Автор: Пользователь скрыл имя, 11 Мая 2015 в 15:45, курсовая работа
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2003 года разделили химик, Пол Кристиан Лотербур, и физик, Питер Мэнсфилд. Смешение этих наук не случайно. Химия возникла из алхимии, металлургии, физики, минералогии, медицины и кулинарии, устранив несовместимости, всё это развилось и объединилось в более или менее объединенную дисциплину. Физика была сформирована и обогащена вкладами от астрономии, механики, математики, химии и других наук.
Введение 3
Описание исследования 4
Заключение 10
Список используемой литературы 11
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций
Кафедра биофизики
К У Р С О В А Я Р А Б О Т А
Перевод и аннотация Нобелевской речи Пола Лотербура
« All science is interdisciplinary – from
magnetic moments to molecules to men»,
произнесённой 8 декабря 2003 года
по дисциплине: «Семинар на иностранном языке»
Выполнил
студент гр.23417/1 <подпись> В.В. Пескишева
Руководитель <подпись> Т.П. Санькова
«___» __________ 2015 г.
Санкт-Петербург
2015
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2003 года разделили химик, Пол Кристиан Лотербур, и физик, Питер Мэнсфилд. Смешение этих наук не случайно. Химия возникла из алхимии, металлургии, физики, минералогии, медицины и кулинарии, устранив несовместимости, всё это развилось и объединилось в более или менее объединенную дисциплину. Физика была сформирована и обогащена вкладами от астрономии, механики, математики, химии и других наук.
Лотербур предложил использовать градиент магнитного поля для определения происхождение радиоволн, излучаемых ядрами объекта исследования. Эта информация позволяет воссоздать двумерную картину организма.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер) начался в физике, при слиянии физики элементарных частиц, физики конденсированного вещества, спектроскопии и электромагнетизма. Открытие способов наблюдения свойств атомных ядер в твердых частицах, жидкостях и газах принесло Феликсу Блоху и Эдварду Перселлу Нобелевскую премию по физике в 1952 году.
Применения этих свойств в исследованиях молекулярных движений и структур начались немедленно. Сами исследователи даже использовали свои тела в качестве образцов. Так, с помощью раннего предшественника МРТ Джей Сингер измерил кровоток в руке человека. Фактические медицинские измерения были начаты, когда Эрих Одеблад, шведский доктор медицины, построил аппарат и создал методы, позволяющие изучать небольшие количества секреций человека в медицинских целях. Имели место и другие биологические исследования, в других лабораториях: использовались ткани животных (в том числе и сердца).
В 1971 году Рэймонд Дамадиан заметил, что у некоторой ткани, пораженной раком, полученной из внедренных опухолей, удаленных у крыс, было дольше время релаксации ЯМР, чем у нормальных тканей. Это наблюдение привлекло внимание нескольких человек, в том числе Холлиса, который решил попытаться подтвердить и расширить это исследование. Однажды его лаборант, Леон Сэрьян, принес нескольких животных к небольшой компании ученых в западной Пенсильвании, которая фактически выполнила более раннюю работу Дамадиана. Там у крыс брали образцы ткани и ианализировали их с помощью ЯМР. Пол Лотербур присутствовал при этих исследованиях. Все эксперименты приводили к ошибке. Однако были заметны различия в сигналах ЯМР в больных и здоровых тканях. Лотербур отметил, что эти выводы могут быть фактически быть полезными, и, возможно, получится добиться нужного результата, если изменить интенсивность сигнала, время релаксации и т.д. снаружи живого организма с достаточным пространственным разрешением.
Тем же вечером, за ужином, ему пришло в голову, что, поскольку частоты сигналов ЯМР зависели от локального магнитного поля, мог бы быть общий способ определить их местонахождение в неоднородном магнитном поле. Я знал, однако, что у статической поля не может быть единого значения в каждом местоположении в трех измерениях, но сложная форма могла бы быть представлена расширением в ряде функций, таких, чтобы отменить нежелательные неоднородности магнитного поля почленно, с линейными градиентами, квадратными и т.д. Он помнил, что расширения молекулярных волновых функций попробовали в квантовой химии, но они приближались к верным решениям медленно и неудачно. Поэтому Лотербур подумал: а если использовать большой набор простых линейных градиентов, ориентированных во многих направлениях в трех измерениях? До того времени не было известно о подобных примерах ни в одной области. Это было в начале сентября 1971, рентген еще не был широко известен. И при этом не нашлось ни одного математического метода для решения такой проблемы, но Лотербур вспомнил другую идею из квантовой химии: когда уравнения не были разрешимы в аналитической форме, повторяющийся метод, в котором приблизительные решения были сопоставимы с известными свойствами и систематически приводились к более близкой подгонке, может быть использован.
Чтобы проверить эту идею, он записал небольшие массивы чисел, такие как 1s и 0s, в небольших матрицах 4×4 или 8×8 и добавил их вдоль вертикальных и горизонтальных направлений, представляя 1-мерные данные, которые будут произведены линейным перпендикуляром градиентов магнитного поля к этим направлениям, а также данные в 45 ° и 135 °, которые могут быть произведены так же. Данные могли тогда быть “спроектированы назад” через пространство изображения как серия групп и суммированы в местах, где они пересеклись, от чего пробное изображение суммированной интенсивности могло быть спроектировано в каждом из оригинальных направлений для сравнения с фактическими данными и изменено по добавленным или мультипликативным условиям, чтобы совпасть с ними. Процедура могла бы тогда быть повторена в надеждах, что следующее вычисленное пробное изображение будет более близким приближением на каждом цикле к оригинальному. Лотербур поинтересовался у математиков, была ли такая процедура известна и будет ли она работать. Все сказали, что они не знают о подобных примерах; некоторые сказали, что процедура, очевидно, будет работать, в то время как другие утверждали, что данные не будут сходиться, поэтому он просто попробовал алгоритм сам с бумажными вычислениями и карандашом. Вычисления сходились очень быстро. Позже программист, с которым Лотербур консультировался, столкнулся со статьей в журнале, в которой использовался алгоритм, совпадающий с его. Это подтвердило, что его метод имеет место быть. В последствии стало известно, что многие работы с этой проблемой были изданы многими людьми во многих контекстах в последние годы, почти все развились независимо в различных областях. Интерес же Лотербура, однако, был в проблеме магнитно-резонансной томографии, и это осталось уникальным.
Затем ученый обратил свое внимание к вопросу того, будет ли достаточно отношения сигнал-шум ЯМР (отношение мощности полезного сигнала к мощности шума) с достаточно большими радиочастотными катушками, чтобы окружить человеческое тело, низкие магнитные поля, он думал, могли бы быть практичными в магнитах, имеющих сопротивление по таким большим объемам. В труде Анатоля Абрагама “Ядерный Магнетизм” были найдены уравнения, которые позволили полагать, что выводы были правильные. Обзор магнитной литературы показал, что резистивные магниты с полями порядка 0,1 тесла и диаметрами приблизительно 1 метра могли бы строиться с достаточной однородностью поля, чтобы поддержать эксперименты ЯМР, которые Лотербур рассчитывал провести.
Тогда казалось, что всем требованиям можно было удовлетворить, что можно сделать правильные научные исследования так, чтобы новый и полезный медицинский диагностический инструмент был доступен. Но был и другой вопрос, который нужно было решить. Адвокат, специализирующийся в вопросах патентов, посоветовал не делать никаких экспериментов в своем университете, поскольку они поставят под угрозу статус первооткрывателя для ученого. Они активно работали над подготовкой документов заявки на патент. К сожалению, между ними развился деловой спор, и адвокат отказался продолжать наше соглашение. Когда это произошло, Лотербур рассказал своему университету об исследовании, университет, в свою очередь, послал его в организацию, где оценивали такие документы и готовили заявки на патент.
Тем временем Лотербур начал эксперименты, готовя испытательные объекты, приложив стеклянные капилляры 1 мм диаметром к внутренней части 5-миллиметровых стеклянных труб образца ЯМР, капилляры заполненны обычной водой (H2O), внешние трубы - тяжелой водой (D2O). Неоходимость D2O состояла в том, чтобы примерно соответствовать магнитной восприимчивости через образец так, чтобы капиллярные сигналы были менее искажены, чем они были бы с воздухом в том же пространстве. Он сначала попробовал три капилляра, но сигналы были слишком сложны для интерпретации,поэтому было решено пробовать всего два. Также использовались линейные градиенты в магнитном поле. Как ожидалось, проекции были полуэллипсами или полукругами. Чтобы протестировать математическое изображение на реальных данных, ученый приложил бумажный диск, отмеченный с промежутками в 45 °, к внешней трубе, содержащей два капилляра, и вращал его к ориентациям 0 °, 45 °, 90 ° и 135 ° относительно направления градиента, в то время как сигнал ЯМР записывался на регистраторе. Затем Лотербур оцифровал записи, измерив высоту кривых с промежутками и делая запись чисел на листке бумаги с интервалами, соответствующими проекциям квадратной сетки под каждым углом. Числа были тогда переданы вручную перфокартам. Конечный результат был тогда напечатан пишущей машинкой как 20x20 матрица чисел и “изображение”, нарисованное контуром на том множестве. Эти “картины” были новым видом изображения, основанного на принципах, абсолютно отличающихся от тех других методов отображения. Чтобы подчеркнуть эту мысль, ученый выдумал новое слово “zeugmatography” как описание, согласовав со специалистом по классической филологии для его преданности древним корням и с человеком, говорящим на современном греческом языке, чтобы гарантировать, что значение “zeugma” не перешло в течение более поздних веков.
Заверенный, Лотербур использовал его в рукописи, которую написал для журнала Nature, но ему отказали. Позже автор представил исправленную версию своей рукописи, содержащую ссылки на рак и другие соответствующие темы, и на сей раз статью приняли. Также он представил свои результаты в газете на встрече Американского Физического Общества, у которого тогда была политика принятия любого разговора, выдвинутого участником, но посетителями были лишь горстка слушателей, один из которых был аспирантом, который сказал, что его преподаватель сделал ту же самую вещь, но Лотербур никогда не находил доказательств этому. Подобная история повторялась несколько раз в более позднее время с людьми, которые утверждали, что у них были те же самые идеи, но они не развили их с экспериментами и публикацией.
Эта работа и ее последующие разработки, стали предметом лекций Лотербура позже на большинстве встреч, которые он посетил. Агент университета отклонил заявку на патент, потому что они чувствовали, что это не могло произвести достаточно денег, чтобы заплатить за прикладной процесс. Тогда ученый попросил у своего университета разрешения преследовать применение независимо, но никогда не получал ответ. Он не был в таком финансовом положении, чтобы оставить работу и бросить вызов университету, и льготный период для применения американского патента после публикации почти истекёк, поэтому Лотербур оставил эту идею и решил вместо этого воодушевить других преследовать эту новую технологию, приглашая всех заинтересованных посетить его лабораторию, чтобы пронаблюдать открытие в действии. Люди действительно приезжали, и они начали организовать встречи по предмету, чтобы сравнить методы и результаты исследований. Среди них был профессор Рэймонд Эндрю и члены его группы в Ноттингемском университете, и доктор Мэнсфилд, доктор Мур и другие, а также представители медицинских компаний, врачи и медицинские физики. Интерес начал расти, поскольку много других групп были вовлечены.
Мы продолжали нашу работу, которая вскоре вовлекла аспирантов и докторов наук, больше вкладов было внесено другими лабораториями. Поскольку глубина и широта области применения выросли, крупные и небольшие компании начали видеть возможности, и спустя меньше десяти лет инструменты начали выходить на рынок, достаточно большие, чтобы держать человека и пройти клиническое исследование. Конкуренция среди врачей, промышленный интерес и умножающиеся применения и методы поспособствовали взрывному росту производства и, среди прочего, к признанию этого явления Королевской шведской Академией наук. Так нашёл своё применение метод магнитно-резонансной томографии.
В 1973 году, когда, как уже упоминалось, Пол Лотербур опубликовал свою статью, в которой он представил пространственные изображения объектов, полученные по спектрам магнитного резонанса протонов воды из этих объектов. Данная работа легла в основу метода МРТ и стала фундаментом дальнейших исследований. Этот метод позволяет исследовать внутренние органы человека и, в отличие от рентгеновских лучей, абсолютно безвреден.
В своей Нобелевской лекции Пол Лотербур, в частности, отметил: «Самыми приятными эмоциональными переживаниями были те, когда совершенно незнакомый человек подходил и говорил: «Вы спасли жизнь моей дочери» или «Ваш аппарат избавил меня от ненужной операции».
[1] Paul C. Lauterbur. Nobel Lecture, December 8, 2003. Biomedical Magnetic Resonance Laboratory, University of Illinois, Urbana, IL 61801, USA.
[2] Абрагам А. Ядерный магнетизм. — М.: Издательство иностр. лит., 1963
[3] Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. — М.: Мир, 1981.