Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Физика»Содержание №3/2007

Беспроводные микродатчики для онкологов

Инженеры Университета Пэдью (США) работают над созданием микроскопического беспроводного устройства размером с рисовое зерно, которое можно имплантировать в опухоль с целью безошибочного определения её местоположения при проведении различных терапевтических процедур, а также точного учёта дозы радиации, полученной в результате терапевтического воздействия. Разработчики протестировали первый опытный образец размером с гривенник. Предполагается, что прибор будет вживляться в опухоль при помощи простой хирургической иглы или катетера. Ранее в США уже был сконструирован и опробован миниатюрный радиопередатчик, который мог в течение нескольких минут определять уровень кровоснабжения какого-либо человеческого органа. Прежде уходили долгие часы на то, чтобы определить, была ли операция по пересадке или восстановлению органов удачной. Для контроля над кровоснабжением критически важных участков тела использовались оптические датчики. Ряд других разработок касался автоматической системы слежения за состоянием человеческих органов, хранящихся в законсервированном состоянии в ожидании пересадки. Для такого мониторинга использовались вживлённые миниатюрные датчики, которые считывали электрические и химические характеристики тканей и передавали эту информацию микропроцессору.

До настоящего времени не было известно, как максимально точно определить полученную раковой опухолью дозу облучения. Кроме того, при изменении положения тела пациента, например, когда он садится или встаёт, внутренние органы, включая и опухоль, сдвигаются и меняют своё местоположение, что осложняет применение лучевой терапии, т.к. при этом могут быть облучены здоровые органы, а опухоль может недополучить дозу. Сейчас существует и широко применяется система анализа трёхмерных изображений, позволяющая определять точное местоположение органов при проведении терапии. Однако эта методика является дорогой и достаточно сложной, она требует рентгеновского облучения, что является дополнительным отягощающим фактором для здоровья пациента, и без того ослабленного воздействием гамма-облучения. Новая же технология позволит врачам точно фиксировать местонахождение опухоли, чтобы наиболее эффективно применить радиационную терапию.

Миниатюрный прибор не требует электрических элементов питания и активизируется в ответ на простое прикосновение к телу нескольких электромагнитов, расположенных в области предполагаемого размещения опухоли. Это дозиметр, передающий информацию о поглощённой дозе облучения. Его работа основана на том же принципе, что и у обычного электретного микрофона, который можно купить в любом магазине радиотоваров. Датчик имеет чувствительный механизм типа звукочувствительной мембраны микрофона, вызывающий определённый уровень микровибраций, пропорциональный дозе воздействующего облучения.

06.05.06. Scientific.ru.

Инфракрасное зрение змей требует нелокальной обработки изображений

Некоторые виды змей обладают уникальной способностью улавливать тепловое излучение, что позволяет им «разглядывать» окружающий мир в абсолютной темноте. Правда, они «видят» тепловое излучение не глазами, а специальными чувствительными к теплу органами.

Строение такого органа очень просто.

Расположенные около глаз змеи ямочки — это органы, чувствительные к тепловому излучению
Расположенные около глаз змеи ямочки — это органы, чувствительные к тепловому излучению. Из-за большого диаметра входного отверстия «тепловое изображение» на мембране получается чрезвычайно размытым, но змея умудряется восстанавливать по нему достаточно резкую картину окружающего мира

Рядом с каждым глазом располагается отверстие диаметром около 1 мм, которое ведёт в небольшую полость примерно такого же размера. На стенках полости расположена мембрана, содержащая матрицу примерно из 40  40 клеток-терморецепторов. В отличие от палочек и колбочек сетчатки глаза, эти клетки реагируют не на «яркость» тепловых лучей, а на локальную температуру мембраны.

Орган работает как камера-обскура, прототип фотоаппарата. Мелкое теплокровное животное на холодном фоне испускает во все стороны «тепловые лучи» — ИК-излучение длиной волны примерно 10 мкм. Проходя через дырочку, эти лучи локально нагревают мембрану и создают «тепловое изображение». Благодаря высочайшей чувствительности клеток-рецепторов (детектируется разница температур в тысячные доли градуса Цельсия!) и неплохому угловому разрешению, змея может заметить мышь в абсолютной темноте с довольно большого расстояния.

С точки зрения физики как раз хорошее угловое разрешение и представляет собой загадку. Природа оптимизировала этот орган так, чтобы лучше «видеть» даже слабые источники тепла, т.е. попросту увеличила размер входного отверстия — апертуру. Но чем больше апертура, тем более размытым получается изображение (речь идёт, подчеркнём, о самом обычном отверстии, безо всяких линз). В ситуации со змеями, где апертура и глубина камеры примерно равны, изображение оказывается настолько размытым, что из него никакой информации, кроме того, что «где-то поблизости есть теплокровное животное», извлечь нельзя. Тем не менее опыты со змеями показывают, что они могут определять направление на точечный источник тепла с точностью около 5°! Как же змеям удаётся достичь столь высокого пространственного разрешения при таком ужасном качестве «ИК-оптики»?

Немецкие физики, изучавшие это явление, рассуждали так. Раз реальное «тепловое изображение» сильно размыто, а «пространственная картина», возникающая у животного в мозгу, довольно чёткая, значит, существует некий промежуточный нейроаппарат на пути от рецепторов к мозгу, который как бы настраивает резкость изображения. Этот аппарат не должен быть слишком сложным, иначе змея очень долго «обдумывала» бы каждое полученное изображение и реагировала бы с запаздыванием. Более того, этот аппарат вряд ли использует многоступенчатые итеративные отображения, а является, скорее, каким-то быстрым одношаговым преобразователем, работающим по навсегда зашитой в нервную систему программе. Исследователи доказали, что такая процедура возможна и вполне реальна. Они провели математическое моделирование того, как возникает «тепловое изображение», и разработали оптимальный алгоритм многократного улучшения его чёткости, окрестив его виртуальной линзой. Несмотря на громкое название, использованный подход, конечно, не является чем-то принципиально новым, это всего лишь один из видов деконволюции — восстановления изображения, испорченного неидеальностью детектора, т.е. процедура, обратная смазыванию картинки и широко применяемая при компьютерной обработке изображений.

Правда, закон деконволюции в данном случае не требовалось угадывать, его можно было вычислить исходя из геометрии чувствительной полости. Иными словами, было заранее известно, какое конкретно изображение даст точечный источник света в любом направлении. Благодаря этому совершенно размытое изображение можно было восстановить с очень хорошей точностью (обычные графические редакторы со стандартным законом деконволюции с этой задачей бы и близко не справились). Авторы предложили также конкретную нейрофизиологическую реализацию этого преобразования. Сказала ли эта работа какое-то новое слово в теории обработки изображений — вопрос спорный. Однако она, несомненно, привела к неожиданным выводам, касающихся нейрофизиологии «инфракрасного зрения» у змей. Действительно, локальный механизм «обычного» зрения (каждый зрительный нейрон снимает информацию со своей маленькой области на сетчатке) кажется столь естественным, что трудно представить что-то сильно иное. А ведь если змеи действительно используют описанную процедуру деконволюции, то каждый нейрон, дающий свой вклад в цельную картину окружающего мира в мозгу, получает данные вовсе не из точки, а из целого кольца рецепторов, проходящего по всей мембране. Можно только удивляться, как природа умудрилась сконструировать такое «нелокальное зрение», компенсирующее дефекты ИК-оптики нетривиальными математическими преобразованиями сигнала.

Элементы большой науки. elementy.ru 12.08.06

Свет может запутаться в среде

С диффузией — случайным блужданием частиц в результате беспорядочных столкновений с препятствиями — мы постоянно сталкиваемся в жизни: это и распространение запахов по комнате (диффузия молекул в газе), и теплопроводность (диффузия тепла) в твёрдом теле, и электрический ток в проводнике (диффузия электронов под действием внешней силы). Главный отличительный признак диффузии – это неспешное, но настойчивое распределение частиц по всему предоставленному объёму. Из закона диффузии следует, что материал не может «задержаться» где-то, он обязательно должен распределиться. А что произойдёт, если диффундировать будут волны? У волн есть специфическое свойство — интерференция. В 1958 г. будущий нобелевский лауреат Ф.Андерсон предсказал, что из-за этой интерференции может возникнуть такая удивительная ситуация: волна, интерферируя сама с собой, так сильно «собьётся с дороги», что надолго застрянет внутри среды, крутясь по замкнутым орбитам в тщетных поисках выхода. Это удивительное предсказание долгое время не поддавалось экспериментальной проверке: ведь обычно нам приходится иметь дело с частицами, а не с волнами. Однако, если пустить луч света сквозь среду с беспорядочно распределённым показателем преломления, отдельные кванты света, фотоны, будут хаотично отражаться и преломляться в поисках выхода, т.е. будет происходить диффузия света. Чтобы заметить этот эффект, надо приготовить такую среду, в которой распределение показателя преломления было бы как можно более хаотичным (иными словами, чтобы длина свободного пробега от столкновения до столкновения не превышала длины волны света), но чтобы при этом не было поглощения.

(Похожая ситуация имеет место внутри пены, однако размеры пузырьков там слишком велики для наблюдения этого эффекта.) Именно это смогли сделать физики из Университета Констанца (Германия). Они выяснили, что для изучения диффузии фотонов прекрасно подходит пигмент, использующийся во многих имеющихся в продаже белых красках. Этот пигмент состоит из микроскопических частичек диоксида титана. На спрессованный образец пигмента падал короткий импульс света, а затем отслеживалось, на какое время свет «застревает» в этом материале. Для крупнозернистых образцов распределение времён диффузии вполне описывалось формулой для диффузии частиц. Однако в самом мелкозернистом образце небольшая доля всех фотонов выходила из образца спустя необычно долгое время.

Авторы доказали, что этот эффект может быть только проявлением предсказанного полвека назад влияния интерференции на диффузию волн. Запоздавшие фотоны, словно проштрафившиеся биатлонисты, долго крутились внутри образца по замкнутым орбитам, прежде чем выйти на финишную прямую. Если теперь изготовить вещество с ещё более мелкими зёрнами, то, возможно, удастся достичь и эффекта полной локализации, при котором фотоны так и не выйдут наружу. Демонстрация этого эффекта стала бы одним из шедевров оптического эксперимента.

Элементы большой науки.
elementy.ru 20.02.06

Л.В.ПИГАЛИЦЫН, МОУ СОШ № 2,
г. Дзержинск, Нижегородская обл.

levp@rambler.ru, www.levpi.narod.ru