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（XCT）、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。2B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（XCT）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XCT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。XCT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XCT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。XCT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。XCT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XCT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（ih）密度弛豫时间TT的成像，其基本原理是利用一定频率的1 1 2 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XCT和B超比较，XCT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XCT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18F、11C、15O、13N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y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（y -CMR ）和局部血流量（ y - CBF ） 的异常，常用的显像剂是18 F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6X6mm2或8X8mm2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1832 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。