Александр Емельянов, Журнал «Инженер» МГТУ им. Н.Э. Баумана 3 (44) 2022 https://api.www.bmstu.ru/upload/publication/97/639235986e4b9.pdf
Первый вдох ребенка, только что появившегося на белый свет, заставляет разом сократиться все мышцы его грудной клетки. Это, конечно, очень больно. Вот и раздается первый крик. Но это не крик боли. Это крик радости. Ведь он говорит о том, что жизнь началась и теперь она закончится только с последним вздохом. Скорее всего, даже без крика. Между двумя этими вздохами целая жизнь. За которую, в среднем, человек делает более полумиллиарда вдохов-выдохов, пропуская через легкие миллиарды литров воздуха.
Состав атмосферного воздуха более-менее стабилен: азот (≈78 %) и кислород (≈21 %). Доля углекислого газа, аргона, неона, радона, гелия, криптона, водорода, метана, закиси азота и озона – в сумме примерно 1 %. Есть еще газы техногенного происхождения (фреон, например). А вот состав выдыхаемого воздуха в мизерных количествах «обогащен» еще некоторыми составляющими. Раз так, то появляется логичная мысль: «А нельзя ли это как-то использовать?» Прежде этим широко пользовались лишь представители ГАИ – просили дыхнуть и ставили диагноз: «Пил – не пил». Примитивный и не очень точный метод исследования. Однако, как оказалось, в выдыхаемом нами воздухе насчитывается более трех тысяч различных соединений. Среди них есть и, так называемые, вещества-биомаркеры. По наличию (или по числу) молекул-биомаркеров в выдыхаемом воздухе можно определить состояние здоровья человека. И даже провести раннюю диагностику различных заболеваний.
Это не только заманчиво для ученых, но и весьма полезно для каждого из нас. А раз так, то этим интересным и перспективным направлением исследований занялись ученые-бауманцы – сотрудники кафедры «Физика» (ФН-4). На кафедре тестируют математические подходы к исследованию состава выдыхаемого нами воздуха. Сегодня для этого используют нейронные сети, машинное обучение и другие методы, позволяющие провести качественный и количественный его анализ.
– Выдыхаемый человеком воздух исследуется с помощью лазерной инфракрасной спектроскопии, – говорит доктор физико-математических наук, член-корреспондент Российской академии наук, заведующий кафедрой «Физика» Андрей Морозов.
– Мы уверены, что предлагаемый нами подход позволит в самом ближайшем будущем создавать приборы для экспресс-диагностики различных опасных заболеваний. Наш метод позволяет использовать инфракрасный спектр вещества (как своеобразные «отпечатки пальцев») для идентификации ряда заболеваний. При этом чувствительность разработанной нами установки позволяет обнаруживать широкий перечень биомаркеров. Сегодня сотрудники лаборатории кафедры, а также Центра прикладной физики МГТУ им. Н.Э. Баумана работают над повышением чувствительности установки и над разработкой математических методов анализа спектров, включая нейронные сети. Готовятся к предстоящим клиническим испытаниям. Современная медицина стремится стать «человеколюбивой». Хирурги, например, жалея нас с вами, все чаще используют лапароскопические методы. Вот и диагностика тоже не отстает – стремится к созданию неинвазивных методов. Анализ выдыхаемого воздуха – из их числа. Молекулы-биомаркеры позволяют медикам-профессионалам делать заключения и о состоянии нашего здоровья в целом, и об уже имеющейся у нас серьезной патологии: проблемах с печенью, сахарном диабете, раке и многом другом. Согласитесь, ведь это действительно фантастика – всего-то и дел, что просто «дыхнул» (как этого требуют милиционеры от водителей, подозреваемых в том, что они выпили), а тебе тут же поставили верный диагноз. А это залог правильного лечения. Вот такая бауманская экспресс-диагностика. Обыкновенное чудо? По-видимому, стараниями ученых Университета, скоро будет сказано «да».
На кафедре «Физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, чтобы поскорее сделать это чудо реальностью, создают соответствующий прибор.
– На базе инфракрасной спектроскопии с применением квантово-каскадных лазеров широкого диапазона перестройки мы создали работающий прототип, – рассказывает кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Игорь Фуфурин.
– Он позволяет с высокой точностью анализировать состав газовых смесей. От привычных всем спектрометров наша разработка отличается рекордной длиной оптического пути — 76 метров, а также широким диапазоном перестройки лазера до 1000 см-1. Разработанный метод может найти применение в биомедицинских технологиях, в решении задач охраны окружающей среды, а также в различных системах безопасности. Выдыхаемый человеком воздух – настоящий «бульон». В нем содержатся сотни и тысячи ингредиентов. Сейчас перед нами стоит задача с высокой точностью понять, что же именно находится в этом «бульоне».
– Разработанный прибор и метод проведения анализа мы планируем обсудить на этическом комитете Департамента здравоохранения Москвы и в этическом комитете Морозовской детской городской клинической больнице, (где планируем апробировать и внедрить новое направление диагностики). А еще – на базе кафедры клинической иммунологии, аллергологии и адаптологии ФНМО МИ РУДН – говорит кандидат медицинских наук, заведующий пульмонологическим отделением Морозовской ДГКБ Павел Бережанский.
– Широкий спектр профилей медучреждений позволит провести комплексные исследования по выявлению устойчивых взаимосвязей между состоянием здоровья различных групп пациентов и составом выдыхаемого воздуха. Мы надеемся на скорейшее внедрение предлагаемых методов в медицинскую практику.
Свои исследования ученые вуза проводят при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.