Истории

Медицинский факт, или Физика вооружает медицину

Растет число российских компаний, продвигающих на медицинском рынке аддитивные технологии: на основе компьютерной томографии создающие 3D-копии человеческих костей и титановых имплантатов для лечения костных переломов. Но мало кто знает, что это направление у нас в стране стартовало давно – в начале 1990-х, в самое сложное для отечественной науки и медицины время.

После распада Советского Союза Научно-исследовательский центp по технологическим лазерам (НИТЦЛ АН СССР) в Шатуре, ставший потом Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ РАН), а затем вошедший филиалом в Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника», – не распался на части, не занялся коммерцией, а начал осваивать новое направление – лазерную стереолитографию (изготовление объектов по их трехмерным компьютерным моделям).Важно было получить объект «в цифре», в наборе точек, сечений, плоскостей; решив обратную задачу, восстановить этот образ сначала в компьютере, затем реально. И взять в руки физический объект.Это была их идея; именно они стали первопроходцами.Директором центра технологических лазеров, где была создана лаборатория лазерного синтеза объемных изделий, тогда был молодой доктор наук Владислав Панченко.

В НИТЦЛ еще в начале 1990-х сделали первый отечественный стереолитограф, позволяющий делать трехмерные объекты путем послойной полимеризации.

Данные оцифровываются, и компьютер задает план работы стереолитографической установке. Лазерный луч, управляемый специальным устройством – сканатором, строит точную копию объекта в емкости с жидким фотополимеризующимся композитом. «Освещенные» участки твердеют, неосвещенные остаются жидкими.Технология тогда собрала в себе последние достижения квантовой электроники, нелинейной оптики, физики и химии высокомолекулярных соединений, прецизионной механики.К тому времени уже была известна томография. До нее единственно объективным способом получения медицинской визуальной информации – о строении органов, повреждениях, опухолях, инородных телах – была рентгенограмма. Но двухмерная картинка неполноценна, двух рентгеновских проекций недостаточно, а информации о размере деталей рентгенограмма не несет. Томография обеспечила трехмерное послойное изображение в подлинных размерах и начала внедряться в клиническую практику, хотя аппаратов по стране еще было считанное количество.

Поскольку любая цифровая информация может быть сохранена и преобразована, то первые томографы натолкнули на мысль создавать идеальные дубликаты объектов и по данным, полученным с томографа.

Поэтому в начале 1994 года оказалось совершенно закономерным участие НИТЦЛ в идентификации останков последнего российского императора Николая II, его семьи и оставшихся им верными слуг, расстрелянных в подвале дома Ипатьева в Екатеринбурге 17 июля 1918 года.В 1978 году группа геолога Александра Авдонина недалеко от Свердловска под насыпью Старой Коптяковской дороги обнаружила останки девяти человек. В 1991 году прокуратура Свердловской области провела там спешные и непрофессиональные раскопки. Солдаты-срочники промывали кости из брандспойтов. Установили, что это – захоронение последнего российского императора Николая II, Александры Фёдоровны, их дочерей Ольги, Татьяны и Анастасии, нескольких спутников. Останки цесаревича Алексея и княжны Марии тогда не нашлись.В октябре 1993 года Правительство РФ создало «Комиссию по исследованию и перезахоронению останков российского императора Николая II и членов его семьи». По расследованию причин их гибели возбудили уголовное дело. Председателем комиссии стал вице-премьер Правительства РФ Юрий Яров

Были проведены генетические экспертизы: в 1993 году – в Олдермастонском центре криминалистических исследований (Aldermaston – Беркшир, Англия), в 1995 году – в Военно-медицинском институте Минобороны США. Но из-за плачевного состояния останков этого оказалось недостаточно.

Поэтому Владислав Панченко предложил сделать томограмму всех останков, а затем реконструировать уже копии.

Эту идею оценили и приняли. 7 ноября 1997 года вышло «Распоряжение Правительства РФ № 1606-р», подписанное премьер-министром Виктором Черномырдиным. В приложении к «Распоряжению» третьим пунктом значилось: «Фиксация анатомического строения и повреждений черепов путем компьютерной томографии для получения твердых копий методом лазерной стереолитографии».

Яров вызвал Владислава Панченко к себе в Белый дом. По результату разговора группа специалистов центра во главе с директором выехала в Свердловск. Им показали останки. Каждый фрагмент лежал в отдельном пенале, похожем на пластмассовую хлебницу. Пеналы были разных размеров.

«Конечно, восстановить что-то по этим отдельным косточкам было просто невозможно. Их было страшно тронуть», – вспоминают участники событий.

Губернатор Эдуард Россель лично запретил вывозить останки. И стоило больших трудов договориться сделать томограммы на имевшемся в Екатеринбурге медицинском томографе.

Эту операцию произвели под руководством заслуженного врача РФ Сергея Абрамова, в то время – заведующего отделением математического и программного обеспечения Российского центра судебно-медицинской экспертизы Минздрава РФ.

Возникли проблемы с расшифровкой данных. Использованный томограф оказался достаточно старым, работал с 12-дюймовыми дискетами, и в Москве таких дисководов уже не было. Сотрудники НИТЦЛ нашли списанные «12-дюймовые» машины в Курчатовском институте и смогли перенести данные к себе в Шатуру.

Проекции компьютерной модели черепа великой княжны Анастасии. Фото из архива ИПЛИТ РАН.

Материалы работ по идентификации останков царской семьи в 1995—1998 годах. Препараты девяти черепов скелетов №№ 1—9. Фото из архива А.С. Абрамова.

Подключились Центр судебно-медицинской экспертизы Минздрава (проведший новые генетические анализы) и Центральный институт криминалистики Минздрава – специалисты высшего уровня по идентификации внешности. Их помощь оказалась неоценимой: в некоторых случаях сохранным осталось 20% от целого. Ученые из НИТЦЛ получили в свое распоряжение огромное количество фотографий и кадров из хроники. Используя законы криминалистики и математические вычисления, им вместе с криминалистами удалось восстановить останки и идентифицировать всех погибших.

Отреставрированные модели черепов на фоне фотографии императорской семьи. Фото А. Семехина, ТАСС (вот тут я не уверена за авторские права, хотя взяла фото на стороннем ресурсе)

После этого в Лаборатории антропологической реконструкции имени М.М. Герасимова были по скелетам восстановлены мягкие ткани и волосяной покров. И после многомесячной коллективной работы потомки получили не только собранные останки, но и серию бюстов – всех, кто тогда погиб в Ипатьевском доме. В январе1998 года правительственная комиссия завершила работу.

Похороны императорской семьи состоялись 17 июля 1998 года в Петропавловском соборе Санкт-Петербурга. Был исполнен нравственный и гражданский долг страны перед своей историей.

Через девять лет в 70 метрах от прежней могилы обнаружат кости двух пропавших детей – цесаревича Алексея и великой княжны Марии.

А НИТЦЛ, ставший ИПЛИТом, на рубеже веков получил почетнейший, бесценный опыт. На его основании они разработали серию методик, помогающих идентифицировать неизвестных – например, погибших в войнах или без вести пропавших, число которых каждый год достигает тридцати – сорока тысяч.

Кроме того, эта «криминалистическая» история послужила для ученых ИПЛИТа и мощной мотивацией для сотрудничества с медициной. Используя все освоенные методики, они стали делать для пациентов такие же трехмерные модели: череп, кости, суставы, даже сердце. Врачам открылись впечатляющие возможности.

Можно заранее построить операционный сценарий и подобрать оптимальные имплантаты из других материалов. Продолжительность операции уменьшается, количество удачных операций увеличивается, снижается травмирование и сокращается период выздоровления. Особенно это важно для оперирования детей. Подход получил наибольшее распространение в нейро- и онкохирургии. В Институте нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко даже проводятся мастер-классы по подготовке операций с использованием объемных моделей.

Следующий этап – создание по томографическим данным не пластиковой модели, а имплантата, заменяющего дефектную кость. В ИПЛИТ РАН появилась другая технология «строительства» – поверхностное селективное лазерное спекание. Биосовместимые полимерные наночастицы послойно спекаются лазером до создания объекта нужных размера и топологии, а затем подвергаются обработке в так называемых сверхкритических жидкостях, вымывающих вредные радикалы. После чего становятся хорошо биосовместимы и могут использоваться для направленной регенерации костной ткани. По этому направлению возникло сотрудничество с английскими коллегами из Ноттингемского университета.

Биомоделирование стало дистанционным: данные могут быть получены хоть с другого конца земли. Современные лазерные технологии дистанционного моделирования биосовместимых имплантатов обеспечивают более пяти тысяч операций в год в полусотне клиник: в Институте имени Н.Н. Бурденко, Московской клинической больнице №  31, Российском онкологическом центре имени Н.Н. Блохина, Московском научно-исследовательском онкологическом институте имени П. А. Герцена, Самарской областной клинической больнице имени М.И. Калинина, Центре сердечнососудистой хирургии имени А.Н. Бакулева, Московском областном научно-исследовательском клиническом институте имени М.Ф. Владимирского (МОНИКИ) и так далее.

За создание отечественного оборудования и технологий лазерной стереолитографии академик Владислав Панченко и авторский коллектив от ИПЛИТ (и нескольких других организаций) получили Премию Правительства РФ 2003 года.

В будущем станет возможно по томограммам создавать медицинскую базу данных для каждого человека и в случае необходимости сразу восстанавливать фрагмент пострадавшего органа, – уверен Владислав Панченко.

Еще в начале «нулевых» ИПЛИТ РАН и его руководитель стали сотрудничать с кардиохирургами и создали для этого мощный лазерно-информационный комплекс «Перфокор», управляемый кардиоциклом пациента. И после многих экспериментов и раздумий Лео Антонович Бокерия, ныне – академик РАН, главный кардиохирург Минздрава РФ, директор НЦССХ имени А.Н. Бакулева, взял в руки манипулятор и провел первую трансмиокардиальную лазерную реваскуляризацию – минимально травматичное, малоинвазивное оперативное лечение инфаркта миокарда. Потом таких операций были тысячи.

За эту работу коллективы ученых центра имени Бакулева и ИПЛИТ РАН в 2003 году получили премию Правительства РФ.

В ИПЛИТ РАН созданы высокоразрешающая адаптивная лазерная система анализа глазного дна человека; технологии лазерного изменения форм хрящей и тканей межпозвонковых дисков, испарения тканей при воздействии на опухоль – «интеллектуальный лазерный скальпель»; для неинвазивного мониторинга кожи – лазерные сканеры; для ранней диагностики рака – лазерный томограф, и многое, многое другое. Всё это применяется в крупнейших клиниках. И всё это – материал для нескольких следующих статей.

За комплекс научных работ по развитию лазерно-информационных технологий для медицины научный руководитель ИПЛИТ РАН и председатель Совета РФФИ академик РАН Владислав Панченко, директор ННПЦН имени Н.Н. Бурденко академик РАН Александр Потапов и директор МНИОИ имени П. А. Герцена академик РАМН Валерий Чиссов в 2009 году получили Государственную премию РФ.

Великий ученый Сергей Петрович Капица не мог пройти мимо такого яркого явления. Одну из своих передач «Очевидное-невероятное» 21 января 2012 года «Физика вооружает медицину» он полностью посвятил беседе с Владиславом Яковлевичем Панченко – о новой роли лазерной техники в медицине.

«Создание рентгеновских аппаратов, кардиографов, томографов, других приборов стало свидетельством внедрения результатов физических исследований в практику современной медицины, в первую очередь – в диагностику. Сегодня в арсенале медиков присутствуют мощные источники излучения – лазеры, возможности которых велики: при помощи таких инструментов можно рассекать ткани, соединять их и делать многое другое. Это хороший пример междисциплинарного подхода, в котором использованы возможности лазерной физики, новейших информационных технологий и медицины», – сказал тогда Сергей Петрович.

А в октябре 2016 года СМИ взорвались заголовками «Витамин B₂ оказался «убийцей» рака». В частности, «Российская газета» писала: «Российские ученые смогли уничтожить рак при помощи витамина В₂. Результат инновационной терапии просто феноменальный: опухоль уменьшается на 90 процентов. Скоро исследователи планируют начать клинические испытания новой «витаминной методики», сотрудничая с медиками из Российского онкологического научного центра имени Н.Н. Блохина». Конечно, это «журналистская» постановка вопроса. В₂ не уничтожает рак напрямую. Возбужденный особым способом лазерным излучением, он генерирует активный кислород, смертельный для раковых клеток, и как транспортёр энергии в клетку, «нацеливает» его на клетки опухоли. Но результат работы ученых ИПЛИТ РАН, вернее, теперь уже из ФНИЦ «Кристаллография и фотоника», обозначен абсолютно верно и вселяет большие надежды.

На эту тему и вообще на тему аддитивных технологий академик Панченко прочел лекцию в Совете Федерации Федерального собрания РФ. Он сказал, что «в настоящее время трудно найти ту область деятельности, куда не вошли аддитивные технологии. Однако самый бурный расцвет эти технологии получили в медицине. В этом направлении Россия и была лидером, и сохраняет эти позиции».

И это, конечно, удивляет пессимистов. Но налицо, как говорят, медицинский факт.

Медицинский факт, или Физика вооружает медицину

Рекомендованные материалы

Все лазеры — детям

Рибофлавин на прицеле у онкологов

На пределе