物理学在医学上的应用

医学物理学可归纳为物理学应用的一个支脉，它是将物理学的理论、方法和技术应用于医学而形成的一门新兴边缘学科。换句话说，医学物理学系结合物理学、工程学、生物学等专业，应用于医学上，尤其是在放射医学或激光医学。因此，医学物理学也可与医学电子学(医学器材的研究)、生物医学工程学(工程原理应用于生物与医学)，及保健物理学(分析、控制辐射伤害)等学科合作，共同促进医学与生物科技的进步。它的出现大大提高了医学教育水平，促进了临床诊断、治疗、预防和康复手段的改进和更新进程。其主要研究内容有：1、人体器官或系统的机能以及正常或异样过程的物理解释；2、人体组织的物理性质以及物理因子对人体的作用；3、人体内生物电、磁、声、光、热、力等物理现象的认识；4、物理仪器（显微镜、摄谱仪、X线机、CT、同位素和核磁共振仪等）和物理测量技术的医学应用。作为一个独立学科，它形成于本世纪五十年代，1974年国际医学物理组织（IOMP）成立，1986年医学物理分会以中国医学物理学会的名义加入国际医学物理组织。
随着近代物理学和计算机科学的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科已愈来愈多地把他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，在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛。光学显微镜和X射线透视对医学的巨大贡献是大家早已热悉的。光导纤维做成的各种内窥镜已淘汰了各种刚性导管内镜，计算机和X射线断层扫描术(X－CT)、超声波扫描仪(B超)和核磁共振断层成像(MRI)、正电子发射断层显像术(PET)等的制成和应用，不仅大大地减少了病人的痛苦和创伤，提高了诊断的准确度，而且直接促进了现代医学影像诊断学的建立和发展，使临床诊断技术发生质的飞跃。物理学的每一新的发现或是技术发展到每一个新的阶段，都为医学研究和医疗实践提供更先进，更方便和更精密的仪器和方法。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，随着医学科学的发展，物理学和医学的关系必将越来越密切。物理学不仅为医学中病因、病理的研究和预防提供了现代化的实验手段，而且为临床诊断和治疗提供了先进的器械设备。可以说，没有物理学的支持，就没有现代医学的今天。
1、光学对医学的影响
激光在医学上已广为应用，它是利用了激光在活体组织传播过程中会产生热效应、光化效应、光击穿和冲击波作用。紫外激光已用于人类染色体的微切割，这有助于探索疾病的分子基础。在诊断方面，随着各项激光光谱技术在医学领域运用研究的广泛开展，比如生物组织自体荧光、药物荧光光谱和拉曼光谱在癌肿诊断及白内障早期诊断等方面的研究正在发展之中。激光光学层析（断层）造影（OT）技术正在兴起，它是替代X－CT的新兴的医疗诊断技术。在治疗方面，激光手术已成为常用的实用技术，人们可选用不同波长的激光以达到高效、小损伤的目的。激光已用于心血管斑块切除、眼角膜消融整形、结石粉碎、眼科光穿孔、子宫肌瘤、皮肤痣瘤、激光美容和光动力学治癌（PDT）等方面。在诊断中使用的内窥镜如胃镜、直肠镜、支气管镜等，都是根据光在纤维表面多次发生全反射的原理制成的。医用无影灯、反光镜等也是利用光学原理制成的。近场光学扫描显微镜可直接在空气、液体等自然条件下研究生物标本等样品，分辨率高达20nm以上，已用于研究单个分子，有望在医学领域获得重要应用。利用椭圆偏振光可以鉴定传染病毒和分析细胞表面膜。全息显微术在医学上应用也很广泛。放射性对医学的影响
射线在医学领域应用极广，这是基于人体组织经射线照射后会产生某些生理效应。射线可通过反应堆、加速器或放射性核素获得。在病因、病理研究方面，利用放射性示踪技术，使现代医学能从分子水平动态地研究体内各种物质的代谢，使医学研究中的难题不断被攻破。例如弄清了与心血管疾病密切相关的胆固醇生物合成过程。现在放射性示踪已成为现代医学不可缺少的强大武器。放射性在临床诊断上的应用已很普及，例如X光机和医用CT。1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现X射线。X射线发现后仅3个月就应用于临床医学研究， X射线透视是根据不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。X射线透视机已成为医院的基本设备之。
1972年英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔得(G.H.Hounsfield)在美国物理学家柯马克(A.M.Comack)1963年发表的数据重建图像数学方法的基础上，发明了X－CT，使医学影像技术发生重大变革。现在X－CT在全世界得到广泛应用，成为举世公认的重大科技成就。柯马克和洪斯菲尔得两人也因此获得1979年诺贝尔医学生理奖。X－CT是利用X射线穿透人体某层面进行逐行扫描，探测器测量和记录透过人体后的射线强度值，将这些强度值转换为数码信号，送进计算机进行处理，经过排列重建。在显示器上就能显示出该层面的“切片”图。使用X－CT装置，医生可以在显示器上看到各种脏器、骨骼形状和位置的“切片”，病变的部位、形状和性质在图像上清晰可见，大大提高了诊断的精度。
X－CT的优越性在于它可以清晰地显示人体器官的各种断面，避免产生影像的重叠。X－CT具有相当高的密度分辨率和一定的空间分辨率，对脑瘤的确诊率可达95％。对腹部、胸部等处的肝、胰、肾等软组织器官是否病变有特殊功用，对于已有病变肿瘤的大小和范围显示也很清楚，在一定程度上X－CT还可以区分肿瘤的性质。目前，医用X－CT已成为临床医学诊断中最有效的手段之一。而正电子发射断层扫描(PET)是一种先进的核医学技术，它的分辨率高，用生理性核素示踪，是目前唯一的活体分子生物学显示技术，PET可以从生命本原——基因水平作出疾病的早期珍断。PET不仅可生产放射性核素，还可用于肿瘤学、神经病学和心病学的研究，它可为病变的早期诊断、疗效观察提供可靠的依据。
放射性在临床中主要用于癌肿治疗，针对对常规外科手术来说困难的疾病和部位(如脑瘤)而设计的粒子手术刀已得到了推广，其中常用的有X光刀和γ光刀。快中子、负π介子和重离子治癌也在进行，它们对某些抗拒γ射线的肿瘤有良好的效果，但是价格高昂，世界上已有许多实验室在临床使用。其次，粒子手术刀对许多功能性疾病如脑血管病、三叉神经病、麻痹、恶痛、癫痫等也有很好的疗效。另外，利用放射性可对医疗用品、器械进行辐射消毒，具有杀菌彻底、操作简单等优点。
3、电磁学对医学的影响
磁共振断层成像是—种多参数、多核种的成像技术。目前主要是氢核( H)密度弛豫时间T 、T 的成像。其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，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电磁波信号之后，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，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。
由于人体内存在电磁场，可为医学疾病的诊断提供重要的检测依据。故脑电图、心电图早已用于脑部疾病、心脏疾病的诊断，与之相对应的脑磁图、心磁图在医学诊断上更为准确有效，但由于技术和价格等原因在临床诊断上尚未得到广泛应用。对肺磁图的认识则较晚，它对肺部疾病(如尘肺病等)的诊断比X射线更为有效。目前，有些发达同家已把它作为肺部疾病诊断的重要手段。
由于原有X射线造影剂(钡餐)效果不够理想，人们研制了磁性X射线造影剂，现在已用于临床诊断。这是一种具有磁性的流动液体，对X射线具有较好吸收率，通过改变外部磁场，它几乎可到达身体内的任何待查部位，而且不会在体内凝固。
电子显微镜在医学中应用广泛，可用来观察普通光学显微镜不能分辨的精细结构。如生物中的病毒、蛋白质分子结构等。电子显微镜根据电子束照射物体井成像的原理，利用电子束通过磁透镜(基于磁聚焦原理)进行聚焦，然后通过加速电压能产生波长很短的电子波，其放大倍数是普通光学显微镜的几十倍甚至几十万倍。
另一方面，在医学中利用电磁原理可改善人体内部的微循环，达到治病保健的作用，如血液循环机和各种磁疗仪等；根据人体与电磁波的相互作用，在医学上利用电磁能的热效应进行肿瘤的高温治疗和一般热疗。粒子加速器在医学中用来产生用于诊断或治疗的射线，也可用来生产注入人体内利于显像的放射性物质，它是利用带电粒子在磁场中的运动规律制成的。
4、声学对医学的影响
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，利用超声发生器把超声波发射到体内，并在组织内传播。病变组织的声阻抗与正常组织有差异，用接受器把反射和散射波接受下来，经过处理显像后就可对病变进行诊断，比如A超、B超和多普勒血流仪等。
B超与X射线透视相比其结果的主要差别是：X射线透视所得出的是体内纵向投射的阴影像，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。
为了提高某些微小病灶(例如小肝癌等)的检出水准，声学中的非线性问题引起了人们的关注。近来，非线性参量成像已成为超声诊断的—个研究热点，二次谐波成像是最新发展的方法之一。二次谐波的应用基于声学造影剂，在超声诊断时预先注入人体待查部位超声造影剂，这样可增加血流信息，有利于病灶的显示，二次谐波成像在冠状动脉疾病诊断中已受到广泛的重视。
超声在治疗方面的应用是基于超声在人体内的机械效应、温热效应和一些理化效应。有超声碎石、超声升温治癌、超声外科手术刀以及超声药物透入疗法，超声可用于治疗硬皮症、血管疾患、腰腿疼、精神病等许多种疾病。临床上使用的有多种超声治疗机。另外，超声在美容中用于超声洁牙、超声减肥等。
在医学上用来进行活体观察的声学显微镜，是利用声波来获得微观物质结构的可见图像技术，它是集声学、压电、光学、电子学和计算机等成果于一体的高科技仪器。
目前，物理学在医学应用中的深度和广度正在进一步拓展，往往需要综合利用多种知识，比如能迅速缓解疼痛病状的声电疗法，就是综合利用了超声和交流电。在其他方面，液晶在医学上已用于医疗热谱图(诊断乳癌、血液疾病等)和其他显像技术中。超导等技术在医学中也有应用。
总之，物理学极大地促进了医学的发展，现代医学对物理学的依赖程度也越来越高。我们相信物理学在医学中将会获得更多的应用，并为医学的发展做出更大贡献。