Про медичну фізику і медичних фізиків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Про медичну фізику і медичних фізиків

На фізико-технічному факультеті Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна в межах міжфакультетської кафедри біологічної і медичної фізики ведеться підготовка фахівців зі спеціальності «Медична фізика». ХНУ готує медичних фізиків за освітньо-кваліфікаційним рівнем «спеціаліст» вже два роки, але для освітянського загалу і, якщо брати більш широко, для системи охорони здоров'я України і усього суспільства ця спеціальність залишається новою і майже незнаною, незважаючи на те, що її занесено до класифікатора професій України.

Медичні фізики - хто вони?

Далекоглядний крок було зроблено тому, наприклад, що без медичних фізиків наразі не може повноцінно функціонувати жодний медичний заклад у Європі, Америці та інших високорозвинених країнах світу. І це лише одна з поважних причин, внаслідок яких медичних фізиків готують десятки відомих університетів в усьому світі, кількість яких стрімко зростає. «Медична фізика» та її численні клони, зокрема, такі як «Біомедичні технології та медична візуалізація» або «Медичні застосування радіаційної фізики», відповідають Міжнародній стандартній класифікації освіти (ISCED) і давно сертифіковані в Європі як магістерські спеціальності. Отже, доцільно більш докладно проаналізувати перспективи розвитку цієї спеціальності в Україні і світові тенденції щодо підготовки медичних фізиків та їхнього місця в суспільстві.

Нині «Медична фізика» та інші споріднені з нею спеціальності серед найбільш перспективних у галузі природничих наук, оскільки вони є закономірним результатом розвитку цих наук, насамперед фізики, та втіленням їхніх досягнень у практичну медицину. Стисло суть питання зводиться до того, що вдосконалення лікувально-діагностичного процесу за допомогою сучасних фізичних методів, а також розробка нового та належне обслуговування вже наявного високотехнологічного медичного обладнання у медичних закладах потребує фахівців з принципово новими знаннями, що лежать на перетині фізики, медицини та біології.

Більш розгорнуту відповідь можна знайти на сайті будь-якого відомого університету, що випускає медичних фізиків. Наприклад, Лондонський і Абердинський університети, які разом з Шеффілдським і Единбурзьким готують медичних фізиків у Великобританії, сповіщають, що вони знаходять своє місце: 1) у медичних закладах і установах, де працюють поруч з лікарем, надають йому консультативні науково-технічні експертні оцінки та проводять спільні наукові дослідження, 2) в університетах та науково-дослідних закладах фізичного і медичного профілю, де викладають та/або проводять наукові дослідження щодо фізичних основ нових високотехнологічних методів медичної діагностики та лікування; 3) у промислових фірмах та підприємствах-розробниках, де ведуть науково-технологічні дослідження, що спрямовані на створення сучасного медичного обладнання, його вдосконалення та впровадження.

Якщо говорити більш детально, то перший пункт переліку означає, що розробити, виготовити і надати користувачу, скажімо, майбутньому ультразвуковому лікарю-діагносту, медичне обладнання найвищого світового рівня - це ще не гарантія підвищення якості діагностики і лікування. Для лікарів курси з безпосереднього опанування ультразвуковими діагностичними сканерами ULTIMA PA, що зараз виготовляються в Харкові, тривають, наприклад, усього два тижні. Але якби вони навіть і були довшими, то як пояснити пересічному лікарю, що таке спекр-шуми зображень, які завжди виникають при застосуванні когерентного випромінювання? Як за виглядом допплерівської спектрограми відрізнити судинну патологію від артефакту, пов'язаного з неправильним розташуванням датчика? Адже на відміну від висококваліфікованого лікаря-діагноста з відділу клінічної діагностики Інституту неврології, психіатрії і наркології АМН України, який веде ці курси і співпрацює з розробниками сканеру понад 15 років, звичайний лікар не має ані кваліфікованих науково-технічних консультантів, ані жодного уявлення про фізику і особливості ультразвукової інтроскопії (УЗІ). Це повною мірою стосується також ядерної магніто-резонансної томографії (МРТ), рентгенівської комп'ютерної (РКТ), однофотонної та позитронної емісійної томографій (ПЕТ) і багатьох інших медичних застосувань сучасної фізики. Ось чому відділи клінічної діагностики західних медичних закладів мають підрозділи медичної фізики і візуалізації, фахівців для яких готують за спеціальностями «Медична фізика», «Біомедичні технології та медична візуалізація» тощо. Наявність таких фахівців об'єктивно підвищує якість лікувально-діагностичного процесу та дозволяє якнайкраще використовувати всі можливості сучасної медичної апаратури.

Отже, потенційними замовниками фахівців з медичної фізики мають бути не лише науково-дослідні інститути і установи МОН і НАН України, але й заклади МОЗ України та науково-дослідні інститути АМН України. На жаль, здається, що на цей час МОЗ і АМН України ще не відчувають або не хочуть відчувати цієї тенденції світового розвитку системи охорони здоров'я, хоча було б досить необтяжливо частину ставок з наявних відділів ремонту та експлуатації в лікарнях передати медичним фізикам у відділах клінічної діагностики. Адже з вилученням з експлуатації обладнання подекуди ще радянського виробництва обсяг реального навантаження на відділи ремонту та експлуатації стає об'єктивно меншим. Наприклад, абсолютно неможливо уявити, що будь-яку, навіть дрібну поломку сканеру фірми Hitachi зможе полагодити звичайний інженер або випускник технікуму медичного обладнання. Це неможливо хоча б тому, що на сьогодні жодна фірма, включно із вітчизняними, не надає ніякої технічної документації до своїх апаратів. Звідси скептичне, якщо не сказати зневажливе, ставлення практикуючих лікарів до інженерів, що працюють у медичних закладах.

Але й без такої можливості безпосереднього працевлаштування медичних фізиків у лікарнях МОЗ і АМН України потенційно є потужним замовником цих фахівців. Не так давно кафедру біологічної і медичної фізики попросили дати рецензію на збірник наукових праць одного з харківських науково-дослідних інститутів АМН України. Частина робіт була присвячена дослідженню механічних властивостей кісток та імплантатів, тож дуже дивним видався той факт, що в жодній з них навіть не згадувалися такі фундаментальні для теорії пружності фізичні поняття, як модуль зсувної жорсткості або тензор напружень. А найновішим посиланням на зарубіжну літературу виявилася стаття... 1976(!) року, незважаючи на те, що кожний може знайти в Інтернеті низку відповідних спеціалізованих видань, що в цілому свідчить про актуальність даної тематики. Медичні фізики можуть суттєво підсилити і вивести на більш високий рівень такого роду фізичні за змістом дослідження, які все одно проводяться і надалі будуть проводитися ще в більших обсягах у науково-дослідних інститутах АМН України. Певні тенденції такого роду вже виявилися, зокрема, на черговому засіданні Координаційної ради з питань міжгалузевої комплексної програми “Здоров'я нації” на 2002-2011 роки, яке відбулося в Києві 22-23 жовтня 2007 року.

В одному тільки Харкові є низка інститутів АМН України, тож завданням для кафедри і факультету є встановлення плідних зв'язків з такими інститутами, як Інститут патології хребта та суглобів ім. М. І. Ситенка, Інститут терапії, Інститут медичної радіології, Інститут охорони здоров'я дітей і підлітків та з іншими, а не тільки з Інститутом кріобіології та кріомедицини, який є давнім партнером кафедри біологічної і медичної фізики. Можлива співпраця, наприклад, при підготовці медичних радіологів, яких в усьому світі відносять до медичних фізиків і надають, як буде показано, фундаментальну підготовку з фізико-математичних дисциплін. Адже дивно, очевидно, коли медичний радіолог просто не знає в усіх деталях (і не може знати за існуючої системи підготовки) різноманітних фізичних механізмів взаємодії іонізуючих і неіонізуючих випромінювань з речовиною.

Таке співробітництво, бажано і на рівні міністерств і академій, безумовно буде корисним, і його слід налагоджувати із закладами МОЗ та АМН України, незважаючи на те, що система охорони здоров'я в Україні є досить закритою, якщо говорити м'яко, структурою. Причина, мабуть, у «видатних» досягненнях і показниках роботи цієї системи, зокрема, у показниках загальної та дитячої смертності, дитячої захворюваності, у показниках поширеності таких небезпечних захворювань, як, наприклад, сухота, СНІД, рак тощо. І це при тому, що за кількістю лікарів на тисячу чоловік населення Україна перебуває на рівні високорозвинених європейських країн. Здається, причина негараздів тут не лише в нестачі матеріальних ресурсів і обладнання, але й в неефективному використанні наявного, що пов'язано у тому числі з недооцінкою ролі медичних фізиків у сучасній медицини і медичних науках. Саме медичні фізики, що інтегрують фізико-математичні, біологічні і медичні знання, мають безпосередньо брати участь в обслуговуванні та свідомому використанні всіх можливостей сучасної наукоємної медичної техніки і розділяти таким чином з лікарем відповідальність за пацієнта в процесі його лікування.

Що досліджують медичні фізики?

Сучасних світових напрямків фізичних досліджень і технологічних розробок для медицини дуже багато, тому деякі фундаментальні і прикладні аспекти роботи медичного фізика доцільно проілюструвати на конкретному і близькому для автора прикладі створення українських ультразвукових діагностичних сканерів експерт-класу ULTIMA PA. Ці сканери розроблені і випускаються фірмою «Радмір», яка є дочірнім підприємством ВАТ «Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань» (ДП «Радмір» ВАТ НДІРВ). Свого часу ще в межах радянської конверсійної програми спеціалісти з НДІРВ взялися за розробку ультразвукових медичних діагностичних сканерів, і це завдання їм, спеціалістам найвищого світового рівня з електроніки космічного зв'язку та стеження за космічними об'єктами, спочатку не здавалося занадто важким. Проте невдовзі з'ясувалося, що родзинкою таких апаратів є не тільки електроніка, навіть цифрова, а й конкретні фізичні закономірності і особливості ультразвукового відгуку біологічних об'єктів. Так почалося співробітництво НДІРВ, а потім «Радміру» з фізико-технічним факультетом ХНУ імені В. Н. Каразіна.

У свою чергу співпраця стала можливою, тому що на факультеті вже проводились дослідження щодо медичних застосувань ультразвуку, який зараз є одним з найбільш поширених та ефективних засобів клінічної діагностики. У цьому напрямку працюють провідні фахівці багатьох знаних науково-дослідних закладів, університетів і фірм, внаслідок чого невпинно зростає кількість нових ультразвукових діагностичних методик. На сьогодні вони включають, наприклад, такі непересічні методи, як діагностику на гармоніках випромінювання. По суті традиційні методи ультразвукової діагностики внутрішніх органів людини засновані на побудові зображень у відповідності до просторового розподілу в м'яких тканинах неоднорідностей щільності та об'ємної стисливості. Різниця в цих параметрах для всіх м'яких тканин, включно із патологічно зміненими, не перевищує декількох відсотків, оскільки за масою та об'ємом вони складаються переважно з води. У результаті швидкість розповсюдження ультразвуку в м'яких тканинах відрізняється, наприклад, від швидкості у воді на ті самі декілька відсотків. Ця обставина обумовлює низьку чутливість звичайної ультразвукової діагностики при виявленні низки патологічних змін (пухлини, набряки, дифузійні процеси тощо) і дає відповідь на питання, чому за допомогою традиційних методів важко виявити, наприклад, пухлину на ранній стадії розвитку.

Водночас відомо, що патологічні зміни майже завжди супроводжуються різкими змінами зсувної жорсткості м'яких тканин. Цей параметр у патологічних тканинах може відрізнятися на 300-400%, а для ракових новоутворень - на 1000%! Ось чому для діагностики таких патологій і сьогодні широко використовується звичайна мануальна пальпація, як простий і достатньо надійний у деяких випадках діагностичний метод. При пальпації в досліджуваній тканині або органі створюються деформації, зокрема, зсувні, які й дають інформацію про її стан. Зрозуміло, що пальпація є суб'єктивним методом, який за визначенням не є кількісним і, безумовно, залежить від досвіду лікаря. Пальпація неефективна також, якщо область локалізації патології розташована глибоко в тілі пацієнта і має невеликі розміри. Перше, що спадає на думку в такій ситуації, це використовувати для діагностики патологічних новоутворень зсувні хвилі замість ультразвукових. На жаль, медичному фізику відомо, що зсувні хвилі сильно поглинаються в тілі людини, тож досягти необхідної глибини зондування свідомо неможливо. Ось чому нові методи, що розробляються зараз, є більш, так би мовити, витонченими.

Загальним в усіх нових методах є вимірювання руху тканин під впливом навантаження з подальшою реконструкцією просторового розподілу модуля зсувної жорсткості. Навантаження споріднює, очевидно, ці методи із пальпацією, яка використовує механічне навантаження. Зокрема, в одному з перших запропонованих еластографічних методів механічне навантаження, як і при пальпації, є зовнішнім і створюється за допомогою м'якого тиску стандартного ультразвукового датчика. Ультразвук необхідний для реєстрації локальних зсувів тканини за методом спекл-трекінгу, що базується на крос-кореляційному аналізі сигналів ультразвукового відгуку. Загалом така методика діагностики, великий внесок у розвиток якої внесли науковці Чикагського університету (США), отримала назву соноеластографії. Подальшим розвитком цієї ідеї став метод вібросоноеластографії, в якому зовнішнє навантаження є динамічним - вібрації звукової частоти в тканинах створюються за допомогою коливального руху ультразвукового датчика або під дією зовнішніх вібраторів. Візуалізація розподілу жорсткості в тканині за цим методом здійснюється шляхом визначення в кожній точці характеристик вібраційних коливань. Тут приваблює можливість визначення характеристик за допомогою ультразвукового допплерівського зондування, яке вже є в сучасних діагностичних сканерах у вигляді спектрально-допплерівського та енергетично-допплерівського режимів, а також режиму кольорового картування потоків крові. Два роки тому з'явився і перший діагностичний сканер HITACHI EUB-8500 фірми «Hitachi Medical Systems America» з соноеластографічним модулем, який дозволяє досить впевнено визначати розміри і форму патологічних утворень і якісно оцінювати локальну жорсткість тканини.

Описані методи не були новими для медичних фізиків фізико-технічного факультету, тому за узгодженням з американськими партнерами з фірми «Artann Labs, Ltd.» і Мічиганського університету на факультеті вирішили дослідити більш непересічні ідеї в галузі еластографії. Найбільш перспективними є методи, в яких локальні навантаження і деформації створюються безпосередньо всередині тканини. Локальність дає змогу позбавитися складних математичних розрахунків при реконструкції просторового розподілу пружних властивостей і суттєво підвищити її точність. Для навантаження американські партнери запропонували застосувати силу радіаційного тиску потужного сфокусованого ультразвукового пучка хвиль. Радіаційний тиск такого пучка в тканині обмежується переважно фокальною областю, що дозволяє говорити про своєрідний віртуальний акустичний палець. Звідси початкова назва методу - віддалена акустична пальпація.

На цей час у межах методу акустичної пальпації інтенсивно розробляються вже дві суттєво різні модифікації. Величиною, що безпосередньо аналізується в одному з них, що має назву Acoustic Radiation Force Imaging (ARFI), є індукований радіаційною силою зсув частинок тканини у фокальній області. На факультеті вдалося довести, що для реєстрації зсувів можливе застосування розробленої оригінальної допплерівської методики ультразвукових вимірювань і побудовані перші зображення фантомів м'яких тканин. Крім того, було доведено, що величина зсувів при імпульсному випромінюванні потужного пучка залежить не лише від жорсткості тканини, але й від її в'язкості. Разом із проведеними теоретичними дослідженнями це дало змогу розробити оригінальний алгоритм одночасного розрахунку як локальної жорсткості, так і в'язкості. Це відкриває принципову можливість для одночасного відображення розподілу в тканині жорсткості і в'язкості, яка взагалі не діагностується будь-яким іншим способом. Інший метод візуалізації зсувної жорсткості тканин заснований на реєстрації швидкості розповсюдження низькочастотних зсувних хвиль, джерелом яких є імпульсна сила радіаційного тиску в фокальній області. Перевірка саме такої ідеї, що була запатентована Artann Labs і отримала назву Shear Wave Elasticity Imaging (SWEI), була провідною для фахівців лабораторії в процесі спільних досліджень. Її реальність також була вперше доведена за результатами допплерівських вимірювань, проведених на факультеті. Методи ARFI та SWEI мають очевидні потенційні переваги завдяки мінімізації впливу артефактів, які обумовлені різницею в'язко-пружних властивостей у тканин, що розташовані поряд.

Ідея акустичної пальпації може мати й інші медичні застосування. Як відомо, у деяких випадках деструкцію злоякісних новоутворень проводять за допомогою мікрохвильової або ультразвукової гіпертермії, і одним з актуальних завдань є контроль стану м'яких тканин у реальному часі. Своєчасна зупинка процесу важлива для мінімізації ушкодження тканин, що оточують пухлину.

Наразі контроль здійснюють за допомогою мікротермопар, що вводяться у м'які тканини. Отже, слушною є ідея неінвазивного контролю гіпертермії за допомогою методу ARFI незалежно від того, яким чином реалізується сама термодеструкція. Більш того, при ультразвуковій гіпертермії зони локального перегріву створюють за допомогою потужних сфокусованих пучків, але таке саме випромінювання застосовує і акустична пальпація. Звідси ідея використання одного й того ж пучка як для термодеструкції, так і для діагностики стану тканини - для цього потрібно лише підвищити потужність випромінювання до рівня, характерного для ультразвукової терапії. Обидві ці ідеї були апробовані експериментально і довели свою працездатність. Встановлено, зокрема, що процес нагрівання тканин добре відслідковується методом ARFI за зміною в'язко-пружних властивостей так само, як і початок деструкції, яка відрізняється флуктуаційним характером деформацій, схожим на процеси акустичної емісії при фазових перетвореннях. Це зрозуміло, бо термічна зсілість білків з точки зору фізики також є фазовим перетворенням.

На сьогодні медичні фізики фізико-технічного факультету мають вже понад двадцятирічний досвід акустичних досліджень, результати яких опубліковані у провідних виданнях, таких як Ultrasound in Medicine and Biology, Ultrasonics та Journal of Acoustical Society of America, широко цитуються і були представлені на багатьох світових конгресах. Це недивно, бо над розвитком нових методів ультразвукової еластографії працює чимала кількість наукових груп в усьому світі. Наприклад, в університеті Дюка (США) у співробітництві з фірмою Siemens, у відділі фізіології та біофізики в Mayo Clinic (США), яка є не лише відомим медичним, але й потужним науковим закладом США, у Сорбонні (Франція), а також в Японії, Тайвані, Китаї та багатьох країнах Європи - Німеччині, Нідерландах, Великобританії і т.д. Дослідження на факультеті були підтримані УНТЦ та фірмою Artann Labs, Ltd. (Нью-Джерсі, США) шляхом фінансування науково-дослідних проектів із загальним обсягом у 270 тисяч доларів.

Описані вище новітні методи далеко не вичерпно характеризують стан сучасних розробок навіть в УЗД. Науковий пошук призводить до вдосконалення відомих методів, серед яких, наприклад, ультразвукова діагностика остеопорозу кісткових тканин. Але головна проблема полягає втому, що можливості відомих методів медичної діагностики як таких є обмеженими і певною мірою вичерпаними. Тому останні 3-4 роки у світі надзвичайно інтенсивно розвиваються так звані гібридні методи діагностики злоякісних пухлин та патологій. Мова тут йде не про звичайне доповнення одного методу діагностики іншим, наприклад, про доповнення в стоматології рентгенівського панорамного сканування ультразвуковим (до речі, такі розробки у світі також ведуться). Зміст гібридності можна пояснити на прикладі тієї ж соноеластографії, бо вона є не чим іншим, як комбінованим методом типу «механічне навантаження - УЗІ». Іншими словами, мова йде про таке поєднання, при якому один фізичний метод - ультразвуковий не зможе дати необхідну інформацію без іншого - механічного навантаження. Так само методи ARFI і SWEI є за змістом гібридними методами типу “ультразвукове навантаження - УЗІ”.

Сьогодні для еластографічних досліджень вже пристосовують методи ядерної МРТ, тому абсолютно природною виглядає, наприклад, ідея гібридної діагностики типу «ультразвукове збурення - МРТ електричного імпедансу», яка з'явилася у фізиків ФТІНТ НАН України. Цей метод сполучає збурення в тканинах коливань під дією сфокусованого акустичного пучка з МРТ-реєстрацією електромагнітного випромінювання індукованих електричних токів. Останні виникають внаслідок ефекту Холла в такому чудовому електроліті, як кров, що насичує тканини злоякісних пухлин. За змістом у цьому методі ненадійна процедура прямого вимірювання електричних токів, що характерна для методу імпедансної томографії, заміняється реєстрацією електромагнітного випромінювання, джерело якого локалізоване у фокальній області. Це дозволить суттєво підвищити точність локалізації злоякісних пухлин порівняно з традиційною імпедансною томографією, оскільки роздільна здатність такого гібридного методу залежить переважно від довжини ультразвукових хвиль.

Інший напрямок стосується комбінованих методів діагностики, гібридність яких лежить у площині синтезу сигналів, отриманих різними фізичними засобами. Наприклад, запропоновано метод спеціалізованої діагностики молочних залоз, який включає в себе одночасну реконструкцію просторового розподілу коефіцієнту поглинання ультразвуку, швидкості його розповсюдження і імпедансу тканин. Отже, маємо трійку з різних фізичних методів, серед яких ультразвукова трансмісійна та імпедансна томографія. Отримані таким засобом синтетичні зображення дозволяють чітко візуалізувати злоякісні новоутворення, хоча жодна із складових нездатна окремо дати таку інформацію. Зокрема, внаслідок чутливості до похибок вимірювань складної математичної процедури обрахунків імпедансна томографія сама по собі має низьку роздільну здатність незважаючи на те, що ракові пухлини насичені кровоносними судинами і тому мають дуже високу електропровідність.

Наведені приклади - лише невелика частка фізичних розробок у медицині, оскільки є ще, наприклад, дуже розвинений радіологічний напрямок досліджень, нові методи терапії та хірургії, діагностика з іонізуючими випромінюваннями, медичне матеріалознавство, медичні інформаційні технології і т. д. Але й з наведених зрозуміло, що розробляти фізичні засади і сучасні методи для медичних застосувань об'єктивно неможливо без ґрунтовної наукової роботи фахових по суті фізиків, які за рівнем підготовки можуть працювати у закладах МОН і НАН України. Тут для кафедри і факультету залишається завданням більш ефективне використання можливостей таких, наприклад, традиційних замовників факультету, як ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України. У ХФТІ є досить велика кількість підрозділів, в яких ведуться сучасні дослідження медичного напрямку. Слід надати науковцям центру детальну інформацію щодо того, чому навчають і що реально має знати випускник, який успішно закінчив факультет за спеціальністю «Медична фізика». Такої роботи по суті не було проведено раніше, і це має помітний негативний вплив на роботу кафедри. Треба обговорити, наприклад, ті зміни, які необхідно внести до навчальної програми, а також можливість викладання нових запропонованих дисциплін фахівцями інституту. Останні матимуть пряму нагоду цілеспрямовано готувати для себе наукові кадри. Загалом вищесказане стосується й інших харківських фізичних і фізико-технічних науково-дослідних інститутів НАН України, оскільки майже в кожному з них так чи інакше вже займаються медичною тематикою.

Нарешті, природним місцем працевлаштування медичних фізиків мають бути промислові фірми та підприємства-розробники сучасного медичного обладнання. Адже далеко не кожне підприємство може розраховувати, як це було у випадку «Радміру», на високий науковий потенціал фахівців зі сторони. Завдяки науковим дослідженням, що виконані і продовжують виконуватися на факультеті, спеціалістами «Радміру» в межах спільних з факультетом проектів УНТЦ було розроблено унікальний цифровий ультразвуковий допплерівський пристрій для вимірювання надмалих зсувів м'яких тканин величиною у декілька мікрон, один із зразків якого був наданий Artann Labs і задовольнив усім вимогам фахівців цієї фірми. Другий пристрій і експериментальне ультразвукове допплерівське устаткування, яке було розроблене на базі сканеру ТИ-628 і використовувалося для наукових досліджень, дали можливість перевірити низку фізичних принципів, які знайшли своє втілення в ультразвукових діагностичних сканерах ULTIMA PA. Завдяки спільній роботі рівень наукоємності цих сканерів є настільки високим, що дозволяє без суттєвої модернізації дообладнати його соноеластографічним модулем. Інший приклад - це комп'ютерне моделювання допплерівських блоків фахівцями «Радміру», яке використовувало фізико-математичну модель ультразвукового відгуку біологічних тканин, складену науковцями факультету в межах проектів УНТЦ. Або спільно проведені на експериментальному устаткуванні досліди на фантомах тканин щодо інверсних режимів сканування, які дали змогу запровадити діагностику на гармоніках випромінювання. Такі технологічні за призначенням дослідження спрямовані на безпосереднє створення та вдосконалення медичного обладнання, за змістом є фізичними і такими, що потребують додаткових знань з медицини і біології.

На жаль, увага наших урядів і пільги для розробників і виробників поки що були сконцентровані в тих галузях народного господарства, які застосовують технології 20-го, а подекуди і 19-го сторіччя, - це металургія, важке машинобудування і сільське господарство. Звичайно, вони мають право на державну підтримку, але наукоємні і високотехнологічні напрямки розвитку економіки дають у кінцевому підсумку набагато більшу норму прибутку і відповідні податкові відрахування. Приміром, вартість сканеру HITACHI EUB-8500 з соноеластографічним модулем і без нього відрізняється на кілька десятків тисяч доларів, і ця різниця є більш як на порядок більшою, ніж реальна собівартість модуля разом із програмним забезпеченням. Це є плата за справжню, а не декларовану інноваційність економіки високорозвинених країн, де існує велика кількість державних і недержавних науково-технологічних фондів, що підтримують дослідження в межах малого і середнього бізнесу на кшталт «Радміру». І все ж таки очевидно, що раніше чи пізніше, але світові тенденції не оминуть і Україну, тож необхідно бути готовими до них. Від цього залежить, чи зможе наша країна, яка поки що має високий інтелектуальний і науково-технічний потенціал, й надалі брати участь у новітніх медичних розробках, чи залишиться на рівні необізнаного користувача, неспроможного навіть належним чином обслуговувати сучасне наукоємне медичне обладнання.

Чому і як навчають медичних фізиків у світі

Поліпшення якості діагностично-лікувального процесу неможливе без ясного розуміння напрямків розвитку сучасної медицини у високорозвинених країнах і підготовки необхідних кадрів. Фізико-технічний факультет ХНУ імені В. Н. Каразіна першим в Україні і другим на пострадянському просторі після МДУ імені М.В. Ломоносова започаткував випуск фахівців зі спеціальності «Медична фізика», яка розвивається у світі приголомшливими темпами. Наприклад, кафедра “Біомедичні технології та медична фізика” в Анн-Арборському університеті (Мічиган, США), який з усіх спеціальностей входить до десятки кращих у США, ще донедавна мала назву “Біомедичні технології”. Третім дійсно знаним університетом, що звернувся до цього напрямку підготовки фахівців на теренах СНД, став Московський вищий технічний університет імені Баумана. Пошук в Інтернеті за ключовими словами “медична фізика університет” принесе тому, хто шукає, декілька сотень посилань, з яких декілька десятків будуть адресами відомих університетів в Сіднеї і Торонто, у Лондоні і Катовіце, у Москві і Інсбруку, в Анн-Арборі і Шеффілді… Тобто географія цієї не такої вже й нової для світу спеціальності наразі надзвичайно широка.

У той же час уніфікованої навчальної програми підготовки медичних фізиків у природі на цей час не існує і, мабуть, не може існувати. Відносно уніфікованим є тільки зміст приблизно трирічного бакалаврату на кшталт «Фізика і медична фізика», в основі якого завжди лежать досить повні курси з вищої математики, а також загальної та теоретичної фізики. Причина в тому, що немає наразі такої галузі фізики, досягнення якої не використовувалась би на дуже високому науковому рівні в медицині. Виняток становить хіба що астрономія (якщо не зважати на... астрологію). Обійняти неосяжне неможливо, тож мова у конкретних випадках часто йде про те, якій саме галузі медичних застосувань сучасної фізики приділяється найбільша увага і наскільки вузькою вона є. Інший варіант передбачає достатньо велику кількість обраних дисциплін, але тоді принциповим є питання, наскільки докладно вони викладаються за час навчання. Далі будуть наведені деталі навчальних програм тільки тих університетів, які ілюструють або узагальнюють певну тенденцію в розвитку такого розгалуженого напрямку, як застосування сучасної фізики в медицині.

Зокрема, програма навчання з медичної фізики на фізичному факультеті університету Мартіна Лютера (Халлє-Віттенберг, Німеччина), що відповідає вимогам Німецького товариства медичних фізиків, складається з певної базової програми на зразок дворічного бакалаврату та додаткової поглибленої трирічної програми. Навіть базова програма включає в себе цикл дисциплін з наукових засад медицини, зокрема «Мікроскопічну анатомію і біологію клітин», «Біохімію» та «Фізіологію». Перевага надається радіаційним технологіям у медицині, які в поглибленій програмі представлені дисциплінами «Ядерна фізика і фізика частинок», «Клінічна дозиметрія», «Радіаційна біологія» та «Радіаційний захист» із відповідними лабораторними курсами, в той час як, наприклад, «Рентгенівська діагностика», «ЯМР методи», «Біофізика», «Методи візуалізації в медицині», «Медична оптика», «Застосування лазерів в медицині», «Радіаційна терапія» і «Медичні технології» та інші віднесені до факультативних дисциплін за вибором, з яких обирають тільки чотири дисципліни. Після п'яти років навчання і захисту дипломної роботи студенти здають чотири фінальні іспити, серед яких «Радіаційна фізика і дозиметрія» і іспит з однієї з факультативних дисциплін. Медичний фізик із таким дипломом може працювати, наприклад, у медичному закладі, наглядаючи за радіаційною безпекою при застосуванні методів радіаційної терапії або діагностики. Отже, наведена навчальна програма є класичним прикладом досить вузько спеціалізованого радіологічного напрямку підготовки медичного фізика.

На відміну від університету Мартіна Лютера, магістрів зі спеціальності «Медична фізика та клінічні технології» в Шеффілдському університеті готує кафедра з такою ж назвою, яка в той же час є частиною медичного факультету. Оскільки медичні застосування фізики є набагато ширшими від медичної радіології, це позначається і на більш широкій навчальній програмі, яка тим не менше включає в себе і радіологію у вигляді, наприклад, спеціалізованої дисципліни «Поглиблений курс радіаційної фізики». Разом із цим протягом майже чотирирічного (!) бакалаврату вивчається низка таких спеціальних дисциплін, як «Фізика живого», «Медична фізика», «Структура та функції тіла людини», «Обробка фізіологічних сигналів», «Медична візуалізація: отримання зображень», «Клінічні технології та комп'ютерні методи». Передбачена також не дуже тривала виробнича практика у медичному закладі або на промисловому підприємстві в межах саме тих підрозділів, де зазвичай працюють медичні фізики.

Такою ж насиченою спеціальними дисциплінами є і програма магістратури, що містить низку інтегрованих циклів. Серед яких є, зокрема, інтегрований цикл «Живі системи», який складений з дуже коротких курсів з анатомії, біохімії, фізіології, уражень і захворювань тощо. Інший інтегрований цикл «Біологічні ефекти» дає уявлення про оцінювання ризиків, механізми клітинних ушкоджень, взаємодію неіонізуючих випромінювань (лазери, ультразвук), дозові та експозиційні вимірювання, стандарти та гарантії якості і безпеки в діагностиці, взаємодію іонізуючих випромінювань (радіотерапія), дію електромагнітних випромінювань, а також курс з біологічної сумісності та штучних органів. Такими самими інтегрованими є цикли «Отримання зображень та їх аналіз», «Вимірювання у фізіології», «Протезування та ортопедія» та «Аналіз даних». Цікавою особливістю підготовки магістрів у Шеффілдському університеті є те, що окрім виконання та захисту дипломної роботи студенти беруть участь у навчальній програмі розвитку навичок дослідника, яка передбачає, наприклад, складання критичного огляду літератури зі стану проблем у низці можливих галузей, виконання дисертації доктора філософії. До цих галузей належать «Клінічна візуалізація і фізіологічні вимірювання», «Медичні технології» і «Дослідження серцево-судинної системи». Зрозуміло, що при такому широкому охоплюванні дуже різних галузей медичної фізики достатньо повного викладання різних предметів можна досягти лише за умов подовження терміну навчання. У результаті навчання у Шеффілді триває майже шість років.

Широкою є програма підготовки за спеціальністю «Медична фізика» в МДУ імені М. В. Ломоносова, яку відкрито не на біологічному факультеті, де є спеціальність «Біофізика», а на фізичному. Тому як структура, так і зміст підготовки медичних фізиків у МДУ суттєво відрізняються від таких у Шеффілді. Спочатку студенти здобувають базову (на зразок бакалаврату) освіту згідно з класичним навчальним планом «Фізика», який триває 2,5 року. Потім протягом 2,5 року вивчають спеціальні дисципліни за спеціалізацією «Медична фізика» і отримують диплом університету і кваліфікацію «Спеціаліст-фізик. Медична фізика». Нарешті, спеціалісти з медичної фізики без відриву від роботи у медичному закладі проходять додаткову підготовку у вигляді типових курсів лекцій, семінарів та практичних занять безпосередньо на робочому місці. Термін такого навчання - два роки, після чого спеціаліст отримує кваліфікацію «Магістр - фізик. Медична фізика» і відповідний сертифікат (диплом).

Звернімо увагу на ту обставину, що в Росії, де по суті вибудовують свою оригінальну систему вищої освіти, тим не менше вже зрозуміли користь від нової спеціальності і фахівців з медичної фізики в умовах медичного закладу, зокрема, в лікарні. Оригінальною у даному випадку є своєрідна тривала дворічна ординатура для медичних фізиків, якої немає в жодному іншому університеті світу і яка є більш традиційною при підготовці майбутніх медиків. У той же час дисципліни традиційного циклу фізико-математичної підготовки викладаються лише протягом перших 2,5 року навчання. Аналогічним чином родзинкою підготовки спеціалістів у російському МВТУ ім. Баумана можна вважати те, що там разом із університетським дипломом можна отримати диплом про середню медичну освіту. Це також передбачає, очевидно, тривалу практику у медичних закладах у межах підготовки медика із середньою освітою.

За змістом та особливо за структурою навчальна програма в Московському університеті помітно відрізняється від програми шеффілдської і виглядає більш акцентованою на окремих суттєвих напрямках застосування фізики в сучасній медицині та на необхідному для медичного фізика мінімумі знань з медицини і біології. Вона складається з чотирьох великих розділів, перший з яких стосується фізичних методів досліджень, що використовуються в медицині, і втілений у спеціальних дисциплінах «Ядерна медицина», «Радіаційна фізика», «Засади радіобіології», «Фізичні засади променевої терапії», «Медичні прискорювачі та нейтронні пучки», «Магніто-резонансна томографія», «Математичні методи і комп'ютерна візуалізація в трансмісійній томографії», «Неіонізуючі випромінювання в медицині», «Фізичні засади використання лазерів та оптичних джерел світла в медицині», «Загальна акустика», «Ультразвук у медицині». Другий стосується радіоелектроніки і, зокрема, «Біомедичної електроніки». Ще один розділ присвячений сучасним інформаційним технологіям, а саме «Математичним методам обробки зображень», «Математичним методам обробки медико-біологічної інформації» і «Математичному моделюванню в медицині». Нарешті, до медичного розділу входять «Фізіологія і анатомія людини», «Загальна біологія», «Біохімія і молекулярна біологія» та «Загальна патологія». Така широка за тематикою програма можлива завдяки тривалій другій стадії підготовки.

Великий термін підготовки універсального або, іншими словами, широко обізнаного медичного фізика змусив, мабуть, Лондонський університет та низку інших (наприклад, Абердинський) вивести окремо деякі спеціальні напрямки підготовки медичних фізиків, яких випускає кафедра медичної фізики і біотехнологій факультету інженерних наук цього університету. Саме тут, окрім «Медичної фізики», з'явилися європейські магістерські спеціальності «Біомедичні технології та медична візуалізація» та «Медичні застосування радіаційної фізики».

Для заощадження місця доцільно звернутися тільки до програми традиційної спеціальності «Медична фізика» і проаналізувати, яких трансформацій вона зазнала в Лондонському університеті порівняно з програмами і структурою навчання в інших університетах. Перш за все звертає на себе увагу те, що повний термін підготовки національного магістра триває всього лише... чотири роки включно із трирічним бакалавратом «Фізика і медична фізика». Згідно із назвою бакалаврат включає три обов'язкові спеціальні дисципліни - «Засади медичної фізики», «Вступ до фізики випромінювань у медицині», «Фізіологію людини», та ще три дисципліни на останньому році навчання в бакалавраті, які можна обирати. Усього один рік магістратури передбачає як написання і захист дипломної роботи, так і засвоєння навчальної програми. Остання складається з трьох спеціальних дисциплін за вибором, та трьох загально-фізичних дисциплін, які також не регламентуються, а обираються зі списку наявних. Повний список спеціальних дисциплін для останнього року бакалаврату та року навчання в магістратурі включає такі дисципліни: «Оптика в медицині», «Медична візуалізація з іонізуючими випромінюваннями», «Медична візуалізація з неіонізуючими випромінюваннями», «Радіотерапія», «Комп'ютерні науки в медицині», «Медична електроніка I», «Медична електроніка II», «Моніторинг у фізіології», «Математичні методи в медичній фізиці», остання з яких доступна тільки для бакалаврів. Серед загально-фізичних дисциплін можна обрати, наприклад, «Поглиблений курс квантової механіки», «Методи математичної фізики», «Нанотехнології», «Програмування на С/С++ для фізиків» та інші.

Цікаво, що навчальна програма для бакалаврів та магістрів зі спеціальності «Медична фізика» в Лондонському університеті зовсім не передбачає навчальної або виробничої практики в медичних закладах або на промислових підприємствах, що не заважає європейському визнанню дипломів цього університету. Як бачимо, скорочення терміну навчання досягнуто за рахунок скорочення базової фізико-математичної підготовки і досить лаконічного викладання необхідного мінімуму спеціальних дисциплін, які обираються і досить рівномірно покривають усі напрямки сучасної медичної фізики. У той же час для отримання ступеня магістра зі спеціальності “Європейська медична фізика” програма Лондонського університету передбачає додаткове 0,5-річне навчання у Патрасському університеті (Греція), де для всіх фізико-медичних спеціальностей викладають фахівці з 26(!) європейських країн. Дисципліни, що тут викладаються, служать переважно для підсилення тих, що вже вивчалися в межах магістерської спеціальності «Медична фізика».

Нарешті, варто коротко зупинитися на концепції розвитку спеціалізації «Медична фізика» на фізичному факультеті КНУ ім. Т. Г. Шевченка, що її було оприлюднено на IV з'їзді Українського біофізичного товариства у грудні 2006 року. Можна погодитися із деякими положеннями цієї концепції, але запропонована в ній навчальна програма погано узгоджується з будь якою іншою в Європі або Росії за розумінням головної мети підготовки фахівців з медичної фізики як прикладної науки. Головною вадою програми є те, що основним у підготовці медичних фізиків вважається етап, на якому вивчається фізика складових частин людського організму. Але легко зрозуміти, що перший же із запропонованих тут циклів із спеціальних дисциплін “Фізика ДНК” та «Фізика білків» разом з «Фізикою макромолекул» є по суті молекулярною біофізикою, а цикл з дисциплін «Фізика серцево-судинної системи», «Фізика імунної системи», «Фізика м'язової системи» і т. д. - це загальна біофізика. Безумовно, певні знання з біофізики медичний фізик повинен мати, але далеко не в запропонованому згідно з концепцією обсязі і, тим більше, не як головний етап навчання.

Огляд принципово різних підходів при підготовці медичних фізиків у світі дозволяє зробити деякі важливі висновки. А саме:

Усюди «Медична фізика» залишається міждисциплінарною спеціальністю і потребує обов'язкового викладання медико-біологічних дисциплін (анатомія, фізіологія, патологія, біохімія тощо), кількість яких загалом може варіювати.

Навчальні програми у різних університетах передбачають принципово різний термін навчання, який для отримання освітньо-кваліфікаційного рівня «магістр» може тривати від 4,5 до 6 років, як в Європі, і до 7 років - у Росії.

Програма бакалаврату може мати чисто фізико-математичне спрямування (короткотерміновий бакалаврат у 2-2,5 року) або містити певну кількість медико-біологічних та медико-фізичних дисциплін (бакалаврат у 3-4 роки).

Навчальні програми магістратури спеціальностей з медичної фізики можуть мати різне спрямування і різний рівень детальності викладання одних і тих самих дисциплін, що залежить переважно від терміну навчання. Немає також уніфікованих назв навіть для ідентичних за змістом спеціальних дисциплін.

Навчальна програма для бакалаврів та магістрів може формально передбачати або не передбачати обов'язкові навчальні чи виробничі практики в медичних закладах або на

підприємствах. На відміну від Росії, в Європі це не впливає на визнання диплома магістра так само, як і різниця в навчальних програмах.

Легко побачити, що за фактом ці висновки певною мірою не узгоджуються з деякими декларованими в Україні концепціями розвитку вищої освіти. Це стосується, насамперед, рівня стандартизації системи вищої освіти, якої в Європі по суті немає. Тому навряд чи формальне приєднання української системи вищої освіти, наприклад, до Болонського процесу призведе до сертифікації дипломів українських магістрів в Європі. З іншого боку, є приклад Польщі - її приєднання до Європейського союзу мало своїм результатом сертифікацію польських дипломів медичного фізика, незважаючи на те, що навчальна програма Сілезького університету в Катовіце, де їх готують, не є дуже сильною і типовою як для Європи (хоча формально і відповідає болонській схемі у три роки бакалаврату і два роки магістратури) внаслідок сильного біофізичного забарвлення. Тому вона, мабуть, і передбачає обов'язкове принаймні піврічне навчання в якомусь іншому європейському університеті, що має спеціальність «Медична фізика».

Медична фізика на фізико-технічному факультеті ХНУ імені В.Н. Каразіна

медична фізика науковий

Про завдання, які потрібно вирішувати кафедрі біологічної і медичної фізики і факультету для забезпечення більш ефективного використання випускників за спеціальністю «Медична фізика», вже частково йшлося. Але є питання, на яке обов'язково необхідно дати відповідь, перед тим як більш детально аналізувати стан справ і завдання як для кафедри, так і для факультету щодо поліпшення якості навчального процесу. Це дуже просте питання: а чи за свою справу взагалі взялися фізико-технічний факультет зокрема і ХНУ імені В. Н. Каразіна взагалі, коли розпочали підготовку медичних фізиків?

Зразу зауважимо, що медичних фізиків у світі випускають переважно відомі і потужні університети, що здатні забезпечити необхідну міждисциплінарну підготовку у межах обраної навчальної програми. За об'єктивними даними ХНУ імені В. Н. Каразіна є безумовно таким, що здатний забезпечити на належному рівні необхідну міждисциплінарну підготовку. Високий рівень наукових досліджень на факультеті і в університеті та якість навчального процесу гарантують підготовку кваліфікованих медичних фізиків, замовниками яких уже зараз є заклади МОН і НАН України, АМН України, а також підприємства-розробники і виробники. У підготовці беруть участь біологічний і хімічний факультети, а випускаючою є міжфакультетська кафедра фізико-технічного і радіофізичного факультетів, на якій разом працюють вісім професорів, докторів наук та дев'ять доцентів, кандидатів наук. На цей час розроблені навчальний план, концепція освітньої діяльності, освітньо-професійна програма, освітньо-кваліфікаційна характеристика магістра за спеціальністю «Медична фізика». Ці документи вже пройшли погодження у науково-методичному центрі вищої освіти МОН України і були узгоджені з науково-методичною комісією з напряму підготовки “Прикладна фізика”. Зважаючи на досвід у впровадженні сучасних міждисциплінарних спеціальностей, університет звернувся до МОН України з клопотанням залишити спеціальність «Медична фізика» у «Переліку спеціальностей для підготовки фахівців у вищих навчальних закладах за освітньо-кваліфікаційним рівнем магістра».

У той же час краще - це ворог хорошого, тож проведений аналіз дозволяє чітко виділити напрямки, на яких можливе поліпшення якості навчання медичних фізиків. Це цілком можливо без прямого копіювання досвіду Європи або Росії, тим більше, що типової програми підготовки, як ми бачили, у світі не існує. Отже, виходити потрібно як з європейського досвіду, так і з реалій системивищоїосвітиУкраїни, доякихналежить, зокрема, чотририрічний бакалаврат зн апряму «Прикладнафізика», що є базовим для спеціальності «Медичнафізика».

Подовжений бакалаврат в Європі завждив ключає в себе потужні цикли спеціальних дисциплін медико-біологічного і медико-фізичного спрямування. Відповідно до цього в ХНУ імені В.Н. Каразіна до перших було включено «Фізіологію людини», «Загальну анатомію», «Цитологію» і «Біохімію». До них приєднується також «Фізична хімія», що обрана із списку обов'язкових професійно-орієнтованих дисциплін. Спеціальні дисципліни включають «Медичну і біологічну фізику» і «Методи медико-біологічних досліджень» з відповідними практикумами, а також «Математичну біофізику», «Біомеханіку», «Радіобіологію», «Взаємодію випромінювань з речовиною», «Фізичні основи медичної діагностики» і «Люмінесцентні технології в медицині і біології». Досягненням є те, що при цьому не постраждала ґрунтовна фізико-математична підготовка, що притаманна фізико-технічному факультету.

Щодо «Методів медико-біологічних досліджень», то більш точно цю дисципліну слід було б назвати «Методи фізичних досліджень у медицині і біології», проте через вже згадувану відсутність загальновизнаних європейських назв дисциплін куди більш важливим є зміст дисципліни, який зазвичай оприлюднюється на сайті університету. Наприклад, про зміст інтегрованого курсу з досить невиразною назвою «Біологічні ефекти» у Шеффілдському університеті можна дізнатися тільки завдяки детальному сайту. Зауважимо також, що до списку спеціальних можна віднести також «ЕОМ-експеримент і машинну обробку інформації» із списку обов'язкових дисциплін, оскільки її читає справжній фахівець щодо розробки медичних гамма-камер. Аналогічним чином, у межах «Вступу до фізики твердого тіла» викладаються основи реології, а «Сенсорика» насправді примикає до згадуваних «Методів медико-біологічних досліджень». Отже, деяка проблема з назвами є, але вона не принципова і пов'язана з наявністю міністерського списку обов'язкових дисциплін для бакалаврату «Прикладна фізика».

Водночас, зважаючи на поширеність комп'ютерних технологій в медицині, зокрема, у медичній візуалізації, підготовку в цьому напрямку можна було б підсилити за рахунок введення дисципліни «Комп'ютерні (інформаційні) науки (технології) в медицині» та дисципліни типу «Програмування на С/С++ для фізиків» з відповідними практичними заняттями. Певною мірою недостатньою є і підготовка з біомедичної електроніки, яка обмежується курсом «Основи радіоелектроніки» з бакалаврату «Прикладна фізика». Одночасно впадає в око деяка перевантаженість наявної програми біофізичними дисциплінами, що не є великою вадою, оскільки в українських університетах більший порівняно з європейським обсяг навчального часу. Історично ж справа в тому, що спочатку було організовано спеціалізацію «Медична біофізика» у межах спеціальності «Біофізика», тож відносно великий біофізичний блок виглядав цілком природно.

Зауважимо, що Інституту високих технологій, до якого разом із фізико-технічним факультетом входить факультет комп'ютерних наук, цілком дозволяє досить легко вирішити ці не дуже складні проблеми щодо кількості і якості спеціальних дисциплін. Вимоги до змісту додаткових дисциплін зрозумілі кожному фахівцю так само, як і пропозиції щодо поліпшення змісту наявних, які мають вивчатися майбутніми магістрами з медичної фізики. Загалом наявна однорічна навчальна програма для підготовки спеціалістів цілком відповідає середнім європейським стандартам навчання медичних фізиків і за винятком обов'язкових (типу «Методика викладання у вищій школі і Болонський процес») включає спеціальні дисципліни «Рентгенівська томографія», «Медична візуалізація», «Медичні кріотехнології», «Нанотехнології в біомедичному матеріалознавстві», та «Семінар зі спеціальності». До медико-біологічних дисциплін належить «Фізика макромолекул» та

«Патологічна і клінічна діагностика». Присутність дисципліни «Медичні кріотехнології» виглядає цілком природно, якщо врахувати співпрацю кафедри з Інститутом кріобіології і кріомедицини, а «Патологічна і клінічна діагностика» є цінним надбанням, оскільки проводиться на базі реальної і досить сучасної центральної клінічної лікарні Укрзалізниці.