03.12.2001 Немецкая премия будущего
Напомню, что эта почётная награда была учреждена четыре года назад тогдашним президентом Германии Романом Герцогом. Она призвана способствовать развитию немецкой науки и, прежде всего, тех её направлений, благодаря которым Германии может занять ведущие позиции в сфере высоких технологий. Иными словами, при определении проекта-лауреата предпочтение отдаётся не фундаментальным исследованиям, а тем разработкам, в которых научные открытия нашли конкретное техническое воплощение. Помимо почётного диплома, победитель конкурса получает и денежное вознаграждение, составляющее полмиллиона марок.
По уже сложившейся традиции в финал вышли четыре проекта. О них и пойдёт речь в сегодняшней передаче.
Начнём с проекта, представленного сотрудниками Немецкого онкологического центра в Гейдельберге. Цель разработки коротко и ясно формулирует один из её авторов – профессор Вольфганг Шлегель:
Главная проблема лучевой терапии опухолей всегда состояла в том, что облучению неизбежно подвергались и здоровые ткани. Разработанная нами технология позволяет почти полностью исключить этот негативный эффект.
Созданная в Гейдельберге технология именуется IMRT – «Intensity Modulated Radiotherapy», – то есть лучевая терапия с модулированной интенсивностью. В основе такой терапии – специальная компьютерная программа, позволяющая виртуально разбить опухоль на фрагменты и подобрать для каждого из них оптимальные параметры облучения. Доктор Юрген Петер Дебус говорит:
О-тон Дебус: Развитие компьютерных технологий за последние 10 лет позволило нам визуализировать как облучение, так и опухоль. Совмещая эти две картинки и добиваясь их оптимального совпадения, мы можем практически гарантировать успех лучевой терапии.
Юрген Дебус подчёркивает преимущества новой компьютерной технологии:
Новизна такого планирования лучевой терапии состоит в том, что оно впервые даёт врачам возможность эффективно воздействовать на опухоль любой формы и позволяет определить оптимальные для каждого конкретного случая параметры облучения. А компьютер обеспечивает точную реализацию этого плана на практике. До сих пор всё происходило, так сказать, наоборот: врачи были вынуждены исходить не столько из формы опухоли, сколько из весьма ограниченных возможностей оборудования. То есть раньше техника диктовала, какая опухоль хорошо поддаётся терапии, а какая плохо или не поддаётся вовсе.
Теперь пациента, прежде всего, обследуют с помощью компьютерного томографа, и на основе полученных данных специальная программа рассчитывает трёхмерную модель опухоли, – поясняет Юрген Дебус:
Эта компьютерная модель сначала подвергается терапии тут же в компьютере. И на этом этапе, этапе своего рода виртуальной терапии, мы имеем возможность откорректировать интенсивность и пространственные параметры облучения. Этот процесс оптимизации именуется «инверсивным планированием терапии».
Инверсивным, то есть обратным, такое планирование называется потому, что раньше врач задавал параметры облучения, из которых вытекало распределение интенсивности внутри опухоли; теперь же врач может сразу ввести в компьютер оптимальные дозы для каждого участка опухоли, и тот рассчитывает параметры облучения. Юрген Дебус продолжает:
А следующий шаг состоит в том, что параметры, рассчитанные компьютером, задаются в линейный ускоритель – прибор, который, собственно, и осуществляет облучение. Однако и на этом этапе мы облучаем пока ещё не реального пациента, а всего лишь фотоплёнку. Полученные снимки позволяют ещё раз проверить правильность компьютерных расчётов, положенных в основу терапии. И если виртуальная реальность отвечает подлинной реальности, тогда можно приступать к терапии больного.
Конечно, обеспечить переменные параметры облучения может не любая техника. Она должно располагать системой диафрагм, бленд и заслонок, управляемых компьютером. Юрген Дебус поясняет:
Проблема в том, что краевые параметры обычного оборудования сильно ограничивают врача в выборе формы распределения дозы облучения. Как правило, получается более или менее прямоугольное распределение дозы, в то время как опухоли прямоугольной формы встречаются крайне редко. Обычно новообразования имеют неправильную, порой весьма замысловатую форму. Разработанная нами технология позволяет успешно справиться с этой проблемой.
Сегодня инверсивное планирование лучевой терапии наряду с Гейдельбергом применяется в клиниках Берлина, Дуйсбурга и Вюрцбурга. На очереди – Мюнхен. Один из разработчиков технологии – Томас Бортфельд – пять месяцев назад перебрался в США на должность научного руководителя Бостонского протонного центра. Почти треть сотрудников центра – из Германии, и это не случайно:
Практически это является логическим продолжением той работы, которую мы вели в Гейдельберге. Задача состоит в том, чтобы адаптировать нашу технологию к облучению протонами. И тут важно иметь в виду, что речь идёт о немецкой разработке, потому что со временем это забывается, и многие начинают думать, будто идея родилась здесь, в США.
Второй проект
, выдвинутый на соискание Немецкой премии будущего, осуществлён в Институте квантовой оптики Общества имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена. Здесь разработали способ сверхточного измерения оптических частот.Директор института профессор Теодор Хенш говорит:
Наше новое изобретение позволяет с помощью очень компактного оборудования, содержащего один-единственный лазер, быстро измерять любые частоты, причём сегодня уже с точностью до 15-го знака.
До недавнего времени для измерения частот электромагнитных волн в диапазоне видимого света учёным приходилось пользоваться исключительно сложным, громоздким и дорогим оборудованием. Дело в том, что эти частоты слишком уж велики и не поддаются прямому измерению – скажем, синий свет имеет частоту около одного квадриллиона колебаний в секунду, то есть примерно миллиард гигагерц. Теперь профессор Теодор Хенш разработал методику измерения сверхвысоких частот с помощью гребенчатого спектра, генерируемого скоростным импульсным лазером.
Делая вспышки всё более короткими, я получаю всё более широкий спектр. Скажем, импульс длительностью в одну фемтосекунду имеет уже очень широкий спектр. Но спектр одного импульса будет непрерывным, никаких дискретных пиков в нём нет. Гребенчатый спектр получается, если использовать множество последовательных импульсов. Причём это должен быть строго периодический процесс, который в математике описывается так называемым тригонометрическим рядом Фурье. Элементы этого ряда и являют собой пики спектра.
Принцип, положенный им в основу измерения оптических частот, профессор Хенш излагает так:
Представим себе, что у меня есть лазер непрерывного излучения, частоту которого я хочу измерить. С помощью специального устройства для расщепления светового пучка на базе системы зеркал я могу наложить луч лазера на эталонный гребенчатый спектр и полученный суммарный луч направить на фотодетектор. Тот зарегистрирует низкочастотные колебания интенсивности, вызванные интерференцией луча лазера с эталонным спектром. Зная частоту эталонного спектра и частоту интерференционных колебаний, я без особого труда смогу вычислить частоту лазера.
Понятно, что такого рода измерения необходимы, прежде всего, в области фундаментальных исследований, однако этим их значение не ограничивается.
Этот гребенчатый частотный спектр имеет и прикладное значение. В частности, открываются перспективы его применения в области информатики и телекоммуникации. Чтобы повысить пропускную способность волоконно-оптических сетей, для одновременной транспортировки разных пакетов данных в одном и том же волокне уже сегодня используются световые сигналы разных цветов. Дальнейшее уплотнение каналов возможно лишь за счёт сближения частот используемых синхронно световых сигналов, что позволит увеличить их количество. Но для этого надо уметь очень точно контролировать цвета, то есть измерять частоты этих сигналов. Я думаю, в недалёком будущем количество таких сигналов в одном волокне будет исчисляться сотнями тысяч, и наш гребенчатый спектр будет играть тут ключевую роль.
Столь же незаменимым гребенчатый спектр может оказаться и при создании сверхточных часов:
Действительно, американским инженерам недавно удалось с нашей помощью реализовать такие оптические атомные часы. По точности они уже сейчас не уступают лучшим атомным часам обычной конструкции. Но мы надеемся, что через несколько лет сможем повысить точность оптических часов на три порядка, то есть сделать их в тысячу раз точнее, чем самые совершенные атомные часы традиционного образца.
Сверхточные часы необходимы, например, для проверки некоторых положений общей теории относительности Эйнштейна. А кроме того, такие часы позволят ответить на вопрос, действительно ли постоянны мировые константы или они, пусть и крайне медленно, но всё же меняются. В поиске ответов на эти вопросы Институт квантовой оптики призван сыграть не последнюю роль:
Что касается нашего изобретения как такового, то тут мы, вне всякого сомнения, являемся мировым лидером. Многие лаборатории в разных странах работают теперь в этом направлении. Если же иметь в виду коммерческое использование нашей разработки, то она запатентована, и это позволяет нам с уверенностью смотреть в будущее.
Третий проект
-финалист связан с созданием искусственной печени на базе технологии, именуемой MARS, что означает «Molecular Adsorbent Recirculating System», то есть «рециркуляция молекулярных адсорбентов». Речь идёт о так называемом экстракорпоральном гемодиализе, то есть процессе очистки крови от ядовитых веществ и продуктов жизнедеятельности вне организма пациента. Этот принцип, ранее реализованный в аппарате «искусственная почка», специалисты ростокской фирмы «Тераклин» теперь с успехом применили для создания аппарата «искусственная печень». Один из авторов разработки – доктор Штефан Альдингер – вспоминает:Идея родилась благодаря двум молодым врачам Университетской клиники в Ростоке – доктору Яну Штанге и доктору Штеффену Митцнеру. Оба учились в ГДР, специализировались на нефрологии, Таким образом, с технологией экстракорпоральной обработки крови они были хорошо знакомы. После падения стены они поехали в Целле, на конгресс по проблемам искусственных органов, и попали на заседание секции, посвящённой созданию искусственной печени. Там им и пришла в голову идея применить технологию почечного диализа к терапии печени.
На первый взгляд обе процедуры действительно очень похожи:
Пациенту вводится в артерию катетер, по которому кровь поступает на очистку в специальный фильтр. Пройдя сквозь фильтр, очищенная кровь по второму катетеру через вену снова подаётся в организм пациента. Весь процесс очистки протекает внутри фильтра. Фильтр сконструирован так, что проходящая сквозь него кровь не вступает в прямой контакт с очищающей жидкостью, они разделены очень тонкой пористой мембраной.
Очищающая жидкость – это раствор сывороточного альбумина, того самого белка, который вырабатывается здоровой печенью и присутствует в плазме крови. А мембрана имеет столь мелкие поры, что ценные компоненты крови – гормоны, факторы роста, витамины, белки – не могут её преодолеть и потому остаются в крови, а ядовитые вещества удаляются:
Наиболее известный яд – это билирубин, пигмент жёлтого цвета, продукт распада гемоглобина. Именно избыток билирубина в крови и приводит к желтухе. Кроме того, есть ещё целый ряд субстанций – ароматические аминокислоты, жёлчные кислоты, аммиак, – которые, как считается, приводят к вторичным осложнениям при недостаточности печени, блокируют важные рецепторы в почках, вызывая этим их дисфункцию, и проникают в мозг.
До недавнего времени единственным способом спасти пациента, у которого отказала печень, была трансплантация. Ежегодно в Германии производится от 700 до 800 таких операций. Но донорских органов не хватает, и многие больные просто не доживают до пересадки:
Сегодня наша технология применяется в ситуациях, когда у пациента на фоне хронического заболевания печени развивается её острая недостаточность. Этому может предшествовать инфекция, или травма, или внутреннее кровотечение, – так или иначе, печень полностью перестаёт функционировать. Вот тут-то и применяется наша методика экстракорпоральной очистки – чтобы «дотянуть» пациента до трансплантации ему донорской печени или чтобы дать его собственной печени время, необходимое ей для регенерации.
Доктор Штеффен Митцнер добавляет:
Нам доводилось успешно применять нашу технологию для терапии самых разных форм недостаточности печени. Одна группа, очень многочисленная – это хронические больные, у которых по той или иной причине наступает резкое, опасное для жизни, обострение. Другая группа – пациенты с острыми отравлениями, вызванными, скажем, медикаментами или ядовитыми грибами.
У этой второй группы функция печени после такого гемодиализа, как правило, быстро восстанавливается. Однако собрать надёжную статистику такого рода практически невозможно. Доктор Альдингер поясняет:
Для этого вам необходима контрольная группа, причём входящих в неё пациентов вы должны будете лишить стандартной терапии, что уже из этических соображений совершенно нереально. Поэтому получить строго научные сравнительные результаты тут вряд ли возможно. Однако если пациент так стремительно пойдёт на поправку, что необходимость в пересадке отпадёт, опытный врач сразу это увидит.
В ближайшие планы ростокских учёных входит проникновение на американский рынок. Доктор Альдингер говорит:
Мы получили разрешение на проведение клинических испытаний, которые сегодня идут полным ходом в пяти медицинских центрах США. Мы рассчитываем в будущем году их успешно завершить и подать заявку на допуск нашей технологии в клиническую практику.
В США немецкая искусственная печень вынуждена конкурировать с четырьмя другими разработками местных фирм. Но американский рынок исключительно важен, – объясняет доктор Ян Штанге:
То, что успешно преодолевает многоступенчатую систему жёсткого отбора, принятую в США, и становится там стандартной терапией, получает, как правило, широкое распространение и во всём остальном мире – и в Европе, и в Азии. Победить в этом конкурсе – трудная, но почётная задача. Кто добился успеха там, тот добьётся его везде.
Возможно, так оно и есть, но вот в конкурсе за Немецкую премию будущего победа ростокским учёным не досталась. Распечатав конверт, вручённый ему председателем жюри, президент Германии Йоханнес Рау произнёс:
Немецкая премия будущего за 2001-й год присуждается профессору доктору Вольфгангу Вальстеру.
Профессор Вольфганг Вальстер, директор Немецкого исследовательского центра искусственного интеллекта при университете города Саарбрюккена, удостоился . высокой награды за разработку компьютерной программы, способной выполнять функцию автоматизированного переводчика-синхрониста. Эта удивительная программа, именуемая "Verbmobil", открывает широкие перспективы и во вногих других сферах, где необходимо, чтобы компьютер понимал живую человеческую речь.
Мне кажется, этот проект заслуживает более подробного рассказа, чем это возможно в такой обзорной передаче, как сегодняшняя. Поэтому к разработке профессора Вальстера я обязательно вернусь в одном из ближайших выпусков радиожурнала «Наука и техника».