物理学在医学上的应用综述.doc

物理学在医学上的应用综述 【标题】?物理学在医学上的应用综述 【作者】夏泽宇 【关键词】?物理学临床医学诊疗技术教育价值 【指导老师】肖学雷 【专业】物理学 【正文】引言物理学所提供的技术和方法已日益广泛应用于生命科学、医学研究及临床医疗实践之中，并且不断更新。医学是以人体为研究对象的生命科学,生命现象属于物质运动的高级形式。例如，光学显微镜、线透视和照片、放射性核素等在医疗医学上的应用已是人们早已熟知的。而现代电子显微镜与光学显微镜相比，分辨率提高了近千倍，成为研究细胞内部超微结构的重要工具，计算机射线断层摄影术（XCT）与通常线诊断相比，其灵敏度提高了百倍，磁共振成像（NMRCT或MRI）技术既能显示解剖学图像，又能显示反映功能和代谢过程与生化信息的图像，为医学提供了一种崭新的诊断技术。各种光纤内镜取代了刚性导管内镜，提高了疾病的诊断率，减轻了病人的痛苦。为了更加系统的介绍物理学在医学中的应用，现作如下综述1.力学知识在医学中的应用1.1?离心现象的应用离心分离器的利用离心现象可使混合液体中的悬浮微粒（密度不同）快速沉淀。在医学上，常用来分离血浆、沉淀蛋白质和做尿沉渣检查等。11.2?正负压现象的应用医学上常以大气压强为准,把高于当地大气压的压强称正压,低于大气压的压强称负压。正负压现象在医学上应用很普通，如注射器、中医用的拔火罐、胃肠减压器和人工吸痰器就应用了负压现象。开放式输液和封闭式输液装置利用液体柱的重力产生正压来输液或输血。11.3?虹吸现象和空吸作用的应用液体从高处容器经两臂不等长的U型管流到低处的现象,称虹吸现象。临床上常用的洗胃器，就利用了虹吸现象。临床上对口腔、呼吸道疾病进行治疗用的雾化吸入器和喷雾器则利用了空吸作用原理（液体的流速大处压强小，流速小处压强大）。此外，得用流体力学知识还制成了血压计等医疗器具。12.热学知识在医学中的应用人体是一个开放系统,它与外界之间不仅有能量交换(散失热量、对外作功),而且还有物质交换。人体能量交换与守恒服从热力学第一定律。从熵加原理（?）看,要保持生命过程的正常进行,或使系统向更加有序的方向发展,生命系统也必须开放,开放系统存在着由无序到有序转化的可能。如果把人体和他们的环境放在一起考虑,则总熵仍是增加的,可见生命过程也遵从热力学第二定律。2.1?热胀冷缩现象的应用体温计、寒暑表利用物体的热胀冷缩性质来显示温度。12.2蒸发致冷效应的应用医院病房和药房要求保持一定的温度，常用的干湿泡湿度计就利用了蒸发致冷效应测定空气湿度。医疗护理上采用的物理降温法-热酒精擦浴，也利用了蒸发制冷现象：酒精易挥发，温度越高肌肤毛孔越开放，蒸发速度也越快，因而降温效果好。13.光学知识及技术在医学中的应用3.1?透镜成像、全反射现象的应用光学显微镜利用透镜成像规律,由两组透镜(物镜和目镜)组合而成,用于观察细微的近物体或近物体的精细结构,是基础医学理论研究和临床医学实践的常用光学仪器。医用内窥镜（纤镜）是利用光导纤维束的光全反射现象来传光、传像，如胃镜、腹腔镜、膀胱镜、结肠镜等。近视眼和远视眼的矫正分别利用了凹透镜的发散作用和凸透镜的会骤作用。另外，五官科检查中用的凹面镜，则利用了凹面镜的反射规律；外科手术室用的无影灯（手术灯）由多个发光面大的光源组成，不会使医生的身体或医疗器械在手术中产生黑暗的本影，它利用了光源的发光面越大，本影越小的原理；检眼镜、旋光计等医用光学仪器也是光学知识的具体应用。13.2?红外线和紫外线的应用红外线最显著的作用是热效应，医疗上常用红外线照射人体患部，促使血管舒张、血流加速，促进组织代谢，用于治疗神经炎、关节炎和循环障碍等疾病。利用特制的对红外线敏感的换能器对体表扫描，测出体表各点的温度，再用计算机可作出热像图扫描。热像图是医疗上检查乳腺癌的常用方法。医院病房和手术室常用紫外线的生物效应来消毒，紫外线还可促进骨骼钙化，具有抗佝偻病的作用。13.3?显微镜的应用显微镜是生物学和医学中广泛使用的仪器。普通光学显微镜由两组会聚透镜组成，其光学系统包括物镜、目镜、光源、聚光器、滤光器和光传通道等。另外的特殊显微镜有偏光显微镜、相差显微镜、电子显微镜、激光扫描共焦显微镜，利用它们可分辨过滤性病毒、某些细菌的内部微小结构。14电磁学知识及电子技术在医学中的应用4.1电磁疗电磁现象是生物磁现象、磁场的生物效应、生物磁场的测定及微波电磁场对神经系统、血液系统、心血管系统、消化系统、呼吸系统、内分泌系统、眼睛、皮肤和肌肉等的影响。近年来,随着科学技术的迅猛发展,各类电磁治疗及生物电磁技术在医学临床中的应用越来越广泛。目前,国内外用磁场疗法治疗多种疾病已收到良好的效果。但在采用磁疗方法中,应对磁场治疗疾病的作用机制比较清楚,选择合适的磁场参数,科学地利用磁场疗法,方可达到最佳效果。下面将对磁疗法在治疗各种疾病中的作用及其作用机制作一介绍。磁疗具有消炎、消肿及止痛作用,应用磁场控制疼痛具有一定效果。磁场常用于神经、肌肉和关节疼痛、痉挛性疼痛以及晚期癌症的疼痛等。其中低频电磁穴位疗法是低频脉冲电流和静磁场复合治疗的一种有效而无副作用、无损伤、无痛苦,操作简便的物理疗法,两者良好的镇痛作用早已被大量临床实践所证实。磁场疗法对各种关节炎、皮炎、末梢神经炎及外科损伤等疾病的治疗效果也相当好。对胃痉挛、胆道蛔虫症、肾结石等内脏反射痛的患者,经旋磁或磁感应治疗均可缓解症状。用低频脉冲电磁场、交变电磁场及恒定磁场对骨折愈合的促进作对骨折愈合都有一定的治疗作用。脉冲电磁场治疗方法由美国矫形科专家Bassett提出并成功地应用于临床治疗。治疗时,将两个线圈置于骨折部位皮肤或石膏上。其主要优点是操作简便、无创伤、适应证广、无并发症及疗效不受其他因素影响。低频电磁疗法有促进骨再生的代谢过程、促使纤维母细胞和成骨细胞较早出现、消除疼痛、减少功能障碍、增强抗生素的杀菌效力等作用。一定强度的恒定磁场也具有刺激骨痂形成、抗炎和降低凝血作用。磁场对心血管疾病的治疗作用磁场对大鼠血液流变学指标、脑血管病患者离体血液流变学指标的影响研究及临床实验均表明,恒定磁场和旋磁场可以改善血液的流变学特性,降低血液粘度、促进血液循环。采用磁疗法可以治疗血液高粘滞综合征和预防心肌梗塞和脑血栓的形成。有人采用磁感应强度为0.005,温度为2141的磁热床疗法,患者经磁热床作用后全血粘度、血浆粘度、还原粘度、血沉、红细胞压积等指标均降低。磁场对癌瘤的作用一些研究表明,磁场对肿瘤生长有抑制作用,能延长荷瘤鼠的存活时间。但这些实验只限于动物模型上,尚未进入临床应用。磁场对动物接种瘤及瘤细胞的影响研究结果都表明恒磁场和脉冲磁场对癌瘤细胞有抑制或破坏作用。为了使抗癌药物更加集中在肿瘤部位,增强抗癌效果又降低其他组织中的药物浓度,可将抗癌药物与磁性物质结合而形成磁性微球。在外加磁场引导下,磁性微球能集中于靶区缓慢释放药物而施加作用。还可以将磁性颗粒注入肿瘤组织内或注入供给肿瘤血液的动脉内,外加磁场作用,使动脉发生栓塞,造成肿瘤缺血而坏死,用高频电磁场诱导加热,使肿瘤产生凝固性坏死。另外,临床上已将磁疗法应用于结石症、肠胃疾病、心脏传导异常、近视、面瘫、慢性胰腺炎等多种疾病的治疗中并取得了一定的效果。磁场疗法的主要作用机制磁场对不同生物层次的诸多效应的综合表现是磁疗法治疗各种疾病的作用机制。24.2?直流电疗直流电疗法是使用低电压的平稳直流电通过人体的部位以治疗疾病的方法。使用直流电将药物离子通过皮肤、粘膜或伤口导入体内进行治疗的方法称直流电药物离子导入疗法。直流电通过电阻、电容及电路研究人体的生物阻抗,人体的肌肉、血液、体液主要由水分组成。这些水分中含有大量的电解质,电解质是良导体。可把人体水看成良导体,人体中的脂肪是绝缘体。把两个细胞膜之间看成一个电容,细胞膜之间的脂肪越多,既绝缘介质越多,则这个电容的容值越大,容抗越小。人体阻抗包括电阻阻抗和容抗。研究人体阻抗在医学中应用具有广阔的前景:用生物阻抗法无创测量颅内压;心、脑、肺、血管及循环功能检测;肿瘤的早期发现和诊断。直流电疗法具有镇静、止痛、消炎、促进神经再生和骨折愈合，调整神经系统和内脏功能，提高肌张力等作用。直流电药物离子导入疗法除直流电作用外，取决于所用药物的药理特性，例如各种抗生素、胰蛋白酶导入可治疗伤口、炎症、溃疡、瘘管，钙、溴、咖啡因可调整大脑皮层功能障碍、碘、透明质酸酶导入可消除炎症、疤痕和粘连，治疗脑炎或脑血管意外的康复期。25.原子(原子核)物理知识及其相关技术在医学中的应用5.1? X射线X射线的应用和仪器设备可以概括为四个方面：（a）利用X射线透射性质的X射线照相技术；（b）X射线衍射方法；（c）X射线发射光谱，包括X射线荧光分析和电子探针微区分析；（d）X射线吸收谱：分析研究物质的X射线吸收谱，尤其是在吸收边区的精细结构，和扩展吸收边精细结构，是研究物质微观局部结构的有力技术。近年来，同步加速器和储存环作为X射线源的发展，推动了X射线吸收技术的应用。简单来说，晶体X射线衍射的物理基础如下：X射线通过物质时，强度的衰减大部分是由地吸收，小部分是被散射。其中，只引起X射线方向的改变，不引起能量变化的散射，称为相干散射。结果是除了透射的射线外，在某线偏离射线的方向上也能观察到一定强度的射线，这种射线与原射线之间的夹角与被照射的晶粒中分子或原子的空间排布存在一定关系，利用所测的数据可以计算出晶体的结构参数等信息，获得试样内部微观或亚微观的信息等等。使用“单色”X射线的多晶衍射方法称为“角度色散”型的方法，其原理是多晶样品中，晶粒的取向是随机的，总有晶粒的取向正好使一种晶面能处于产生衍射实验方法依据。晶体结构测定的最后结果是获取晶胞的空间群、晶胞常数和-套描述晶胞中每个原子位置的参数，并用结构模型图显示出来。从结构分析的结果，可以容易地得出诸如配位数、键长、键角等晶全化学数据。利用单晶衍射分析获得的高分辨电子密度分布图还可以进一步研究结构中价电子的分布、原子或离子的大小、键型等等。电磁波谱的X射线区,一般指波长0.01至100的区段,介于紫外线和射线之间,X射线的波长很短,其频率约为可见光的1000倍,它的光子能量很高,对物质有一定的穿透力。1859年伦琴发现了X射线后，这一特性立即获得重要的应用X射线透视术，即XCT。X射线的第二个特点是其波长正好与物质微观结构中的原子、离子间的距离（一般为110）相当，所以当它被晶体衍射时，通过所测的数据可是人们推断出物质的微观结构。第三，X射线光子的能量与原子内层电子的激发能量相当，因此物质的X射线发射谱或吸收谱在物质的分析鉴定中也有重要的应用。35.2核磁共振磁共振成像(MRI)是一种可多层面、多角度直接成像且分辨率高的无创性影像诊断技术。MRI技术的突出优势是能提供和X-CT相媲美的解剖学图像,同时还能提供与生化、病理有关的信息。如今这项技术可提供氢核密度、T1、T2和组织流动等四个参数的图像。可分别成像，也可将其中两者加权成像。的成像主要提供观测层面组织脏器的形态和位置；T1、T2因含有丰富的生化代谢信息，通过与结合成像，可得到形态学图像和体内组织细胞代谢的生化蓝图，监测诸如炎症、良性和恶性病变的性质；组织流动参数的成像，可反映体内血流状况，对循环系统疾病诊断有特殊意义。MRI对心肌梗塞显示较好，不仅有定位及定量意义，且优于超