Вычислительное мышление. Метод решения сложных задач - Питер Макоуэн

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.

Магнитный срез

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!

Увидеть в действии

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.

Благодаря чему стало возможно получение таких разновидностей трехмерных снимков? В сущности, в основе лежат математические принципы и научные данные, но именно алгоритмы, а значит, вычислительное мышление превращают записанные данные в полезные изображения.

Тепло и хорошо

Есть и другие способы измерять показатели внутри тела с использованием компьютерных технологий. Человеческое тело предпочитает работать при правильной температуре. Это температура, при которой разнообразные химические процессы идут оптимально, а белки поддерживаются в нужном состоянии. Все это условия поддержания здоровья. Очень важно иметь возможность легко выявить изменения температуры, пульса и других важных показателей, таких как уровень кислорода в крови. Например, если кровь не насыщена кислородом, человек умирает меньше чем за 15 минут. К сожалению, раньше эти тесты проводились очень медленно, и в последнем случае, чтобы определить уровень кислорода в крови, требовалось взять кровь и исследовать ее в лаборатории. Не очень здорово, если жить осталось всего 15 минут. Сегодня эти показатели получают за секунды благодаря сочетанию электроники и алгоритмического мышления, что мы рассмотрим далее.

Полость у нас в голове

Температуру тела легко определить, измерив температуру внутри уха в небольшой и очень полезной полости перед барабанной перепонкой. В эту полость удобно поместить небольшой зонд. Пироэлектрический кристалл в измерительном устройстве подвергается инфракрасному излучению (что означает всего лишь «тепло») со стороны барабанной перепонки. Он создает заряд в соответствии с полученным инфракрасным излучением, а потом этот заряд с помощью специальных алгоритмов преобразуется в показатель температуры.

Дышите глубже

Подобным образом, пульс и уровень кислорода в крови можно измерить с помощью датчика на кончике пальца. Это устройство пропускает сквозь палец световые волны в инфракрасном спектре и регистрирует, сколько поглотила кровь. В крови есть белок гемоглобин, который придает ей красный цвет и, что важнее, доставляет кислород в органы и ткани. Молекулы гемоглобина со связанным кислородом поглощают инфракрасный свет не так, как «ненасыщенный» гемоглобин без кислорода. Трюк, однако, в том, чтобы добавить еще один источник света, который будет светить только красным. Красный свет легче проходит сквозь кровь, полную кислорода, но поглощается, если кислорода нет, то есть происходит обратный процесс. Если использовать их вместе, можно точно измерить количество кислорода. Красный свет с длиной волны 660 нм и инфракрасный с длиной волны 940 нм подаются попеременно. Собранные данные с помощью цифровой справочной таблицы в устройстве (это удобное представление, которое позволяет быстро и легко справиться с задачей) конвертируются в показатель уровня кислорода в крови. Кроме того, это устройство, которое называется пульсоксиметр, позволяет измерять пульс, и этот показатель тоже отображается на экране. Прибор изобрели в 1970-х гг., а в продаже он впервые появился в 1980-х. Сегодня рынок пульсоксиметров оценивается в сотни миллионов долларов.

Высокие технологии и командная работа

Оказавшись в больнице, вы попадаете в мир разнообразных примеров применения вычислительного мышления, что приводит к повышению качества медицинского обслуживания. В медицинских базах данных хранятся история болезни, результаты исследований и выписные эпикризы. Вакуумные повязки с внешним контрольным устройством позволяют заживлять раны снизу вверх. Вживленные умные кардиостимуляторы ежедневно передают в больницу данные о сердечной деятельности пациента и следят за сбоями сердечного ритма, чтобы можно было предотвратить критические ситуации. Все эти технологии работают благодаря компьютерным программам, для создания которых самым активным образом использовалось вычислительное мышление. Но одних алгоритмов недостаточно. Инженерам-электроникам надо было создать сенсоры и прочие устройства. Но еще до этого биохимики и физики должны были изучить, как устроен наш организм, и свойства таких фундаментальных явлений, как протон, рентгеновское излучение и магнитные поля. Понадобились и математики, которые разработали математическую базу для алгоритмов.

Внедряя подобные технологические разработки, надо учитывать один крайне важный момент. Они должны быть такими, чтобы их могли с легкостью применять врачи и медсестры. Это их инструмент, который может как спасти жизнь, так и отнять ее. В больницах всегда много пациентов и напряженная обстановка, что необходимо принимать во внимание при создании медицинских приборов. Следовательно, в процессе разработки должны участвовать психологи и другие специалисты по человеческому фактору. Чтобы совершить настоящий прорыв, который позволит спасать жизни, носителям вычислительного мышления необходимо работать в команде. Они должны использовать достижения многих других специалистов и сотрудничать с ними.