Питер Макоуэн - Вычислительное мышление - Метод решения сложных задач

Изобретатель «сканера EMI» инженер-электрик сэр Годфри Хаунсфилд совместно с другим ученым был удостоен Нобелевской премии по медицине, а позже за свои достижения возведен в рыцарское достоинство. Сейчас томография постоянно используется в медицине, а еще в археологии — например, чтобы увидеть, как выглядят в разрезе египетские мумии, и в геофизике, чтобы заглянуть внутрь нашей планеты. Это еще один пример того, как математика, техника и программирование, объединившись в нужный момент, могут полностью изменить наш образ действий.

Рентгеновская томография позволяет врачам увидеть трехмерные изображения костных тканей, которые поглощают рентгеновские лучи, однако не дает в деталях разглядеть мягкие ткани. К сожалению, именно здесь часто прячется болезнь. В этом случае вместо рентгеновских лучей нужны магниты. На помощь приходит магнитно-резонансная томография (МРТ)и сканеры, предназначенные для этой технологии. С их помощью можно создавать трехмерные изображения мягких тканей, хотя для этого необходимо очень много вычислений.

В МРТ используют явление ядерного магнитного резонанса. Молекула воды состоит из атомов кислорода и водорода, и в ядре атома водорода есть только один протон. Этот скромный протон обладает полезной особенностью. Он действует как мини-магнит, и его ориентация зависит от того, что происходит с протонами в воде вокруг него. К счастью для нас, мягкие ткани человека помимо разных химических веществ содержат много воды. Благодаря этому они и мягкие.

Чтобы сделать снимок тела изнутри, человека, находящегося в сканере, сначала подвергают воздействию постоянного магнитного поля. Это поле ориентирует все протоны тела в одном направлении. Затем к исследуемой области применяется электромагнитное излучение определенной частоты. При этом величина магнитного поля добавляется к исходной. В результате в разных областях тела создается разное магнитное поле. Если воздействовать на протоны нужной радиочастотой, они либо поглотят ее, либо излучат обратно. Частота, на которую отреа­гируют протоны, определяется силой местного магнитного поля. Она, в свою очередь, зависит от плотности протонов и объема мягких тканей.

Эта реакция протонов, поглощающих или излучающих определенную частоту, называется ядерным магнитным резонансом.Резонанс как таковой можно наблюдать в разных природных явлениях. Классический пример — винные бокалы с разным количеством жидкости, которые вибрируют на разной частоте и издают разный звук. Частота, с которой они резонируют, зависит от количества жидкости в стакане.

Система МРТ отправляет заранее определенную последовательность радиочастот в исследуемую область тела. Затем она измеряет резонанс, полученный в ответ на каждую из них. Поскольку каждая передаваемая частота настроена на одну из частот в исследуемой области, в результате получается карта, отражающая плотность протонов в разных местах, — то есть карта мягких тканей.

Можно пойти дальше и, используя разную последовательность изображений при разных радиоимпульсах и разных скоростях изменения частоты, вычислить не только объем мягких тканей, но также их тип, а еще данные о химической среде, в которой они находятся. То есть мы получаем для подробного изучения полезные медицинские данные.

С помощью полученных таким образом данных делают, например, объемную пластиковую модель сердца. Хирург может подержать в руках копию сердца, которое ему предстоит оперировать, и заранее точнее оценить сложности, с которыми может столкнуться!

Одно из самых интересных использований МРТ — создание фильмов о процессах, идущих в человеческом теле. Поскольку для этого необходимо подключать большие вычислительные мощности, на обработку уходит довольно много времени. Но несмотря на это, польза очевидна. Например, снимают фильмы о бьющемся сердце, что позволяет медикам увидеть, как открываются и закрываются сердечные клапаны.

Еще интереснее функциональная визуализация.С помощью этого метода, сравнивая снимки разных областей мозга и скорость потребления кислорода, можно увидеть, что происходит в мозге, когда человек думает.

Кровь с высоким и низким содержанием кислорода обладает разными магнитными свойствами. Когда потребление кислорода в какой-то части мозга повышается, мы видим, что именно она задействуется при выполнении определенной задачи. Для изучения этого процесса нам просто нужна контрольная задача, для которой не понадобится конкретная часть мыслительного аппарата, и задача, для которой она понадобится. Если мы «вычтем» друг из друга два цифровых изображения, останутся области, где кислород использовался для выполнения задачи, и с этого момента можно начать исследования работы мозга во время конкретного занятия.