山大醫(yī)學(xué)物理學(xué)課件第1章 緒論

1、醫(yī)學(xué)物理學(xué) 醫(yī)用物理學(xué)山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)物理學(xué)緒 論 一、物理學(xué)的研究對象 物理學(xué)是研究物質(zhì)運動的普遍性質(zhì)和基本規(guī)律的科學(xué)，研究物質(zhì)運動最基本形態(tài)以及他們之間相互轉(zhuǎn)化的一門基礎(chǔ)科學(xué)。 醫(yī)用物理學(xué)是物理學(xué)的重要分支學(xué)科，是現(xiàn)代物理學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合所形成的交叉學(xué)科醫(yī)學(xué)物理學(xué) 與其它學(xué)科密切結(jié)合，產(chǎn)生許多分支學(xué)科和交叉學(xué)科：物理化學(xué)、生物物理、天體物理、地球物理、量子 生物、量子化學(xué)等。 物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律和基本研究方法，以及根據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計制造的各種儀器設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于所有自然科學(xué)的各個學(xué)科之中，推動了各學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)部門的飛速發(fā)展。 醫(yī)學(xué)物理學(xué) 物理學(xué)是技術(shù)發(fā)展的主要源泉，三

2、次產(chǎn)業(yè)革命（蒸氣機、電氣化、信息化）均來自物理學(xué)或與物理學(xué)緊密相關(guān)。 目前世界范圍內(nèi)以信息技術(shù)為前導(dǎo)，以微電子學(xué)和電子計算機技術(shù)為標(biāo)志的科學(xué)技術(shù)革命，從根本上講來源于20世紀(jì)初物理學(xué)的原子結(jié)構(gòu)理論、相對論、量子力學(xué)三大成就。醫(yī)學(xué)物理學(xué)二、物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系 醫(yī)學(xué)是以人體為研究對象的生命科學(xué)，生命現(xiàn)象屬于物質(zhì)的高級運動形式。隨現(xiàn)代物理學(xué)迅速發(fā)展，醫(yī)學(xué)已從宏觀形態(tài)進入微觀機制研究，從細胞水平上升到分子水平研究?！艾F(xiàn)代生物學(xué)研究的最終目的是以物理學(xué)和化學(xué)解釋生物學(xué)” 1、物理學(xué)知識是了解生命現(xiàn)象不可缺少的基礎(chǔ)，任何生命過程都是和物理過程密切相聯(lián)系的.2、物理學(xué)所提供的技術(shù)和方法為醫(yī)學(xué)研究和實踐開辟了

3、新途徑，極大推動了包括生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)在內(nèi)的其它自然科學(xué)的發(fā)展。 醫(yī)學(xué)物理學(xué)三 物理在醫(yī)學(xué)簡史中的回顧光學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的發(fā)展：11550年，光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn) ： 使生命科學(xué)進入了細胞水平，緊接一系列類型的顯微鏡涌現(xiàn)出來。暗視野顯微鏡偏光顯微鏡干涉顯微鏡相差顯微鏡熒光顯微鏡近紅外光顯微鏡 紫外光顯微鏡醫(yī)學(xué)物理學(xué)暗視野顯微鏡（dark field microscope） 使用特殊的照明方法，使照明光線不直接進入物鏡，只允許被標(biāo)本反射和衍射的光線進入物鏡，因而視野的背景是黑的，物體的邊緣是亮的。 利用這種顯微鏡能見到小至 4 200 nm 的微粒子，分辨率可比普通顯微鏡高50倍。應(yīng)用：觀察

4、未經(jīng)染色的活體或膠體粒子。醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)熒光顯微鏡 細胞中有些物質(zhì)，如葉綠素等，受紫外線照射后可發(fā)熒光；有些物質(zhì)本身雖不能發(fā)熒光，但如果用熒光染料或熒光抗體染色后，經(jīng)紫外線照射亦可發(fā)熒光，熒光顯微鏡就是對這類物質(zhì)進行定性和定量研究的工具之一。醫(yī)學(xué)物理學(xué)熒光顯微鏡透過藍光 450490 nm反射藍光 510 nm透過綠熒光 520560 nm醫(yī)學(xué)物理學(xué)微管呈綠色、細胞核呈藍色、微絲呈紅色醫(yī)學(xué)物理學(xué)熒光顯微鏡的優(yōu)點和用途優(yōu)點：檢出能力高對細胞的刺激小能進行多重染色用途：物體構(gòu)造的觀察據(jù)熒光的有無、色調(diào)比較進行物質(zhì)判別發(fā)熒光量的測定對物質(zhì)定性、定量分析醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)熒光顯微鏡技術(shù)在生命科

5、學(xué)研究中的應(yīng)用對細胞結(jié)構(gòu)或組分的定性、定位、半定量研究。作為生物大分子篩選與鑒定的標(biāo)記物。醫(yī)學(xué)物理學(xué)偏光顯微鏡 ( polarizing microscope) 用于檢測具有雙折射性的物質(zhì)，如纖維絲、紡錘體、膠原、染色體等； 光源前有偏振片（起偏器），使進入顯微鏡的光線為偏振光，鏡筒中有檢偏器 。醫(yī)學(xué)物理學(xué)膽固醇液晶偏光顯微鏡照片23025類似油柱狀組織結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)物理學(xué)微分干涉差顯微鏡（DIC顯微鏡） 能顯示細胞結(jié)構(gòu)的三維立體投影影像，立體感強，用于研究活細胞中較大的細胞器，與錄像設(shè)備結(jié)合，可觀察活細胞中的顆粒及細胞器的運動。醫(yī)學(xué)物理學(xué)DIC 顯微鏡下的硅藻醫(yī)學(xué)物理學(xué)相差顯微鏡（PCM）1953

6、年獲得諾貝爾物理獎，把透過標(biāo)本的可見光（直射光和衍射光）的光程差變成振幅差，從而提高了各種結(jié)構(gòu)間的對比度，使各種結(jié)構(gòu)變得清晰可見。應(yīng)用：觀察未經(jīng)染色的標(biāo)本和活細胞。 在構(gòu)造上，相差顯微鏡有兩個特殊之處。環(huán)形光闌：位于光源與聚光器之間。相位板：物鏡中加了涂有氟化鎂的相位板，可將直射光或衍射光的相位推遲1/4。醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)用途：觀察未經(jīng)染色的玻片標(biāo)本醫(yī)學(xué)物理學(xué)顯微鏡的發(fā)展趨勢采用組合方式，集普通光鏡、相差、熒光、暗視野、DIC、攝影裝置于一體。自動化與電子化。醫(yī)學(xué)物理學(xué)人類紅細胞醫(yī)學(xué)物理學(xué)酵母醫(yī)學(xué)物理學(xué)人類精子醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)轉(zhuǎn)基因顯微操作過程 醫(yī)學(xué)物理學(xué)人類染色體端粒 DNA 的熒光

7、原位雜交照片醫(yī)學(xué)物理學(xué)1940年，電子顯微鏡問世，使醫(yī)學(xué)研究水平推進到亞細胞水平領(lǐng)域。線粒體細胞核蛋白質(zhì)細胞膜醫(yī)學(xué)物理學(xué)激光共聚焦掃描顯微鏡醫(yī)學(xué)物理學(xué)激光共聚焦掃描顯微鏡（LSC顯微鏡）可改變觀察的焦平面，因而能進行“光學(xué)切片”，觀察較厚樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將改變焦點獲得的一系列細胞不同平面上的圖像疊加后，可重構(gòu)出樣品的三維結(jié)構(gòu)。激光共聚焦掃描顯微鏡既可以用于觀察細胞形態(tài)，也可以用于細胞內(nèi)生化成分的定量分析、光密度統(tǒng)計以及細胞形態(tài)的測量。醫(yī)學(xué)物理學(xué)LCSM 照片，綠色為微管藍色為細胞核，醫(yī)學(xué)物理學(xué)瘧疾破壞的兩個紅細胞醫(yī)學(xué)物理學(xué)X 光衍射技術(shù) 生物大分子結(jié)構(gòu)理論、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的

8、分子模型誕生 1953年4月25日，英國的自然雜志刊登了美國的沃森和英國的克里克在英國劍橋大學(xué)合作的研究成果：DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)1962年， Wilkins、 Watson和Crick共獲諾貝爾獎。醫(yī)學(xué)物理學(xué)首先，他們是一對最佳搭檔，沃森熟悉噬菌體方面的實驗，而克里克則精通數(shù)學(xué)、物理學(xué)，這些被沃森視之為有點難度的學(xué)科，他倆的合作是生物學(xué)與物理學(xué)互補的最佳典范；醫(yī)學(xué)物理學(xué)其次，他們善于模仿前人的成功經(jīng)驗。諾貝爾獎獲得者鮑林成功地用模型方法提出蛋白質(zhì)的螺旋理論，而雙螺旋模型的建立正是成功地借用了這一方法；最后，他們還有天賦的好運，其實與其說是一種

9、好運，倒不如說是一種高超的想像力。因為關(guān)于 DNA 的 x 射線衍射圖片，只能提供一半的信息，另一半則來自于研究者的想象力醫(yī)學(xué)物理學(xué)富蘭克林1920年生于倫敦，她早年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，專業(yè)是物理化學(xué)。1945年，當(dāng)獲得博士學(xué)位之后，她前往法國學(xué)習(xí) X 射線衍射技術(shù)。 她把 X-衍射技術(shù)用在拍攝 DNA 晶體的研究中。醫(yī)學(xué)物理學(xué)X 射線是波長非常短的電磁波。醫(yī)生通常用它來透視，而物理學(xué)家用它來分析晶體的結(jié)構(gòu)。當(dāng) X 射線穿過晶體之后，形成衍射圖樣是一種特定的明暗交替的圖形。不同晶體產(chǎn)生不同的衍射圖樣，仔細分析這種圖形，就知道組成晶體的原子是如何排列的。醫(yī)學(xué)物理學(xué)富蘭克林精于此道，她成功的拍攝了 D

10、NA 晶體的 X 射線衍射照片。這張照片是她拍攝的 DNA 晶體的 X 射線衍射照片，正是這張照片成為發(fā)現(xiàn) DNA 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)物理學(xué) 當(dāng)1962年沃森、克里克和威爾金斯獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的時候，富蘭克林已經(jīng)在 4 年前因為卵巢癌而去世。 至今科技界對富蘭克林的工作給予很高評價， 對威爾金斯是否有資格分享發(fā)現(xiàn) DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的殊榮存在很大爭論。 醫(yī)學(xué)物理學(xué) 其他物理知識對醫(yī)學(xué)發(fā)展的推動計算機斷層掃描，1974年在蒙特利爾(Montreal)召開的第一次國際專題討論會上正式將這種檢查方法稱作電子計算機體層攝影(computer tomography,簡稱 CT)。 醫(yī)學(xué)物理學(xué)CT成

11、像的工作流程旋轉(zhuǎn)掃描 檢測器衰減信號 模/數(shù)轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù) 陣列計算顯示數(shù)據(jù) 數(shù)/模轉(zhuǎn)換灰階圖像醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)院使用的 CT 機醫(yī)學(xué)物理學(xué)核磁共振 醫(yī)學(xué)物理學(xué)核磁共振 醫(yī)學(xué)物理學(xué)特殊功能 全身血管攝影醫(yī)學(xué)物理學(xué)刀放射療法對于治療,出現(xiàn)了在不切開皮膚的情況下切除體內(nèi)病灶,達到治療目的的神奇“手術(shù)刀”,目前已在臨床應(yīng)用的有：超聲波刀,激光刀射線刀等。醫(yī)學(xué)物理學(xué)刀放射療法： 醫(yī)學(xué)物理學(xué)射線刀醫(yī)學(xué)物理學(xué)1. 紅外熱像儀（1）用于診斷乳腺癌、甲狀腺及淺表腫瘤；（2）安裝在眼底照相機上，研究眼底血液循環(huán)；（3）人體運動檢測，運動員訓(xùn)練；（4）工業(yè)用途更廣。其它醫(yī)學(xué)圖象研究醫(yī)學(xué)物理學(xué)紅外圖象醫(yī)學(xué)物理學(xué)紅外圖象醫(yī)

12、學(xué)物理學(xué)靜脈曲張患者的腿部遠紅外熱像，血管明顯增溫、增粗，箭頭所指處尤為明顯。醫(yī)學(xué)物理學(xué) 超聲 A型M型B型彩色多普勒血流成象（DFI）超聲CT（UCT） 彩色多普勒組織成 象（DTI）(1)新一代B超,配以數(shù)字圖象處理(DIP)，性能更佳。圖象增強，數(shù)字濾波，各種圖象測量功能）（2）多普勒血流頻譜分析及血流聲譜圖顯示。醫(yī)學(xué)物理學(xué)（3） 彩超=B超（黑白圖象）+多普勒血流速度實時成像或多普勒組織（速度，加速度，能量）實時成像(4)多普勒血管成像動脈粥樣硬化正常血流速度高速血流速度頸動脈血管渦流醫(yī)學(xué)物理學(xué)（5）超聲CT（經(jīng)食道，立體扇形掃描）扇形B超心臟步進馬達旋轉(zhuǎn)及提升機構(gòu)超聲探頭心電同步醫(yī)學(xué)

13、物理學(xué)超聲圖象O醫(yī)學(xué)物理學(xué)超聲圖象醫(yī)學(xué)物理學(xué)超聲圖象Photo courtesy Philips Research Ultrasound examination during pregnancy 醫(yī)學(xué)物理學(xué)超聲圖象Photo courtesy Philips Research 3D ultrasound images 醫(yī)學(xué)物理學(xué)電子監(jiān)護系統(tǒng)醫(yī)學(xué)物理學(xué)PET顯像技術(shù)Positron Emission Computed Tomography的縮寫，中文全稱叫正電子發(fā)射計算機斷層顯像。采用的是正電子核素。這些核素大多是構(gòu)成人體基本元素的超短半衰期同位素或性質(zhì)極為相似的核素，如氧(0)、氮(N)、碳(C)、氟(F，與氫相似)等。醫(yī)學(xué)物理學(xué)運載這些正電子核素的示蹤藥物是生命的基本物質(zhì)如葡萄糖、水、氨基酸；或是治療疾病常用的藥物。因此每項 PET 顯像結(jié)果實質(zhì)上是反映了某種特定的代謝物(或藥物)在人體內(nèi)的動態(tài)變化，是在分子水平上反映人體是否存在生理或病理變化。醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)醫(yī)學(xué)物理學(xué)放