деле получила микроволновая терапия.

Показания для СВЧ-терапии включают в себя широчайший спектр забо­леваний.

Мощность излучений и продолжительность их воздействия учитывают характер заболевания и индивидуальные особенности пациентов. Тепловые мощности излучения не должны превышать 60 Вт. Лечебные СВЧ-системы мо­гут быть снабжены компьютерным управлением, генераторами частоты явля­ются лавинно-пролётные диоды или диоды Ганна, для более эффективного и глубокого прогрева тканей используют кольцевые фазированные решётки.

Особенно эффективно применение СВЧ-излучений в рефлексотерапии. Глубина введения игл в классической акупунктуре находится в пределах 0,3 •*- 5 см. Глубина проникновения в ткани электромагнитной энергии в диапазоне частот 0,4 •*- 50 ГГц колеблется в пределах 3,5 •*- 0,06 см.

Современные терапевтические СВЧ-аппараты, не нарушая целостности кожного покрова и тканей, позволяют осуществлять не только управляемый прогрев точек акупунктуры, но и комплексное воздействие (микромассаж, ир­ригация, промывание лекарственными растворами, электрофорез, магнитофо-рез и проч.)

Широкое применение в медицине приобретает лазерная аппаратура. Ла­зерное излучение позволяет бескровно и безболезненно проводить хирургиче­ские операции; оказывает противоспалительное, обезболивающее и противо-отёчное действие; улучшает параметры крови и желчи; стимулирует микроре-циркуляторные процессы в тканях организма и т.д. Источниками излучения в этих системах обычно являются инжекционные полупроводниковые, гелий-неоновые, мощные импульсные СО₂-лазеры, лазеры на красителях.

На базе красных и ИК-светоизлучающих диодов создаются аппараты, реа­лизующие рефлексотерапевтические методы лечения и обладающие болеуто­ляющим противовоспалительным действием.

Известен лечебный и общеукрепляющий эффект при УФ-облучении кро­ви больных, что привело к созданию целого комплекса бактерицидных УФ-облучателей.

Этот перечень применений электроники в медицине, безусловно, можно

расширить и продолжить.

Так, в кардиологии широкое распространение приобретают импланти­руемые электронные антиаритмические устройства. Одна из последних мо­делей сердечного электростимулятора размером чуть больше спичечного ко­робка представляет собой программируемое компьютерное устройство с памя­тью, которое прогнозирует и гасит аритмию до её наступления и в нужный мо­мент включает электрошок.

Создан тепловой жилет, предназначенный для обеспечения организма дополнительной тепловой энергией через участки кожи, ответственные за энер­гообмен лёгких и желудка человека (зоны Захарьина-Геда), где осуществляется основное энергонасыщение крови, и который обладает сильнейшим терапевти­ческим воздействием.

На базе открытия великого русского биофизика А.Л. Чижевского возни­кает новое направление в терапии, так называемая аэроионная терапия, осно­ванная на благотворном воздействии отрицательных аэроинов кислорода на ор­ганизм человека на клеточном уровне (электроэффлювиальная люстра Чижев­ского).

Ещё одна интересная область биомедицинской электроники связана с раскрытием природы явлений, происходящих в пространстве, ограниченном наклонными гранями пирамид. Установлено, что устройство типа бипирамиды обладает способностью улавливать и аккумулировать космические и фоновые излучения, преобразовывая их в собственное информационно-энергетическое

поле.

Ряд авторов, ссылаясь на свои эксперименты, свидетельствует, что в этом пространстве меняется ход физического времени, снижается температурный порог сверхпроводимости, происходит спонтанная зарядка конденсаторов, са­мозаточка бритвенных лезвий, увеличиваются сроки хранения продуктов и

проч.

Утверждается, что с помощью бипирамиды можно перестраивать биопо­ля, ускорять метаболизм в живых клетках, повышать иммунитет, усиливать действие лекарственных препаратов. Высокая лечебная эффективность бипи-рамид Славникова (по имени их изобретателя) потверждена проверкой в реаби-литационно-оздоровительном центре Беларуси.

Конечно, всегда следует помнить, что применение электроники в меди­цине сопряжено с действием неконтролируемых (или просто неизвестных) от­рицательных факторов. Поэтому на всех этапах своего развития биомедицин­ская электроника должна постоянно соблюдать и утверждать тезис Гиппократа: "Лечит врач, но излечивает природа. Не навреди!"

112

113

Послесловие, или маленькое эссе о героях физики и электроники

Выступая 19.02.2001 в Киеве перед представителями промышленности Ук­раины, академик Российской академии наук, лауреат Нобелевской премии Жорес Алфёров отметил, что без собственной электронной базы мы не сможем развивать новые области, и призвал к реализации конкретной российско-украинской про­граммы по физике наноструктур и наноэлектронике. Физика всегда была и остаёт­ся краеугольным камнем электроники, а её достижения и открытия дают старт но­вым направлениям электроники и лежат в основе соответствующих генераций электронных приборов, устройств и систем.

Начало пути познания автора этих строк пришлось на вторую половину пя­тидесятых годов прошлого столетия, когда вакуумная лампа, знаменовавшая пер­вый исторический этап развития электроники, уже завершала своё триумфальное шествие. Вставала заря новой эры - эры твердотельной, преимущественно полу­проводниковой электроники, перспективы которой казались тогда безбрежными.

Развитие электроники было столь стремительным и бурным, что, к настоя­щему времени из науки о законах движения и взаимодействия электрически заря­жённых частиц и квазичастиц, она, по сути, превратилась в науку, рассматриваю­щую их одновременно как носителей информационного потенциала, став, таким образом, фактическим базисом современных информационных технологий.

Для физиков с классическим образованием переход от природных к искус­ственным кристаллам и структурам, от "богом созданных" к "сделанным челове­ком" ("тап тайе сгузЫв", по образному выражению Нобелевского лауреата Лео Есаки) был впечатляющим, но вполне укладывающимся в рамки их мировоззре­ния. Куда сложней перестроиться на новую, биомедицинскую электронику, кото­рая основана на физике живого. Она требует понимания того, что в реальном мире существуют (или могут быть созданы) структуры принципиально другого типа, подпитываемые источниками внешней энергии и материи, способные к самоорга­низации и даже к самовоспроизведению, чья энтропия может уменьшаться, вопре­ки казалось бы незыблемому выводу классической физики, вытекающему из вто­рого начала термодинамики, согласно которому любая материальная система стремится к состоянию с максимальной энтропией.

Конечно, на этом пути будут свои трудности, свои свершения, свои озаре­ния, свои разочарования и свои герои.

А в нашей памяти и в истории навечно останутся те, кого мы относим к ге­роям и богам электроники.

Вспомним событие, свидетелями которого в октябре 2000 года мы все с ва­ми были, - на экранах телевизоров мелькнули кадры: немолодой, седой, солидный и импозантный человек, прислушивавшийся к радиоприемнику, вдруг по-юношески подпрыгнул, победно воздел руки, как болельщик после забитого гола, а все окружающие бросились его поздравлять.

Этим человеком был крупнейший физик современности, директор Санкт-Петербургского физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской Ака­демии наук, академик Жорес Иванович Алфёров, а поводом для ликования яви­лось присуждение ему и двум другим учёным из США (Джеку Килби и Герберту Кремеру) Нобелевской премии по физике за 2000 год. Тем самым были по досто­инству оценены работы Ж. Алферова в области физики полупроводников и созда­ния новой генерации электронных приборов, положенных в основу современных компьютеров и суперкомпьютеров.

Затем были поздравления научной общественности, выступления в Госдуме, встречи с Президентом В.В. Путиным, церемония вручения премии, многочислен­ные интервью...

Нобелевские премии по физике присуждаются ежегодно, начиная с 1901 го­да, исключая 1916, 1931,1934, 1940 - 1942 годы. Открыл список Нобелевских лау­реатов Вильгельм Конрад Рентген, выдающийся физик-экспериментатор, обнару­живший и исследовавший Х-лучи, которые мы все теперь называем рентгенов­скими. В числе Нобелевских лауреатов по физике не так уж много наших бывших по Советскому Союзу соотечественников: П.А. Черенков, И.Е. Тамм, И.М. Франк, Л.Д. Ландау, Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, П.Л. Капица.

В 1956 году мир облетело сообщение о присуждении Нобелевской премии в области физики за исследование полупроводников и открытие транзисторного эф­фекта американским физикам Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Брат-теину. С этого открытия и началось триумфальное шествие полупроводников, именно этот момент является началом эры твердотельной электроники.

Мне довелось на одной из международных конференций слушать доклад У. Братгейна, посвященный поверхностным свойствам полупроводников. Отвечая на вопросы, он в том числе рассказал, как складывались биографии его собратьев по

Нобелевской премии.

В частности, он сообщил, что его коллега, блестящий физик, У. Шокли, ра­ботами и монографиями которого мы пользуемся по сей день, оставил науку, ушел в бизнес, но не достиг там особых успехов.

Когда речь идёт о Д. Бардине, всегда упоминают о том, что он - единствен­ный человек, которому Нобелевская премия была присуждена дважды, хотя устав Нобелевских премий это настрого запрещает. Дважды Нобелевским лауреатом была М. Складовская-Кюри, но в 1903 году это была премия по физике, а в 1911 -по химии. Просто в 1972 году, рассматривая кандидатуры Д. Бардина, Л. Купера и Д. Шриффера, представленные к премии за разработку теории сверхпроводимо­сти, члены Нобелевского комитета никак не могли обойти человека, который в этой троице играл ведущую роль.

Эпохальным событием стало создание генераторов и усилителей нового ти­па - лазеров и мазеров, положившее начало квантовой электронике. В 1964 году за фундаментальные исследования в этой области была присуждена Нобелевская

114

115

премия, объединившая американца Ч. Таунса и двух молодых советских учёных -Н.Г. Басова и А.М. Прохорова.

Моя творческая жизнь складывалась так, что мне посчастливилось сотруд­ничать с А.М. Прохоровым и его научной школой. К сожалению, академик А.М. Прохоров скончался в январе 2002 г.

Одним из "богов" современной электроники, лекции которого мне довелось слушать, безусловно является известнейший японский физик Лео Есаки, который открыл туннелирование в полупроводниках и построил в 1957 году туннельный диод (диод Есаки), без которого просто немыслима элементная база современной электроники. В 1974 году, когда Лео Есаки, полностью натурализовался в США и стал работать в 1ВМ, ему наряду с А. Живером и Б. Джозефсоном была присужде­на Нобелевская премия за открытия, связанные с явлениями туннелирования в твёрдых телах. Приборы, основанные на стационарном и нестационарном эффекте Джозефсона, положили начало криогенной электронике и той области микроэлек­троники, которая решает насущные проблемы создания компьютеров ближайшего будущего и суперкомпьютеров.

Мой путь в науку во многом определило сотрудничество с Ленинградским физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе (Физтех) в те годы, когда его директором был академик В.М. Тучкевич, а заместителем директора - Ж.И. Алфе­ров.

Поэтому не могу не рассказать о своем видении открытий, сделанных Ж.И. Алферовым, которые составили предмет присужденной ему Нобелевской премии.

Ж.И. Алфёров родился в 1930 году. Своим "революционным" именем, как и его старший и не менее талантливый брат Маркс, погибший под Корсунь-Шевченковским в 1944 году, он обязан некоей "моде", свойственной тому време­ни. В 1952 году он окончил Ленинградский электротехнический институт, с 1953 года и поныне работает в Физтехе, ставшим ему родным домом. Я не знаю других выдающихся физиков, кроме Ж.И. Алфёрова, которые бы имели "неклассическое", неуниверситетское, а именно инженерное образование. Быть может, именно этой инженерной закваске Жореса Ивановича мы обязаны тому высокому уровню реа­лизации научных достижений, который свойственен не только ему лично, но и возглавляемому им Физтеху.

Накануне своего 70-летия, отвечая на вопрос интервьюера о возможности присуждения ему Нобелевской премии, Ж.И. Алфёров сказал: "Слышал, что пред­ставляли уже не раз. Практика показывает - либо её дают сразу после открытия (в моём случае это середина 70-х годов), либо уже в глубокой старости. Так было и с Петром Леонидовичем Капицей. Значит, у меня всё впереди". Он, как никто дру­гой, прекрасно понимал, что речь идёт не только о признании его заслуг в чисто ретроспективном плане, а, прежде всего, о его фундаментальных исследованиях и открытиях на пути создания принципиально новых активных полупроводниковых структур, представляющих собой композиции из разных материалов ("гетерост-

116

руктуры"), которые определили глобальную перспективу эффективного управле­ния параметрами приборов твердотельной электроники и микроэлектроники, при­вели к рождению принципиально новых компонентов, приборов и устройств элек­троники.

Это Ж.И. Алфёрову мы обязаны тем, что в словарь современных полупро-водниковцев вошли такие физические термины, как суперинжекция, дробный квантовый эффект Холла, гетеролазеры, координатно-чувствительные фотоэле­менты и др.

На пути создания многокомпонентной композиции природа ставит мощный барьер, который проявляется в возникновении огромного количества структурных дефектов, образующихся ввиду кристалло-размерного несоответствия между со­прягаемыми материалами, что исключает возможность нормального функциони­рования конструируемого прибора. В сборнике, посвящённом юбилею Ж.И. Ал­фёрова, опубликован превосходный очерк его друга и сотрудника, известного фи­зика, Бориса Петровича Захарчени, который вспоминает, как молодой Жорес сут­ками не выходил из своей лаборатории, буквально заваленной схемами подбора оптимальных пар веществ, из которых комбинировался гетеропереход. Труды эти не пропали втуне - в лаборатории Ж.И. Алфёрова родился метод жидкостной эпи-таксии монокристаллических слоев полупроводниковых материалов, и были полу­чены высококачественные гетеропереходы для различных полупроводниковых приборов. Над этой же проблемой бились специалисты США, Японии, Англии и других стран, но только учёным из Физтеха удалось её решить. В 1982 году Ж.И. Алфёрову (руководителю), В.М. Андрееву, Д.З. Гарбузову, В.И. Королькову, Д.Н. Третьякову и В.И.Шейкину за фундаментальные исследования гетеропереходов в полупроводниках и создание новых приборов на их основе была присуждена Ле­нинская премия.

Нобелевская премия Ж.И. Алфёрова вызвала в России невиданный прилив интереса к науке, чему мы, его украинские коллеги, искренне и по-хорошему за­видуем. Весомость доводов Нобелевского лауреата, который к тому же является директором Физтеха, вице-президентом РАН, депутатом Госдумы РФ, заставила увеличить бюджетные ассигнования на науку в России. Подлинным подвигом Ж.И. Алфёрова, является создание и строительство при Физтехе Научно-образовательного центра (НОЦ), предназначенного для фундаментального по­этапного (начиная со школьной скамьи) формирования научных кадров, которым суждено работать в XXI столетии.

Когда в 90-е годы из-за отсутствия финансирования Физтех практически очутился один на один перед мрачной перспективой сворачивания научных иссле­дований, Ж.И. Алфёров отпустил своих учёных на "вольные хлеба". Теперь Ж.И. Алфёрову удалось снова собрать их всех под свои знамёна независимо от граж­данства, возраста и других ограничений. Поневоле приходят на ум слова А.П. Че­хова: "Национальной науки нет, как нет национальной таблицы умножения".

117

В истории новой информационной эры человечества, эры Интернета, есть два исходных пункта: один из них следует отсчитывать с 1958 года, когда Джек Килби и Роберт Нойс независимо друг от друга изобрели первую интегральную схему, а другой обычно связывают с 1973 годом, когда Уинт Серф совместно с Ро­бертом Каном предложили протокол ТСР/1Р, благодаря которому прежде несо­вместимые компьютерные системы получили возможность общаться друг с дру­гом. Они же ввели в обращение столь популярное сейчас слово "ЬйегпеГ.

Наряду с блестящими физическими открытиями, определившими ход разви­тия электроники, о которых речь шла выше, мы обязаны назвать вехи и имена, без которых история современной электроники была бы неполной. Это - и изобрета­тель микропроцессора Гордон Мур, и создатели персонального компьютера Стив Джобе и Стив Возняк, и "отцы" \Утс1о\УЗ Билл Гейтс и Полл Аллен, и создатель программной среды \У\^\У Тим Бернес-Ли, и изобретатель мышки Дуглас Эне-гельберт,а также многие другие.

Завершить это послесловие хочется призывом Ж.И. Алфёрова: "Уверен, по­лучит новый импульс политика в области науки и передовых технологий. Самым большим счастьем будет, если мы снова воспрянем духом!"