近代物理学与现代医学.pdf

第2 2卷增刊 2 003年 6月 山 东科 技 大学 学报 自然科 学 版 V o l 2 2 S u p J o u r n a l o f S h a n d o n g Un iv e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t u r a l S c ie n c e J u n 2 0 0 3 文章编号 1 6 7 2 一 3 7 6 7 2 0 0 3 S u p 一0 1 3 4一 0 3 近代物理学与现代医学 冀敏 复旦 大学 物理 系 上海2 0 0 4 3 3 摘 要 简 要 回 顾 了 近 代 物 理 学 在 现 代 医 学 发 展 中 所 起 的 作 用 总 结 了 近 代 物 理 学 在 解 释 人 沙 生 理 现 象 及疾病诊断 治疗中的应用 提出了需要物理学工作者去开拓和研究的新领域 关 键 词 近 代 物 理 学 中 图 分 类 号 R 3 资 嘴 A 邸 X 线 超 t 核 k 共 振 成 像 塑治 疗 文 献 标 识 码 A Mo d e r n P h y s i c s a n d Mo d e r n Me d i c i n e J 1 M i n D e p t o f P h y s ic s F u d a n U n iv e r s i ty S h a n g h a i 2 0 0 4 3 3 C h in a A b s t r a c t T h e e f f e c t s o f m o d e r n p h y s ic s o n m e d ic a l d e v e lo p me n t a r e b r i e fl y s u m m a r i z e d T h e a p p l ic a t io n s o f m o d e r n p h y s i c s t o e x p l a i n in g t h e p h y s io lo g i c a l p h e n o m e n o n o f h u m a n b o d y d i a g n o s i n g a n d t r e a t in g d i s e a s e s a r e p r e s e n t e d T h e n e w f i e l d s o f s t u d y a n d d is c o v e r y i n me d i c in e f o r p h y s i c i s t s a r e a l s o s u g g e s t e d K e y w o r d s mo d e r n p h y s i c s m e d ic i n e mi c r o s c o p e X一 r a y u l t r a s o u n d m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g r a d io t h e r a p y 随着近代物理学的迅速发展和人类对生命现 象认识的逐步深人 生命科学和医学已从宏观形 态的研究进人微观机制的研究 从细胞水平的研 究深人到分子水平的研究 并日益将其理论建立 在精确的物理学基础之上 任何生命过程都和物 理过程密切相关联 因此 揭示生命现象的本质 诸如能量的交换 信息的传递 体内控制和调节 疾病的发病机制 都必然要应用物理学的基础理 论 基本方法和基本实验乎段去开展研究工作 近代物理在推动现代医学发展的过程中做出了功 不可没的贡献 主要包括两个方面 一是为医学提 供理论 概念和方法 二是为医学提供现代化的实 验 诊断与治疗手段 就这两个方面中的部分典 型实例介绍其发展过程 进展情况以及研究的新 领域 1 物理学理论和概念在医学中的应用 1 1 电学与医学 1 7 世纪意大利生理学家伽伐尼发现生物电 现象后 使人们看到了物理学与生物医学的直接 联系 人体活组织的每一个活动 都伴随有电现 象 如神经传导 肌肉兴奋 心脏跳动 大脑活动及 腺体分泌等都产生相应的电变化 生物电的起源 问题 至今还在深人研究之中 目前的理论解释仍 以范特荷浦的溶液说和阿累尼乌斯的电离说为基 础 认为离子过程是产生生物电现象的根本原因 离子运动使电荷分布不均匀而引起电位的产生和 变化 人们成功解释了细胞膜的静息电位 动作 电位 体液流动电位及神经传导过程的电位变化 并建立了理论模型 在此基础上 荷兰生理学家 艾萨文和物理学家一起用电偶极子的概念解释了 心脏动作电位的机理 并于 1 9 0 3年发明了心电图 机 因此荣获了1 9 2 4年的诺贝尔生理医学奖 解 释和记录了其它器官的电活动 诸如脑电位 肌电 位 唾液腺 电位 汗腺电位以及肾 胃和眼的电 位 1 7 根据电 磁学理论 人们判断出人体磁场的 存在 并发现和记录了心脏磁场和脑磁场 1 2 光学与医学 1 8 世纪末 英国物理学家首先研究了眼睛的 几何光学性质 1 9世纪末古尔斯特兰德把光学 成像原理应用于眼睛 发现视觉调节机理 因此荣 获 1 9 1 1 年诺贝尔生理医学奖 为现代生理学的发 展奠定了基础 德国物理学家亥姆霍兹 2 1 也曾 研究过眼的光学结构 色视觉和色盲 出版了 生 理光学手册 并发明了眼科医生至今仍人手一把 的检眼镜 奥地利物理学家马赫也研究过视觉问 增刊 冀敏 近代 物理学与现代 医学1 3 5 题 发现了人眼视觉井非光强真实物理分布的事 实 即以他的名字命名的 马赫带 提出空间对称 感觉与眼睛的对称结构有关 上世纪末有人研究 暗适应中人的视觉量子效应及视网膜灵敏度与视 细胞成分的关系问题 但至今尚未搞清 1 3 力学与医学 早期开展的研究有肌肉和骨骼的力学性质 人体静力学和人体动力学 后来的研究有循环力 学 血液流变学 呼吸物理等 循环力学所研究的 内容是血液循环所涉及的力学问题 它包括血细 胞的力学性质 血管的力学性质 血液流动及心脏 作功等问题 十九世纪初 人们对血液循环问题 所持的观点是 在生命体中发生的力学运动正如 生命体的运动一样 遵守同样的普遍规律 血液 循环取决于心脏和动脉的肌肉及其弹性功能 要 想弄清这些功能的性质 就必须把它简化为最精 确的流体力学理论问题 这个观点的代表人物就 是既是医生又是物理学家的杨氏 3 血液流变 学主要研究血细胞的弹性以及在血管中的流动和 变形 呼吸物理主要研究呼吸过程与人体内 外 压强的关系 肺泡对肺内压的调节作用 肺内气体 流动及呼吸音等问题 1 4 且子生物学 量子生物学是研究生命物质微观结构的科 学 它使用量子力学的方法研究生物大分子的电 子结构 电磁性质 能量转移和化学反应等间题 从电子水平上解释生命现象 最早把量子概念用 于 生物学的 是物理学家薛定谬 4 他认为射线诱 发果蝇基因突变的原因是 射线光子的能量与包 含许多基因排序的染色体 看作非周期性晶体 的 能级间隔相等 并认为基因遗传是量子效应 核 酸 R N A和D N A 是生物体内 蛋白质合成的模 板 是遗传信息的载体 具有丰富的内部转动 自由 度 它的空间构型对于各种生化过程都具有重要 作用 应用量子力学的理论可计算各种构型的能 量 这对于研究各种构型的稳定性非常重要 近 几年 根据D N A中发生的隧道效应研究遗传突 变 细胞 自发癌变仍是热门课题 2 物理学技术在医学中的应用 21 显微镜与现代医学 物理学技术在医学中的应用可追溯到十七世 纪 首先 显微镜的出现使人类对疾病的认识从 器官 组织深人到细胞水平 第一台性能较好的显 微镜是物理学家胡克研制的 他最早使用了 c e l l 细胞 这个词 显微镜的不断改进 加上切片机 的发明及固定染色技术的出现 大大推进了细胞 学和细菌学的建立 随着物理学家对显微镜不断 地改进 1 9 3 1 年生产出相差显微镜用于观察无色 透明的生物体 为提高分辨率发明了紫外显微镜 X射线显微镜和电子显微镜扩透射式电子透镜的 出现 使分辨率由光学显微镜的2 0 0 tr m 0 2 ta m 发展到 0 2 0 n m 0 1 0 n mo 1 9 8 2年德国物理学 家研制的扫描隧道显微镜 其放大倍数达三亿倍 分辨率为0 0 0 1 n m 只有原子直径的 1 1 0 人们 通过电镜等看到了致病的支原体和病毒 观察到 生物大分子的结构和重金属原子的图像 使医学 生物学的研究从细胞水平深人到分子一超微结构 水平 这对揭示生命的本质具有重大意义 2 2 X射线与现代医学 X射线的发现 使医学诊断和治疗手段出现 了划时代的变革 医生用 X射线机看到了活体 上的脏器图像 从而开辟了临床诊断的新领域 形 成了X射线诊断学这一专门学科 为克服影像 重叠的缺点 1 9 6 1 年美国物理学家科马克试图将 数学上 物体投影的无限集合可以重建出物体的 图像 的理论应用于医学 1 9 6 7年英国电子工程 师豪斯菲尔德把图像重建原理与快速发展的计算 机技术完美结合 设计发明了X C T X r a y c o m p u t e r t o m o g r a p h y 机 1 9 7 1 年世界上第一台C T 机安装在英国伦敦的莫利医院 C T机的发明震 动了医学界 被称为自X射线发现以来放射诊断 学上的最重要成就 因此豪斯菲尔德和科马克共 获 1 9 7 9 年诺贝尔生理学医学奖 1 9 7 4年出现了 体部 C l 机 使全身各部位的 C T检查得以实现 但上述 C 7 均属平移尹 漩 转扫描方式 成像时间 长 图像质量差 成像层面厚 几年后就被旋转扫 描方式的cr所取代 随着计算机技术的发展 探测器及 X射线管技术的不断提高 1 9 8 8年研制 出螺旋 C 7 机 1 9 9 2年多排 2排 螺旋 C T机也 进人医院 川 使扫描速率 成像速率和图像质量 大为提高 今天 8排乃至 1 6排螺旋 C T的时间 分辨率达到亚秒 空间分辨率和密度分辨率极大 地提高 十分便于疾病确诊 X射线还可以用来治疗肿瘤 早期的X光 治疗机曾用于血管瘤 皮肤癌的治疗 消除肿瘤 需要足够强的射线能量 于是物理学家们研制的 各种加速器满足了医疗上的需要 受 X射线治 疗的启发 放射性核素被发现后也首先用于治疗 癌症 目前 放疗 是人类对付癌症最重要的手 段之一 为解决放疗时正常组织损伤的问题 1 9 5 1 年瑞典科学家提出立体定向放射的概念 经 各国专家几十年的努力 现已制造出用于治疗脑 部肿瘤的静态 7 一 刀 旋转式 7 一 刀 体部 X 一 刀三大 立体定向放射装置 从而使病变靶区受到足够强 的均匀剂量照射 而周围正常组织受照射量最小 1 3 6山 东 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 2 2卷 2 3 超声与医学 二十世纪二十年代 压电效应发现后不久 法 国物理学家朗之万研制出水下超声发射器 并观 察到超声对水中浮游生物体的作用 1 9 2 7 年出 现了超声生物效应的文章 次年 医生就将超声波 用于治疗慢性耳聋 后来又用于治疗各种组织炎 症 骨折 栓塞等 获得良好的疗效 随着二十世纪中叶电子技术的进步和发展 出现了医用超声诊断仪 最早是把超声脉冲反射 技术和阴极射线示波器结合 组成幅度调制型 A 型 超声诊断仪 医生根据超声回波的幅度及间隔 来诊断体内的器质性疾病 7 0年代后 人们又利 用计算机及电视技术 研制出辉度调制型 即 B 型 超声诊断仪 医生根据获得的实时超声图像来 诊断胸 腹部疾病 彩色超声多普勒血流显像仪 C D E I 是二十世纪 8 0年代中期发展起来的 它 不仅可以显示人体器官解剖结构和轮廓的黑白图 像 而且可将探头提取的多普勒频移信号经彩色 编码处理所形成的二维彩色多普勒血流图像叠加 在黑白图像上 实时显示出人体血管内血流运动 的方向 速率和流速变化 6 1 从而准确诊断各种 心血管疾病 目前 超声诊断是医院中最常用的 物理诊断方法之一 2 4 核物理与医学 放射性核素在医学上的应用十分广泛 在诊 断方面 放射性核素与同名的稳定同位素具有相 同的化学性质 它们在生物体内的吸收 分布和排 泄情况也一样 由于放射性核素能 自 发地放射各 种射线 因此可以用各种探测仪器找到它们的踪 迹 所以放射性核素又叫示踪原子 放射诊断的 原理是给予人体 口服 注射等方式 某些适当的 标记药物 通过用探侧仪器测定此药物在人体内 的吸收 分布和排泄情况 来确定人体器官组织的 形态 功能是否正常 例如 3 1 1 对甲状腺功能的测 试 1 3 1 1 3 2 P 对脑肿瘤的定位等 早期的核素成像 仪器有闪烁扫描机和照相机 目前临床使用最多 的 是发射型计算机断层成像 E C T 设备 7 1 此 外 核医学的新成果单光子发射型计算机断层成 像 S P E C T 和正 电子发射型计算机断层成像 P E T 已进人临床应用 核磁共振 N MR 现象被发现后 就有人试图 探测生物体的NMR信号 1 9 6 7年杰克逊首次在 活体中得到了NMR信号并提出 N MR可能成为 诊断肿瘤的工具 X C T出现后 有人立即想到 研究 N MR成像 1 9 7 2年美国医生首先提 出了 利用核磁共振原理测定活体组织的纵向弛豫时间 和横向弛豫时间的方法以及用于诊断的设想 1 9 7 3年美国州立大学的教授提出了核磁共振成 像 MR 方法 即把核磁共振原理同空间编码技 术结合起来 用梯度磁场法得到水模型的 NMR 二维图像 1 9 7 8年英国物理学家在研究核磁共 振成像系统方面取得了较大进展芬 得到了第一幅 人体头部的NMR图像 到 1 9 8 0年又得到了人体 胸 腹部的N MR 图像 3 o N M R图像不仅能给出 人体的形态结构 还能提供人体内部化学元素的 浓度分布及与该元素周围微观 化学 环境有关的 参量像 在某些疾病的早期诊断中发挥出其它影 像设备不可替代的作用 3 待并拓的新领域 近代物理学的新概念 新理论 新方法对生命 科 学 的 研 究 起 着 先 导 和 启 示 作 用 淆 待 物 理 学 工 作者去开拓研究的领域很多 如 1 生命过程之 谜 近年来通过对生物大分子结构 功能的研究 使得揭开生命之谜成为可能 但诸多问题还没有 弄清楚 如困扰人类的癌症 爱滋病等 2 思维 本质之谜 人工神经网络理论和研究方法为解开 思维本质之谜带来了希望 但若把生物神经网络 的工作过程用人工神经网络来模拟 一个神经元 就是 1 0 7 个微触发器 离子通道 组成的集成电路 元件 而生物神经元内部大分子经常处于合感和 分解的动态过程之中 3 物理因子 激光 超声 电磁场 放射线等 与生物体的相互作用机制目前 还停留在组织 细胞的水平上 国内在物理因子与 生物体相互作用的微观机制方面的研究开展得较 少 4 微创 无创及微型化的诊疗仪器1待开 发 5 寻找直接针对细胞的 D N A进行物理诊 治的新方法 即遗传诊断和遗传治疗 相信 在 2 1 世纪物理学与医学的紧密结合将 使物理学这门古老而又年轻的科学焕发出勃勃生 机 更好地为 人类进步和 健康做出新贡献 参 考 文 献 I l l 刘普和 等 医学物理学 M 北京 人民卫生出版社 1 9 8 0 3 9 8 4 1 0 2 l 曾少潜