Özgün İçerikAstronomiBilgisayar BilimleriBiyolojiCOVID-19FizikKimyaTeknolojiTıp

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-

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 seride sanattan sağlığa, endüstriden bilgisayar bilimlerine kadar birçok alanda bilim insanlarına kolaylık sağlayan çalışmalar kısaca özetlenecektir.

Bu yazı sitemizde daha önce yazılan “CERN ve Teknoloji – Bölüm 1” yazımızın devamıdır. Konunun daha iyi anlaşılabilmesi adına önceki yazıyı okumanızı tavsiye ediyorum.

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 itibarıyla 15 bin civarında bilim insanını bünyesinde barındıran CERN, 70’ten fazla ülkenin ortak çalışmalar yürüttüğü bir kurumdur [1].

CMS collaboration
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
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

2.1. COVID-19 ile Mücadeleye Yardımcı Olacak Yüksek Enerjili Solunum Cihazı

COVID-19 küresel salgınında küresel müdahalenin bir parçası olarak LHCb (Large Hadron Collider beauty) iş birliğindeki fizikçiler ve mühendislerden oluşan ekip yeni nesil bir solunum cihazı tasarımı sunmuştur. Yüksek Enerjili Solunum Cihazı (High Energy Ventilator, HEV) olarak adlandırılan aygıtın kaynağı basit ve ucuzdur. Ayrıca hastane standartlarıyla uyumlu ve en çok talep edilen solunum cihazı çalışma kiplerini destekleyen bileşenlere dayanmaktadır. Sistemin kullanımına başlamasından önce tıp uzmanları tarafından doğrulanması gerekmesine rağmen hızlı geliştirme adına HEV ekibi proje ilerledikçe geri bildirim, düzeltme ve destek üretebilecekleri ön tasarımı sunmuştur.

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-

Üretilen cihaz basit bir yapıda olup düşük maliyetlidir. Elektrikli vanalar, iki litrelik bir tampon kabı, basınç düzenleyici ve birkaç basınç duyacı içeren erişimi kolay bileşenlerden oluşmaktadır. Şu anda Arduino ve Raspberry Pi ile çalışan sistem gerekli durumlarda yükseltme işlemine tabi tutulabilir. Cihaz; hastalığa yeni yakalanan, iyileşme sürecindeki veya hafif belirtilerle hastalığı geçiren kişilere uzun vadeli destek sağlayabilmektedir. Hastalığı ağır geçiren veya yoğun bakım düzeyindeki kişiler hastanenin normal makinelerini kullanabilecektir. Böylece elde kısıtlı sayıda bulunan üst düzey solunum cihazları doğrudan sadece ağır vakalara yönlendirilecektir. [4]

27 Mart 2020 tarihinde CERN’de sunulan ön örneklemede, cihazın gerekli basınç ve zaman aralıklarında çalışabildiği gösterilmiştir. Basınç düzenleyicilerin, vanaların ve basınç duyaçlarının istenen fiziksel özellikleri artık iyileştirilmektedir. Bununla beraber daha ileri ön örnekleme ve yerleştirme aşamaları için klinisyenlerin ve uluslararası kuruluşların desteğinden yararlanılmaktadır. [5]

Bilim ve Teknoloji Tesisleri Konseyi (Science and Technology Facilities Council, STFC), düşük ve orta gelirli ülkelerde akciğer hastalığının tedavisine erişimi iyileştirmek için HEV teknolojisini geliştirmeyi amaçlayan lisans anlaşmalarını yürürlüğe koymuştur. Daresbury Laboratuvarı tarafından yönetilen bu ortaklık Brezilya ve Birleşik Krallık’taki bilim insanları ekibince oluşturulmuştur. [6]

2.2. GeneROOT: Yüksek Enerji Fiziğinden Büyük Genomik Veri Kümelerine

GeneROOT projesi, büyük genomik veri kümelerini analiz etmek için CERN’de geliştirilen bir veri işleme dili olan ROOT’u kullanmayı amaçlamaktadır. Proje, CERN openlab1 ve King’s College London iş birliği içinde yürütülmektedir. İş birliğinin en büyük nedeni Birleşik Krallık’ta yapılan TwinsUK deneyidir. Bu deney 15.000 ikizin katıldığı 30 yıllık bir çalışmadır. Kişilerle ilgili elde edilen veriler 400 TB’tan fazladır. Eldeki verilerin hızlı bir şekilde ve doğru analiz edilebilmesi için başlatılan iş birliğinde 2017’de “minimum uygulanabilir bir platform” yaratma amacıyla da yıl boyunca tıp camiası ile tartışmalar yapılmıştır. Bunun sonucunda Hollanda’daki Maastricht Üniversite Hastanesi ile Maastricht Üniversitesi, King’s College London ve Katar’daki SIDRA Tıp Merkezi, söz konusu sayısal platform için ilk test kullanım senaryolarını sağlayacak. [7] [8]

2.3. BHÇ Mıknatıslardan Yüksek Alan MRI ve Verimli Güç Şebekelerine

BHÇ ve Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı2 (FCC) gibi çarpıştırıcılarda istenen enerjileri elde etmek için daha büyük manyetik alanlara ve süper iletken kablo teknolojisinin gelişimine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun gelişmesi iki şeye bağlıdır: Yüksek alan manyetik rezonans görüntüleme3 (MRI) ve “akıllı” süper iletken sistemler.

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-

Manyetik alanın artması MRI çözünürlüğünü iyileştirir. CERN’deki yeni 16 T’lık mıknatısların gelişimi de bu yeni yüksek alanlı MRI teknolojisinin Ar-Ge çalışmaları sayesinde gerçekleşmiştir. Ayrıca CERN ve Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Kurulu4 (CEA) arasındaki iş birliği, dünyanın önde gelen beyin görüntüleme araştırma laboratuvarı NeuroSpin’de MRI mıknatıslarının tasarımında etkili olmuştur.

2020 yılı ve sonrasında birçok ülke iddialı iklim hedeflerine ulaşmayı hedeflemektedir. İklimi koruma önlemlerinden biri de enerjiyi yenilenebilir olarak üreten ve uzun mesafelerde neredeyse hiç kayba uğramadan aktarabilen süper iletken rüzgâr türbinleridir. Rüzgâr türbinlerinin süper iletkenlik teknolojisiyle donatılması büyük rüzgâr çiftliklerinde ve enerji taşımacılığında önem arz etmektedir. Çünkü bu sayede hem kütleleri hem de taşıma maliyetleri azalacaktır. [9]

2.4. FLUKA: Hadron Sağaltımı için Benzetimler

FLUKA, CERN ve İtalya’daki Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü5 (INFN) tarafından parçacık fiziği için geliştirilmiş ve tıp da dâhil olmak üzere birçok alanda geniş uygulama alanı bulan bir parçacık taşıma ve etkileşim benzetim kodudur. 2016 yılında, hadron tedavisi için Karbon 11 (11C) veya Oksijen 15 (15O) ışınetkin (radyoaktif) ışınlarının olası üstünlüklerini incelemek için FLUKA programı kullanıldı. Hadron tedavisinde özellikle helyum gibi hafif iyonlar için nükleer etkileşim modelleri geliştirildi. İtalya’daki Ulusal Onkolojik Hadron Sağaltım Merkezi6 (CNAO) ve Almanya’daki Heidelberg İyon Işını Sağaltım Merkezi7 (HIT) çalışanlarına, özellikle Helyum ışınlarının sağaltıcı (terapötik8) kullanımı amacıyla gerekli olan yeni özellikler için destek verilmiştir. [10]

2.5. BioDynaMo

BioDynaMo, başlangıçta CERN openlab ve Newcastle Üniversitesi iş birliğiyle geliştirilen bir biyoloji gelişim benzetim çerçevesidir. 2020’de Cenevre Üniversitesindeki Küresel Sağlık Enstitüsü, COVID-19 yerelleştirilmiş yayılma modelini uygulamak için BioDynaMo iş birliğine katılmıştır. Modeli daha da geliştirmesi için takıma Avrupa Açık Bilim Bulutu9 (EOSC) tarafından bir hibe de tahsis edilmiştir. Yapılan geliştirmeler neticesinde BioDynaMo; biyoloji, epidemiyoloji, ekonomi, sosyal bilimler, tıp, finans gibi birçok alanda benzetimler yapabilmektedir. [31] Örneğin platform, COVID-19’un kapalı alanlarda nasıl yayıldığıının benzetimini yapmak ve Hollanda’daki sosyo ekonomik eşitsizlikleri incelemek için kullanılmıştır. [11]

BioDynaMo’nun benzer araçlarla karşılaştırıldığında ana avantajı, modern (hem çok çekirdekli hem de GPU tabanlı) donanımdan tam olarak yararlanmak için büyük ölçüde en iyi duruma getirilmiş olmasıyla beraber benzetim süresini büyük ölçüde azaltabilmesi ve böylece araştırmacıların çeşitli senaryoların benzetimini makul bir zaman diliminde yapabilmesine izin vermesidir. [12]

2.6. Üye Devletler Arasında Olumlu Etki Yaratmak

CERN’deki Bilgi Transfer Grubu, İsrail Yenilik Kurumu10 (IIA) ile bir deneme proje başlatmıştır. Bu proje kapsamında İsrail şirketlerinin ve enstitülerinin ileri teknolojilerinin keşfedilmesi, yeniliklere zorlanması ve toplumda olumlu etki yaratmak amacıyla belirli CERN teknolojilerinin ve bilgi birikiminin nasıl benimsenebileceği araştırılması hedeflenmiştir. CERN ve IIA tarafından 2018’de gelen çok çeşitli başvurular arasından All-In-Image ve ImmunoBrain Checkpoint (IBC) dâhil olmak üzere dört heyecan verici proje seçilmiştir. 2019’da All-in-Image projesi, etkileşimli veri analizi için bir CERN platformu olan SWAN’ı kullanarak gerçek hastalardan alınan MRI görüntülerindeki tümörleri tanımlamak için bir sinir ağı eğitmiştir. Aynı yıl IBC, Alzheimer hastalığının tedavisine yönelik bağışıklık tedavisi uygulamalarının etkinliğini daha iyi tahmin etmek için BioDynaMo birlikteliğine katılmıştır. [13]

2.7. Yaşam Bilimleri için Veri ve Benzetim Ortamları

Bir CERN openlab projesi olan BioDynaMo; yaşam bilimcilerin çalışmalarında 3B biyolojik benzetimleri kolayca oluşturabileceği, çalıştırabileceği ve görselleştirebileceği yüksek performanslı, genel amaçlı bir platform oluşturmayı hedefliyor. CERN, büyük ölçekli bilgi işlem alanındaki bilgi birikimiyle Newcastle Üniversitesi ve Intel ile olan bu iş birliğine katkıda bulunuyor. 2018 yılında insan retinasında sinir hücresel yapının nasıl geliştiğinin benzetiminin yapılabilmesi için çalışmalarda bulunulmuştur. Bir başka CERN openlab projesi olan SmartHealth, tıp hekimlerinin çalışmalarına yardımcı olmak için yapay zekâ teknolojilerinin bu tür platformlarda kullanım potansiyelini araştırmaktadır. Bu çalışma aynı zamanda daha önce bahsedilen King’s College London ile ortaklaşa yürütülen GeneROOT projesini de içermektedir. CERN’ün sayısal veri havuzlarından olan Zenodo11 ve CERN Belge Sunucu (CERN Document Server, CDS), yapay zekâ derin öğrenme modellerinin karar verme süreçlerinin yorumlanmasında da kullanılmaktadır. [14]

2.8. Crystal Clear İş Birliği

BHÇ’nin dört büyük deneyinden ikisi olan CMS12 ve ALICE13, yüksek enerjili proton ve iyon çarpışmalarında üretilen fotonların ve elektronların enerjisini ölçmek için ışıldayan kristal algıçlar kullanmaktadır. CERN’deki Crystal Clear İş Birliği, özellikle Pozitron Salım Tomografisi14 (PET) üzerine yoğunlaşarak hem yüksek enerjili fizik deneylerinde hem de tıbbi görüntülemede kullanması için yeni hızlı algıç ön örnekleri geliştirmektedir. Araştırma grubu 2016 yılında, çeşitli PET ön örneklerinin geliştirilmesi için çeşitli Avrupa projelerinde ve iki adet CERN Bilgi Transfer Kaynağı projesinde yer almıştır. Ayrıca 24 Kasım 2016’da iş birliğinin 25. yılı sebebiyle bir sempozyum ve halk söyleşisi gerçekleştirilmiştir. [15]

2.9. CERN-MEDICIS: Tıbbi Araştırmalar için Yeni İzotoplar

CERN-MEDICIS (Medical Isotopes Collected from ISOLDE), hasta görüntüleme ve de tedavi hassasiyetini artırmak için doğru özelliklere sahip geleneksel olmayan radyoizotoplar üretmek üzere tasarlanmış bir tesistir. Radyoizotopların bazıları yalnızca CERN’de üretilebilmektedir. Tesis sayesinde radyoizotop çeşitleri genişleyecek ve üretim sistemleri daha fazla çalışma için İsviçre ile Avrupa’daki hastanelere ve araştırma merkezlerine gönderilebilecektir.

CERN tarafından 2010 yılında CERN Bilgi Transfer Desteği, özel vakıflar ve ortak enstitülerin katkılarıyla başlatılan ve aynı zamanda MEDICIS-Promed isimli Marie Skłodowska-Curie Avrupa Kurulu eğitim hibesinden yararlanan MEDICIS’ın çalışmaları, CERN’in 50 yıldır devam eden Çevrim İçi İzotop Kütle Ayırıcısı15 (ISOLDE) tesisi tarafından yürütülmektedir. Eylül 2017’de CERN-MEDICIS çalışmalarını hızlandırıp ilk izotoplarını 12 Aralık 2017’de üretmiştir.

2018 boyunca tesis, makine geliştirmeleri ve onaylanmış projeler arasında paylaşılan artan sayıda izotop üretmeye devam etmiştir. Özellikle teşhis ve tedavide kullanılmak üzere yeni izotoplar üretilmiş ve yeni saflık dereceleri elde edilmiştir.

Kurula sunulan 16 projeden 12’si onaylanırken diğerleri tesisin gelecekteki iyileştirmelerini beklemektedir. 2018’de iki proje daha tamamlanmıştır. Bunlar: Hadron tedavisi için olası bir görüntüleme iyonu olarak 11C ve sağaltıcı uygulamalarda kullanılan saf beta yayan 169Erbium izotopu. Diğerleri, özellikle terbium olmak üzere hem teşhis hem tedavi için kullanılabilecek izotop birleşimlerini kullanarak ilerlemektedir. [16]

2.10. Yeni Nesil İyon Sağaltım Merkezleri için CERN Teknolojileri

2019 yılında ağır iyon tedavisiyle bağlantılı CERN hızlandırıcı teknolojileri için bir şemsiye Ar-Ge programı olan Next Ion Medical Machine Study’nin (NIMMS) resmî tanıtımı yapılmıştır.

Karbon ve protonlardan daha ağır olan diğer iyonları ifade eden ağır iyon tedavisi hem protonlar hem de x ışınları ile yapılan radyoterapiye göre sağaltıcı üstünlükleri açısından birçok vaatte bulunmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda elde edilen son veriler ayrıca kanser bağışıklık sağaltımının etkinliğini arttırmak için iyon tedavisi kullanma olasılığının da mümkün olabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte; gerekli altyapıların boyutu ve maliyeti, yeni ağır iyon sağaltım merkezlerinin inşası ve bunların anahtar teslimi sistemler olarak ticari kullanılabilirliği önünde büyük engeller oluşturmaktadır.

NIMMS, ağır iyon tedavisinin gelişimini ilerletmek için CERN’ün sahip olduğu süper iletken mıknatıslar, doğrusal hızlandırıcılar ve hasta etrafında dönerek ışın gönderen cihazlar konusundaki uzmanlıklarından faydalanıyor. Süper iletkenliğin kullanımı hem senkrotron tabanlı bir hızlandırıcı tasarımı hem de hasta etrafında dönerek ışın gönderen cihazlar için işletme maliyetlerini azaltıp daha doğa dostu bir enerji tüketim politikası izlenmesine olanak vermektedir. [17]

 2.11. CNAO: 2011’den beri İyonlarla Kanser Tedavisi

İtalya’nın Pavia kentindeki CNAO, kanserle savaşmak için gelişmiş sağaltım sunan bir tesistir ve dünyada hem protonlar hem de karbon iyonları ile tedavi hizmeti veren altı merkezden biridir. 2016 yılında CNAO, organın ve görme keskinliğinin korunduğu etkin tarama sistemiyle göz melanomu hastalarını tedavi eden dünyadaki ilk merkez olmuştur.

2017 yılında CNAO, bir önceki yıla göre %46 daha fazla hastayı tedavi etmiştir. Sonuçlar, birincil tümörün tedavi edildikten sonra tekrar ortaya çıkmasının %70 ila %80 oranında azaldığını göstermektedir. Aynı yılın mart ayında hadron tedavisinin ulusal sağlık hizmeti tarafından sağlanan tedaviler listesine dâhil edilmesiyle önemli bir dönüm noktasına ulaşılmıştır.

2018 boyunca CNAO, tedavi edilen 2.000’den fazla hastayla klinik etkinliğini önemli ölçüde artırdı. Aynı yılın haziran ayında, CNAO doğrusal hızlandırıcının ana bileşenlerinden birinin güvenilirliğinde iyileştirme sağlayacak bir dijital düşük seviyeli radyo frekansı kontrol sisteminin geliştirilmesine ilişkin CERN ile CNAO arasında bir anlaşma imzalanmıştır. CNAO ayrıca CERN tarafından yönetilen MEDICIS-PROMED Marie Skłodowska-Curie Yenilikçi Eğitim Ağının bir parçasıdır. [18]

2.12. Hadron Sağaltımı için Elektron Tabancaları

MEDeGUN, doğrusal hızlandırıcı tabanlı 2. nesil hadron sağaltım tesisleri için C6+ kaynağı olarak hizmet vermek üzere tasarlanmış Elektron Işını İyon Kaynağı’nda16 (EBIS) kullanılacak bir elektron tabancasıdır. Şu anda kullanılan Elektron Siklotron Rezonans İyon Kaynakları17 (ECRIS) ve EBIS’lerin olanaklarını aşan, 400 Hz’lik bir tekrarlama hızında en az 1×108 parçacıktan oluşan kısa atımlar hedeflenmektedir. MEDeGUN’ın tasarımı, genellikle Brillouin tabancası olarak adlandırılan elektrostatik ve manyetik sıkıştırmanın birleşimine dayanmaktadır. 2017 baharında, MEDeGUN düzeneği CERN’deki TwinEBIS test tezgahına kurulmuştur. O zamandan beri, 1 mA’den daha az kayıpla 2 T’lık solenoid boyunca 10 keV elektron enerjisinde 1 A’den fazla elektron ışını yaymıştır. [19] [20]

2.13. Yeni Ağır İyon Tedavisi Teknolojilerinin Ortak Yenileşimi

CERN 2020’de, CNAO ve EBG-MedAustron18 ile 3 yeni anlaşma imzalanmıştır. CNAO’nun kullandığı senktrotronlardan ışın üretiminde kullanılan yeni bir elektrostatik septumun19 geliştirilmesinde ve EBG-MedAustron ile ışın çıkarma altyapılarının ve mıknatıs ölçüm tekniklerinin geliştirilmesinde CERN ile iş birliği yapılmıştır. Bunların haricinde iyon tedavisi lineer hızlandırıcısında kullanılması için bir enjektör inşa etmek adına Enerji, Çevre ve Teknoloji Merkezi (CIEMAT) ile bir iş birliği de başlatılmıştır. [21]

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-
CNAO’daki hızlandırıcı düzeneği

2.14. FLUKA: Parçacık Benzetimleri Parmaklarınızın Ucunda

FLUKA, parçacık taşınımı ve madde ile etkileşimlerin hesaplanması ve benzetimlerinin yapılması için geliştirilmiş genel amaçlı bir araçtır. 1 keV ile binlerce TeV arasındaki fotonlar, elektronlar; 20 TeV’e kadar olan hadronlar, müonlar ve nötrinolar; ayrıca bunların karşıt parçacıkları ve ağır iyonlar gibi 60 çeşit farklı parçacık türünün etkileşimini ve yayılmasının yüksek doğrulukla benzetimini yapabilmektedir.

FLUKA, iyi bilinen Birleşimsel Geometri20 (CG) paketinin geliştirilmiş bir sürümünü kullanarak çok karmaşık geometrileri bile işleyebilmektedir. Ayrıca manyetik veya elektrik alanların varlığında yüklü parçacıkları izleyebilmektedir. Özellikle insan vücudunun bilgisayarlı tomografi (CT) taramasını bir dozimetri fantomunda kullanılabilmesi için çevirirken yararlı olan “oylum ögeler21” (3 boyutlu bir ızgara oluşturan küçük paralel yüzler) gibi karmaşık geometrileri tanımlayabilmektedir.

Zırhlama çalışmaları yapan ve aynı zamanda güvenlik, muayene, denetim, aktif endüstriyel tesislerin sökülmesi ile ilgili radyo koruma alanında çalışan 11 adet şirket 2016 yılında FLUKA lisansları için başvuru yapmıştır. Başvurular sonucunda iki lisans anlaşması imzalandı. Buna ek olarak parçacık sağaltım merkezi olarak FLUKA kullanan büyük bir sanayi şirketi ile yapılan anlaşmanın geçerlilik süresi uzatıldı. [22] [23]

2.15. MedAustron

Avusturya’nın Wiener Neustadt kentindeki MedAustron 2016 yılının aralık ayından beri kanser tedavisi için parçacık tedavisi vermektedir. Tesis, 2017’de faal bir kanser tedavi tesisi olarak ilk yılını tamamlamıştır. MedAustron, klinik çalışmalarda dikey ışın hattının kullanılmasıyla tedavi edilen hasta sayısını artırmaya ve kullanım alanı yelpazesini 2018’de de genişletmeye devam etmiştir.

Hastalar daha önce sadece protonlarla tedavi edilirken 2019 yılında karbon iyon tedavisinin bulunmasıyla önemli bir dönüm noktasına ulaşılmıştır. Şu anda, dünya çapında tümörleri hem proton hem de karbon iyonlarıyla tedavi eden MedAustron dâhil yalnızca 6 merkez bulunmaktadır.

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-
CERN’deki MedAustron düzeneği

MedAustron hızlandırıcı düzeneğinin tasarımı, CERN liderliğindeki Proton İyon Tıbbi Makine Çalışması’na22 (PIMMS) aittir. Tasarımın geliştirilmesi ve teknik uygulamalardaki iyileştirmeler ise yine CERN başta olmak üzere TERA23, INFN ve CNAO tarafından yapılmıştır. CERN personeli, EBG-MedAustron tarafından istihdam edilen bir mühendis ve teknisyen ekibinin oluşturulmasına ve aynı zamanda onları CERN’de eğitmeye yardımcı olmuştur. Birlikte çalışan ekipler parçacık hızlandırıcıyı tasarlayıp bazı durumlarda CNAO’nun uzmanlığına ve teknik tasarımına da güvenerek bileşenlerini üretip tedarik etmişlerdir. [24]

2.16. CAFEIN ve MARCHESE: COVID-19 ile Mücadele için Analitik Araçlar

CERN Tıbbi Uygulamalar bütçesinin desteğiyle başlatılan diğer iki proje hızla COVID-19 araştırmalarına uyarlanmıştır. Bilgisayar Destekli Kusur Tespiti, Tanımlama ve Sınıflandırma24 projesi olan CAFEIN, COVID-19 akciğer yangısını (pnömoni) diğer viral ve bakteriyel akciğer yangısı türlerinden ayırmaya yardımcı olmak için uyarlanmıştır. Makine Öğrenimi Tabanlı İnsan Tanıma ve Sağlık İzleme Sistemi25 olan MARCHESE, Manchester Üniversitesine bağlı Southampton Üniversite Hastanesindeki dijital Deneysel Kanser Tıbbi Ekibi (dijitalECMT) çalışmalarını desteklemek için yapay zekâ tahmin algoritmalarının geliştirilmesini araştırmıştır. [25]

2.17. BAQ: Radon Gazıyla Mücadele

Radon, toprakta ve kayalarda doğal olarak bulunan bir element olan uranyumun bozunmasından kaynaklanan doğal bir radyoaktif gazdır. Topraktan kolayca kaçıp konutlarda ve binalarda birikir. Radon bozunmasından gelen çocuk (progeny) radyoaktif olup havadaki toza ve parçacıklara bağlanmaktadır. Solunması hâlinde bu radyoaktif parçacık akciğere yerleşir ve zamanla akciğer kanserine neden olabilir. Radon, sigaradan sonra akciğer kanserinin ikinci önde gelen nedenidir.

CERN’de, yenilikçi bir radon izleme cihazı RaDoM (Radon Dose Monitor)’un ilk ön örneği oluşturulmuştur. Bu cihaz ortamda bulunan radonla ilgili verileri toplayıp analiz etmek, ölçümleri kontrol etmek ve gerçek zamanlı verilere dayalı hafifletme önlemlerini yönlendirmek için bulut tabanlı bir hizmet sunmaktadır. Cihazın geliştirilme işleminde finansman olarak ayrıca AIDA-2020 Proof-of-Concept bulunurken teknik geliştirmelerde Politecnico di Milano ile iş birliği içinde çalışılmıştır.

Teknolojik başarılara paralel olarak, projenin asıl amacı her zaman CERN teknolojisini kullanarak bir girişim yaratmak olmuştur. Bu amaca, Haziran 2019’da dâhil edilen yan ürün BAQ’nun oluşturulmasıyla ulaşılmıştır. Aralık 2019’da CERN ve BAQ, RaDoM teknolojisi üzerinde bir lisans anlaşması imzalanmıştır.

Ürün; Teknoloji, Akıllı Şehirler ve Akıllı Evler gibi birçok başarılı pilot projenin sahasında test edilmiştir. [26]

2.18. Çok Yönlü Gaz Algıcı

GEM (Gaz Elektron Çarpanı), tıbbi görüntüleme, biyoteknoloji, malzeme analizi, radyasyon tedavisi dozimetrisi, radyasyon algılama izleme ve hatta astrofizik uygulamalarıyla yüksek enerji fiziğinde yaygın olarak kullanılan bir gaz algıcıdır.

CERN patentli bu teknoloji, dünya çapında 50’den fazla Ar-Ge ve ticari lisans sahibi tarafından kullanılmaktadır. 2017’de CERN uzmanları iki GEM çeşidi geliştirmiştir. Bunlar: Hadron sağaltımında çevrim içi doz görüntüleme için uyarlanan optik okuma yapan GEM ve geleneksel radyoterapide uygulamaları olan GEMpix algıcı. [27]

2.19. Tıbbi Görüntüleme Endüstrisi için CERN Yongası

NINO ASIC (250 nm CMOS26‘ta uygulanan), hızlı radyasyon algıçlarının (silikon fotoçoğaltıcılar, mikrokanallı plaka algıçlar) okunması için 8 kanallı bir yonga olup yüksek enerji fiziğinde ve bilimin diğer alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. 2017 yılında CERN tarafından FastIC projesi başlatıldı. Bu proje, kanal sayısını artırarak ve zaman çözünürlüğünü iyileştirerek daha derin bir mikron altı teknolojide (65 nm CMOS) bir tasarım yükseltmesi geliştirmeyi amaçlamaktadır.

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-

Son on yılda, çok çeşitli alanlarda NINO için birkaç Ar-Ge lisansı verildi. Bir süredir uçuş süresi pozitron salım tomografisi (Time-of-Flight Positron Emission Tomography, TOF-PET) için NINO kullanımına ilgi arttı. 2016 ve 2017’de, Stanford Medicine’dan Moleküler Görüntüleme Aygıtları Laboratuvarı ve Kanada’daki Sherebrooke Üniversitesi, TOF-PET Ar-Ge projelerine NINO’yu dâhil etti. Bu gelişmeyle cihaz tıbbi görüntüleme endüstrisinin de dikkatini çekmeye başlamıştır. [28]

2.20. ALPIDE: Proton CT için Yeni Bir Metodoloji

Proton CT, protonlar kullanılarak yapılan bilgisayarlı tomografi görüntüleme yöntemidir. Protonlar, tıpkı x ışınları gibi, hedef dokulara nüfuz edebilir ve burada bir miktar enerji kaybeder. Bu enerji kaybı, protonların dokudaki yoğunluğuna bağlıdır. Proton CT, nesnenin görüntüsünü yeniden oluşturmak için protonların bir nesneyi geçmeden önce ve sonraki konumunu/yörüngesini ve enerjisini ölçer. Kullanılan proton demetleri daha sonra algıçlar tarafından ölçülür ve bu veriler daha sonra bir bilgisayar programı tarafından 3D görüntüye dönüştürülür. Bu yöntem, geleneksel x ışını CT yöntemlerine kıyasla daha az radyasyon dozu kullanır ve bu nedenle özellikle pediatrik kanser hastaları için daha uygun bir görüntüleme yöntemi olarak görülmektedir. [29]

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-

BHÇ’nin ikinci uzun süreli kapanması sırasında 4 büyük deneyden biri olan ALICE’in iç izleme sistemini yükseltmek amacıyla geliştirilen Monolitik Aktif Piksel Duyaç, geliştirmeler yapılabilmesi için Bergen Üniversitesine gönderildi. Üniversite, ALPIDE yongasının yüksek zaman ve uzay çözünürlüğünü kullanan bir Proton CT (computed tomography) kavram kanıtı projesinin27 araştırılması ve geliştirilmesi için teknolojiyi kullanacak.

2.21. Yeni bir kanser radyoterapi tesisi

Ultra yüksek doz oranındaki (FLASH) radyoterapi, yeni bir kanser tedavi yöntemidir. CERN ve Lozan Üniversite Hastanesinden (CHUV) uzmanlar, özellikle derinde bulunan büyük tümörleri tedavi etmek için FLASH’ı kullanmayı hedeflemişlerdir. FLASH’ın kullanıldığı tesis çok kısa yüksek enerjili elektron patlamaları ile işlem yapmaktadır. CERN’de CLIC için geliştirilen doğrusal elektron hızlandırıcı teknolojisi kullanılarak çalışmalar yapılmıştır.

CERN Sayesinde Kullandığımız Teknolojiler -Bölüm 2-
FLASH’ın çalışma bilgileri [31]

Kanser dokusunun olduğu bölgeye gönderilecek olan çok yüksek enerjili elektron ışını önce ayrı yollara ayrılmaktadır. Özellikle vücudun 15-20 cm gibi derin yerlerinde bulunan büyük tümörlere 200 milisaniyeden daha kısa bir sürede tamamen yönlendirilmiş bir doz verilir. Bu yenilikçi FLASH tedavisi, çevredeki sağlıklı dokuyu koruyabilmekte ve geleneksel radyoterapi tedavilerinden daha iyi klinik sonuçlar verebilmektedir. Hızlandırıcı teknolojisindeki CERN uzmanları ve CHUV’den tıp uzmanları, gelecekteki kanser tedavisi üzerinde bir etki yaratmak için birlikte çalışmaya devam etmektedir. [30]

25,8 milyon dolarlık bağış yapan ISREC sayesinde hayata geçecek olan bu projenin ilk klinik denemelerinin ise 2025 yılında yapılması planlanmaktadır. [31]


1 CERN openlab, BHÇ’de çalışan bilim insanları tarafından kullanılacak gelişmiş araçların ve ortak araştırmaların değerlendirilmesi yoluyla bilgi ve iletişim teknolojilerinde yeni bilgiler geliştirmek amacı taşıyan CERN ve endüstriyel ortaklar arasında bir iş birliğidir.

2 İng. Future Circular Collider.

3 İng. Magnetic resonance imaging.

4 İng. French Alternative Energies and Atomic Energy Commission.

5 İt. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

6 İt. Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica.

7 İng. Heidelberg Ion-Beam Therapy Center.

8 Tedavi edici.

9 İng. European Open Science Cloud.

10 İng. Israel Innovation Authority.

11 Avrupa’daki açık erişim ve açık veri hareketinin öncüsü olan OpenAIRE (Avrupa’da Araştırma için Açık Erişim Altyapısı, Open Access Infrastructure for Research in Europe) projesi, Avrupa Birliği tarafından maddi olarak desteklenen araştırmalarda her şeyi kapsayan bir havuz sağlayarak açık veri politikalarını desteklemek amacıyla Avrupa Birliği tarafından görevlendirilmiştir. Açık kaynak, açık erişim ve açık veri alanında yapılan çalışmaları desteklemek amacıyla 2013 yılının mayıs ayında CERN ile iş birliği sağlanmıştır. İş birliği sonucunda İskenderiye Antik Kütüphanesinin ilk kütüphanecisi olan Zinodotos’un ismine karşılık Zenodo adı verilen program sayesinde araştırmacılar araştırma makalelerini, veri setlerini, araştırma yazılımlarını, raporları ve araştırmayla ilgili diğer sayısal eserleri depolayabilmektedir.

12 İng. Compact Muon Solenoid.

13 İng. A Large Ion Collider Experiment.

14 İng. Positron emission therapy.

15 İng. The Isotope mass Separator On-Line facility.

16 İng. Electron Beam Ion Source.

17 İng. Electron Cyclotron Resonance Ion Sources.

18 MedAustron kanser tedavi ve araştırma merkezinin (Avusturya) inşasından ve işletilmesinden sorumlu şirket.

19 İki boşluk arasındaki bölme.

20 İng. combinatorial.

21 İng. voxels.

22 İng. Proton Ion Medical Machine Study.

23 Fondazione per la Terapia con Radiazioni Adroniche.

24 İng. Computer-Aided deFEcts detection, Identification and classificatioN.

25 İng. Machine-leArning-based human ReCognition and HEalth monitoring SystEm.

26 Complementary Metal Oxide Semiconductor (Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken)

27 İng. Proof-of-concept. Bir fikrin veya anlayışın gerçek dünyada uygulanabilirliğini veya işlevselliğini kanıtlamak için yapılan küçük bir örnek.

Kaynak
[1] European Organization for Nuclear Research. (2021, June). CERN Annual Personnel Statistics 2020. CERN Document Server.[2] European Organization for Nuclear Research. (2021, June). CERN Annual Report 2020. CERN Document Server.[3] 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.[4] Particle physicists propose stripped-down ventilator to help combat COVID-19. (2020, April 3). CERN Courier. [5] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). High-energy ventilator to help combat COVID-19. Knowledge Transfer CERN.[6] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). High-quality, Low-cost Medical Ventilator. Knowledge Transfer CERN.[7] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). GeneROOT: From High-Energy Physics to Large Genomics Datasets. Knowledge Transfer CERN.[8] Rademakers, F. (2017, December 8). A Multi-Science Data Analysis Platform and the GeneROOT Use Case.[9] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). From LHC Magnets to High-Field MRI and Efficient Power Grids. Knowledge Transfer CERN.[10] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). FLUKA: Simulations for Hadron Therapy. Knowledge Transfer CERN.[11] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). BioDynaMo. Knowledge Transfer CERN.[12] Purcell, A. (2022, December 7). BioDynaMo modelling platform accelerates biological simulation and more. CERN.[13] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Driving positive impact across Member States. Knowledge Transfer CERN.[14] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Data-analysis and Simulation Platforms for Life Sciences. Knowledge Transfer CERN.[15] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Crystal Clear Collaboration. Knowledge Transfer CERN.[16] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). CERN-MEDICIS: Novel Isotopes for Medical Research. Knowledge Transfer CERN.[17] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). CERN technologies for next-generation ion therapy centres. Knowledge Transfer CERN.[18] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). CNAO: Treating Cancer with Ions since 2011. Knowledge Transfer CERN.[19] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Electron Guns for Hadron Therapy. Knowledge Transfer CERN.[20] Breitenfeldt, M., di Lorenzo, F., Pikin, A., Pitters, J., & Wenander, F. (09 2018). MEDeGUN commissioning results. AIP Conference Proceedings, 2011(1), 040004. [21] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). Co-innovation of novel heavy-ion therapy technologies. Knowledge Transfer CERN.[22] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). FLUKA: Particle Simulations at Your Fingertips. Knowledge Transfer CERN.[23] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). FLUKA. Knowledge Transfer CERN.[24] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). MedAustron. Knowledge Transfer CERN.[25] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). CAFEIN and MARCHESE: analytical tools to tackle COVID-19. Knowledge Transfer CERN.[26] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). BAQ: A Startup to tackle radon gas. Knowledge Transfer CERN.[27] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). A Versatile Gas Detector. Knowledge Transfer CERN.[28] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). CERN Chip for the Medical Imaging Industry. Knowledge Transfer CERN.[29] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). ALPIDE: A New Methodology for Proton CT. Knowledge Transfer CERN.[30] European Organization for Nuclear Research. (n.d.-b). A pioneering new cancer radiotherapy facility. 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
Başa dön tuşu