Новые инструменты врача

Медицина, как известно, никогда с легкостью не принимала нововведений. Но поскольку медицинский персонал активно участвует в осуществлении программ пилотируемых космических полетов на всех их этапах, то вполне объяснимо, почему эта в основе своей достаточно консервативная область знаний, столь легко заимствует плоды развития такого дерзкого новопришельца в науке, как космонавтика.

Часто попадающие к врачам новые разработки лишь условно можно отнести к области авиационно-космических исследований. В этом случае технология авиационно-космической промышленности играет роль ускорителя передачи информации, без которого весь процесс проходил бы гораздо медленнее. Типичным примером служит появление криохирургии — способа глубокого охлаждения и замораживания костной и мышечной тканей вместо удаления их скальпелем. Первые эксперименты такого рода начались в 60-х годах и с успехом продолжаются.

Благодаря использованию в космических исследованиях многие из криогенных газов становятся коммерчески доступными и для других отраслей промышленности. По мере расширения рынка для таких газов расширяется и ассортимент установок для их производства, транспортировки и хранения. Таким образом, с ростом доступности этих газов и публикаций об их использовании и физических характеристиках увеличивается объем проводимых с их помощью исследований в других отраслях промышленности и в других областях науки.

Так, в настоящее время для лечения или смягчения симптомов различных болезней, в частности болезни Паркинсона, врачи используют жидкий азот. В нужную точку зрительного бугра головного мозга при рентгеноскопическом контроле вводят полую иглу с жидким азотом, чем в течение нескольких минут понижают температуру этой точки мозга до — 65° С. Операция производится очень быстро, после чего дрожание головы, конечностей и туловища пациента сразу же прекращается.

Кроме лечения болезни Паркинсона применение методов криохирургии перспективно также при операциях по удалению предстательной железы и определенных форм раковых опухолей, при удалении катаракты, а также при лечении местных воспалительных процессов роговицы, которые могут привести к слепоте.

Токсичность кислорода, обнаруженная в результате исследований в области авиационно-космической медицины, позволила многое понять и общей клинической медицине. Открылась причина так называемых внутритканевых пневмоний у пациентов, продолжительное время дышавших чистым кислородом. Исследование того, как влияет на человека давление окружающей среды, привело, в частности, к использованию камер высокого давления при различных хирургических операциях, а также для лечения заболеваний, вызванных анаэробными бактериями, например возбудителями столбняка (анаэробными называются бактерии, которые могут существовать без свободного кислорода). При повышенном давлении окружающей среды происходит более полное насыщение красных кровяных шариков кислородом, поэтому такие условия благоприятны для проведения операций на сердце. Изъять почку у трупа для последующей ее трансплантации также целесообразнее в условиях повышенного давления.

Определенные успехи в области медицины в некоторых случаях непосредственно связаны с достижениями космической техники. Типичным примером такого прямого влияния может служить новый метод обработки рентгеновских снимков. Чтобы понять суть этого способа, следует вернуться к полету космического корабля «Маринер», который в июле 1965 года пролетел мимо Марса, передав на Землю 20 снимков его поверхности. Инженеры лаборатории по разработке ракетных и реактивных двигателей Калифорнийского технологического института изобрели способ повышения четкости (резкости) этих снимков путем их особой обработки с помощью электронно-вычислительного устройства. В результате этой обработки со снимков «убирались» искажения, вызванные наведенными при передаче изображений шумами. Позже этот способ использовали при обработке снимков поверхности Луны, сделанных космическими кораблями «Рэйнджер» и «Сервейер».

Рис. 78. Метод усиления контрастности, первоначально разработанный для расшифровки фотографий Луны, полученных кораблями «Маринер», «Рейнджер» и «Сервейер», в настоящее время применяют и в медицинской рентгенографии. На двух рентгеновских снимках одна и та же часть черепа человека. Левый снимок – до специальной обработки, правый – после специальной обработки, в результате которой проявились кровеносные сосуды, невидимые на левом снимке

Далее ввели градацию яркости изображений на снимках, которой соответствовали сигналы разной силы от 0 (что соответствует уровню белого фона) до 63 (черный фон). Каждый снимок развертывался в 600 строк с 600 точками, и каждую точку нумеровали и хранили в системе памяти цифрового вычислительного устройства. Было установлено, что снимки можно сделать более ясными, изменяя контрастность каждой точки и приписывая ей новую величину. Специальное устройство преобразовывало эти величины в новые сигналы напряжения, и в результате печатания строки за строкой получались более четкие фотографии поверхности Марса и Луны.

Использовав этот метод при обработке рентгеновских снимков, получили поразительные результаты. На снимках четко проявились ранее неясные кровеносные сосуды (см. фото выше). Благодаря этому врачи могут теперь более точно определять начало ракового заболевания, начало развития болезни сердца и других болезней. Так космическая техника вооружила медицину новым средством диагностики.

Другим интересным примером того, как достижения космической техники используют для решения некоторых сложных «земных» медицинских проблем, является устройство для отбора проб воздуха, предназначенное для сбора частиц пыли на больших высотах. Его легко приспособить для исследований загрязнения воздуха в околоземных слоях атмосферы, а также в производственных помещениях. Такого типа прибор рассчитан на улавливание частиц пыли размером больше 0,1 мкм и особенно полезен для использования в опасных для человека условиях или в труднодоступных местах, так как он может иметь дистанционное управление.

Благодаря заимствованию некоторых достижений космической оптики многие практически слепые люди сейчас обрели зрение, используя очки с растровой оптикой, первоначально разработанной для кинокамер, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли.

Много новых приборов врачи получили в результате развития электроники, предусмотренного программами космических исследований. Как уже говорилось, микроминиатюризация позволила создать малогабаритные, прочные, легкие и надежные узлы радиооборудования для использования в условиях космического полета. Интегральные схемы размером не больше булавочной головки позволяют в настоящее время создавать слуховые аппараты с автономным питанием, которые помещаются в ушной раковине. Отпала необходимость в больших неуклюжих и тяжелых устройствах с проводами, батарейками, микрофонами и динамиками, которые человек вынужден был носить. Слуховой аппарат космического века весит около 3 г, по размеру он чуть больше таблетки аспирина.

Другим детищем микроминиатюризации электронного оборудования для космических исследований является телевизионная камера, которая крепится в шапочке на голове хирурга. Врачи и студенты, находящиеся в аудитории в другом конце клиники, могут наблюдать все подробности проводимой операции. В тело человека можно ввести миниатюрный объектив телевизионной камеры, который позволит наблюдать, например, за работой клапанов сердца. Электронные приборы больших размеров также применяются в медицине. Так, в процессе изыскания способов, пользуясь которыми космонавты могли бы осуществлять маневрирование космическим кораблем, подавая команды голосом, была создана изображенная выше установка. Ее с успехом используют при обучении речи умственно отсталых детей и глухонемых, а также для устранения дефектов речи у заик. Эта установка анализирует звуки речи и на экране осциллографа воспроизводит сигналы, соответствующие отдельным гласным звукам. Глухой человек видит на этом экране отметку, соответствующую произносимому им звуку, и если она находится не в том месте экрана, где ей полагается быть, то он делает необходимую поправку в своем произношении и добивается его правильности.

Рис. 79. Девятилетняя девочка, глухая от рождения, говоря в микрофон, наблюдает, в каком месте на экране осциллографа появляется соответствующий электрический сигнал. Этот прибор очень ценен для обучения хорошей дикции глухих людей, которые с его помощью могут визуально определять качество произносимых ими звуков. Прибор создан учеными в результате исследований, связанных с подачей голосом команд электронно-вычислительному устройству, находящемуся на борту космического корабля

Усовершенствованные биодатчики, описанные в предыдущей главе, можно использовать в современных клиниках, и многие из них сейчас проходят испытания. Так, интересен прибор, который первоначально был разработан для наблюдения за частотой пульса и частотой дыхания космонавта. Он состоит из антенны, которая помещается под матрацем или в подушке, усилителя и самописца или осциллографа. Прибор детектирует низкочастотные (в диапазоне до 40 гц) электромагнитные колебания, сопровождающие ток крови через артерии, а также изменения, происходящие в этих электромагнитных колебаниях. Этот прибор, разработка которого находится пока в стадии экспериментов, очень перспективен как инструмент для исследований в области гемодинамики.

Другим интересным примером того, как специалисты авиационно-космической медицины, совершенствуя системы биотелеметрии, помогают своим коллегам-врачам, является специальный датчик, изобретенный инженерами фирмы «Роял эйркрафт истеблишмент» в Фарнборо, графство Гэмпшир, Великобритания. Врачей Королевской национальной ортопедической клиники интересовало, можно ли разработать какое-либо телеметрическое оборудование, чтобы с его помощью измерять нагрузки, действующие на подагрические тазобедренные суставы. Зная эти нагрузки, ученые могли бы следить за развитием болезни и определять эффективность лечения. Эти данные можно было бы использовать также при конструировании искусственных тазобедренных суставов. Конструкторы в Фарнборо создали обувь, в подошву которой вмонтирован элемент, чувствительный к давлению. При ходьбе в такой обуви в катушке, идущей вокруг подошвы, генерируются сигналы, усиливаемые смонтированной в каблуке миниатюрной телеметрической установкой. Сигналы передаются к антенне, находящейся в конце комнаты.

От датчиков для измерения давления на модели летательных аппаратов при испытании их в аэродинамической трубе произошел миниатюрный приборчик — крошечный манометр для измерения давления в сердце по размеру меньше булавочной головки (диаметр меньше 1,3 мм); его можно ввести в левый желудочек сердца через вену в паху. Благодаря своей миниатюрности и высокой чувствительности он особенно полезен для обследования детей. Таким образом, врачи могут теперь измерять кровяное давление даже внутри сердца грудного ребенка, что раньше было совершенно невозможно. Поскольку этот зонд очень мал, он при движении к сердцу не причиняет пациенту боли или неудобства. Величина давления крови в сердце в форме электрических сигналов передается по очень тонким проводникам и воспроизводится на экране осциллографа или записывается на бумаге. С помощью этого датчика, достаточно миниатюрного, чтобы проходить через иглу для подкожных инъекций, можно обнаруживать изменения в величине кровяного давления, лежащие в диапазоне 0—200 мм рт. ст., с точностью до 1 мм рт. ст. Пластмассовая оболочка датчика совместима с кровью и во время прохождения по вене не вызывает повреждений.

При разработке средств, которые позволили бы космонавту в аварийной ситуации или в момент высоких перегрузок воздействовать на систему управления космическим кораблем, был изобретен переключатель, срабатывающий от движения глаз. Он состоит из очков, к каждому стеклу которых прикреплены крошечный источник инфракрасного излучения и фотоэлемент. Луч направляется на верхнюю наружную часть глазного яблока. Если человек посмотрит вверх, радужная оболочка глаза пересечет этот луч, что детектирует ток в фотоэлементе, и соответствующий переключатель включается или выключается. От естественного моргания век переключатель не срабатывает. Парализованный больной с помощью подобного управляющего устройства, переводя взгляд определенное число раз слева направо, может включать и выключать радиоприемник или телевизор, регулировать освещение в комнате, открывать и закрывать окна, включать звонок, когда нужна помощь, и даже управлять инвалидным креслом.

Рис. 80. Сверхчувствительный точный кардиограф для регистрации движений сердца, смонтированный на медицинском столе с воздушными подшипниками

Принцип воздушного подшипника, долгое время используемый в акселерометрах и гироскопах систем наведения и управления космических кораблей для уменьшения трения, тоже был использован инженерами авиационно-космической промышленности для применения в медицине. Созданный на его основе баллистокардиограф, например, позволяет производить очень точные исследования динамики сердца. Он представляет собой по существу платформу на воздушной подушке (см. рис. 80). Воздушная подушка изолирует эту платформу от всех источников вибрации и перемещений, кроме ударов сердца. На высокочувствительные датчики, воспринимающие движение платформы под влиянием работы сердца, не влияют на проходящий транспорт, ни перевозки тяжелого оборудования в коридорах клиники, ни даже шаги персонала в помещении, где установлен баллистокардиограф.

Воздушный подшипник нашел применение и при создании специальной кровати для больных с тяжелыми ожогами, разработанной в Англии Институтом ортопедии. На такой кровати больной, образно говоря, лежит на воздушной подушке, так что тело его не соприкасается с кроватью и выздоровление ускоряется.

Авиационно-космическая промышленность непрерывно создает все новые и новый материалы, техническое освещение, электроприборы в детали, которым медики могут найти весьма полезное применение. Так, в процессе изыскания лучшего изоляционного материала для космических кораблей был создан полимерный пластик, который при температуре человеческого тела имеет точно такую же плотность, как в жировые ткани тела человека. Такой пластик является идеальным набивочным материалом для кровати прикованного к постели больного, поскольку он более равномерно распределяет давление на тело и, таким образом, предотвращает появление пролежней. В поисках способов эвакуации людей, пострадавших во время работы в баках с жидким топливом гигантской ракеты «Сатурн-5», специалисты в области промышленной гигиены так модифицировали стандартные ортопедические носилки, что с их помощью можно иммобилизировать пострадавшего человека и проносить его в таком состоянии через отверстия диаметром 45 см. Эти модифицированные носилки приспособлены для размещения в вертолете или для использования с подъемным краном, чтобы доставить пострадавшего с нефтяной вышки или с небольшого судна, находящегося в море далеко от берега, а также из шахты и из других труднодоступных мест.

Сочетание достижений авиационно-космического материаловедения с новыми методами научных исследований и богатой творческой фантазией позволило создать фантом «искусственного больного», который в значительной мере поможет обучению студентов-медиков. СИМ-1, как его называют, имеет пластмассовые, похожие на человеческие кожные покровы и скелет. Его рот открывается и закрывается, как у человека, и студенты могут обследовать очень похожие на настоящие язык, гортань, трахею, зубы, голосовые связки и бронхи. В этом фантоме также имитируются удары сердца с пульсацией сонной артерии и височной вены, диафрагма и грудная клетка двигаются, как при дыхании; глаза открываются и закрываются, расширяются и сужаются зрачки. Всеми этими движениями в соответствии с введением «пациенту» различных лекарственных препаратов управляет счетно-вычислительное устройство.

Рис. 81. Управляемый с помощью счетно-решающего устройства «искусственный больной» для обучения студентов

СИМ-1 используют для обучения студентов и врачей введению в трахею полужесткой трубки, но которой прямо в легкие подается анестезирующий газ. Преподаватель наблюдает за действиями учащихся с помощью специального пульта (см. рис. 81). Этот пульт позволяет преподавателю «задавать» студентам такие ситуации, как спазмы или закрытие гортани у пациента, непроходимость левого или правого бронха, кашель с целью выплюнуть трубку, внезапная остановка сердечного кровообращения и даже рвота. С помощью этого же пульта можно повысить или понизить частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и кровяное давление, имитируя угрожающее состояние пациента, которое студенты должны диагностировать, чтобы принять соответствующие меры.

Далее…