Η Φυσική αναπτύσσει νέες τεχνολογίες για την Ιατρική

Άρθρο Οκτώβριος 2001

Θεμελιώδεις σημαντικές ανακαλύψεις στην φυσική, συνεχίζουν να παράγουν νέες ιατρικές τεχνολογίες για τον προσδιορισμό και τη θεραπεία μιας σειράς ασθενειών.

Καθ' όλη τη διάρκεια του περασμένου αιώνα οι πρόοδοι στη φυσική και την ιατρική πήγαιναν μαζί. Οι πιό θεμελιώδεις ανακαλύψεις στη φυσική χρησιμοποιήθηκαν γρήγορα από την ιατρική κοινότητα, για να επινοήσουν νέες τεχνικές για διάγνωση και θεραπεία ποικίλων ασθενειών. Και οι φυσικοί όλο και περισσότερο αφουγκράζονται τις απαιτήσεις του ιατρικού επαγγέλματος, όταν καθορίζουν την κατεύθυνση της νέας τους έρευνας.

Το καλύτερο γνωστό παράδειγμα για τη σύνδεση μεταξύ της φυσικής και της ιατρικής, είναι η χρήση των ακτίνων-X για να βοηθήσει στον εντοπισμό και την θεραπεία μιας σειράς ασθενειών.

Ο Wilhelm Rontgen ανακάλυψε τις ακτίνες-X πριν από περισσότερο από 100 έτη, στο Wurzburg της Γερμανίας. Όπως πολλοί σύγχρονοι φυσικοί, μελετούσε τι συνέβαινε όταν ενεργητικά ηλεκτρόνια χτυπούσαν έναν στόχο μέσα σε έναν αερόκενο σωλήνα.

Ενώ ο ο ίδιος ο Rontgen έπλασε το "Χ" για την άγνωστη ακτινοβολία, οι μυστήριες αυτές "ακτίνες Rontgen" διευκρινίστηκαν γρήγορα και χρησιμοποιήθηκαν για ιατρικούς λόγους. Η απεικόνιση μάλιστα του ανθρώπινου σώματος με τις ακτίνες-X, είναι τώρα μία από τις πολλές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για να ανιχνευτεί μια ασθένεια, και συγκεκριμένα, για να προσδιορίσει κακοήθη ασθένεια ή καρκινικούς όγκους.

Σε λιγότερο από ένα έτος μετά από την ανακάλυψή τους, από τον Wilhelm Rontgen το 1895, οι επιστήμονες είχαν διαπιστώσει ότι οι ακτινοβολίες ακτίνων-X, θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην θεραπεία των κακοηθών όγκων και του καρκίνου.

Η φυσική της αντιμετώπισης του καρκίνου με ακτινοβολία-Χ.

Οι ακτίνες-X χρησιμοποιούνται συνήθως για να εντοπίσουν και να θεραπεύσουν την ασθένεια, και οι φυσικοί ερευνητές αναπτύσσουν τώρα νέες τεχνικές που θα καταστήσουν την θεραπεία με τις ακτίνες-X αποτελεσματικότερη από ό,τι ήταν πριν.

Οι σύγχρονες γενεές έχουν ωφεληθεί από την δυνατότητα, να βλέπουν οι ιατροί μέσα στο ανθρώπινο σώμα αβίαστα, ανώδυνα και τουλάχιστον στα πιό πρόσφατα έτη σχεδόν στιγμιαία. Όπως και στην ανίχνευση της ασθένειας, οι ακτίνες-X παρέχουν επίσης και τα μέσα για τη θεραπεία της: την ακτινοθεραπεία.

Και η απεικόνιση και η ακτινοθεραπεία με τις ακτίνες-X, έχουν εξελιχθεί σταθερά κατά τη διάρκεια του προηγούμενου αιώνα, που διανθίζεται με διάφορες σημαντικές ανακαλύψεις.

Πρόσφατα οι καινοτομίες στη θεραπευτική ακτινολογία στοχεύουν να βελτιώσουν τον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες-X προσβάλλουν τον ασθενή ιστό, με την ελπίδα της θεραπείας ενός μεγαλυτέρου εύρους των όγκων, πιό αποτελεσματικά από ό,τι στο παρελθόν.

Ο νέος τρόπος της θεραπείας του καρκίνου, είναι γνωστός σαν θεραπεία δια της ρυθμισμένης πυκνότητας της ακτινοβολίας.Πρόσφατες όμως ερευνητικές προσπάθειες έχουν εστιασθεί στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της θεραπείας του καρκίνου με τις ακτίνες-X.

Οι κακοήθεις όγκοι μπορούν να καταστραφούν με την εστίαση αρκετών δεσμών ακτίνων-X επάνω στον άρρωστο ιστό. Η πρόοδος στην παραγωγή "διαμορφωμένων" ακτινοβολιών έχει καταστήσει δυνατή την προσαρμογή της υψηλής δόσης ακτινοβολίας με την μορφή του όγκου, αλλά οι υπάρχουσες τεχνικές δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν το 30% των όγκων που έχουν βυθίσματα ή κοιλώματα στην επιφάνειά τους.

Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, αναπτύσσονται τώρα τεχνικές για να μεταβάλουν την ένταση των ακτινοβολιών με ακτίνες-X, μέσω της κίνησης μικρών κομματιών μολύβδου ή βολφραμίου στο πεδίο της ακτινοβολίας για χρονικές περιόδους ακριβώς ελεγχόμενες. Τέτοιες τεχνικές είναι ακόμα στο ερευνητικό στάδιο, και οι κλινικές δοκιμές μόλις έχουν αρχίσει.

Αλλά οι εφαρμογές των ακτίνων-X δεν αποκαλύφθηκαν πλήρως, μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1970, όταν εισήχθη στην Ιατρική, μια τεχνική απεικόνισης γνωστή ως υπολογιστική τομογραφία με τη βοήθεια των ακτίνων-X. Αυτή η μέθοδος γνωστή τώρα απλά ως CT ανίχνευση, κατέστησε για πρώτη φορά δυνατή την κατασκευή τρισδιάστατων εικόνων του ανθρώπινου σώματος.

Η υπερπόλωση τα αποκαλύπτει όλα

Η βασική έρευνα της φυσικής έχει διαδραματίσει επίσης έναν κρίσιμο ρόλο στη ανάπτυξη της Μαγνητικής Τομογραφίας Συντονισμού ή όπως αλλιώς τη λέμε Πυρηνική Μαγνητική Τομογραφία (MRI).

Αυτή η τεχνική είναι βασισμένη στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό, ένα κβαντικό φαινόμενο που καταδείχθηκε αρχικά από τον Edward Purcell και τον Felix Bloch προς το τέλος της δεκαετίας του '40. Τα συστήματα απεικόνισης που βασίζονται σε αυτήν την επίδραση, αναπτύχθηκαν αρχικά στη δεκαετία του '70, και το MRI έχει αναπτυχθεί από τότε σαν ένα ισχυρό κλινικό εργαλείο.

Αλλά ακόμη και ο πιο πρόσφατος εξοπλισμός δεν μπορεί να λάβει εικόνες μέσα στον πνεύμονα. Το συμβατικό MRI ανιχνεύει τα σήματα που παράγονται από τις πυρηνικές ιδιοπεριστροφές (spin) των πρωτονίων που βρίσκονται στα μόρια του νερού και του λίπους, αλλά η πυκνότητα των πρωτονίων του πνεύμονα είναι πάρα πολύ χαμηλή για να αναπαραγάγει καθαρές εικόνες.

Εντούτοις, αυτό το πρόβλημα μπορεί να υπερνικηθεί μέσω της χρήσης "υπερπολωμένων" αερίων , μια ιδέα που είχε προκύψει από τα πειράματα στην ατομική φυσική, που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των τελευταίων 30 ετών περίπου.

Υπερπολωμένα δείγματα ηλίου και ξένου, μπορούν να δημιουργηθούν με ισχυρά λέιζερ που προκαλούν ατομικές μεταπτώσεις στο αέριο και ως εκ τούτου ευθυγραμμίζουν μερικά από τα πυρηνικά τους spin. Αυτό ενισχύει το σήμα της μαγνητικoύ συντονισμού, και καθιστά πιθανό να απεικονιστούν τα διάκενα του αέρα σε όλο τον πνεύμονα και να διαγνωσθούν βρογχικές ασθένειες όπως το εμφύσημα. Η τεχνική επεκτείνεται τώρα για να ελέγξει τη ροή του αίματος στους πνεύμονες και στον εγκέφαλο.

Η μη γραμμικότητα και η καρδιά

Μια από τις λιγότερες γνωστές εφαρμογές της φυσικής στην ιατρική, είναι η χρήση των μη γραμμικών κυμάτων για να εξηγήσουν τις κινήσεις της καρδιάς. Ο καρδιακός μυς είναι ουσιαστικά μια μηχανική αντλία που οδηγεί το αίμα σε όλο το σώμα. Οι ηλεκτρικές ωθήσεις που στέλνονται από τον εγκέφαλο διαδίδονται μέσω του μυός, που διεγείρει τον ιστό και υποκινεί συγχρόνως μια συστολή της καρδιάς. Αυτή η ηλεκτρική διέγερση της καρδιάς μπορεί να περιγραφεί από μια μη γραμμική εξίσωση κυμάτων, που μπορεί να συνδυαστεί με τα βιοφυσικά μοντέλα για να γίνει εξομοίωση της διάδοσης των κυμάτων στην καρδιά.

Αυτές οι αριθμητικές μελέτες βοηθούν στην κατανόηση του τι συμβαίνει σε μια καρδιακή αρρυθμία, δηλαδή μια ενδεχομένως θανατηφόρα κατάσταση, στην οποία τα διαφορετικά μέρη του μυός συστέλλονται σε διαφορετικούς χρόνους.

Οι αρρυθμίες μπορούν να περιγραφούν με όρους της "επανεισερχόμενης" διάδοσης κυμάτων, όπου το ίδιο κύμα της ηλεκτρικής δραστηριότητας περνά επανειλημμένα μέσω του ίδιου ιστού. Τα αριθμητικά μοντέλα της καρδιάς έχουν αποκαλύψει πώς αυτά τα επανεισερχόμενα κύματα μπορούν να οδηγήσουν σε μια ιδιαίτερα ανώμαλη κίνηση της καρδιάς γνωστής ως ινιδισμός.

Εάν ο ινιδισμός εμφανιστεί, η παραδοσιακή προσέγγιση είναι "να επαναξεκινήσει" η καρδιά με ένα απλό ηλεκτρικό σοκ. Εντούτοις, η φυσική βάση αυτής της προσέγγισης δεν είναι σαφής και η δύναμη του σοκ μπορεί να βλάψει τον ιστό της καρδιάς.

Μελέτες της μη γραμμικής διάδοσης των κυμάτων, δείχνουν ότι μπορεί να είναι αποτελεσματικότερη η εφαρμογή μια σειράς από μικρότερα σοκ. Μια άλλη προσέγγιση να είναι να τροποποιηθούν οι ιδιότητες του επανεισερχόμενου κύματος με φάρμακα.

Οι τεχνικές που είναι βασισμένες στην οπτική, χρησιμοποιούνται ευρέως για την απεικόνιση και την ανάλυση, ενώ τα λέιζερ χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μικροχειρουργική. Ο υπέρηχος έχει γίνει επίσης ένα κοινό κλινικό εργαλείο, και οι ερευνητές προσπαθούν τώρα να εκμεταλλευτούν τον υπέρηχο μεγάλης έντασης για την αναίμακτη χειρουργική επέμβαση.

Αυτοί είναι μερικοί από τους τρόπους με τους οποίους η φυσική έχει χρησιμοποιηθεί στην ιατρική. Πάνω από 100 έτη από τότε που ο Rontgen ανακάλυψε τις ακτίνες X, η συνεργασία μεταξύ της φυσικής και της ιατρικής κοινότητας, συνεχίζει να παράγει νέες ιατρικές αντιμετωπίσεις που βελτιώνουν την ζωή μας.

           Σχετικές Βιβλιογραφικές Αναφορές

1. A Thomas, I Isherwood and P N T Wells (ed) 1995 The Invisible Light ­ 100 Years of Medical Radiology (Blackwell Science, Oxford).

2. E S Sternick (ed) 1997 The Theory and Practice of Intensity-Modulated Radiation Therapy (Advanced Medical Publishing, Madison).

3. S Webb 1989 Optimization of conformal radiotherapy dose distributions by simulated annealing.

4. S Webb 1990 From the Watching of Shadows: the Origins of Radiological Tomography.

5. S Webb 1993 The Physics of Three-Dimensional Radiation Therapy: Conformal Therapy, Radiosurgery and Treatment Planning.

6. S Webb 1997 The Physics of Conformal Radiotherapy: Advances in Technology.