物理学与医疗

物理学与医疗李彤炜随着近代物理学的迅速发展，以及人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科已来愈多地把它们的理论建立在精确的物理科学基础上，物理学的技术和方法，在医学研究疗实践中的应用也越来越广泛。就此兴起的医药物理学把物理学的原理和方法运用于人类疾病的预防、诊断、治疗和保健中，大大提高了医学教育水平，推动了临床诊断、治疗、预防和康复手段的改进和更新进程。下面就根据两个方面谈谈物理学对医学科技发展的影响。一、物理学对提高医学诊断准确性的影响自1895年德国物理学家伦琴发现X射线并应用于医学领域以来原子核物理理论与技术已广泛应用于医学诊断领域。例如,X射线成像、计算机断层成像(X-CT)、核磁共振成像、核学成像和超声波成像等技术的发展和应用不仅极大地促进了现代医学的发展提高了疾病诊治水平而且将医学研究推向了一个新的高度。1.X射线成像X射线成像模态分为平面X射线成像和断层成像（X-CT）。X射线成像及其应用是世界科学史及医学发展史上的一个重要里程碑。利用人体不同器官和组织对X射线的吸收可以用组织密度进行表征，此后，发展出X射线透视、X射线照相术，为人体骨骼、内脏器官以及血管的疾病或损伤进行诊断、定位，同时也把胶片带进了医学成像领域，使之成为100多年来图像显示和信息存贮的工具。X射线断层成像（X-CT）是X射线平面成像技术的突破性进展，从20世纪70年代初的简单的X-CT成像装置发展为今天的多层螺旋CT技术。X-CT装置首先用于脑部，能迅速准确地诊断与定位脑瘤对脑出血、脑梗塞、颅内出血、脑挫伤等疾病是一种准确可靠的无创性检查方法，几乎可以代替过去的脑血流图和血管造影等。CT的灵敏度远远高于X线胶片对脑瘤的确诊率可达95%。对肝、胰和肾等软组织器官是否病变有特殊功用，能清楚地显示肿瘤的大小和范围，在一定程度上X-CT还可以区分肿瘤的性质。它是传统影像技术中发展最为成熟的成像模式之一，其速度已经快到可以对心脏实现动态成像！2.核磁共振成像（MRI）磁共振断层成像可以看做是一种多参数、多核种的成像技术。它的基本原理是利用一定频率的电磁波向处于磁场中的人体照射，人体中各种不同组织的氢核在电磁波作用下，会发生核磁共振，从而吸收电磁波的能量。随后又发射电磁波，MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来的电磁波信号后，经计算机处理和图像重建，得到人体的断层图像。由于氢核吸收和发射电磁波时，会受周围化学环境的影响，所以由磁共振信号得到的人体断层图像，不仅可以反映形态学的信息，还可以从图像中得到一些与病理有关的信息。经过比较和判断就可以知道成像部分人体组织是否正常。因此MRI被认为是一种研究活体组织、诊断早期病变的医学影像技术。MRI与X-CT和B超比较，X-CT及B超只能显示切面的密度分布图像，而MRI图像可以显示小切面的某一原子核同位素的浓度分布或某一参量(如弛豫时间)分布。因此MRI要比X-CT和B超获得更多的人体内部信息，尤其是对于脑部病变和早期肿瘤病变的诊断，MRI更具有优越性。3.核医学成像（NMI）核医学成像也同样是包括平面成像和断层成像两种方式，目前主要以单光子计算机断层成像（SPECT）和正电子断层成像（PET）作为发展的主流，其中动物PET也是发展的热点之一。核医学成像是目前唯一可以从分子和基因配体水平上成像的模式。应用核医学分子成像技术可通过放射性核素标记化合物分子在体内分布的可视化研究了解体内微观分子的宏观分布及体内行为等信息,分析该化学分子在人体内的相互作用(机制)。4.超声波成像（B超）超声在医学中用于诊断和治疗，由此形成了超声医学。超声波在临床诊断上的应用相当广泛，它主要是利用超声波的良好指向性和与光学相似的反射、散射、衰减和多普勒效应等物理规律。B超与X射线透视相比，其结果的主要差别是：X射线透视所得的是体内纵向投影的阴影像，而B超得出的是纵切面的结构像，在切面方向没有重叠，可以准确判断切面的情况。B超的基本原理是将一束超声波从体外垂直于人体表面射向体内，当超声波在体内组织中传播时，碰到有分界面或不均匀处就会产生反射。把这种反射超声波再在体外同一部位接收下来，根据发射探头的所在位置，可以知道反射点在体内对着探头的位置，而根据发射超声波的时间差，可以知道它在体内垂直于体表的深度。B超图像非常直观，很容易看懂。二、物理学对提升医学疗养水平的影响物理治疗学（理疗学）是研究应用物理因子提高健康水平、预防和治疗疾病、促进病后机体康复及延缓衰老等的专门学科。所应用的物理因子包括人工、自然两类：人工物理因子如，光、电、磁、声、温热、寒冷等；自然物理因子如矿泉、气候、日光、空气、海水等。应用到物理知识的有：电疗法、光疗法、磁疗法、超声疗法、热疗法、冷疗法、水疗法等。1、电疗法电疗法是应用各种电流或电磁场预防和治疗疾病的方法。电疗法特点是：（1）．电疗的共性作用：如生理和治疗作用是以理论学变化为基础的神经－体液调节途径实现的。电疗具有镇痛、消肿、消炎、脱敏、缓解肌肉痉挛、加强组织张力、促进恢复正常的神经传导和调节功能等治疗作用。（2）．电疗的特异性作用：如直流电优先作用于末梢神经感受器和周围神经纤维；一不定频率低频电优先作用于肌肉－神经结构；超短波优先作用于结缔组织、单核巨细胞系统。电疗的特异性作用在使用小剂量时最明显。（3）．电疗的效果与其作用的组织器官有关，如微波作用于肾上腺区可增加皮质固醇激素的产生。作用于甲状腺区可降低糖皮质激素的活性，加强免疫功能。电疗法包括直流电及直流电离子导入疗法，低频电疗法，中频电疗法及高频电疗法等。直流电疗法具有镇静、止痛、消炎、促进神经再生和骨折愈合，调整神经系统和内脏功能，提高肌张力等作用。低频脉冲电疗法可以促进局部血液循环,镇痛。中频电疗法在临床上常用于各类疤痕，肠粘连，声带小结等的治疗。高频电疗法则常用于治疗亚急性及慢性炎症，功能性和器质性血循环障碍，外伤手血肿，内脏平滑骨痉挛等。当然电疗法在治疗当中也有需要注意的一些禁忌，在实际的操作中需要多加注意。2、磁疗法磁疗是利用磁场作用于人体治疗疾病的方法。其作用机理的基本点是通过磁场对机体内生物电流的分布和电荷的运行状态和生物高分子的磁距取向等方面的影响而产生生物效应和治疗作用。磁疗法主要的治疗作用有止痛、镇静用于治疗急性胃炎、慢性结肠炎、急性软组织损伤、肩周围炎、网球肘、腱鞘炎、血肿、滑囊炎、三叉神经痛、枕大神经痛，眶上神经痛，单纯婴儿腹泻，颞颌关节功能紊乱、冠周炎等。有研究认为，人体的穴位具有电磁特性，它是磁场的聚焦点。在生命活动中会产生生物电流，生物电流便会产生磁场。如心、脑均会产生心磁场、脑磁场。经络是生物放大效应的主要渠道，人体生物电荷失去平衡可导致一些疾病的发生。磁疗法是通过磁场对经络穴位的作用，调节机体生物电磁的平衡，从而达到治疗疾病的目的。3、超声疗法超声波频率多在800～1000kHz之间。人体组织结构不同，声阻各异，并在不同组织间构成许多界面。超声波在均匀的人体组织中的传播路径呈直线，但遇上界面则发生折射或反射。传播过程中，超声波对组织产生明显的机械作用和热作用，在体内引起一系列理化变化，故能调整人体功能，改善或消除病理过程，促进病损组织恢复。超声波可用多种方式进入人体，人体对超声波反应的大小取决于超声波的能量大小和人体的功能状态。超声疗法对神经疾病、如神经炎、神经痛，具有明显镇痛作用。小剂量超声波多次投射可以促进骨骼生长，骨痂形成；中等剂量作用时可让骨髓充血，用于骨关节创伤。大剂量超声波作用于未骨化的骨骼，可致骨骼发育不全，因此对幼儿骨骺处禁用超声。4、光疗法光疗法是利用阳光或人工光线（红外线、紫外线、可见光、激光）防治疾病和促进机体康复的方法。日光疗法已划入疗养学范畴。理疗学中的光疗法是利用人工光辐射。现阶段主要包括红外线疗法、紫外线疗法和激光疗法。红外线可分为两段：波长1.5~1000微米的波段为远红外线（长波红外线），波长760~1.5微米的波段为近红外线（短波红外线）。红外线的治疗作用基础是温热效应，具有改善血循环，促进吸收，缓解痉挛，消散慢性炎平及镇前等作用。紫外线光谱生物学作用特点：紫外线的波长400～180nm。其光谱分三个波段。（1）长波紫外线（UVA），波长范围400～320nm2）中波紫外线（UVB）波长范围320～280nm3）短波紫外线（UVC波长范围280～180nm。紫外线常于治疗急性化脓性炎症（疖、痈、急性蜂窝织炎、急性乳腺炎、丹毒、急性淋巴（腺）管炎、急性静脉炎）以及某些非化脓性急性炎症（肌炎、腱鞘炎）；伤口及慢性溃疡；急性风湿性关节炎、肌炎；神经（根）炎及一些皮肤病，如玫瑰糠疹、带状疱疹，脓胞状皮炎等。激光即由受激辐射光放大而产生的光，又称Lase，激光疗法是利用激光器发出的光进行治疗疾病的一种方法。激光的主要特征有高度定向性、亮度高、单色性好、相干性好。激光的治疗作用依其能量的大小而不同，低能量的激光主要有抗炎和促进上皮生长的作用，高能量激光由其对组织的破坏作用，可用于切割、烧灼或焊接组可以说在现代的医学研究和医疗单位中都离不开物理学方法和设备，随着医现关系必将越来越密切。总之，物理学极大的促进了医学的发展，现代医学依赖于物学融于物理学的程度也越来越高。作为物理学必定在医学中运用的更加广泛，并为人类发展做出更大的贡献。