Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Компьютерное моделирование бионических форм в медицине (Бионические объекты, нашедшие применение в современной медицине)

Содержание:

Введение

Многие процессы, происходящие в живой природе были удачно позаимствованы человеком для использования в абсолютно различных областях знаний. Исключением не стала и медицина, которая на заре своего развития вообще основывалась исключительно на наблюдениях за окружающим миром и заимствованием “технологий лечения” у животных и растений. По прошествии многих лет медицинская наука всё еще берет идеи из окружающего мира и находит им применение и в диагностике, и в лечении различных заболеваний.

Известный всем поршневой шприц (Рис.1) имитирует полый хоботок кровососущих насекомых (Рис.2) - с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Используемая во время операций хирургическая игла (Рис.3), которой зашивают раны за многие годы не изменила своей формы - формы изогнутых костей рыб (Рис.4). Даже форма традиционно применяемого скальпеля до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной тончайшей режущей кромкой. Игла-скарификатор (Рис.5), с помощью которой каждому их нас в больнице протыкали палец, чтобы взять кровь - копия зубца-резца летучей мыши (Рис.6), укус которой с одной стороны довольно безболезненный, но с другой - обеспечивает довольно сильное кровотечение, необходимое для забора достаточного количества крови на анализ.

Действительно, множество приборов современной медицины имеют природные бионические корни. Но, чтобы использовать всю мудрость природы человечеству пришлось очень сильно развить технологическую, математическую и физическую базу. Это стало особенно возможным в последние десятилетия с развитием компьютерных методов исследования. Определенные более сложные технологии, такие как диагностика и лечение с помощью ультразвука, которые получили сейчас широчайшее распространение также в некоторых аспектах зародились от природных наблюдений и выросли в самостоятельные отрасли медицины. Такие технологии настолько усложнились, что их дальнейшее развитие стало невозможным без методов компьютерного моделирования. О развитии и применении некоторых таких технологий будет подробно рассказано в данном реферате.

Рис.1 Шприц

Рис.2 Хоботок комара

Рис.3 Хирургическая игла для зашивания

Рис.4 Кость рыбы

Рис.5 Игра-скарификатор

Рис.6 Летучая мышь и её зубы

Глава 1. Бионические объекты, нашедшие применение в современной медицине

В данной главе будут рассмотрены две природных бионических формы, которые нашли прямое применение в современной медицине. Обе они стали прообразами для ультразвуковых приборов, используемых для диагностики и лечения различных заболеваний.

Первая из них - “голосовой аппарат” дельфинов и летучих мышей. Давным-давно у человечества возникла задача - как заглянуть туда, куда не может попасть свет? Как понять, что происходит внутри человека, не разрезая его? Многие годы ученые бились над этой задачей и одним из решений стал ультразвук. Животные давно используют его для передачи информации, для ориентирования в пространстве там, куда не поступает свет или там, где его очень мало. Летучая мышь с помощью ультразвука ориентируется в пещере в абсолютной темноте - облетает все препятствия, охотится и тем самым находит еду (Рис.7), когда голодна или других летучих мышей, когда ей становится одиноко. Дельфины же в толще воды просто не имеют возможности находить друг друга и добычу с помощью зрения (Рис.8), так как свет в воде во-первых, не проходит на большую глубину, а во-вторых, сильно рассеивается и на большом расстоянии дельфин просто ничего не увидит. Поэтому дельфины пользуются ультразвуком, который, являясь механической волной может в воде распространяться на многие километры. Аппарат создания ультразвука у дельфина и у летучей мыши устроен по-разному, но основной его принцип - высокочастотные колебания тканей (в случае с летучей мышью) или потоков воздуха (в случае с дельфином). На основе этого явления были созданы высокочастотные излучатели ультразвука (Рис.9), которые представляют собой мембрану, которая в результате подачи на неё электрического тока определенной частоты колеблется и тем самым создаёт акустические волны или по-другому звук. В зависимости от частоты человеческое ухо может этот звук слышать, тогда это будет звук слышимого диапазона или же частота лежит выше возможностей восприятия ухом, тогда это ультразвук. В современных методах диагностики используется как раз ультразвук, так как он обладает намного более низкой длиной волны, чем слышимый, что позволяет “разглядеть” даже самые маленькие детали внутри человеческого тела - органы, сосуды, и даже отдельные клетки (Рис.10).

Рис.7 Принцип эхолокации летучей мыши

Рис.8 Схема эхолокации дельфина

Рис.9 Простейший ультразвуковой излучатель

Рис.10 Современный диагностический излучатель

Вторая технология, которая используется в современной медицине - создание мощных ударных акустических волн, с помощью которой появилась возможность разбивать камни в почках и проводить другие операции не разрезая человека, то есть неинвазивно. Однако присутствие такого процесса в природе не является столь очевидным, с чем связано намного более позднее развитие этой технологии.

Создание мощной акустической волны - довольно непростое действие. И тем не менее природа нашла возможность это реализовать. Существует один вид морских ракообразных - рак-щелкун (Рис.11), который довольно уверенно владеет такой технологией и ежедневно применяет её для поиска пищи. У этого рака клешня устроена так, что он может очень быстро её схлопнуть. Настолько быстро, что вода не успевает за этим движением и в момент закрытия клешни в то место, где только что была клешня вода не успевает попасть. Там образуется полость (Рис.12), в которой нет воды и почти нет воздуха - буквально пустота. Правда это происходит на очень короткое время. После чего этот “пузырь” схлопывается с огромной силой и в результате хлопка образуется очень мощная ударная волна. Направляя свою клешню в сторону проплывающей креветки и производя хлопок, рак направляет всю мощь ударной волны на свою жертву (Рис.13), отчего она немедленно умирает. Она получает как будто удар молотком, который бежит к ней от рака в воде со скоростью 1500 метров в секунду. Такая ударная волна в воде угасает через 1-2 метра, но этого расстояния вполне достаточно, чтобы рак мог убить свою добычу. На основе этого явления был создан прибор - ударно-волновой излучатель. Принцип его работы немного отличается от работы клешни рака. В этом приборе находится электрод (Рис.14), в котором две специальные иголочки на небольшом удалении. Прибор погружается в воду, и на эти иголочки единовременно подаётся очень большой электрический заряд. Между иголками возникает плазменная дуга - облако газа очень высокой температуры, которое как раз является той самой полостью, которая схлопываясь рождает ударную акустическую волну. Давление в образованной волне настолько большое, что иголочки разрушаются после нескольких таких актов излучения волны и их приходится менять. Используется такая технология для разрушения почечных камней. Человека погружают в специальную ванну с водой, в которой установлен этот прибор - литотриптер. Сама процедура называется ультразвуковая литотрипсия (Рис. 15). И проводят серию таких мини-взрывов таким образом, что вся мощь волны фокусируется (как свет, проходя через лупу) именно в месте, где у человека находится почечный камень, что приводит к его разрушению, но на пути волны, пока волна не собралась в одной точке она недостаточно сильна, чтобы вызвать у человека повреждения других органов. Такой технологии около 40 лет и сейчас она активно используется для разрушения почечных камней, которые после того, как волна их раздробила на мелкий песок выводятся из организма человека естественным путём.

Рис.11 Рак-щелкун

Рис.12 Полость, которая схлопывается

Рис.13а Схема “выстрела” рака-щелкуна. Открытая клешня.

Рис.13б Схема “выстрела” рака-щелкуна. Резкое закрытие клешни.

Рис.13в Схема “выстрела” рака-щелкуна. Излучение ударной волны.

Рис.14 Электрод. Слева две иголочки чуть-чуть не касаются друг-друга. Между ними проходит разряд.

Рис.15 Литотрипсия (удаление почечных камней) в специальной ванной, в которую погружается пациент и там же находится электрод.

Глава 2. Компьютерное моделирование излучателей ультразвука

Такое развитие медицинских ультразвуковых технологий сейчас является невозможным без компьютерного моделирования различных физических процессов. Это стало причиной того, что многие уравнения в физике, описывающие распространения ультразвуковых волн не имеют точных решений. То есть нельзя просто посчитать какое точно давление будет на расстоянии 1 метр от излучателя ультразвука. Но эта информация является определяющей для того, чтобы было возможно создать прибор, который очень аккуратно будет лечить человека, не вредя ему. Такие уравнения решают с помощью численных методов.

Рассмотрим задачу моделирования распространения ультразвуковой волны в среде. Решив её мы сможем понять, как ультразвуковой излучатель будет воздействовать на человека - как будут нагреваться или разрушаться клетки в его организме под действием акустической волны. Или же как будет произведена диагностика - сможем ли мы получить изображение его внутренних органов. Одним из распространенных методов решения таких задач является послойное моделирование процессов, происходящих в среде. Задача решается в параллелепипеде, в котором на левом торце находится излучатель, а на правом торце или где-то в середине находится орган - там нам необходимо знать как будет вести себя волна. Далее действуют по следующему алгоритму:

Задают граничные условия: на левой границе находится излучатель, который излучает ультразвук данной амплитуды (мощности) и данной частоты.
Описывают уравнения, которые распространяют этот ультразвук слева-направо.
Так как компьютер не может рассматривать непрерывные процессы, среду дискретизируют - вместо параллелепипеда берут трёхмерную сетку (Рис.16) с маленьким шагом. Например, объем 10см*10см*10см представляют как сетку из 1000*1000*1000 отдельных точек с шагом в 10см/1000=0.1мм. Далее компьютеру задают закон, по которому звуковая волна от излучателя распространяется от одной точки к другой - она ослабевает или у неё может меняться частота или еще какие-либо процессы, обусловленные свойствами среды, в которой происходит процесс (свойства воды - плотность, скорость звука в ней, упругость и так далее).
Далее слой за слоем по этим точкам волну распространяют слева направо (пересчитывая значения давления звука на каждом шаге) и в результате получают значения на другом конце параллелепипеда и вообще в любой из этих 1000*1000*1000 точек.
По значениям на точках строят трёхмерный график или смотрят интересующие слои в этом параллелепипеде. На нём видно, где волна имеет самое большое давление - там и будет место, куда нужно поместить к примеру почечный камень, чтобы он разрушился. (Рис.17)

Во время расчета обычный компьютер производит несколько миллиардов вычислений в секунду и тем не менее их необходимо произвести столько, что чтобы решить такую задачу компьютеру нужно работать несколько часов, а то и дней. Иногда для этого даже пользуются суперкомпьютерами, которые состоят из многих вычислительных ядер, на которых параллельно считаются разные части этой задачи, что ускоряет время расчета. Также для этой цели последнее время научились пользоваться видеокартами - так как в них большой количество маломощных ядер, что позволяет некоторые этапы расчета производить параллельно и это сильно ускоряет вычисление. Существуют программы, которые умеют самостоятельно производить такие вычисления и решать задачи распространения ультразвука, но во многих развивающихся областях акустики ученые сами пишут такие программы на различных языках программирования.

Рис.16 Объём, в котором нужно провести вычисления разбивается сеткой. В узлах которой на точках происходит определения параметров звуковой волны.

Рис.17 Пример моделирования поля от излучателя. Слева - излучатель (много точек т.к. излучатель состоит из множества маленьких илзучателей). Далее синяя плоскость - граничное условие (с него начинается вычисление). Далее вычисление идет слева направо. В конце получается плоскость, на которой смотрят результат.

Заключение

Природа подарила идеи для многих устройств, используемых сейчас и в диагностике и в лечении различных заболеваний. Однако для использования этих идей человечеству пришлось очень сильно развиться в технологиях, чтобы компьютеры помогали решать такие задачи, которые человек без них уже выполнить не в состоянии. Таким симбиозом природного вдохновения технологиями и компьютерными методами научного исследования удалось создать медицинские приборы, позволяющие делать действительно удивительные вещи - “смотреть” туда, куда не попадает свет и лечить что-то внутри человека, физически не залезая внутрь. Уже сейчас мы не представляем свою жизнь без УЗИ, неинвазивных ультразвуковых операций, в которые кстати входят ультразвуковая доставка лекарств, ультразвуковое удаление опухолей и даже ультразвуковая липосакция. Дальнейшее развитие этих технологий приведет к увеличению точности диагностирования заболеваний, эффективности уже проводимого лечения и к открытию новых методик в терапии и хирургии. И за всё это частично можно поблагодарить природные бионические формы, которые подтолкнули ученых в верном направлении.