物理知识在医学中的应用

物理知识在医学中的应用摘要：物理是一门包罗万象的学科，学习物理不止学习它的理论知识，更是要学以致用。物理在各个领域都有非常广泛的应用，今天我来浅谈一下物理学在医学领域中的应用，讲述物理在医学领域中如何为人类谋幸福。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熟悉的。光学纤维做成的各种内镜已淘汰了各种刚性导管内镜，计算机和X射线断层扫描（X—CT）、超声波扫描仪（B超）和磁共振断层成像（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。1．X射线透视1895年11月8日，伦琴在德国维尔茨堡大学实验室研究稀薄气体放电时发现X射线。X射线发现后3个月就应用于医学研究。X射线透视机早已成为医学中不可缺少的工具。伦琴也由此成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人。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一。2．B超B超是超声波B型显示断层成像的简称，之所以称为B超显示，是因为对过去显示超声检查结果的方法又创立了一种方案而增加的新名称，把已有的那种一维显示一串脉冲波的方案称为A型显示，而新的这种二维纵向断层显示称为B型显示。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。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。3．X射线电子计算机辅助断层扫描成像（X—CT）1972年英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔德在美国物理学家柯马克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。柯马克和洪斯菲尔德两人也因此获得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，一个层面扫描完后射线沿被检查的人体旋转10，再进行下一个层面的扫描，这样旋转1800，就可以得到一个完整的人体层面图像。使用X—CT装置，医生可以在显示器上看到各器脏、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，避免了影像和重叠。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。4．磁共振断层成像（MRI）磁共振断层成像是一种多参数、多核种的成像技术。目前主要是氢核（H11）密度弛豫时间T1T2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，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图像可以显示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。5．正电子发射断层成像（PET）PET正电子发射断层成像的原理是：将含有发射正电子的放射性核素，如F18、C11、O15、N13等显像剂注入或吸入人体内，通过探测正电子放射性核素衰变时产生的正电子与组织内负电子湮灭时产生两个能量相等、方向相反的光子，显示人体的代谢和生化等改变。PET可以发现脑躯体局部代谢（CMR）和局部血流量（CBF）的异常，常用的显像剂是F18脱氧葡萄糖。PET的主要结构有多环探测器、机器、计算机和显示、储存器等电子部件，其中多环探测器是PET的心脏，多采用大块锗酸铋（BGO）晶体，高精度切割成截面为6×6mm2或8×8mm2块小区。最多的可有18432块小晶体。多个探测器组拼接成环，一台PET通常有18—32环，一环晶体形成一个层面的图像，相邻环间形成间接层图像，PET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诊断。在人类文明和社会发展取得进步的过程中，物理学的每一新的发现或是技术发展到每一个新阶段，都为医学研究和医疗实践提供了更先进、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，也必将造福于人类。