Квант. Путеводитель для запутавшихся

Квантовая механика в медицине

Мне не перечислить всех применений квантовой механики в медицине, от рентгеновских лучей до лазерной хирургии, поэтому я кратко опишу лишь два. Одно использует квантово-механический спин ядер, в то время как другое предполагает применение антивещества для создания карты мозга.

Принципы техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР) полвека назад были разработаны американскими физиками и уже многие годы использовались для проведения спектроскопии в химии. Идея заключается в измерении концентрации различных атомов в материалах на основании излучения их ядер при перенаправлении их квантового спина в магнитном поле. Многие ядра вращаются (квантовомеханически) из-за совокупного спина составляющих их протонов и нейтронов. Ось вращения ядра, как стрелка компаса, становится параллельно линиям воздействующего на нее внешнего магнитного поля. В зависимости от направления спина (в свободном классическом смысле) мы можем посчитать эту ось указывающей в одну или в другую сторону вдоль линий магнитного поля. Это направление спина называется просто: «спин вверх» или «спин вниз». Некоторые ядра затем индуцируются для разворота спина под действием высокочастотного сигнала колеблющегося магнитного поля. Возвращаясь к начальной ориентации, они высвобождают крошечное количество энергии, специфичной для этого типа ядра.

Большая часть материалов, таких как органическое вещество, из которого сформированы наши тела, состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из различных видов атомов. Применяя технику, называемую «построением проекций», ЯМР-сигналы от постоянных разворотов спина определенных атомов можно использовать для создания изображений внутреннего строения человеческого тела. Этот метод практически не причиняет человеку вреда, поскольку, в отличие от рентгеновской томографии, в этом случае тело не подвергается воздействию вредного ионизирующего излучения. Несмотря на это аппараты, применяющие описанную технику, обычно называют магнитно-резонансными томографами (МРТ), поскольку использующееся в ЯМР слово «ядерный» вызывает у многих страх.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) представляет собой удивительную технику, принцип действия которой объяснить довольно просто. В частности, ПЭТ применяется для получения изображения мозга жертвы инсульта или новорожденного младенца, подвергшегося при рождении кислородной недостаточности. Сначала в тело вводится глюкоза, содержащая безвредные радиоактивные изотопы углерода или азота, которые переносятся в мозг. Затем путем измерения концентрации глюкозы, источника энергии для мозга, в различных областях выделяются области высокой и низкой нервной активности.

Как работает ПЭТ-сканер. Атомы нестабильного изотопа используются, чтобы направить молекулы глюкозы в мозг. Ядра этих атомов подвергаются бета-распаду путем испускания позитрона (античастицы электрона). Этот позитрон быстро сталкивается с атомным электроном и аннигилирует, высвобождая два идущих друг за другом гамма-фотона. ПЭТ-сканер состоит из массивов фотонных детекторов, которые регистрируют гамма-лучи сцинтиллирующими кристаллами. Многие атомы в этих кристаллах возбуждаются единственным высокоэнергетическим гамма-лучом, но быстро падают на начальный уровень, высвобождая менее энергетические фотоны. Эти фотоны, в свою очередь, запускают высвобождение каскада электронов внутри трубки фотоэлектронного умножителя, в результате чего на выходе мы видим электрическую пульсацию. Эти сигналы используются, чтобы срез за срезом построить карту мозга на основании концентрации глюкозы в различных его областях. Хотя возможность заглянуть внутрь человеческого мозга при помощи радиоактивных атомов, которые выплевывают антивещество, и может показаться пугающей, на самом деле ПЭТ-сканеры причиняют меньше вреда, чем рентгеновские лучи.

Радиоактивные изотопы в глюкозе подвергаются бета-распаду и испускают позитроны. Эти частицы почти сразу встречаются с электронами и происходит процесс аннигиляции пар, в ходе которого электрон и позитрон исчезают во вспышке света, испуская два энергетических фотона. Эти фотоны регистрируются детекторами, называемыми фотоэлектронными умножителями, и их пути прослеживаются до той самой точки внутри мозга, где произошла аннигиляция электрона и позитрона. Таким образом обнаруживается распавшееся радиоактивное ядро, а следовательно, и перенесшая его глюкоза. В результате регистрации большого количества таких фотонных пар за определенный отрезок времени создается серия изображений, которая показывает изменения в концентрации глюкозы.