Как сверхмощные лазеры помогают спасти жизни?

Как-то раз на научной конференции по физике в медицине мне
посчастливилось слушать доклад американского профессора из Гарвардской
медицинской школы в городе Массачусетс. Докладчика звали Раджив Гупта, он по профессии врач-рентгенолог, но кроме того занимается научными
исследованиями с применением новейших физических методов в медицине. В
докладе он рассказывал о своих последних достижениях и решил
проиллюстрировать их реальным случаем из своей клинической практики. Этим случаем мне и хотелось бы поделиться с вами.

Однажды в Массачусетский госпиталь поступил пациент с крайне неприятной травмой: в его глаз был воткнут гвоздь. Подобные случаи, на самом деле, не так редки, поскольку люди часто пренебрегают элементарной техникой безопасности и не надевают защитные очки, когда косят траву газонокосилкой. Так случилось тем утром и с этим пациентом. В результате газонокосилка наехала на старый гвоздь, и тот неудачно отскочил прямо в глаз.

Несмотря на внешне страшную картину, как правило, лечение подобных
случаев не представляет труда. Если гвоздь не зашёл слишком далеко, то врач его просто вынимает, глаз обрабатывает, а пациента отпускает домой — в течение пары недель у него всё заживёт. Проблема, однако, усложняется, если гвоздь пробивает заднюю поверхность глазного яблока. Дело в том, что сразу за глазом начинается область мозга, и такой случай автоматически классифицируется как потенциальное повреждение мозга. Лечение в этом случае проводит уже не простой терапевт, а полноценный нейрохирург, и, главное, гвоздь в такой ситуации ни в коем случае нельзя удалять, не проведя полноценной операции на мозге. Естественно, что процедура затягивается, восстановление происходит дольше, а стоимость услуги увеличивается в сотни и даже тысячи раз.

Но как понять, насколько глубоко проник гвоздь? Думаю, не открою секрета, что с этим прекрасно справляется обыкновенный рентген: на снимке и железный предмет, и граница глазного яблока будут хорошо видны. Единственная проблема — обычный рентгеновский аппарат обладает не самой
высокой разрешающей способностью. Проще говоря, снимки получаются
нечёткими, размытыми. И если конец гвоздя оказывается прямо на границе глазного яблока, то определить, повреждена ли его задняя поверхность или нет,
оказывается невозможным. Именно так произошло и в случае нашего пациента.

К счастью для него, он оказался не в обычной больнице, а в одной из самых
инновационных клиник в мире, в которой к тому же работал профессор Гупта,
занимающийся как раз новыми методами получения рентгеновских снимков сверхвысокой чёткости. Вспомнив про эти работы, врачи направили пациента к
Гупте, чтобы тот сделал свои снимки гвоздя и глазного яблока. Уже через несколько часов снимки были готовы, и на них уже было отчётливо видно, что
гвоздь не проник в область мозга, а значит, его можно безопасно извлечь и
отпустить перепуганного мужчину домой.

Что же это за новый метод, который использовал профессор, и если он так хорош, то почему его не используют в других местах?

Метод называется фазо-контрастная рентгенография, а проблема с его применением в том, что для его работы требуется очень яркий источник рентгеновского излучения. На обычном рентгеновском аппарате такое не сделаешь, нужны специальные источники. Сейчас с этой целью обычно используют так называемые синхротроны — огромные машины размером со стадион, в которых ускоряются и бегают по кольцу диаметром в десятки метров высокоэнергичные электроны. Проходя через магниты, эти электроны испускают тонкий и очень яркий луч рентгеновского излучения — его и использовал профессор Гупта. К сожалению, синхротроны — очень дорогие устройства, доступные лишь в нескольких местах в мире. Массачусетс — один из главных центров американской науки, поэтому там есть свой синхротрон, однако в каждом городе его не построишь.

К счастью, недавно возникла новая идея, как можно получать яркий рентген. Около 25 лет назад был построен первый в мире лазер, мощность излучения которого превысила 1 петаватт, то есть один квадриллион (цифра с 15 нулями!) ватт. Оказалось, что если сфокусировать его излучение, то можно ускорять электроны до тех же энергий, что и синхротроны, но для этого не нужны десятки метров, достаточно несколько миллиметров! То есть петаваттные лазеры могут стать более дешёвой и компактной альтернативой огромным ускорителям-синхротронам.

Как так получается? Чтобы понять, насколько ярок петаваттный лазер, вспомним, что обычная лампа накаливания имеет мощность 40, 60 или 100 ватт — но это мощность, которую она поглощает из электрической сети. Почти вся она уходит в тепло. В видимый глазу свет лампа накаливания переводит всего около 2–3 % энергии, то есть мощность свечения обычной лампы — около 1 ватта. Получается, петаваттный лазер светит, как квадриллион ламп! Единственное, с чем можно его сравнить, это с Солнцем. Но чтобы собрать петаватт солнечной энергии, нам бы потребовалось сделать лупу площадью в миллион квадратных километров — размером с пустыню Гоби. Не удивительно, что в фокусе петаваттного лазера происходит что-то очень необычное. Изучением этого мы и занимаемся в нашей лаборатории.

Исследования показали, что вещество, помещённое в фокус петаваттного лазера, меняет свои свойства. Но главное, оно становится очень эффективным конвертером энергии лазерного излучения в другие виды энергии.

В зависимости от того, какое вещество использовать и как посылать на него лазерное излучение, можно получить яркий источник рентгеновского и гамма-излучения, пучки быстрых электронов и протонов, нейтронов и позитронов.

В 2000–2010-е годы были проведены первые эксперименты, в которых петаваттный лазер стал источником сверхъяркого рентгена, который был использован для получения фазо-контрастных изображений модельных объектов: мелких мушек и микропластинок. Сейчас люди по всему миру работают над тем, чтобы сделать на этой основе удобный и недорогой прибор для больниц, который можно было бы закупить если не в каждую поликлинику, то хотя бы в крупные региональные центры. Это помогло бы не только пациентам с посторонними предметами в голове, но и в диагностике рака, и в частности, для раннего выявления опасного и уносящего сотни тысяч жизней в год рака груди. А ведь чем раньше его обнаружить, тем больше вероятность его вылечить. Так сверхмощные лазеры могут в какой-то момент начать спасать жизни.

Артем Коржиманов, кандидат физико-математических наук, сотрудник Института прикладной физики РАН

#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки