物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用綜述

1、物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用綜述【標(biāo)題】 ?物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用綜述【作者】夏澤宇 【關(guān)鍵詞】 ?物理學(xué)臨床醫(yī)學(xué)診療技術(shù)教育價(jià)值 【指導(dǎo)老師】肖學(xué)雷 【專業(yè)】物理學(xué) 【正文】 引言物理學(xué)所提供的技術(shù)和方法已日益廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及臨床醫(yī)療 實(shí)踐之中，并且不斷更新。醫(yī)學(xué)是以人體為研究對(duì)象的生命科學(xué) , 生命現(xiàn)象屬于物 質(zhì)運(yùn)動(dòng)的高級(jí)形式。例如，光學(xué)顯微鏡、 , 線透視和照片、放射性核素等在醫(yī)療醫(yī) 學(xué)上的應(yīng)用已是人們?cè)缫咽熘?。而現(xiàn)代電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡相比，分辨率提 高了近千倍，成為研究細(xì)胞內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)的重要工具，計(jì)算機(jī) , 射線斷層攝影術(shù) (X,CT)與通常,線診斷相比，其靈敏度提高了百倍，

2、磁共振成像 (NMR,CT或 MRI)技 術(shù)既能顯示解剖學(xué)圖像，又能顯示反映功能和代謝過(guò)程與生化信息的圖像，為醫(yī)學(xué) 提供了一種嶄新的診斷技術(shù)。各種光纖內(nèi)鏡取代了剛性導(dǎo)管內(nèi)鏡，提高了疾病的診斷率，減輕了病人的痛苦。 為了更加系統(tǒng)的介紹物理學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，現(xiàn)作如下綜述力學(xué)知識(shí)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用1.1? 離心現(xiàn)象的應(yīng)用離心分離器的利用離心現(xiàn)象可使混合液體中的懸浮微粒 (密度不同 )快速沉淀。 在醫(yī)學(xué)上，常用來(lái)分離血漿、沉淀蛋白質(zhì)和做尿沉渣檢查等。 11.2? 正負(fù)壓現(xiàn)象的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上常以大氣壓強(qiáng)為準(zhǔn) , 把高于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱膲簭?qiáng)稱正壓 , 低于大氣壓的壓強(qiáng) 稱負(fù)壓。正負(fù)壓現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用很普通，如注射器、

3、中醫(yī)用的拔火罐、胃腸減壓 器和人工吸痰器就應(yīng)用了負(fù)壓現(xiàn)象。開放式輸液和封閉式輸液裝置利用液體柱的重力產(chǎn)生正壓來(lái)輸液或輸血。 11.3? 虹吸現(xiàn)象和空吸作用的應(yīng)用液體從高處容器經(jīng)兩臂不等長(zhǎng)的 U型管流到低處的現(xiàn)象 , 稱虹吸現(xiàn)象。臨床上 常用的洗胃器，就利用了虹吸現(xiàn)象。臨床上對(duì)口腔、呼吸道疾病進(jìn)行治療用的霧化 吸入器和噴霧器則利用了空吸作用原理 （ 液體的流速大處壓強(qiáng)小，流速小處壓強(qiáng) 大）。此外，得用流體力學(xué)知識(shí)還制成了血壓計(jì)等醫(yī)療器具。 1熱學(xué)知識(shí)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用人體是一個(gè)開放系統(tǒng) , 它與外界之間不僅有能量交換 （散失熱量、對(duì)外作功 ）, 而 且還有物質(zhì)交換。人體能量交換與守恒服從熱力學(xué)第一定

4、律。從熵加原理（?） 看, 要保持生命過(guò)程的正常進(jìn)行 , 或使系統(tǒng)向更加有序的方向發(fā)展 , 生命系統(tǒng)也必須開放 , 開放系統(tǒng)存在著由無(wú)序到有序轉(zhuǎn)化的可能。如果把人體和他們的環(huán)境放在一起考慮 , 則總熵仍是增加的 , 可見生命過(guò)程也遵從熱力學(xué)第二定律。2.1? 熱脹冷縮現(xiàn)象的應(yīng)用體溫計(jì)、寒暑表利用物體的熱脹冷縮性質(zhì)來(lái)顯示溫度。 12.2 蒸發(fā)致冷效應(yīng)的應(yīng)用 醫(yī)院病房和藥房要求保持一定的溫度，常用的干濕泡濕度計(jì)就利用了蒸發(fā)致冷 效應(yīng)測(cè)定空氣濕度。醫(yī)療護(hù)理上采用的物理降溫法 熱酒精擦浴，也利用了蒸發(fā)制冷現(xiàn)象 : 酒精易揮發(fā)，溫度越高肌膚毛孔越開放，蒸發(fā)速度也越快，因而降溫效果好。 1光學(xué)知識(shí)及技術(shù)在

5、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用3.1? 透鏡成像、全反射現(xiàn)象的應(yīng)用光學(xué)顯微鏡利用透鏡成像規(guī)律 ,由兩組透鏡 （物鏡和目鏡 ）組合而成,用于觀察細(xì)微的近物體或近物體的精細(xì)結(jié)構(gòu) , 是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)理論研究和臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐的常用光學(xué) 儀器。醫(yī)用內(nèi)窺鏡 （纖鏡） 是利用光導(dǎo)纖維束的光全反射現(xiàn)象來(lái)傳光、傳像，如胃 鏡、腹腔鏡、膀胱鏡、結(jié)腸鏡等。近視眼和遠(yuǎn)視眼的矯正分別利用了凹透鏡 的發(fā)散作用和凸透鏡的會(huì)驟作用。 另外，五官科檢查中用的凹面鏡，則利用了凹面鏡的反射規(guī)律 ; 外科手術(shù)室用 的無(wú)影燈 （手術(shù)燈） 由多個(gè)發(fā)光面大的光源組成，不會(huì)使醫(yī)生的身體或醫(yī)療器械在手 術(shù)中產(chǎn)生黑暗的本影，它利用了光源的發(fā)光面越大，本影越小的原理 ;

6、 檢眼鏡、 旋光計(jì)等醫(yī)用光學(xué)儀器也是光學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用。 13.2? 紅外線和紫外線的應(yīng)用 紅外線最顯著的作用是熱效應(yīng)，醫(yī)療上常用紅外線照射人體患部，促使血管舒 張、血流加速，促進(jìn)組織代謝，用于治療神經(jīng)炎、關(guān)節(jié)炎和循環(huán)障礙等疾病。利用 特制的對(duì)紅外線敏感的換能器對(duì)體表掃描，測(cè)出體表各點(diǎn)的溫度，再用計(jì)算機(jī)可作 出熱像圖掃描。熱像圖是醫(yī)療上檢查乳腺癌的常用方法。醫(yī)院病房和手術(shù)室常用紫 外線的生物效應(yīng)來(lái)消毒，紫外線還可促進(jìn)骨骼鈣化，具有抗佝僂病的作用。 13.3? 顯微鏡的應(yīng)用 顯微鏡是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中廣泛使用的儀器。普通光學(xué)顯微鏡由兩組會(huì)聚透鏡組 成，其光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡、光源、聚光器、濾光器和

7、光傳通道等。另外的特 殊顯微鏡有偏光顯微鏡、相差顯微鏡、電子顯微鏡、激光掃描共焦顯微鏡，利 用它們可分辨過(guò)濾性病毒、某些細(xì)菌的內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)。 14（ 電磁學(xué)知識(shí)及電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用4.1 電磁療 電磁現(xiàn)象是生物磁現(xiàn)象、磁場(chǎng)的生物效應(yīng)、生物磁場(chǎng)的測(cè)定及微波電磁場(chǎng)對(duì)神 經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、眼睛、皮膚 和肌肉等的影響。近年來(lái), 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 , 各類電磁治療及生物電磁技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床中 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前 , 國(guó)內(nèi)外用磁場(chǎng)療法治療多種疾病已收到良好的效果。但 在采用磁療方法中 ,應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)治療疾病的作用機(jī)制比較清楚 , 選擇合適的磁場(chǎng)參數(shù) ,

8、科學(xué)地利用磁場(chǎng)療法 , 方可達(dá)到最佳效果。下面將對(duì)磁療法在治療各種疾病中的作用及其作用機(jī)制作一介紹。磁療具有消炎、消腫及止痛作用 , 應(yīng)用磁場(chǎng)控制疼痛具有一定效果。磁場(chǎng)常用 于神經(jīng)、肌肉和關(guān)節(jié)疼痛、痙攣性疼痛以及晚期癌癥的疼痛等。其中低頻電磁穴位 療法是低頻脈沖電流和靜磁場(chǎng)復(fù)合治療的一種有效而無(wú)副作用、無(wú)損傷、無(wú)痛苦 , 操作簡(jiǎn)便的物理療法 , 兩者良好的鎮(zhèn)痛作用早已被大量臨床實(shí)踐所證實(shí)。磁場(chǎng)療法 對(duì)各種關(guān)節(jié)炎、皮炎、末梢神經(jīng)炎及外科損傷等疾病的治療效果也相當(dāng)好。對(duì)胃痙 攣、膽道蛔蟲癥、腎結(jié)石等內(nèi)臟反射痛的患者 , 經(jīng)旋磁或磁感應(yīng)治療均可緩 解癥狀。用低頻脈沖電磁場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)及恒定磁場(chǎng)對(duì)骨折

9、愈合的促進(jìn)作對(duì)骨折愈合都 有一定的治療作用。脈沖電磁場(chǎng)治療方法由美國(guó)矯形科專家 Bassett 提出并成功地 應(yīng)用于臨床治療。治療時(shí) , 將兩個(gè)線圈置于骨折部位皮膚或石膏上。其主要優(yōu)點(diǎn)是 操作簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)傷、適應(yīng)證廣、無(wú)并發(fā)癥及療效不受其他因素影響。低頻電磁療法有促進(jìn)骨再生的代謝過(guò)程、促使纖維母細(xì)胞和成骨細(xì)胞較早出現(xiàn)、消除疼 痛、減少功能障礙、增強(qiáng)抗生素的殺菌效力等作用。一定強(qiáng)度的恒定磁場(chǎng)也具有刺 激骨痂形成、抗炎和降低凝血作用。 磁場(chǎng)對(duì)心血管疾病的治療作用磁場(chǎng)對(duì)大鼠血液流變學(xué)指標(biāo)、腦血管病患者離體 血液流變學(xué)指標(biāo)的影響研究及臨床實(shí)驗(yàn)均表明 , 恒定磁場(chǎng)和旋磁場(chǎng)可以改善血液的 流變學(xué)特性 , 降

10、低血液粘度、促進(jìn)血液循環(huán)。采用磁療法可以治療血液高粘滯綜合征和預(yù)防心肌梗塞和腦血栓的形成。有人采用磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.005, 溫度為 21,41? 的磁熱床療法 , 患者經(jīng)磁熱床作用后全血粘度、血漿粘度、還原粘度、血沉、紅細(xì)胞壓積等指標(biāo)均降低。磁場(chǎng)對(duì)癌瘤的作用一些研究表明 ,磁場(chǎng)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)有抑制作用 , 能延長(zhǎng)荷瘤鼠的 存活時(shí)間。但這些實(shí)驗(yàn)只限于動(dòng)物模型上 , 尚未進(jìn)入臨床應(yīng)用。磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)物接種瘤 及瘤細(xì)胞的影響研究結(jié)果都表明恒磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)對(duì)癌瘤細(xì)胞有抑制或破壞作用。 為了使抗癌藥物更加集中在腫瘤部位 , 增強(qiáng)抗癌效果又降低其他組織中的藥物濃度 , 可將抗癌藥物與磁性物質(zhì)結(jié)合而形成磁性微球。在

11、外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下 , 磁性微球能集 中于靶區(qū)緩慢釋放藥物而施加作用。還可以將磁性顆粒注入腫瘤組織內(nèi)或注入供給 腫瘤血液的動(dòng)脈內(nèi) ,外加磁場(chǎng)作用 ,使動(dòng)脈發(fā)生栓塞 , 造成腫瘤缺血而壞死 ,用高頻電 磁場(chǎng)誘導(dǎo)加熱 , 使腫瘤產(chǎn)生凝固性壞死。另外 , 臨床上已將磁療法應(yīng)用于結(jié)石癥、腸 胃疾病、心臟傳導(dǎo)異常、近視、面癱、慢性胰腺炎等多種疾病的治療中并取得了一 定的效果。磁場(chǎng)療法的主要作用機(jī)制磁場(chǎng)對(duì)不同生物層次的諸多效應(yīng)的綜合表現(xiàn)是磁療法治療各種疾病的作用機(jī)制。 24.2? 直流電療 直流電療法是使用低電壓的平穩(wěn)直流電通過(guò)人體的部位以治療疾病的方法。使 用直流電將藥物離子通過(guò)皮膚、粘膜或傷口導(dǎo)入體內(nèi)進(jìn)行

12、治療的方法稱直流電藥 物離子導(dǎo)入療法。直流電通過(guò)電阻、電容及 , 電路研究人體的生物阻抗 , 人體的肌肉、血液、體 液主要由水分組成。這些水分中含有大量的電解質(zhì) , 電解質(zhì)是良導(dǎo)體?？砂讶梭w水 看成良導(dǎo)體 , 人體中的脂肪是絕緣體。把兩個(gè)細(xì)胞膜之間看成一個(gè)電容 , 細(xì)胞膜之間 的脂肪越多 , 既絕緣介質(zhì)越多 ,則這個(gè)電容的容值越大 , 容抗越小。人體阻抗包括電 阻阻抗和容抗。研究人體阻抗在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用具有廣闊的前景 :? 用生物阻抗法無(wú)創(chuàng)測(cè) 量顱內(nèi)壓 ;?心、腦、肺、血管及循環(huán)功能檢測(cè) ;? 腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)和診斷。直流電療法具有鎮(zhèn)靜、止痛、消炎、促進(jìn)神經(jīng)再生和骨折愈合，調(diào)整神經(jīng)系統(tǒng) 和內(nèi)臟功能，

13、提高肌張力等作用。直流電藥物離子導(dǎo)入療法除直流電作用外，取決 于所用藥物的藥理特性，例如各種抗生素、胰蛋白酶導(dǎo)入可治療傷口、炎癥、潰 瘍、瘺管，鈣、溴、咖啡因可調(diào)整大腦皮層功能障礙、碘、透明質(zhì)酸酶導(dǎo)入可消除炎癥、疤痕和粘連，治療腦炎或腦血管意外的康復(fù)期。 25. 原子(原子核)物理知識(shí)及其相關(guān)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用5.1? X 射線X射線的應(yīng)用和儀器設(shè)備可以概括為四個(gè)方面 :(a) 利用 X 射線透射性質(zhì)的 X射 線照相技術(shù) ;(b)X 射線衍射方法 ;(c)X 射線發(fā)射光譜，包括 X 射線熒光分析和電子 探針微區(qū)分析 ;(d)X 射線吸收譜 : 分析研究物質(zhì)的 X射線吸收譜，尤其是在吸收邊 區(qū)的

14、精細(xì)結(jié)構(gòu)，和擴(kuò)展吸收邊精細(xì)結(jié)構(gòu)，是研究物質(zhì)微觀局部結(jié)構(gòu)的有力技術(shù)。近 年來(lái)，同步加速器和儲(chǔ)存環(huán)作為 X射線源的發(fā)展，推動(dòng)了 X 射線吸收技術(shù)的應(yīng)用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，晶體 X 射線衍射的物理基礎(chǔ)如下 :X 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度的衰減大 部分是由地吸收，小部分是被散射。其中，只引起 X 射線方向的改變，不引起能量 變化的散射，稱為相干散射。結(jié)果是除了透射的射線外，在某線偏離射線的方向上 也能觀察到一定強(qiáng)度的射線，這種射線與原射線之間的夾角與被照射的晶粒中分子 或原子的空間排布存在一定關(guān)系，利用所測(cè)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)等信 息，獲得試樣內(nèi)部微觀或亞微觀的信息等等。使用“單色”X 射線的多晶衍射方

15、法 稱為“角度色散”型的方法，其原理是多晶樣品中，晶粒的取向是隨晶體機(jī)的，總有晶粒的取向正好使一種晶面能處于產(chǎn)生衍射實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)。結(jié)構(gòu)測(cè)定的最后結(jié)果是獲取晶胞的空間群、晶胞常數(shù)和 - 套描述晶胞中每個(gè)原子位 置的參數(shù)，并用結(jié)構(gòu)模型圖顯示出來(lái)。從結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，可以容易地得出諸如配 位數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角等晶全化學(xué)數(shù)據(jù)。利用單晶衍射分析獲得的高分辨電子密度分布 圖還可以進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)中價(jià)電子的分布、原子或離子的大小、鍵型電磁波譜的 X射線區(qū), 一般指波長(zhǎng) 0.01 至 100 的區(qū)段,介于紫外線和射線之 間,X 射線的波長(zhǎng)很短 ,其頻率約為可見光的 1000倍, 它的光子能量很高 ,對(duì)物質(zhì)有 一定的穿

16、透力。 1859 年倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線后，這一特性立即獲得重要的應(yīng)用X 射 線透視術(shù)，即 XCT。 X 射線的第二個(gè)特點(diǎn)是其波長(zhǎng)正好與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)中的原 子、離子間的距離 ( 一般為 110)相當(dāng)，所以當(dāng)它被晶體衍射時(shí)，通過(guò)所測(cè)的數(shù)據(jù) 可是人們推斷出物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。第三， X 射線光子的能量與原子內(nèi)層電子的激發(fā) 能量相當(dāng)，因此物質(zhì)的 X 射線發(fā)射譜或吸收譜在物質(zhì)的分析鑒定中也有重要的應(yīng)用。 35.2 核磁共振磁共振成像 (MRI) 是一種可多層面、多角度直接成像且分辨率高的無(wú)創(chuàng)性影像 診斷技術(shù)。 MRI技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是能提供和 X-CT相媲美的解剖學(xué)圖像 , 同時(shí)還能提 供與生化、病理有關(guān)的信息。如今這項(xiàng)技術(shù)可提供氫核密度、T1、T2 和組織流動(dòng)等四個(gè)參數(shù)的圖像?？煞謩e成像，也可將其中兩者加權(quán)成像。 的成像主要提 供觀測(cè)層面組織臟器的形態(tài)和位置 ;T1 、T2 因含有豐富的生化代謝信息，通過(guò)與 結(jié)合成像，可得到形態(tài)學(xué)圖像和體內(nèi)組織細(xì)胞代謝的生化藍(lán)圖，監(jiān)測(cè)諸如炎癥、良 性和惡性病變的性質(zhì) ; 組織流動(dòng)參數(shù)的成像，可反映體內(nèi)血流狀況，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷有特殊意義MRI 對(duì)心肌梗塞顯示較好，不僅有定位及定量意義，且優(yōu)于超聲心動(dòng)圖 (UC