物理在医学中的几种应用。
物理学与医学的结合可以追溯到400多年前,一般认为伽利略(g.galileo,1564-1642)是将物理学应用到医学上的真正创立者。伽利略是一位著名的物理学家,但他曾是医学专业学生,他在实验基础上推导出单摆周期和摆长的关系,并用于测量人的心率;他发明了测温计,设计出了第一个现代意义上的显微镜。早期物理学与医学的结合一方面将具有定量特点的物理学方法、手段用于医学研究;另一方面通过对医学问题的研究得到了一些重要的物理规律。
近100年来许多物理学的新发现、新理论很快应用于医学,x射线、放射性、激光、电子显微镜、核磁共振等技术为医学研究及临床应用提供了新的方法和手段,对现代生命科学的发展作出了突出的贡献。
一、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超的原理: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。
应用: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。
对应仪器:b超机。
二、x射线透视。
2024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。
x射线透视原理: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。
应用: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。
对应仪器:x射线透视机。
三、x射线电子计算机辅助断层扫描成像(x—ct),发明了x—ct使医学影像技术发生重大变革。现在x—ct在全世界得到广泛应用,成为举世公认的重大科技成就。
x—ct原理: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。
应用:使用x—ct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。x—ct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。
x—ct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x—ct还可以区分肿瘤的性质。
对应仪器:x—ct断层扫描仪。
四、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t1t2的成像。
mri原理: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,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。
应用: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x-ct和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-ct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。
对应仪器:核磁共振成像仪。
五、正电子发射断层成像(pet)
pet的原理是:将含有发射正电子的放射核素,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γ光子,显示人体的代谢和生化等改变。
应用:pet可以发现脑躯体局部代谢(γ-cmr)和局部血流量(γ-cbf)的异常,常用的显像剂是18f脱氧葡萄糖。
对应仪器: pet机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6×6mm2或8×8mm2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机通常有18—32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。
六、单光子发射断层成像(spect)
原理:首先病人需要摄入含有半衰期适当的放射性同位素药物,在药物到达所需要成像的断层位置后,由于放射性衰变,将从断层处发出γ光子,位于外层的γ照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线进来的γ光子,通过闪烁体将探测到的高能γ射线转化为能量较低但数量很大的光信号,通过光电倍增管将光信号转化为电信号并进行放大,得到的测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物,它们的输出称作该断层的一维投影。
各条投影线都垂直于探测器并互相平行,故称之为平行束,探测器的法线与x轴的交角θ称为观测角。γ照相机是二维探测器,安装了平行孔准直器后,可以同时获取多个断层的平行束投影,这就是平片。平片表现不出投影线上各点的前后关系。
要想知道人体在纵深方向上的结构,就需要从不同角度进行观测。可以证明,知道了某个断层在所有观测角的一维投影,就能计算出该断层的图像。
应用:利用spect原理可以测量显示细胞和分子的生物学活动,如ge公司的spect系统,结合了诊断级多层ct的复合成像设备spect·ct 和 pet·ct系统,可以精确定位病变的位置、性质和程度。
对应仪器:由于spect的成像不够清晰,单一的spect显像逐渐被spect/ct所取代,spect/ct就成为目前人类最先进的医学影像设备之一,是进行活体疾病诊断和新药研发研究的理想工具。如ge公司的spect 系统。
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。
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