«Если хотите узнать секреты Вселенной,
думайте об энергии, частоте и колебаниях».
Никола Тесла
Если Вы внимательно посмотрите вокруг, то наверняка увидите людей, у которых дрожат руки. Дрожание рук лишает людей любимой работы, не дает возможности заботиться о себе или близких. Такие люди не могут пить, не расплескав воду, не могут оставить подпись на важном документе, не могут погладить любимого внука. Врачи придумали лекарства, но, к сожалению, эти лекарства со временем перестают действовать. Изучая эту проблему, ученые нашли тот участок в мозге, который создает колебания нервных сигналов и сбивает с толку точное движение руки [1]. С тех пор уже полвека нейрохирурги проводят многочасовые операции чтобы устранить этот глубоко расположенный участок. Они с разрезают голову, затем проникают внутрь черепа и добираются до этого места через мозг инструментами.
Если вы смотрели всем известный фильм «Звёздный Путь IV. Дорога домой», то наверняка помните, как в середине восьмидесятых годов двадцатого века авторы фантастических фильмов мечтали о волшебном свистящем обруче, который без разрезов лечил голову (рис. 1). И вот это время настало. Появилось устройство, которое позволяет сделать операцию в мозге без разрезов.
Рис. 1. Кадр из фантастического фильма, где нейрохирургическая операция делалась без разрезов
Дрожание рук, звук, свет, сигнал вашего сотового телефона являются колебаниями. Явление колебаний связано с повторяющимся смещением чего-либо то в одну, то в другую сторону. Так, дрожание рук является механическим колебанием, свет и сигнал телефона являются колебаниями электромагнитного поля. Учебник физики говорит: «При колебательных процессах состояния системы через определенные промежутки времени повторяются точно или почти точно. Когда колебательный процесс распространяется в пространстве с течением времени, то говорят о распространении волн” [2]. Если вы, подойдя к пруду, ритмично подвигаете рукой в воде, то увидите, как эти колебания в виде волн могут распространяться очень далеко, приводя в колебания игрушечную лодку или листочки на поверхности воды.
С явлениями колебаний связано еще одно важное явление резонанса. Понаблюдайте внимательно за качелями и запомните сколько времени занимает одно движение вперед-назад. Это время называется периодом колебания. Попросите папу толкать качели. Вы заметите, если время между толканием качели совпадает с временем, которое вы запомнили, то качели начинают раскачиваться — увеличивать амплитуду, качаться сильнее и выше. Когда папа перестанет их качать, то они все равно будут продолжать качаться. Очень важно то, что они могут очень больно ударить в ответ, то есть отдать эту накопленную папину энергию назад.
Явление резонанса помогает вам слышать: звуковые колебания вызывают дрожание барабанной перепонки в ушах. Резонанс электромагнитных волн помогает нам разделять сигналы от разных приборов. Электромагнитный сигнал сотового телефона, не слышен по радио, потому что период колебаний сигналов телефона и радио различный, а телефон и радиоприемник настроены резонировать при разных периодах колебаний. Если вы будете громко петь рядом с гитарой, то услышите, как резонируют струны. На Ваши высокие ноты будут резонировать струны, настроенные на высокие ноты.
Как же резонанс и колебания помогут лечить людей от дрожания рук? Для того, чтобы найти участок мозга внутри головы, который ответственен за дрожание рук нужно посмотреть на мозг. Но как это сделать если он скрыт внутри черепа?
В 2003 г. Нобелевская премия по медицине вручена двум ученым Paul Lauterbur (University of Illinois) и Peter Mansfield (University of Nottingham). В начале семидесятых годов двадцатого века, они выяснили что атом водорода, входящий в множество химических соединений в организме, в том числе воду и жир может резонировать так же, как струна гитары. На основании этого открытия был придуман магнитно-резонансный томограф — аппарат (рис. 2), который слушает резонанс от каждого атома водорода и превращает ответ в рисунок. Рисунок этот отражает количество этих атомов в каждой точке (рис. 3). Разные вещества содержат разную плотность атомов водорода. Чем, больше от них сигналов, тем белее точка. Так можно отличить разные вещества. Прибор похож на папу, раскачивающего качели каждого атома водорода, а потом наблюдающий какие качели раскачались сильнее.
Рассмотрим, как это происходит. Человека кладут внутрь очень сильного магнитного поля. Это безопасно. Постоянное магнитное поле безвредно для человека. Индукция магнитного поля аппарата составляет 1,5 Тесла, в сравнении это больше в тридцать тысяч раз с магнитного поля Земли! Магнитное поле резко ослабевает в зависимости от расстояния от магнита. Дополнительно оно ослабляется помощью специальных градиентных магнитных катушек. Таким образом, магнитное поле в разных участках головы отличается во много раз.
Рис. 2. Гибридная операционная. Магнитно-резонансный томограф (кубической формы) и аппарат фокусированного ультразвука (округлой формы на столе)
Теперь представьте себе, что атомы водорода — это струны гитары, которые натянуты тем больше, чем сильнее магнитное поле. Атомы водорода в разных местах головы становятся по-разному «натянутыми”. Там, где водорода нет, там нет и струны с натяжением такой силы. Представьте, будто так же, как вы поете гитаре, аппарат поет этим струнам разные звуки. Затем аппарат слушает, запела ли какая-нибудь струна в ответ. Там, где струны ответили, на соответствующую точку карты магнитного поля ставится белая точка (есть резонирующие атомы водорода), там, где не ответили ставится черная точка (нет атомов водорода). Вот так выглядит в конечном итоге картинка (рис. 3).
Рис. 3. Магнитно-резонансно томографический снимок головы
Таким образом мы определили расположение различных участков мозга в пространстве, но как же сделать операцию внутри мозга без разрезов?
Здесь нам тоже помогут волны и их резонанс. Представьте, что папа и мама взяли полотенца и начали раскачивать их, встав близко друг напротив друга. Когда родители качают полотенца произвольно, полотенца не сталкиваются, потому что фазы их колебаний (время начала колебания) не совпадают. Если вы попросите папу и маму начать качать одновременно, то полотенца столкнутся с характерным звуком и будут сталкиваться пока мама и папа качают полотенца с одинаковой частотой и фазой колебаний. Теперь представьте, что тысяча устройств издают звук очень направленно, как через рупор, в нужный участок мозга и их колебания совпадают по фазе (рис. 4). Устройства действуют очень слаженно. В месте пересечения пучков, отправляемых устройствами, наступает очень сильный резонанс и участок мозга, виноватый в дрожании рук разрушается. В результате проводится лечебное воздействие, а пациент встает и идет домой.
Рис. 4. Схематическое воздействие ультразвуковых волн на участок мозга, вызывающий дрожание руки (тремор)
Авторы статьи присутствовали при первой в России нейрохирургической операции нового поколения в международном медицинском центре им. В. С. Бузаева «Клиника Интеллектуальной Нейрохирургии» (г. Уфа). Команда смогла предсказуемо, безболезненно, бескровно и без наркоза провести хирургическую операцию на глубинных структурах мозга путем нагревания фокусированными ультразвуковыми волнами с наблюдением за воздействием на изображении магнитно-резонансной томографии. Операционная не похожа на обычную, в ней нет разрезов, наркоза и крови. Врачи работают как слаженный персонал космического корабля, а пультовая похожа на его кабину (рис. 5). Используется специальный шлем способный точно передавать ультразвуковые волны (рис. 6).
Первая в России такая операция проведена пятого мая 2020 года шестидесяти восьмилетнему жителю Республики Башкорстостан с болезнью Паркинсона [5]. Пациент работал успешным ветеринаром много лет, даже проводил операции коровам, и последнее время заболевание значительно ограничило его возможности выполнять обычные действия в связи с сильным дрожанием руки. После операции дрожание руки на стороне лечения прошло.
Необходимость измерить эффект от операции послужило целью нашего исследования.
Рис. 5. Бригада операционной как персонал космического корабля
Рис. 6. Пациент в шлеме готовится к проведению лечения
Цель исследования: оценить эффективность операции, сравнивая дрожание руки до и после процедуры.
Методы: существует тест на дрожание руки, при котором пациент рисует линии и спирали на альбомном листе [6].
Непосредственно, под присмотром научного руководителя и врачей, я участвовал в подготовке оборудования к работе, собирал шлем для пациента и участвовал в тестировании пациента (рис. 7, 8).
С целью определить выраженность дрожания руки я измерял длину звеньев ломаной линии, находил наибольшую высоту зубца на нарисованной спирали, считал количество звеньев. Чем больше высота зубца ломаной линии и количество звеньев, тем сильнее выражено дрожание и больше его амплитуда.
Рис. 7. Сборка шлема пациента
Рис. 8. Я помогаю проводить спиральный тест во время лечения
Результаты исследования:
В таблице 1 представлены проведенные измерения. Максимальная высота зубца и количество звеньев ломаной линии были больше до операции в сравнении с измерением после операции, что свидетельствует об эффекте операций. На рисунке 9 представлены спирали пациента до и после операции.
Рис. 9. Спирали пациента
Пациент Г, мужчина, 69 лет.
|
Самое большое звено на спирали А, В (мм) |
Самое большое звено на линии (мм) |
Количество звеньев линии |
Количество звеньев спирали А |
|
|
До |
11 мм, 18 мм |
13 мм |
99 звеньев, ломаная линия с острыми углами |
больше 100 |
|
После |
2 мм, 2 мм |
3 мм |
36 звеньев, ломаная линия ближе к кривой линии, углы сглажены |
звенья не определяются, линия похожа на спираль |
Выводы:
Таким образом, такие физические явления как колебания и резонанс, могут быть как проявлениями болезни, так и средством к их лечению. Нарушения нервной системы, приводящие к дрожанию рук, диагностируются с помощью резонанса электромагнитных колебаний атомов водорода и излечиваются резонансом ультразвуковых колебаний. Это позволяет лечить без разрезов, без боли и без необходимости открытой операции. Проведенные мной измерения позволяют объективно говорить о снижении дрожания рук у пролеченного пациента. В будущем я планирую изучать результаты лечения у этого пациента и последующих.
Литература:
- Залялова, З. Что мы знаем о треморе / З. Залялова. // Врач. — 2011. — № 14. — С. 11.
- Мякишев, Г. Я. Физика. Колебания и волны. 11 класс. / Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. — 9-е изд. — Москва: Дрофа, 2010. — 289 c.
- Susan, Mayor Nobel prize in medicine awarded to MRI pioneers / Mayor Susan. // British medical journal. — 2003. — № 327(7419). — С. 827.
- Deborah, Kotz FDA approves first MRI-guided focused ultrasound device to treat essential tremor / Kotz Deborah. // US Food and Drug agency: [сайт]. — URL: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-mri-guided-focused-ultrasound-device-treat-essential-tremor (дата обращения: 28.05.2020).
- Барабаш, Татьяна Терапия будущего: без боли, без крови, без наркоза / Барабаш Татьяна. // Вечерняя Уфа. — 2020. — № 34(13413). — С. 1.
- Jija, D. G. Novel features for diagnosis of Parkinson’s disease from off-line Archimedean spiral images / D. G. Jija, Chanda Bhabatosh. // 2019 IEEE 10th International Conference on Awareness Science and Technology (iCAST). — Morioka, Japan: IEEE, 2019.
