Obrazowanie w medycynie z wykorzystaniem antymaterii: Paweł Moskal na TEDxKraków

Paweł Moskal mówi o swoich badaniach, które mają za cel stworzenie narzędzi do obrazowania całego ciała w wysokiej rozdzielczości na potrzeby medycyny, które byłyby zarazem tańszym rozwiązaniem dla krajów rozwijających się niż technologie stosowane obecnie.

Panie i Panowie, jak wspomniał Paul,

z zamiłowania i profesji jestem fizykiem.

To szczęśliwy zbieg okoliczności.

Jak stwierdził Demokryt,

do czego się podłączę,

wolałbym odkryć jedno prawo przyrody,

niż zostać Królem Persji.

Jestem pewien, że wiele praw

czeka na odkrycie...

Wszystko działa?

Jest wiele zjawisk,
które mają miejsce nawet teraz,

ale ich nie rozpoznajemy.

Mam na to dowód.
Mam na to dowód.

Gdy pracowałem przy tym akceleratorze,

coś mnie zaskoczyło.

Odwiedził mnie przyjaciel...

(Podwójny sygnał telefonu)

To właśnie usłyszałem, a on poprosił,

żebym odebrał,
bo to połączenie zewnętrzne.

Zrobiłem, jak prosił i okazało się,

że miał rację.

Kiedy spytałem, skąd to wiedział,

wyjaśnienie brzmiało tak:

To połączenie zewnętrzne...
(Dwukrotny dzwonek telefonu)

To połączenie wewnętrzne.
(Pojedynczy dzwonek telefonu)

(Śmiech)

Wielu z was pracuje w instytucjach

i pewnie to wiecie.

Mimo wielu lat tam przepracowanych,

nigdy tego nie zauważyłem.

(Śmiech)

Nauczyło mnie to pokory.

To bolesna lekcja dla naukowca,

którego ambicją jest odkrywanie
rzeczy większej wagi.

(Śmiech)

Więc... (Śmiech)

Dało mi to też nadzieję,
że mam szansę coś odkryć...

(Śmiech)

Coś, czego jeszcze nie zauważyłem.

Przedstawię wam opowieść

trochę bardziej dla mnie pomyślną,

o molekularnym obrazowaniu ciała
przy użyciu antymaterii.

Co przez to rozumiem?

Opowiem wam o tym wynalazku.

To cylindryczne urządzenie,

w które można będzie zmieścić człowieka.

Będzie ono umożliwiać tworzenie
obrazów tomograficznych,

nieinwazyjnych zdjęć ludzkiego ciała.

Alternatywnym tytułem mojej prezentacji
mogłoby być zdanie:

"Jak odkryłem bęben na nowo".

Po tym jak się pośmialiście,

kiedy Charles Crawford
przedstawiał równania,

czuję się zobowiązany dać wykład,

zanim przejdziemy dalej,

na temat fizyki molekularnej, jądrowej,

kończąc na cząstkach elementarnych.

I tyle wystarczy
do zrozumienia reszty prelekcji.

(Śmiech)

Ale... (Śmiech)

Widzę wśród publiczności
znajomych z instytutu,

młodszych, którzy już byli
na takich wykładach.

Ale ja przeprowadzę go na własny sposób,

chce zacząć...

Muszę odwrócić to w tę stronę.

To krzak z mojego ogrodu.

Jeśli ktoś ma duszę naukowca,
zajrzy do niego

i zauważy mnóstwo owoców.

Można też pójść dalej.

Przeskoczmy do fizyki molekularnej.

Te owoce są zrobione z cząsteczek,

a cząsteczki z atomów.

(Śmiech)

(Brawa)

Tak więc... (Brawa)

Jesteśmy już na poziomie fizyki atomowej.

(Śmiech)

Trzeba zdać sobie sprawę,

to bardzo ważne dla zrozumienia...

To nie jest w odpowiedniej skali.

(Śmiech)

Nie da się zachować skali,

bo jądro atomowe jest dużo mniejsze,

w stosunku do całego atomu.

Dlatego niektóre cząstki

mogą przepływać przez ludzkie ciało,
materię,

jeśli mają wystarczającą energię.

Teraz przejdziemy do fizyki jądrowej.

To jest jądro atomowe.

Teraz fizyka cząstek elementarnych.

Kwarki tworzą jądro atomowe.

Przejdźmy teraz do antymaterii,

już dochodzimy do sedna.

Są kwarki i antykwarki.

Właśnie je badam codziennie.

To są mezony, co nie jest istotne,

ale chciałem o tym wspomnieć.

(Śmiech)

Mezony są zbudowane
z materii i antymaterii.

Dlatego istnieją tylko przez chwilę.

Kiedy kwark i antykwark zderzają się,

znikają, zmieniając się w energię.

Można to wykorzystać w obrazowaniu.

Ale mezon nie wytrzyma długo
w laboratorium,

żyje tak krótko, że nie warto wspominać.

Ale mamy też inne źródło antymaterii

dostępne w laboratoriach,

a przynajmniej w większości z nich.

To izotopy,

substancji takich jak fluor czy tlen,

które przy rozpadzie
emitują promieniowanie.

To wiemy wszyscy.

Ale jeden z typów promieniowania
jest wyjątkowy.

Z typów alfa, beta i gamma,

promieniowanie beta
jest najbardziej tajemnicze.

Zaraz wytłumaczę.

Jeden z neutronów w jądrze atomowym
rozpada się, jak pokazano.

Wróćmy teraz do antyelektronu, to e+.

To nie elektron, ale antyelektron.

Elektron miałby minus.

To antyelektron.

Ta cząstka w przypadku
dotknięcia elektronu

anihilowałoby, wytwarzając energię.

Na świecie już się to wykorzystuje.

Wystarczy trochę oszukać,

stworzyć radioaktywny cukier

zamiast zwykłego.

Radioaktywny cukier
zawiera na przykład fluor,

ale nie taki typowy,

tylko radioaktywny,

który emituje pozytrony,

czyli te antyelektrony.

Można podać go pacjentom,

jak widać na obrazku.

Wszystkie procesy zachodzące w organizmie

są takie, jak przy zwykłym cukrze,

ale można odebrać sygnał z wnętrza ciała,

powstający przy rozpadzie.

Zobaczcie.

Gdy zachodzi proces rozpadu,

mamy antyelektron.

Kiedy dotyka elektronu...

Składamy się przede wszystkim
z elektronów i jąder atomowych.

Jeśli antyelektron dotknie elektronu,
to anihiluje.

A dwa fotony,

dwa kwanty gamma,

unoszą się w rzędzie, z dala od siebie.

Mają wystarczająco wysoką energię,
żeby przenikać przez atomy.

Przenikają przez ciało.

Zbliżamy się do wyjaśnienia.

Jeśli mamy pozytron,

jest emisja energii,

więc dzięki czujnikom

mamy Emisyjną Tomografię Pozytronową.

Wystarczy rozmieścić wokół ciała czujniki,

które są w stanie wychwycić kwanty gamma.

Można zrobić zdjęcie wnętrza ciała,

albo zbudować obraz

rozmieszczenia cukru w organizmie.

Ale jak to zrobić?

Dam wam przykład.

Załóżmy, że cały cukier

został wchłonięty
w jednym miejscu w mózgu.

Załóżmy, ze ktoś ma guz,

a cukier wchłonął się tylko tam.

Łatwo wyobrazić sobie, jak zobrazować

mózg czy ten konkretny punkt.

Bo to, co mierzymy... (Odgłos migawki)

Niebieskie prostokąty to czujniki.

Coś, co rejestruje.

To żarówka.

Gdy przepływa prąd, pali się światło.

Przy sensorach widać przepływ prądu.

Powiedzmy, że to "antyżarówka".

Co się dzieje?

Gdy podajemy cukier,

on gdzieś się rozpada.

W tym wypadku tutaj.

Mierzyliśmy sygnały tu i tu.

Widać tu sporo kabli.

Sygnał odebraliśmy tu i tu.

Wystarczy połączyć je prostą.

Nie wiedzieliśmy,
gdzie na niej jest cukier.

Rozpada się w różnych kierunkach.
(Odgłos migawki)

Dwie proste dadzą nam punkt przecięcia.
(Odgłos migawki)

Łatwo teraz zrozumieć,

jak można stworzyć obraz całego ciała.

No może nie tak łatwo, ale...

(Śmiech)

Ale można to sobie wyobrazić.

Tak to wygląda.

Wkłada się ich do plastikowego pojemnika,

na ekranie widać zdjęcie mózgu.

Teraz stajemy przed problemem,

albo przed wyzwaniem.

Te urządzenia są bardzo kosztowne.

20 mln złotych za jedno.

W Polsce istnieje tylko kilka.

Są krótkie,

więc nie można zrobić
zdjęcia całego ciała.

Jak widać na obrazku,
pacjenta otaczają krótkie pierścienie.

Jest jeszcze jeden problem.

Jak zwiększyć ostrość obrazu?

Spójrzcie na to zdjęcie.

Chcę go użyć, żeby wyjaśnić problem
rozmycia obrazu.

Jeśli antyelektron i elektron zderzą się,

mamy dwa fotony,

kwanty gamma, które oddziałują tutaj.

Ale nie wiemy tego.

Wiemy tylko, że to było
w pobliżu czujnika.

Bo mamy tutaj kabel i sygnał z czujnika.

Przepraszam.

(Odgłos migawki)

Wybaczcie.

Teraz możemy wykreślić prostą,

wychodzącą ze środka czujnika.

Popełnilibyśmy błąd.

Bo wiemy, że prosta powinna być tutaj,

ale my odtwarzamy tą linię.

To właśnie powoduje rozmycie.

Istnieje prosty sposób, by temu zaradzić.

Można zmniejszyć czujniki,

ale to zwiększa koszt,

bo potrzeba ich więcej.

Miałem pomysł, by zamiast tego

zrobić coś innego.

Zamiast małych kawałków
użyjmy dużej bryły.

Będziemy wyciągali wnioski
na podstawie tego,

jak promieniowanie gamma
podgrzewa czujnik.

Pomysł na bezpośredni transfer

z użytych detektorów

badałem od 15 lat.

Tymi czujnikami badaliśmy mezony.

Mierzyliśmy...

To część akceleratora.

Mierzyliśmy, ile zajmuje cząstkom

przebycie tej odległości.

To nanosekundy.

Ale spójrzcie.

To są pasma plastiku, które pozwoliły

na pomiar cząstek.

Można to tak wyznaczyć.

Jeśli coś uderzy w pasmo plastiku,

cząstka, kwant gamma,

a tam jest światło,

jeśli uderzy pośrodku,

to czas od sygnału świetlnego

do tej żarówki jest taki sam.

Jeśli to jest bliżej...

PM to nie moje inicjały,
a skrót terminu "fotopowielacz".

(Śmiech)

Gdy są bliżej, ten czas jest krótszy,
a ten dłuższy.

Różnica czasów pokazuje,

kiedy kwant gamma
uderzył w detektor. Proste.

Używa się tego w eksperymentach

z fizyki jądrowej i cząstek elementarnych.

Teraz trzeba było tylko

zbudować z tego tomograf.

Teraz znowu trzeba
"wynaleźć na nowo koło",

czyli przekształcić
ścianę pasm plastiku w bęben.

Mając te pasma,
można zamontować tu żarówkę,

żeby określić czas, kierunek
i miejsce uderzenia kwantu gamma.

Tutaj umieszcza się pacjenta.

Liczba fotopowielaczy, tych żarówek,

nie wzrasta wraz z rozmiarami urządzenia.

Może mieć dowolną wielkość.

Można zrobić wiele takich bębnów.

Można też zwiększyć prawdopodobieństwo

wykrycia kwantów gamma.

Chcemy urzeczywistnić marzenie

o tomografie wykonującym
molekularne obrazowanie

całego ludzkiego ciała.

Teraz wszystko jasne.

Ale...

(Dzwonek)

Co z tym?

(Dwukrotny dzwonek telefonu)

Możecie wierzyć, lub nie.

Zaprojektowałem taki bęben

z czujnika, który widzieliście.

Ale odkryłem, że laboratorium,
z którym współpracuję,

które już go posiada.

Jeden jest we Włoszech.

Ma 4 metry,
zrobiony jest ze scyntylatorów,

przeprowadzamy tam eksperymenty.

Przygotowując tą prelekcję...

Znów to samo. (Pojedynczy sygnał)

Zauważyłem, że pracuję nad urządzeniem,

które miało bęben
zrobiony ze scyntylatora.

Przegotowuję następny eksperyment,

który też wykorzystuje
bęben ze scyntylatora.

Widać, jakie one są duże.

Można się w nich przejść.

Stworzenie takiego tomografu jest możliwe,

dzięki technologiom
używanym w fizyce jądrowej

i fizyce cząstek elementarnych.

Mam nadzieję, że jak mówił Rafał,

ktoś mądry weźmie to na poważnie

i stworzy taki tomograf

dzięki wsparciu ludzi
wystarczająco bogatych,

by użyć tych żarówek, itp.

Ale jednocześnie my właśnie to
staramy się osiągnąć w Krakowie.

Tak więc...

(Dwukrotny dzwonek telefonu)

To oznacza koniec mojej prelekcji.
Dziękuję bardzo.

(Brawa)