物理学在医学上的应用

浅谈物理与医疗 摘要：随着近代物理学的迅速发展，以及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。就此兴起的医药物理学把物理学的原理和方法运用于人类疾病的预防、诊断、治疗和保健中，大大提高了医学教育水平，推动了临床诊断、治疗、预防和康复手段的改进和更新进程。 关键词：物理学 现代医学 关系 发展 应用 一.物理在疗养医学上的应用自然界的物理因子电、光、声、磁与人类生存与健康息息相关，这些物理因子具有双重作用：离开它们人类不能生存；超过一定强度，则引起机体损伤甚至死亡。物理疗法是将自然物理因子和人工物理因子作用于机体预防和治疗疾病，促进康复，提高健康水平的一种治疗方法。在我国已有几千年的历史。理疗学的发展和进步丰富了疗养学的治疗手段，尤其在缺乏海水、矿泉等自然疗养因子的疗养院，理疗已成为主要治疗方法。正确运用人工物理因子，对提高疗养效果、加速疾病康复起着重要的作用。 1.电疗法与药物离子导入疗法慢性非结石性胆囊炎患者可进行肝胆区直流电疗，15次1个疗程，有预防结石形成的作用。对慢性支气管炎患者进行脾区直流电疗，可调节细胞免疫与体液免疫。 近年来，有学者研究了较大分子药物，如利多卡因、地塞米松、透明质酸酶、芬太尼等的导入。每隔数分钟逆转1次极性的方法可使维生素B12与胰岛素经皮导入而不会导出，因而设想可用电流经皮导入给药的方法来代替注射，解决一些慢性病患者长期注射的危险与不便。临床主要用于对高张力型神经官能症患者进行Cu2+、Co2+领区导入，对低张力型神经管能症患者进行石墨电极的Mn2+领区导入，疗效良好，并能保持1012个月。 2.超声疗法 生物学效应：（1）骨骼肌血流效应。超声波并不能使肌肉的血流增加，前臂总血流以及皮肤血流的增加是电子声头的按摩作用所致。（2）对成纤维细胞的效应。脉冲超声波对成纤维细胞有刺激作用，细胞的有丝分裂增加，但同时发现染色体畸变数增加，正常有丝分裂减少。（3）对肿瘤的效应。超声波作用于小鼠的横纹肌肉瘤，可促使肿瘤生长；另外，超声波可损伤内皮细胞，使内皮细胞收缩而形成缝隙。因此，血管通透性增高，促使肿瘤细胞进入血管、淋巴管而发生转移。临床应用：主要用于治疗踝关节急性扭伤、神经跟型腰椎病。单纯超声及抗炎、镇痛药声透治疗关节痛、颞颔关节痛、肩周炎、网球肘等，血管扩张药声透用于冠心病、亚急性心肌梗死，无树脂黑石脑油声透治疗渗出性胸膜炎，直肠内超声治疗远端输尿管结石。3.低能激光疗法主要有：（1）红色激光疗法；（2）红外激光疗法；（3）磁激光疗法；（4）紫外激光疗法。生物学效应：（1）心血管效应 激光照射动物后组织微循环改善，突出表现在毛细血管的功能活性增强，功能性毛细血管数量增多，血管周围水肿减轻，这对心肌细胞与收缩结构具有保护作用。脉冲红外激光照射可使心肌的亚细胞结构（线粒体、核糖体）增生，生物合成增强。低能激光对缺血性心脏病患者进行心区表面、反射区表面与血管内照射，可使过氧化氢酶活性增高，血清过氧化脂质水平下降，因而认为其临床疗效与其抗氧化作用有关。（2）免疫调节效应 小剂量激光通过刺激主管免疫的细胞受体而产生对机体免疫的调节效应。低强度紫外激光引起受体抑制，低强度红外激光起刺激作用，但红外激光照射剂量加大时则起抑制作用。低强度红色激光刺激淋巴细胞，使玫瑰花环形成率增高，低强度篮色激光则相反。（3）镇痛效应 脉冲红外激光照射后可引起皮肤触觉、痛觉的抑制，应答反应的潜伏期延长，阈值升高，有功能活性的感受器减少。临床应用：低能激光治疗缺血性心脏病的报告较多，可以缓解症状，抗高血压，改善血流动力学，增强心肌功能，使心律正常化，降低胆固醇。还用于循环障碍脑病、围产期脑部损伤后遗症、骨关节病、脊椎病、支气管哮喘、膀胱炎、急性胰腺炎、术后伤口、输卵管重建术后功能障碍、更年期内分泌功能紊乱等疾病。 二、物理在医学诊断中的应用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学基础及物理学的技术和方法上,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替换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)和磁共振断层成像(MRI)的应用,不仅大大减少了患者的痛苦和创伤,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,激光及 刀的应用使临床诊断和治疗技术发生了质的飞跃。物理学每一项新的发现或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检验方法和设备,随着医学科学的发展,物理学和医学的关系也越来越密切。1. X射线透视1895 年伦琴在研究稀薄气体放电时发现了 X 射线。X 射线被发现后，仅 3 个月内就被应用于医学研究，X 射线透视机早已成为医学诊断中不可缺少的工具。X 射线透视是根据不同组织或脏器对 X 射线的衰减程度不同,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 射线投射到相片底片上，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、脏器形状以及显示体内异物的位置等。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 型显示，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，碰到组织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。如果这束超声波在体内纵深行进中产生一系列反射，则根据这一系列反射超声信号，就可以知道相对于体表位置不同深度处所有组织的不连续性。在显示器上显示为与体表相垂直的一个纵切面内，体内组织分界面的分布情况，也就得到了一个该纵切面内各组织的 B 超图像。如果进一步使体表移动发射探头位置不断改变，反射超声波信号经过计算机处理，则可以得出以发射探头移过的路线为基线，依次看到一个个紧邻的纵面内的结构情况，即形成脏器或异物的图像。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 射线透视所得出的是体内组织和器官纵向投射的阴影，而 B 超得出的是纵切面的组织结构像，在切面方向没有重叠，可以准确判断切面的组织情况。 3.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。目前主要是氢核密度弛豫时间的成像，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，会发生核磁共振现象吸收电磁波的能量，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，经计算机经计算机处理和图像重建，得到人的断层图像。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，不仅可以映形态学的信息，还可以从图像中得到与病变有关的信息。经过比较和判断，就可以观察出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、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-和 B 超能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。 三、物理学对提高医学诊断准确性的影响 自1895年德国物理学家伦琴发现X射线并应用于医学领域以来,原子核物理理论与技术已广泛应用于医学诊断领域。例如, X射线成像、计算机断层成像(X-CT) 、核磁共振成像、核医学成像和超声波成像等技术的发展和应用,不仅极大地促进了现代医学的发展,提高了疾病诊治水平,而且将医学研究推向了一个新的高度。 1.X射线成像 X射线成像分为平面X射线成像和断层成像（X-CT）。 （1）X射线成像及其应用是世界科学史及医学发展史上的一个重要里程碑。利用人体不同器官和组织对X射线的吸收可以用组织密度进行表征，此后，发展出X射线透视、X射线照相术，为人体骨骼、内脏器官以及血管的疾病或损伤进行诊断、定位，同时也把胶片带进了医学成像领域，使之成为100多年来图像显示和信息存贮的工具。 （2）X射线断层成像(X-CT)是X射线平面成像技术的突破性进展，从20世纪70年代初的简单的X-CT成像装置发展为今天的多层螺旋CT技术。X-CT装置首先用于脑部，能迅速准确地诊断与定位脑瘤,对脑出血、脑梗塞、颅内出血、脑挫伤等疾病是一种准确可靠的无创性检查方法，几乎可以代替过去的脑血流图和血管造影等。CT的灵敏度远远高于X线胶片,对脑瘤的确诊率可达95%，对肝、胰和肾等软组织器官是否病变有特殊功用，能清楚地显示肿瘤的大小和范围,在一定程度上X-CT还可以区分肿瘤的性质。它是传统影像技术中发展最为成熟的成像模式之一，其速度已经快到可以对心脏实现动态成像！ 2.核磁共振成像（MRI） 磁共振断层成像可以看做是一种多参数、多核种的成像技术。它的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，从而吸收电磁波的能量。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，会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一些与病理有关的信息。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。 四.物理学对提升医学疗养水平的影响 物理治疗学（理疗学）是研究应用物理因子提高健康水平、预防和治疗疾病、促进病后机体康复及延缓衰老等的专门学科。所应用的物理因子包括人工、自然两类：人工物理因子如，光、电、磁、声、温热、寒冷等；自然物理因子如矿泉、气候、日光、空气、海水等。应用到物理知识的有：电疗法、光疗法、磁疗法、超声疗法、热疗法、冷疗法、水疗法等。 1.电疗法 电疗法是应用各种电流或电磁场预防和治疗疾病的方法。 电疗法特点是：（1）电疗的共性作用：如生理和治疗作用是以理论学变化为基础的神经体液调节途径实现的。电疗具有镇痛、消肿、消炎、脱敏、缓解肌肉痉挛、加强组织张力、促进恢复正常的神经传导和调节功能等治疗作用。（2）电疗的特异性作用：如直流电优先作用于末梢神经感受器和周围神经纤维；一不定频率低频电优先作用于肌肉神经结构；超短波优先作用于结缔组织、单核巨细胞系统。电疗的特异性作用在使用小剂量时最明显。（3）电疗的效果与其作用的组织器官有关，如微波作用于肾 上腺区可增加皮质固醇激素的产生。作用于甲状腺区可降低糖皮质激素的活性，加强免疫功能。 电疗法包括直流电及直流电离子导入疗法、低频电疗法，中频电疗法及高频电疗法等。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。低频脉冲电疗法可以促进局部血液循环,镇痛。中频电疗法在临床上常用于各类疤痕，肠粘连，声带小结等的治疗。高频电疗法则常用于治疗亚急性及慢性炎症，功能性和器质性血循环障碍，外伤手血肿，内脏平滑骨痉挛等。当然电疗法在治疗当中也有需要注意的一些禁忌，在实际的操作中需要多加注意。 2.磁疗法 磁疗是利用磁场作用于人体治疗疾病的方法。其作用机理的基本点是通过磁场对机体内生物电流的分布、电荷的运行状态和生物高分子的磁距取向等方面的影响而产生生物效应和治疗作用。 磁疗法主要的治疗作用有止痛 、镇静 、消炎、消肿。磁疗法常用于治疗急性胃炎、慢性结肠炎、急性软组织损伤、肩周围炎、网球肘、腱鞘炎、血肿、滑囊炎、三叉神经痛、枕大神经痛，眶上神经痛，单纯婴儿腹泻，颞颌关节功能紊乱、冠周炎等。 有研究认为，人体的穴位具有电磁特性，它是磁场的聚焦点。在生命活动中会产生生物电流，生物电流便产生磁场。如心、脑均能产生心磁场，脑磁场。经络是实现生物放大效应的主要渠道，人体生物电荷失去平衡可导致一些，疾病的发生。磁疗法是通过磁场对经络穴 位的作用，调节机体生物电磁的平衡，从而达到治疗疾病的目的。 3.超声波疗法 超声波频率多在8001000kHz之间。人体组织结构不同，声阻各异，并在不同组织间构成许多界面。超声波在均匀的人体组织中的传播路径呈直线，但遇上界面则发生折射或反射。传播过程中，超声波对组织产生明显的机械作用和热作用，在体内引起一系列理化变化，故能调整人体功能，改善或消除病理过程，促进病损组织恢复。超声波可用多种方式进入人体，人体对超声波反应的大小取决于超声波的能量大小和人体的功能状态。 超声疗法对神经疾病、如神经炎、神经痛，具有明显镇痛作用。小剂量超声波多次投射可以促进骨骼生长，骨痂形成；中等剂量作用时可见骨髓充血，温度上升7C，但未见骨质的破坏，故可用于骨关节创伤，大剂量超声波作用于未骨化的骨骼，可致骨发育不全，因此对幼儿骨骺处禁用超声。 4.光疗法 光疗法是利用阳光或人工光线（红外线、紫外线、可见光、激光）防治疾病和促进机体康复的方法。日光疗法已划入疗养学范畴。理疗学中的光疗法是利用人工光辐射。现阶段主要包括红外线疗法、紫外线疗法和激光疗法。 红外线可分为两段：波长1.51000微米的波段为远红外线（长波红外线），波长7601.5微米的波段为近红外线（短波红外线）。红外线的治疗作用基础是温热效应，具有改善血循环，促进吸收，缓解 痉挛，消散慢性炎平及镇前等作用。 紫外线光谱生物学作用特点：紫外线的波长400180nm。其光谱分三个波段。（1）长波紫外线（UVA），波长范围400320nm；（2）中波紫外线（UVB）波长范围320280nm；（3）短波紫外线（UVC），波长范围280180nm。紫外线常于治疗急性化脓性炎症（疖、痈、急性蜂窝织炎、急性乳腺炎、丹毒、急性淋巴（腺）管炎、急性静脉炎）以及某些非化脓性急性炎症（肌炎、腱鞘炎）；伤口及慢性溃疡；急性风湿性关节炎、肌炎；神经（根）炎及一些皮肤病，如玫瑰糠疹、带状疱疹