医用物理学专题知识讲座

1、医用物理学专题知识讲座医用物理学专题知识讲座第1页医学物理学绪 论 一、物理学研究对象 物理学是研究物质运动普遍性质和基础规律科学,研究物质运动最基础形态以及他们之间相互转化一门基础科学。 医用物理学是物理学主要分支学科,是当代物理学与医学相结合所形成交叉学科医用物理学专题知识讲座第2页医学物理学 与其它学科亲密结合,产生许多分支学科和交叉学科:物理化学、生物物理、天体物理、地球物理、量子 生物、量子化学等。 物理学基础概念、基础规律和基础研究方法,以及依据物理学原理设计制造各种仪器设备,已经广泛地应用于全部自然科学各个学科之中,推进了各学科领域和技术部门飞速发展。 医用物理学专题知识讲座第3

2、页医学物理学 物理学是技术发展主要源泉,三次产业革命(蒸气机、电气化、信息化)均来自物理学或与物理学紧密相关。 当前世界范围内以信息技术为前导,以微电子学和电子计算机技术为标志科学技术革命,从根本上讲起源于20世纪初物理学原子结构理论、相对论、量子力学三大成就。医用物理学专题知识讲座第4页医学物理学二、物理学与医学关系 医学是以人体为研究对象生命科学,生命现象属于物质高级运动形式。随当代物理学快速发展,医学已从宏观形态进入微观机制研究,从细胞水平上升到分子水平研究。“当代生物学研究最终目标是以物理学和化学解释生物学” 1、物理学知识是了解生命现象不可缺乏基础,任何生命过程都是和物理过程亲密相联

3、络.2、物理学所提供技术和方法为医学研究和实践开辟了新路径,极大推进了包含生命科学和医学在内其它自然科学发展。 医用物理学专题知识讲座第5页医学物理学三 物理在医学简史中回顾光学技术发展推进了基础医学发展:11550年,光学显微镜出现 : 使生命科学进入了细胞水平,紧接一系列类型显微镜涌现出来。暗视野显微镜偏光显微镜干涉显微镜相差显微镜荧光显微镜近红外光显微镜 紫外光显微镜医用物理学专题知识讲座第6页医学物理学暗视野显微镜(dark field microscope) 使用特殊照明方法,使照明光线不直接进入物镜,只允许被标本反射和衍射光线进入物镜,因而视野背景是黑,物体边缘是亮。 利用这种显微

4、镜能见到小至 4 200 nm 微粒子,分辨率可比普通显微镜高50倍。应用:观察未经染色活体或胶体粒子。医用物理学专题知识讲座第7页医学物理学医用物理学专题知识讲座第8页医学物理学荧光显微镜 细胞中有些物质,如叶绿素等,受紫外线照射后可发荧光;有些物质本身虽不能发荧光,但假如用荧光染料或荧光抗体染色后,经紫外线照射亦可发荧光,荧光显微镜就是对这类物质进行定性和定量研究工具之一。医用物理学专题知识讲座第9页医学物理学荧光显微镜透过蓝光 450490 nm反射蓝光 510 nm透过绿荧光 520560 nm医用物理学专题知识讲座第10页医学物理学微管呈绿色、细胞核呈蓝色、微丝呈红色医用物理学专题知

5、识讲座第11页医学物理学荧光显微镜优点和用途优点:检出能力高对细胞刺激小能进行多重染色用途:物体结构观察据荧光有没有、色调比较进行物质判别发荧光量测定对物质定性、定量分析医用物理学专题知识讲座第12页医学物理学医用物理学专题知识讲座第13页医学物理学荧光显微镜技术在生命科学研究中应用对细胞结构或组分定性、定位、半定量研究。作为生物大分子筛选与判定标识物。医用物理学专题知识讲座第14页医学物理学偏光显微镜 ( polarizing microscope) 用于检测含有双折射性物质,如纤维丝、纺锤体、胶原、染色体等; 光源前有偏振片(起偏器),使进入显微镜光线为偏振光,镜筒中有检偏器 。医用物理学

6、专题知识讲座第15页医学物理学胆固醇液晶偏光显微镜照片23025类似油柱状组织结构医用物理学专题知识讲座第16页医学物理学微分干涉差显微镜(DIC显微镜) 能显示细胞结构三维立体投影影像,立体感强,用于研究活细胞中较大细胞器,与录像设备结合,可观察活细胞中颗粒及细胞器运动。医用物理学专题知识讲座第17页医学物理学DIC 显微镜下硅藻医用物理学专题知识讲座第18页医学物理学相差显微镜(PCM)1953年取得诺贝尔物理奖,把透过标本可见光(直射光和衍射光)光程差变成振幅差,从而提升了各种结构间对比度,使各种结构变得清楚可见。应用:观察未经染色标本和活细胞。 在结构上,相差显微镜有两个特殊之处。环形

7、光阑:位于光源与聚光器之间。相位板:物镜中加了涂有氟化镁相位板,可将直射光或衍射光相位推迟1/4。医用物理学专题知识讲座第19页医学物理学医用物理学专题知识讲座第20页医学物理学用途:观察未经染色玻片标本医用物理学专题知识讲座第21页医学物理学显微镜发展趋势采取组合方式,集普通光镜、相差、荧光、暗视野、DIC、摄影装置于一体。自动化与电子化。医用物理学专题知识讲座第22页医学物理学人类红细胞医用物理学专题知识讲座第23页医学物理学酵母医用物理学专题知识讲座第24页医学物理学人类精子医用物理学专题知识讲座第25页医学物理学医用物理学专题知识讲座第26页医学物理学转基因显微操作过程 医用物理学专题

8、知识讲座第27页医学物理学人类染色体端粒 DNA 荧光原位杂交照片医用物理学专题知识讲座第28页医学物理学1940年,电子显微镜问世,使医学研究水平推进到亚细胞水平领域。线粒体细胞核蛋白质细胞膜医用物理学专题知识讲座第29页医学物理学激光共聚焦扫描显微镜医用物理学专题知识讲座第30页医学物理学激光共聚焦扫描显微镜(LSC显微镜)可改变观察焦平面,因而能进行“光学切片”,观察较厚样品内部结构。将改变焦点取得一系列细胞不一样平面上图像叠加后,可重构出样品三维结构。激光共聚焦扫描显微镜既能够用于观察细胞形态,也能够用于细胞内生化成份定量分析、光密度统计以及细胞形态测量。医用物理学专题知识讲座第31页

9、医学物理学LCSM 照片,绿色为微管蓝色为细胞核,医用物理学专题知识讲座第32页医学物理学疟疾破坏两个红细胞医用物理学专题知识讲座第33页医学物理学X 光衍射技术 生物大分子结构理论、DNA双螺旋结构DNA 双螺旋结构分子模型诞生 1953年4月25日,英国自然杂志登载了美国沃森和英国克里克在英国剑桥大学合作研究结果:DNA 双螺旋结构分子模型。医用物理学专题知识讲座第34页医学物理学医用物理学专题知识讲座第35页医学物理学医用物理学专题知识讲座第36页医学物理学医用物理学专题知识讲座第37页医学物理学1962年, Wilkins、 Watson和Crick共获诺贝尔奖。医用物理学专题知识讲座

10、第38页医学物理学首先,他们是一对最正确搭档,沃森熟悉噬菌体方面试验,而克里克则精通数学、物理学,这些被沃森视之为有点难度学科,他俩合作是生物学与物理学互补最正确典范;医用物理学专题知识讲座第39页医学物理学其次,他们善于模仿前人成功经验。诺贝尔奖取得者鲍林成功地用模型方法提出蛋白质螺旋理论,而双螺旋模型建立正是成功地借用了这一方法;最终,他们还有天赋好运,其实与其说是一个好运,倒不如说是一个高超想像力。因为关于 DNA x 射线衍射图片,只能提供二分之一信息,另二分之一则来自于研究者想象力医用物理学专题知识讲座第40页医学物理学富兰克林1920年生于伦敦,他早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学

11、。1945年,当取得博士学位之后,他前往法国学习 X 射线衍射技术。 他把 X-衍射技术用在拍摄 DNA 晶体研究中。医用物理学专题知识讲座第41页医学物理学X 射线是波长非常短电磁波。医生通常见它来透视,而物理学家用它来分析晶体结构。当 X 射线穿过晶体之后,形成衍射图样是一个特定明暗交替图形。不一样晶体产生不一样衍射图样,仔细分析这种图形,就知道组成晶体原子是怎样排列。医用物理学专题知识讲座第42页医学物理学富兰克林精于此道,他成功拍摄了 DNA 晶体 X 射线衍射照片。这张照片是他拍摄 DNA 晶体 X 射线衍射照片,正是这张照片成为发觉 DNA 结构关键。医用物理学专题知识讲座第43页

12、医学物理学 当1962年沃森、克里克和威尔金斯取得诺贝尔生理学或医学奖时候,富兰克林已经在 4 年前因为卵巢癌而逝世。 至今科技界对富兰克林工作给予很高评价, 对威尔金斯是否有资格分享发觉 DNA 双螺旋结构殊荣存在很大争论。 医用物理学专题知识讲座第44页医学物理学 其它物理知识对医学发展推进计算机断层扫描,1974年在蒙特利尔(Montreal)召开第一次国际专题讨论会上正式将这种检验方法称作电子计算机体层摄影(computer tomography,简称 CT)。 医用物理学专题知识讲座第45页医学物理学CT成像工作流程旋转扫描 检测器衰减信号 模/数转换原始数据 阵列计算显示数据 数/

13、模转换灰阶图像医用物理学专题知识讲座第46页医学物理学医院使用 CT 机医用物理学专题知识讲座第47页医学物理学核磁共振 医用物理学专题知识讲座第48页医学物理学核磁共振 医用物理学专题知识讲座第49页医学物理学特殊功效 全身血管摄影医用物理学专题知识讲座第50页医学物理学刀放射疗法对于治疗,出现了在不切开皮肤情况下切除体内病灶,到达治疗目标神奇“手术刀”,当前已在临床应用有:超声波刀,激光刀射线刀等。医用物理学专题知识讲座第51页医学物理学刀放射疗法: 医用物理学专题知识讲座第52页医学物理学射线刀医用物理学专题知识讲座第53页医学物理学1. 红外热像仪(1)用于诊疗乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤

14、;(2)安装在眼底摄影机上,研究眼底血液循环;(3)人体运动检测,运动员训练;(4)工业用途更广。其它医学图象研究医用物理学专题知识讲座第54页医学物理学红外图象医用物理学专题知识讲座第55页医学物理学红外图象医用物理学专题知识讲座第56页医学物理学静脉曲张患者腿部远红外热像,血管显著增温、增粗,箭头所指处尤为显著。医用物理学专题知识讲座第57页医学物理学 超声 A型M型B型彩色多普勒血流成象(DFI)超声CT(UCT) 彩色多普勒组织成 象(DTI)(1)新一代B超,配以数字图象处理(DIP),性能更佳。图象增强,数字滤波,各种图象测量功效)(2)多普勒血流频谱分析及血流声谱图显示。医用物理

15、学专题知识讲座第58页医学物理学(3) 彩超=B超(黑白图象)+多普勒血流速度实时成像或多普勒组织(速度,加速度,能量)实时成像(4)多普勒血管成像动脉粥样硬化正常血流速度高速血流速度颈动脉血管涡流医用物理学专题知识讲座第59页医学物理学(5)超声CT(经食道,立体扇形扫描)扇形B超心脏步进马达旋转及提升机构超声探头心电同时医用物理学专题知识讲座第60页医学物理学超声图象O医用物理学专题知识讲座第61页医学物理学超声图象医用物理学专题知识讲座第62页医学物理学超声图象Photo courtesy Philips Research Ultrasound examination during pr

16、egnancy 医用物理学专题知识讲座第63页医学物理学超声图象Photo courtesy Philips Research 3D ultrasound images 医用物理学专题知识讲座第64页医学物理学电子监护系统医用物理学专题知识讲座第65页医学物理学PET显像技术Positron Emission Computed Tomography缩写,汉字全称叫正电子发射计算机断层显像。采取是正电子核素。这些核素大多是组成人体基础元素超短半衰期同位素或性质极为相同核素,如氧(0)、氮(N)、碳(C)、氟(F,与氢相同)等。医用物理学专题知识讲座第66页医学物理学运载这些正电子核素示踪药品是生命基础物质如葡萄糖、水、氨基酸;或是治疗疾病常见药品。所以每项 PET 显像结果实质上是反应了某种特定代谢物(或药品)在人体内动态改变,是在分子水平上反应人体是否存在生理或病理改变。医用物理学专题知识讲座第67页医学物理学医用物理学专题知识讲座第68页医学物理学医用物理学专题知识讲座第69页医学物理学放射性同位素扫