Bilgisayar BilimleriFizikMühendislikÖzgün İçerikTeknoloji

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 1-

Yazan: Ümit Sözbilir

Düzenleyen: Alper Topal

Özet: Temel bilim ve mühendisliğin ortaklaşa bilgi ve araç ürettiği CERN şimdiye kadar insanlara faydalı hangi başarılara imza atmıştır? Bu yazıda sanattan sağlığa, endüstriden bilgisayar bilimlerine kadar birçok alanda bilim insanlarına kolaylık sağlayan çalışmalar kısaca özetlenecektir.

1. Giriş

Fransa ve İsviçre sınırında bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Kurumu yani CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 1954 yılında Avrupa’daki devletlerin savaştan sonra savaşmak yerine bilim üretmek amacıyla kurduğu dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarıdır. 2020 yılı itibariyla 15 bin civarında bilim insanını bünyesinde barındıran CERN, 70’ten fazla ülkenin ortak çalışmalar yürüttüğü bir kurumdur [1].

CERN’deki CMS deneyinde çalışan bilim insanları (Kaynak: CERN)

CERN’de yapılan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) deneylerindeki yüksek enerjili atomaltı çarpışmalarında saniyede yaklaşık 1.000 tb’tan fazla veri çıkmaktadır [2]. Bu devasa verilerin okunması, analizlerinin gerçekleştirilmesi, çarpışmanın yapılması ve çarpışma düzeneklerinin oluşturulması gibi aşamalar çok büyük bilimsel bilgi ve mühendislik uygulamaları içermektedir.

CERN Veri Merkezi (Kaynak: CERN, Grossir, A.)

İnsanlar tarafından genel olarak temel bilim ve mühendislik karıştırılmaktadır. Temel bilimler; evrenle ilgili mevcut bilgilerin sorgulanması, araştırılması, geliştirilmesi, yenilerinin üretilmesini sağlar. Mühendislik ise temel bilimlerin ortaya koyduğu bilgileri yine temel bilimlerin sağladığı yöntemlerle insanlara veya fayda getirecek uygulamalara dönüştürmektir. Bu ayrımın yapılması oldukça elzemdir. Temel bilimin herhangi bir uygulama sunması gerekmemektedir.

Temel bilimler konusunda büyük bir paya sahip olan CERN, ciddi miktarda bütçe desteği ile çalışmalarını yürütmektedir. 2021 yılındaki harcamaları için ülkelerden toplanan para 1,2 milyar İsviçre frankı tutarındadır [3]. Böyle yüksek bir meblağ karşılığında halk burada yapılacak araştırma ve öğrenilecek bilgilerden ziyade harcanan paranın karşılığını hemen almak istemektedir. Lakin temel bilimlerin iki özelliğini belirtmekte fayda vardır. Bunlar:

  • Temel bilimler ortaya bir ürün koymak zorunda değildir. Bu, temel bilimlerin değil mühendisliğin yani uygulamalı bilimlerin konusudur. Temel bilimler, mühendisliğin kullanabileceği bilgileri üretmelidir.
  • Temel bilimler günlük sorunları çözmek zorunda değildir. Bunun yerine bilimde araştırılması gereken konuların üzerine eğilmelidir.

Tüm bunlara rağmen CERN günlük veya genel hayatımızda kullandığımız birçok teknolojik gelişmeye doğrudan kapı açmıştır. Yine de bunlardan bazıları doğrudan bizi etkileyen gelişmeler değildir. Mesela sanayi alanında kullanılacak bir yenilik veya keşif doğrudan günlük hayatımızı etkilemese de dolaylı yoldan kolaylıklar ve yenilikler sağlar. Önemli bir nokta ise şudur: Bu gelişmeleri yorumlarken kullanım sonuçlarını derhal beklememek gerekir. Yapılan kimi icatlar ve keşifler bazen yıllarca kullanılamaz hatta belki de hiç kullanılmayacaktır sadece bilgi olarak kalacaktır. Lakin kullanılmayan bir bilgi bile aslında önemlidir. Mühim olan o bilginin edinilmiş olmasıdır. İlerideki çalışmalar için geriye dönük olarak bu bilgiler kullanılabilir.

Bu yazıda CERN’de insanların günlük hayatta kullandığı teknolojiyi doğrudan etkileyen çalışmalar ve katkılar örneklerle açıklanacaktır.

2. Sağlık Alanındaki Katkılar

CERN, sahip olduğu en son teknolojileri, yetkinlikleri ve bilgi birikimi aracılığıyla tıbbi yeniliklere katkıda bulunmaktadır. Bunlar; tıbbi teşhis ve görüntüleme, terapi, dozimetri1 ve sağlık uygulamaları için dijital teknolojilerle ilgili alanlarda kullanılmaktadır.

2.1. Yüksek Kutuplu Gama Parçacığı Yayan Çekirdekler Kullanarak Yüksek Çözünürlüklü Tek Foton Görüntüleme

CERN’deki ISOLDE (Isotope Separator On Line DEvice, İzotop Ayırıcı Çevrim İçi Cihaz) çalışmasında yürütülen Gama-MRI adı verilen tekniğe sahip bu proje, uzun ömre sahip nükleer durumların gama ışını soğurmasının tespitini Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) ile birleştiren yüksek çözünürlüklü tek foton görüntüleme tekniğinin (Gama-MRI) geliştirilmesi, test edilmesi ve ilk uygulamalarına ayrılmıştır. Bu teknik, geleneksel MRI’dan çok daha hassas olduğu için potansiyel olarak tıbbi tanıda yeni bir yöntemin önünü açmaktadır. Burada işlemin gerçekleşebilmesi için nükleer dönülerin (spin) yüksek kutupluluğundan ve gama bozunmasının asimetrisi yoluyla rezonansların etkin bir şekilde saptanmasından yararlanılmaktadır. Işın etkin (radioactive) Xenon izomerleri ile kurulumun ilk testleri 2018 yılı içerisinde gerçekleştirilmiştir [4].

ISOLDE deney alanı (Kaynak: CERN)

2.2. Tıbbi Görüntüleme için Yeni Bir Açık Kaynaklı Yazılım

2016’da CERN ve Bath Üniversitesi tarafından yeni bir araç kutusu yayımlanmıştır. Araç kutusunun kanser teşhisi ve tedavisinde tıbbi görüntüleme uygulamalarıyla uyumlu olarak çalışması amaçlanmıştır. Ayrıca doğru 3B x ışını kullanarak hızlı bir şekilde görüntülerin yeniden yapılandırılması da mümkün hâle gelmiştir. Bu yöntem görüntülemeyi iyileştirmek ve hastalara uygulanacak radyasyon dozlarını potansiyel olarak azaltmak için basit ve erişilebilir bir yol sunmaktadır. Yazılımın temeli, 2B x ışını resimleri çeken ve bunları 3B görüntüye dönüştüren bir tarama işlemi olan Koni Işınlı Bilgisayarlı Tomografiye dayanmaktadır. Araç kutusuna Tomografik Yinelemeli GPU Tabanlı Yeniden Yapılandırma (TIGRE, Tomographic Iterative GPU-based Reconstruction) Araç Kutusu adı verildi ve GitHub’da açık kaynak olarak bulunabilir şekilde sunuldu. İş birliği, açık kaynak yaklaşımının akademisyenleri ve klinik tedavi uzmanlarını bir araya getirmesini ummaktadır. [5]

2.3. Medipix Yongaları ve İş Birlikleri: Tıbbi Görüntülemeden Uzay Dozimetrisine

Başlangıçta BHÇ deneylerinde kullanılmak üzere geliştirilen Medipix teknolojileri, CERN’den çok çeşitli alanlardaki uygulamalara yolculuk yapmıştır. Bu aslında CERN’de geliştirilen teknolojinin nasıl toplumsal etki yaratabileceğinin olağanüstü bir örneğidir.

Medipix İş Birliği, radyasyon görüntüleme ve diğer parçacık algılama uygulamaları için karma benek (piksel) algıç okuma yongaları2 geliştirmektedir. Asıl olay, elektronik örtücü (deklanşör) açıkken beneklere çarpan her bir parçacığı tespit edip sayan bir kamera gibi çalışmasıdır. Böylece yüksek çözünürlüklü, yüksek karşıtlı, gürültüsüz görüntüler sağlanır ve bu da söz konusu donanımı görüntüleme uygulamaları için benzersiz kılar. Gürültüsüz, tek fotonlu sayma teknolojisi sağlayan ilk Medipix1 yongasından bu yana, bir Medipix teknolojileri ailesi ortaya çıkmıştır. Takibinde çıkan Medipix2 yongası, geliştirilmiş uzamsal çözünürlük içermektedir; Medipix2’nin değiştirilmiş bir sürümü olan Timepix, zaman veya genlik ölçümlerini mümkün kılar. Daha sonrasında üretilen Medipix3 ve Timepix3 donanımları, algılanan her bir fotonun enerji seviyesini belirleyerek işlevselliği genişletmiştir.

Medipix teknolojisini ticarileştiren endüstriyel ortaklar ve lisans sahipleri, yerleşik işletmelerden yeni şirketlere ve tıbbi görüntüleme içindeki uygulamalardan eğitim, uzay dozimetrisi ve malzeme çözümlemesine kadar uzanmaktadır. [6]

Aşağıda Medipix ile yapılan işlere örnekler verilmiştir.

2.3.1. Ressam Raphael’in Tablosundaki Sırrın Çözülmesi

Uzun yıllar boyunca özel bir koleksiyonda saklanan The Madonna and Child adlı tablonun yaratıcısının kim olduğu sanat camiasında sıkça tartışılmaktaydı. Uzun yıllar papaların himayesi altında kalan tablo daha sonradan Napolyon’un hazinesine geçmiştir. CERN ve Medipix İş Birliği tarafından geliştirilen Timepix parçacık algıçlarını kullanan bir robotik röntgen tarayıcı sayesinde artık bu eserin Raphael tarafından yapıldığı keşfedilmiştir. Bir Çek şirketinin ürettiği x ışını tarayıcısı, 3 gün boyunca tablonun farklı x ışını dalga boylarında çekilmiş çok yüksek çözünürlüklü 11 adet görüntüsünü taramıştır. Boyanın içeriğini oluşturan yapıların yeni yüksek çözünürlüklü haritaları türetilmiştir. Türetilen yeni haritalar uzmanların resim hakkında daha kesin bilgi edinmelerini sağlamıştır. [7] [8]

RToo robotunun yaptığı tarama sonucunda çıkan renkli röntgen görüntüleri sayesinde resmin alt katmanında gizli kalan bölümler görülebilmektedir. (Kaynak: InsightART)

2.3.2. Renkli 3B X Işını Sonuçları

Canlı bir insanın ilk 3B renkli röntgeninin çekilmesinden iki yıl sonra, MARS Biyogörüntüleme3, dünyanın ilk sıkı yapıdaki tarayıcısı kullanılarak elde edilen yeni ve çarpıcı görüntüleri yayımladı. Medipix3 algıç yongalarının hassas parçacık görüntüleme ve algılama yetenekleri sayesinde insan dokularının yoğunluğunun ve bileşiminin yüksek çözünürlüklü görüntüleri elde edildi. [9]

MARS Biyogörüntüleme tarayıcısı ile çekilebilen, metalik bir vidayı (mavi) ve K-telini (yeşil) gösteren yeni 3B renkli bilek röntgeni. (Kaynak: MARS Biyogörüntüleme)

Bir kırık sonrasında gerçekleşen kemik iyileşmesini izleme potansiyeline sahip olan MARS Biyogörüntüleme’nin tarayıcısı, metal ekitler (implant) çevresinde yüksek çözünürlüklü görüntülemeye olanak tanır ve herhangi bir karşıtlık maddesi kullanmadan birçok farklı doku türünü ayırt edebilir. Bu tür hassasiyetteki görüntüler mevcut teknolojilerle karşılaştırıldığında, el ve bilek kırıklarının teşhisinde ve iyileşme sürecinin izlenmesinde önemli ilerleme kaydedilmesini sağlayacaktır. Geliştirilen teknoloji sayesinde üretilen cihaz şu an İsviçre’deki Lozan Üniversitesi Hastanesinde kullanılmaktadır. [10]

2.3.3. MARS Biyogörüntüleme COVID-19 Teşhisine Yardımcı Olacak

COVID-19’un kesin teşhisi için geliştirilmiş mevcut standart, gerçek zamanlı ters transkriptaz-polimeraz zincir reaksiyonudur (RT-PCR). Bu test oldukça hassas ve özgül bir test olsa da akciğer hastalığının ciddiyetini veya ilerlemesini ölçememektedir.

CERN ve Mars Teknolojileri, tanısal enerji aralığında değişen x ışınları soğurmasını kullanarak dokuların çeşitli bileşenlerini ve hatta dışarıdan verilip ilaç tedavisinde kullanılan nanoparçacıkları gibi ajanları aynı anda tanımlar ve ölçümlerini gerçekleştirerek işlevsel görüntüleme oluşturur. Dolayısıyla akciğer hasarı ve fibrozis için görselleştirilebilen bir etiketleme ajanına sahip olma olasılığı bulunmaktadır. Söz konusu yöntem hem COVID-19 hem de akciğerlerin virüse tepkisini ölçer. Bu da oldukça özellikli ve de nicel görüntülemeyi mümkün kılar. Yapılan çalışmalar daha iyi bir teşhis, ilaç geliştirme ve tedavinin izlenmesini sağlayacaktır. [11]

2.3.4. NASA Radyasyon Çalışmaları için Timepix Teknolojisini Kullanıyor

Ay ve Mars’a gönderilecek olan erkek ve ilk kadın astronotun hazırlıkları yapılırken güneşten çıkan fırtınaların ölçümlerini yapabilmek için CERN ve NASA arasında iş birliği yapıldı. Güneşten çıkan fırtınalar, uzay araçlarının elektronik yapısına ve sistemlerine zarar verebileceği gibi astronotların sağlığını da etkileyebiliyor. Buna sebep olan şeyler ise fırtınayı oluşturan iyonlaştırıcı radyasyon özelliği taşıyan yüksek enerjili parçacıklardır.

Uluslararası Uzay İstasyonundan Orion uzay aracına kadar NASA’nın birçok çalışmasında Timepix algıçları kullanılmaktadır. (Kaynak: NASA)

Timepix tabanlı sistemler NASA’nın daha önce kullandığı donanımlara kıyasla daha avantajlıdır çünkü hem daha küçük ve hafiftir hem de algıçtan geçen radyasyonun doz ve konum bilgilerini toplayabilir. NASA’daki bilim insanları, gelişmiş parçacık tanımlama çözüm yollarını kullanarak keşif uzay aracı içindeki radyasyon tayfını inceleyebilir ve derin uzay görevleri sırasında mürettebatın nasıl korunacağını daha iyi anlayabilir. [12]

2.3.5. Van Gogh’un Tablosunun İncelenmesi

Van Gogh’un çizmiş olduğu düşünülen bir tablo InsightART tarafından incelendi ve yapılan tarama sonucunda eserin Van Gogh tarafından yapılmış olduğu belirtildi. Eserde Van Gogh’un o sırada çizdiği diğer figürlere çok benzer temel eskiz de gözlemlendi. Bu da bir tabloda aslında iki eser olabileceği anlamına gelmektedir. Eser daha detaylı inceleme yapılması için Van Gogh Müzesine gönderildi. [13] [14]

Vincent Van Gogh’un “La Crau with a View of Montmajour” isimli tablosunun InsightART tarafından çekilen tarama sonuçları. (Kaynak: ESA)

2.4. CERN Dosya Sistemini Kullanan İlaç Şirketi

CernVM Dosya Sistemi (CernVM-FS), ölçeklenebilir, güvenilir ve az bakım gerektiren bir yazılım dağıtım hizmetidir. Veri işleme uygulamalarını çalıştırmada kullanılan dünyanın farklı yerlerindeki bilgi işlem altyapılarına yazılım dağıtmak amacıyla geliştirilmiş olsa da asıl amacı yüksek enerji fiziği iş birliklerine yardımcı olmaktır. Dosya sistemi içeriği, diğer web sunucuları ve web vekilleri tarafından yansıtılabileceği ve önbelleğe alınabileceği merkezi bir web sunucusuna kurulur. Dosya sistemi istemcileri, talep üzerine verileri ve meta verileri indirip yerel olarak önbelleğe alır. Veri bütünlüğü ve özgünlüğü, kriptografik sağlamalar ve dijital imzalar ile sağlanır. [15]

CernVM-FS, kullanıcı alanında (bir FUSE4 birimi) bir POSIX salt okunur dosya sistemi olarak uygulanır. Dosyalar ve dizinler standart web sunucularında barındırılır ve evrensel ad alanı /cvmfs’ye eklenir. CernVM-FS, dosya verileri ve meta verileri depolamak için adreslenebilir içerik depolama ve Merkle ağaç sistemini5 kullanır. CernVM-FS yalnızca giden HTTP bağlantılarını kullanır. Böylece diğer ağ dosya sistemlerinin güvenlik duvarı sorunlarının çoğunu önlemiş olur.

CernVM-FS, BHÇ’deki 100 milyon dosya ve dizininin dünya çapındaki on binlerce düğüme dağıtılmasını sağlamaktadır. Sistem aynı zamanda karanlık madde ve karanlık enerjinin doğasını incelemeyi amaçlayan bir Avrupa uzay görevi olan Euclid için de kullanılmaktadır [17]. Euclid araştırmalarında CernVM-FS sisteminin kullanabileceği 9 bilim veri merkezi seçilmiştir. 2016 yılından bu yana CERN Tarafından Tanınan Deneyler listesine giren Euclid [18] için olan birlik ile Mutabakat Zaptı imzalanmıştır [19]. Bu zapta göre CernVM-FS sisteminin kullanılacağı resmî olarak duyurulmuştur.

Bir sanatçının gözünden Euclid uydusu (Kaynak: ESA)

NFS’nin (Ağ Dosya Sistemi) WAN (Geniş Alan Ağı) üzerindeki düşük performansı nedeniyle büyük bir ilaç şirketi, dünyanın farklı yerlerinde bulunan laboratuvarlarında çalışan bilim insanları arasında uygulamaları ve kitaplıkları dağıtabilmek için CernVM-FS sistemini kullanmaya başladı. Bu sayede erişim hızını 30 kata kadar artırdı. [15][20]

2.5. Yenilikçi ve Kapsayıcı Kişisel Koruyucu Donanım (KKD)

CERN, koronavirüs salgınının erken vakitlerinde yüz maskeleri ve siperleri üretmeye başladı. Tasarımlar, CERN’ün açık kaynak felsefesine uygun olarak CERN Açık Donanım Lisansı (Open Hardware Licence, OHL) altında yayımlandı. Bu bağlamda değiştirilebilir filtrelere sahip yenilikçi 3B baskılı yüz maskelerinin yanı sıra maskeler için kalıplar tasarlandı ve üretildi. Bunlara silikon enjekte edilip gerekli olduğu takdirde ölçeklendirilip büyütülebilir alternatif bir üretim yöntemi sunuldu. Kasım 2020’de, dudak okuyamayan veya maske takan birinin yüz ifadelerini yorumlayamayan işitme kaybı olan öğretmenleri ve öğrencileri desteklemek adına İtalya’nın Modena bölgesindeki bir okula CERN tasarımına dayalı 40 adet şeffaf yüz siperi dağıtıldı. [21] [22]

CERN’de tasarlanan ve yapılan 3B baskılı kalıplar kullanılarak üretilen bir silikon maske (Kaynak: CERN)

Sitemizde daha önce CERN’ün COVID-19’a karşı olarak yaptığı bilgisayar kullanımı haberini buradan okuyabilirsiniz.

Bir sonraki yazıda sağlık alanındaki uygulamalar anlatılmaya devam edilecektir. Bu bağlamda solunum cihazları, büyük veri, mıknatıslar, enerji sistemleri, benzetim programları, tümör tanımlama, Alzheimer tedavisi, veri analizi, pozitron emisyon terapisi (PET), izotop üretimi, kanser tedavisi, hadron terapisi, ağır iyon tedavisi gibi konularla ilgili çalışmalar örneklenecektir.


1 İnsan bedeni veya bir malzeme tarafından soğurulan iyonize radyasyon dozunun ölçülmesi.

2 (İng.) hybrid pixel detector readout chips.

3 Daha fazla bilgi için: https://www.marsbioimaging.com/about-us/#history

4 FUSE, bir kullanıcı alanı dosya sistemi çerçevesidir. Bir çekirdek modülünden (fuse.ko), bir kullanıcı alanı kitaplığından (libfuse.*) ve bir bağlama yardımcı programından (fusermount) oluşur. [16]

5 Hash ağacı olarak da bilinen Merkle ağaç sistemi bilgisayar bilimlerinde veri doğrulama ve eş zamanlama için kullanılan bir veri yapısıdır. Buna göre her yaprak düğümü veri bloğunun özet değerini içerirken her yaprak olmayan düğümse kendi alt düğümlerinin özet değerlerini içerir.

Kaynak
[1] European Organization for Nuclear Research. (2021, June). CERN Annual Personnel Statistics 2020. CERN Document Server. [2] Gaillard, M. (2017, July 6). CERN Data Centre passes the 200-petabyte milestone. CERN. [3] European Organization for Nuclear Research. (2021). CERN Annual report 2020. CERN Document Server. [4] Kulesz, K. (2019, December 5-6). Gamma-MRI: towards high resolution single photon imaging using highly-aligned gamma-emitting nuclei [Poster presentation]. ISOLDE Workshop and Users meeting 2019, Zürih, İsviçre. [5] Rassat, A. (2016, August 31). New open source medical imaging tools released by CERN and University of Bath collaboration. CERN Document Server. [6] Medipix Collaborations. (n.d.). Medipix. Medipix. [7] Gall, A. L. (2020, September 21). CERN technology helps rediscover lost painting by Raphael. Medipix. [8] Petras, R. (2020, September 11). InsightART helped to analyse the lost Raphael’s painting. InsightART. [9] Gall, A. L. (2020b, November 18). New 3D colour X-rays made possible with CERN technology. Medipix. [10] Gall, A. L. (2021, June 22). First European hospital receives 3D colour X-ray scanner using CERN technology. Medipix. [11] Butler, A. (2020, April 15). MARS Bioimaging is seeking partners to better enable drug development and therapy monitoring for COVID-19. Medipix. [12] Jackson, S. (2019, October 4). NASA, CERN Timepix Technology Advances Miniaturized Radiation Detection. Medipix. [13] Rao, A. (2020, January 30). Medipix: Two decades of turning technology into applications. Medipix. [14] Van Gogh: Could this be a newly discovered painting? (2018, May 22). BBC News. [15] European Organization for Nuclear Research. (n.d.). CernVM File System. Cernvm. [16] FUSE — The Linux Kernel documentation. (n.d.). Kernel. [17] Boulc'h, Q. L. (2016, June 6-8). Using CernVM-FS to deploy Euclid processing S/W on Computing Centres. CernVM Users Workshop, Zürih, İsviçre. [18] European Organization for Nuclear Research. (2015, November 3). Recognized Experiments. Greybook CERN. [19] European Organization for Nuclear Research. (2016, August). Memorandum of Understanding for EUCLID Experiment (RE31). CERN Document Server. [20] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Pharma Company Using CERN File System. Knowledge Transfer CERN. [21] European Organization for Nuclear Research. (2020, June 10). CERN develops washable 3D-printed face mask. Against COVID19. [22] Gall, A. L. (n.d.). CERN designs a mould for mass production of face shields. Knowledge Transfer CERN.

Ümit Sözbilir

Sorgulamayı seven bir doktora adayı, yüksek enerji fizikçisi, astronomi sevdalısı, çevre fizikçisi, kitap kurdu, bilmeden konuşmayan. https://www.cern.ch/usozbili

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu