Медицинская физика и биоинженерия на пороге ХХI столетия

В.Ф.Русяев

Взаимодействия физики и биологии — двух фундаментальных дисциплин, положивших начало физико-техническим и медико-биологическим наукам, всегда было плодотворно и приносило важные практические результаты. В ходе исследования живых организмов удалось сформулировать ряд фундаментальных положений термодинамики, гидродинамики, оптики. Не менее весом вклад физики в развитие биологических наук. Изучение практически любого биологического процесса (мышечного сокращения, зрения, кровообращения, терморегуляции, возбуждения тканей и органов, биологических эффектов и механизмов действия физических факторов на живые организмы) невозможно без привлечения теоретических положений механики, гидродинамики, оптики, электродинамики, квантовой физики.

Плодотворное сотрудничество создает условия для быстрого развития

Плодотворное сотрудничество между физико-техническими и медико-биологическими науками способствует возникновению и быстрому развитию пограничных областей научного знания.
К числу таких наук, в первую очередь, следует отнести биологическую физику (биофизику). Среди ее важнейших задач необходимо выделить изучение физических закономерностей функционирования биологических систем на всех уровнях структурной организации от молекулярного до биосферы, исследование биологических эффектов и механизмов действия физических факторов, разработку биофизических методов для исследования структуры и функционирования живых организмов.

Решение первой задачи позволило сформулировать ряд основополагающих биофизических положений и теорий, составивших основу молекулярной генетики и биологии, биоэнергетики, биомеханики, гемодинамики, теорий возбуждения, слуха, зрения.

 Условия создания новых более эффективных методов лечения

Исследование биологических эффектов физических факторов и механизмов их действия выявило совокупность биологических реакций, позволяющих говорить о физиологическом, патогенетическом и терапевтическом действиях. Понимание механизмов взаимодействия живых организмов с физическими полями и излучениями привело к разработке способов профилактики «физических» патологий (шумовой, вибрационной, лучевой и др. болезней), к созданию новых более эффективных  методов лечения (гравитационной хирургии крови, квантовой гемотерапии, лучевой терапии, внутри сосудистой лазерной хирургии, криохирургии,  литотрипсии и др.), способствовало повышению эффективности известных физиотерапевтических манипуляций. Большое практическое значение имеет решение методических проблем биофизики — измерение, регистрация, анализ и оценка информативности физических свойств живого организма. Исследование механических, электрических, оптических, тепловых параметров позволило разработать новые высокоэффективные способы диагностики: импедансную, рентгеновскую и ЯМР-томографии; тепловидение; регистрацию электрограмм тканей и органов; биотелеметрию; ультразвуковую диагностику.

Технические условия для применения

Несомненно, достижения биофизики имеют не только фундаментальное значение, но и важное медицинское применение. С одной стороны, они используются для совершенствования традиционной медицинской деятельности: профилактики, диагностики и лечения заболеваний, а с другой, формирование и развитие биофизических положений способствуют возникновению новых медицинских направлений и технологий: клинической биомеханики, молекулярной патологии, клинической биоинженерии, космической медицины и др. В настоящее время, по нашему убеждению, настало время говорить о возникновении и развитии медицинской физики, основу которой составляют общая, частная и клиническая биофизика.

Применение излучений для лечения патологических состояний человека

Традиционно общая биофизика включает в себя молекулярную, клеточную биофизику, биоэнергетику, теорию биопотенциалов, теоретические положения, описывающие физические свойства биологических систем, взаимодействие физических полей и излучений с живыми организмами. В частной биофизике рассматриваются  физические основы биологических процессов, протекающих на органно-тканевом и системной уровнях организации: механику опорно-двигательного аппарата, кровообращение, зрение, слух, дыхание, выделение. Говоря о клинических проблемах медицинской физики, следует отметить такие направления, как использование физических принципов и явления для выявления (диагностики) патологических состояний на всех уровнях организации (от молекулярного до целого организма), исследование физических аспектов патогенеза конкретных заболеваний, применение физических полей и излучений для лечения патологических состояний человека.

биологические условия

Биоинженерия

За  последние годы на основе достижений медицинской физики сформировалось новое направление — биоинженерия, основной задачей которой является разработка технических систем и новых высокоэффективных технологий для диагностики, профилактики, лечения патологических состояний, и реабилитации. К примеру, в США в 80-х годах в биологии и медицине было занято свыше 10000 инженеров. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим основные достижения, состояние и перспективы развития биоинженерии.
В современной медицине достаточно широко используются технические приборы и системы. По данным зарубежных источников, типовая 800-коечная больница оснащена медицинской техникой на сумму более 20 млн. долларов.

Средства медицинской техники — условие деления на группы

В зависимости от решаемых задач средства медицинской техники можно разделить на следующие группы:
1.  Лабораторное оборудование для анализа выделенных из организма биологических  субстратов и продуктов жизнедеятельности.
2.  Диагностическая техника для исследования структурных и функциональных  характеристик организма.
3.  Аппаратура для профилактических, лечебных и реабилитационных воздействий.
4.  Мониторные системы для длительного контроля (оптимально — на протяжении всей  жизни) функциональных параметров организма.
5.  Биотехнические системы для контроля состояния, коррекции патологических  сдвигов и функционального протезирования организма.
6.  Специальная медицинская техника и оборудование.
Особый  интерес представляют 4 и 5 группы технических систем, разработка которых  стала возможной в конце 80-х гг. на основе достижений микроэлектроники, после  создания биосенсоров, интегральных микросхем, микропроцессоров. По сути дела,  речь идет о формировании нового класса медицинской техники — индивидуальных  биотехнических систем (ИБС), позволяющих контролировать состояние организма  по значительному набору параметров в течение длительного времени, а при  необходимости обеспечить адекватные корригирующие воздействия.

Возможность решать новые медицинские задачи в любых условиях

С помощью ИБС  возможно решать принципиально новые медицинские задачи: осуществлять  длительный контроль за состоянием практически здорового организма в  естественной среде обитания; у пациентов с хроническими заболеваниями; у лиц,  подверженных стрессовым реакциям; выявлять хронотип, с учетом которого  осуществлять профилактические, лечебные и реабилитационные мероприятия;  следить за ходом естественно протекающих физиологических процессов (беременностью,  развитием детского организма, старением), купировать остро  развивающиеся пограничные состояния. Использование информационных систем  позволяет уже сейчас осуществлять глобальный контроль за состоянием населения  регионов и стран, планировать развитие практического здравоохранения,  принимать обоснованные управленческие решения, от которых зависит будущее  целых поколений. В области разработки и создания ИБС делаются только первые  шаги, и поэтому данное направление следует рассматривать как одно из  перспективных путей формирования конкурентоспособной экономики.

Безопасность промышленная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Возрастание  значимости биоинженерии по данным Указателя научных ссылок характеризуется  тем, что с 1984 г. работы, посвященные этим проблемам, появились на высшем 5 уровне цитируемости.

Изучение проблем и условия формирования новых  направлений в биоинженерии

Практически ежегодно проводятся международный  конференции и съезды, посвященные рассмотрению проблем и формированию новых  направлений в биоинженерии. Так, согласно доступным информационным  источникам, в 1997 г. прошла 9-я международная конференция по медицинской  биоинженерии в Сингапуре и состоялся мировой конгресс по медицинской физике и  биомедицинской инженерии в Ницце. Среди важнейших общетеоретических проблем,  рассмотренных на форуме, необходимо отметить:

  • биоорганизацию  (самоорганизация, микрообратная связь, биологические механизмы и концепции,  организация жизни), хаос и фракционирование (нелинейная динамика, анализ  временных сетей);
  • математическое моделирование;
  • информационные процессы и анализ сигналов;
  • моделирование принятия решений;
  • представление интерпретаций:  от гибридных систем до «разумных» технологий (неопределенные  доводы, сотрудничество, планирование, адаптация).

Традиционно  рассматривались общие вопросы медицинской физики (биомеханика, гемодинамика,  физика дыхания, биооптика, биореология жидкостей, биоэлектричество,  биомагнетизм, биосопромат и др.). Большое внимание уделено разработке новых и  модернизации стандартных методов диагностического исследования:

  • биофизических  и биохимических измерений;
  • биоэлектродов;
  • биосенсоров;
  • электромиографии;
  • электрокардиологии;
  • биотелеметрий;
  • технологиям, связанными с регистрацией электрических свойств  организма (физиологический мониторинг, импедансная кардиография,  плетизмография, спектроскопия).

Разработаны механизмы  действия и терапевтическое применение физических факторов

В  программу включены доклады, посвященные:

  • биологическим эффектам, механизмам  действия и терапевтическому применению физических факторов (электрической и  магнитной стимуляция;
  • ультразвуковому, лазерному излучению;
  • ионизирующей  радиация; дефибрилляции, электрокардиотерапии, нейромышечной  электростимуляции, нейростимуляции, электроэйякуляции).
    Были  изложены проблемы, связанные с разработкой и эксплуатацией искусственных  органов и систем: биоматериалы (биосовместимость, биоинтеграция, биосорбция);  искусственные органы и автоматический контроль физиологических функций;  искусственное сердце и кардиальные системы, системы искусственного дыхания).

 

На конгрессе рассматривались общие вопросы применения достижений  биоинженерии в различных областях медицины: технологии охраны здоровья;  охрана здоровья в диагностике; экономические оценки здоровья; клиническая  биоинженерия; физическое и биологическое планирование лечения; технико-  информационные системы для интенсивного ухода за больными; технические  системы для реабилитации, технологии для геронтологии; биоинженерия в  стоматологии; технические системы для ухода за новорожденными.

Проблемы радиологии и радиотерапии

Много  внимания уделено проблемам радиологии и радиотерапии: дозиметрии ионизирующей  радиации; дозиметрии внутренней радиотерапии (радиоиммуно-терапия,  радионуклидная дозиметрия);

  • протоны, нейтроны и тяжелые частицы в  радиотерапии;
  • количественные оценки при внешней радиотерапии;
  • оборудование  для лучевой радиотерапии;
  • специальная техника в радиотерапии;
  • методы  подготовки и верификации в радиотерапии;
  • метрология ионизирующих излучений;
  • клиническая  радиология;
  • дозы пациентов в диагностической радиологии и ядерной медицине (расчет и измерение дозы, региональный и общий осмотр, компьютерное  моделирование, программы внутреннего сравнения);
  • радиационная защита.

Большое  количество докладов было посвящено рассмотрению как известных, так и принципиально новых принципов, способов и технических систем для получения медицинских изображений с помощью магнитного резонанса и спектроскопии; микроскопических изображений (электронная микроскопия, сканирование, подсчет клеток);

  • электрической импедансной томографии;
  • изображений в ядерной медицине;
  • виртуальной и увеличенной реальности;
  • реконструкции изображений (новые геометрические достижения, эмиссионная томография),
  • слияние и анализ мультимодальных изображений;
  • кардиоваскулярные изображения;
  • изображение мозга и кортикальная активность.
    В ряде докладов анализировались общие организационные вопросы, проблемы образования,  истории биоинженерии: менеджмент биомедицинских технологий (эксплуатация, аккредитация, оценка; стандартизация и безопасность; профессиональные проблемы (образование и тренинг, сертификация, региональный опыт и программы); образование и профессиональные аспекты в биомедицинской инженерии и медицинской физике; история биоинженерии и медицинской физики; экономические оценки здоровья — социальные аспекты медицинских технологий (модели-сценарии проектов охраны здоровья, распределение ресурсов, улучшение качества жизни, затраты — прибыль).

Особый интерес представляют доклады, в которых обсуждались принципиально новые направления, развитие которых предполагается осуществить в начале XXI в.

К их числу относятся:

  • электро генетическая инженерия (электрохемотерапия);
  • медицинские роботы;
  • молекулярное моделирование;
  • технологии, основанные на использовании сверхминиатюрных устройств;
  • сенсоры, вызывающие ответные ощущения (электрические ответы от центральной нервной системы, слуховые, вызванные ощущения);
  • микро техника (микро сенсоры, микросистемы, микро электромеханические системы, гибридная интеграция, микро роботы);
  • клеточная инженерия (энергетические межклеточные взаимодействия, клеточная инкапсуляция).

Если исходить из несомненного тезиса о том, что здоровье человека является одной из непреходящих ценностей, то разработка технических средств и технологий для его сохранения и укрепления является одной из приоритетных задач стабильного и процветающего общества. Решение этой задачи принципиально не может быть получено без развития биоинженерии, разработки и выпуска конкурентоспособной медицинской техники и новых высокоэффективных медицинских технологий.
Обсуждаемые вопросы особенно актуальны для Крыма, традиционно являющегося курортным и рекреационным регионом с хорошо выраженной сетью оздоровительных и лечебных учреждений. Поскольку курортно-рекреационная, научная и инновационная деятельности считаются ведущими в реструктуризации экономики Крыма, нет сомнения в том, что развитие биоинженерии, разработка индивидуальных биотехнических систем являются приоритетными и перспективными задачами.

Как решаем проблемы

Для решения этих задач необходимы, как минимум, следующие технические условия: наличие научно-технического потенциала, профессиональные кадры, эффективная инновационная система, инвестиции, рынки сбыта. По сути дела, речь идет о создании и реализации Программы по биоинженерии, как одного из приоритетных направлений в реформировании экономики Крыма.

В Автономной республике Крым удалось сохранить достаточно мощный научно- производственный потенциал. Здесь располагаются:

  • Крымский медицинский университет,
  • Научно-исследовательский институт физических методов лечения им. Сеченова,
  • Украинский институт детской курортологии (где работают свыше 100 докторов и около 400 кандидатов наук).

Имеется ряд технических вузов и приборостроительных производственных объединений:

  • Симферопольский гос университет,
  • Севастопольский технический университет,
  • НПО «Фиолент»,
  • «Фотон»,
  • «Домен»,
  • НПП «Оргтехавтоматизация».

На базе существующих высших учебных заведений при минимальных финансовых затратах представляется возможным организовать факультет биоинженерии, поскольку подготовка специалистов в этой области отличается от традиционного технического образования и требует универсального, скоординированного изложения технических, биологических и медицинских аспектов приборостроения. На кафедрах факультета, в научно-исследовательских учреждениях Крыма необходимо организовать научные исследования в приоритетных, начинающих развиваться областях медицинского приборостроения. Только в этом случае возможно получить высококачественный продукт и организовать производство конкурентоспособной медицинской техники, и, в первую очередь, индивидуальные биотехнические системы, и выйти на мировой рынок.

Кто создаст программу производственного контроля

На базе существующих высших учебных заведений при минимальных финансовых затратах представляется возможным организовать факультет биоинженерии, поскольку подготовка специалистов в этой области отличается от традиционного технического образования и требует универсального, скоординированного изложения технических, биологических и медицинских аспектов приборостроения.

На кафедрах факультета, в научно- исследовательских учреждениях Крыма необходимо организовать научные исследования в приоритетных, начинающих развиваться областях медицинского приборостроения. Только в этом случае возможно получить высококачественный продукт и организовать производство конкурентоспособной медицинской техники, и, в первую очередь, индивидуальные биотехнические системы, и выйти на мировой рынок. На предприятиях создать программу производственного контроля за соблюдением безопасности производства и качества выпускаемой продукции. Для успешного решения рассматриваемой проблемы необходимо формирование эффективной инновационной системы. Внедрить систему менеджмента качества, включающую в себя управление бизнес-процессами, контроль, обеспечение, планирование и улучшение качества.

Сегодня, как показывает опыт, даже приоритетные биотехнические системы, разработанные в Крыму, не могут быть освоены в существующих условиях. Конкретным примером служит аппарат конструкции А. Блискунова, массовый выпуск которого так и не был налажен на приборостроительных заводах Крыма.

По нашему мнению, необходимо создание Республиканского биоинженерного инновационного центра с задачами, функциями и правами, утвержденными технологическими инструкциями органами исполнительной власти.