物理学在医学上的应用

物理学在医学上的应用

姓名：李国立 班级：五年临床四班 学号：201650196

摘要：物理学是研究物质的运动规律，物质的结构及其相互作用的科学，它是许多科学技术的基础，生命科学也不例外。从本世纪开始，物理学经历了极其深刻的革命，从宏观发展到微观，从低速发展到高速，由此诞生了量子物理学和相对论，并在许多科学技术领域引起了深刻的变革，其中又以在生命科学中的变革最为瞩目，从而使得物理学在医学上广泛应用。

关键词：物理学、医学、应用。

前言

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，而作为医学研究对象的人体及其组成部分本身也就是自然界当中的一个" 物体 " 或 " 物质 "，其运动规律也是物理学的研究内容，因而医学和物理学也就密切相关。医学物理学是将物理学的理论、方法和技术应用于医学而形成的一门交叉学科，是学习医学和理解生命现象的基础，它的出现大大提高了医疗水平。医学物理学一方面是指用物理学的理论说明处于健康或疾病状态的人体功能，包括用物理学的概念和方法阐释人体器官和系统的功能及正常及异常的生理过程；解析噪声、电磁辐射等物理因子对人体及各种人体材料所产生的效应。这一方面与生理学及病理生理学等基础医学的研究相关，反映出医学物理学与基础医学课程之间密切关系。

1物理学与医学的关系

物理学和医学有着长期的历史。物理学的技术与方法应用于医学的时间大约是在十九世纪的六十年代 , 其创始人伽利略列利用单摆周期和摆长的关系 , 测量人的心率 ; 并发明了体温计和显微镜 , 打开了物理学在医学中的应用之 门。 随着近代物理学和计算机科学的快速发展 , 其新理论越来越多地应用到了医学研究和临床 , 其中涉及 了力、 热、 光 、 电、 磁等物理学的各个方面 。 这种广泛的应用不仅促进了医学的发展 , 而且延伸了物理学的研究范围 , 近年来出现了两者的交叉学科—医学物理学 ,

2物理学在药学上的应用

2、1物理学方法促进药物经皮吸收

经皮给药系统(transdermal drug delivery system，TDDS)指药物由皮肤吸收进入体循环并达到有效血药浓度，实现疾病预防或治疗的一类制剂。TDDS可避免口服给药可能发生的肝首过效应及失活现象；维持恒定的血药浓度或生理效应；延长作用时间，减少用药次数，改善患者依从性；减小血药浓度的峰谷效应，减轻不良反应，提高用药安全性；患者可自主用药，随时中止给药，迅速降低血药水平。该类制剂为一些慢性疾病的防治提供了一种简便有效的给药方式。但TDDS的应用须克服皮肤的屏障作用。近年来，许多促进药物经皮吸收的技术包括物理、化学等方法广泛发展。

2、1、1离子导入(iontophoresis)

离子导入法是利用直流电(通常是0.5mA/cm2) 将带电或中性药物粒子经电极导入皮肤，进入体循环，以此增加药物经皮渗透速率的一种方法。一 般将含药物的电极贴在皮肤表面作为工作电极(由药物性质决定其正负极)，另一个相反电极置于相邻位置，构成电流回路。本法使TDDS系统的适用范围扩展至多肽、蛋白质等药物，且能通过调整电流大小调整药物透皮的转运速率。本法主要通过皮肤附属器(如毛孔、汗腺)促 进药物渗透，作用机制可能有3个方面：(1)电场作用下，通过产生的电势梯度促使带电药物透过皮肤；(2)电流本身改变了皮肤的正常组织结构，改变皮肤的渗透性而使药物易于透过；(3)在电场作用下产生的电渗流，推动带电或中性粒子透过皮肤。药物须解离成带电的离子或非离子型胶体微粒才能经皮肤导入。因此，电导性能越强的离子化合物，导入的效果也越好。药物的酸碱度也有较大影响，多肽和蛋白质在等电点时导入效果最差。无机离子的导入量与溶液的pH有关，阳离子和阴离子分别在碱性溶液和酸性介质中导入量大。当然电流强度与作用时间也会直接影响药物离子的导入量。用于局部麻醉的利多卡因/肾上腺素复方离子导入药，系由电池、药液[含0.01mg/ml肾上腺素和2％盐酸利多卡因]和带电极的水凝胶三部分组成。该药可迅速产生局部麻醉效应，适于儿科治疗。

2、1、2 电致孔法(electrophoresis)

电致孔法是采用瞬时高电压脉冲电场(10µs～ 100ms，100～1000V)在细胞膜等脂质双分子层形成暂时、可逆的亲水性孔道而增加渗透性的方法。该法可改变皮肤角质层脂质分子的定向排列，断电后孔道关闭，皮肤对药物的阻滞作用逐渐恢复。这种暂时通道的存在，可极大地缩短药物经皮给药的迟滞时间，克服了普通经皮给药制剂的一大弱点。电致孔技术除可辅助小分子药物透皮，还可能用于 其它带电或不带电的大分子药物。皮肤的电致孔过程包括两个步骤：首先，瞬时脉冲电压作用下产生渗透性孔道；其次，脉冲时间和脉冲数作用下维持或扩大这些道，以促使药物分子在电场力作用下的转运。影响本法的因素较多，如电压、脉冲数、脉冲 时间、波形等。脉冲电压是最重要因素。一般来说，电压小于100V时，主要是离子导入；大于 100V时，则以电致孔为主。电压越大，形成的孔 道数量越多，药物透皮量越大。脉冲数和脉冲时间 增加，则药物累积渗透量增大。

2、1、3超声导入(sonophoresis)

超声导入是以超声波(1MHz，1～3W/cm2)为 动力促使药物透过完整皮肤的一种物理促渗方法。 最大特点是可在短时间内增加药物吸收。关于超声导入机制的假设有4 种。其中，气泡和空洞的产生在促渗作用中尤为重要。角质层内存在很多气泡中心，施加超声时，气泡中心不断振动，从而破坏脂质双层结构，同时，气泡破裂所产生的震荡波和空洞也加剧了这种破坏。此外，皮肤外气泡的产生和破裂也造成对皮肤表面侵蚀。上述情况均使得药物的渗入变得更加容易。超声导入的影响因素主要有超声频率及时间、药物自身性质、剂型等。超声频率越低，穿透组织的程度越深，药物渗入量也越多。超声时间越长，空化效应越强，对皮肤角质层的类脂结构改变越大，越易促进药物的吸收。用超声波促进给药时，其促透作用因药物性质不同差别较大，对水溶性药物，尤其对多肽和蛋白质药物的促透效果特别明显。另外，处方中的添加剂会阻碍超声波的传播，影响药物的导入。

2、1、4激光技术(laser technology)

一定强度的激光照射在靶材料表面，可产生高振幅的压力波(pressure wave)。压力波的属性取决于激光的特性(波长、脉冲时间、光强)和靶材料的光械特性。经皮给药用压力波的振幅一般为30～100MPa，作用时间一般为100ns～10μs。Doukas等研究表明对这种压力波对人体较安全。应用于胰岛素等生物大分子给药，取得了较好疗效，激光促渗技术与表面活性剂十二烷基硫酸钠有协同作用。

2、1、5电极扫描系统(electrode scanning system，ESS)

Novosis公司研制了ESS贴片，其电场只在贴片内产生，因此可避免离子导入法电流穿过皮肤引起的灼烧感和刺激性等不良反应。在ESS中，药物在电场作用下流向皮肤，因此药物会在贴片与皮肤的界面保持过饱和状态，使药物有最大的输入。通过调节电场的大小和方向可控制药物的输入。甚至还可将电场方向反转，使药物的流向反转，将药物从皮肤内导出，这对于临床诊断和临床血药浓度监控很有意义。

3物理学方法在临床上的应用

3、1超声波在临床上的治疗应用

3、1、1　超声波的治疗作用 　

( 1)机械作用: 超声波在传播过程中,介质质点交替压缩与伸张,形成了压力变化,这就是机械作用。对增强组织渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系 统及细胞的功能, 均有重要的意义。(2) 温热作用: 超声波的产热过程, 实际上是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。超声波的热作用,可引起人体血管功能和代谢过程的变化, 以及发生一系列复杂的神经反射, 在人体组织产生各种效应。( 3) 化学作用: 超声波生物作用和化学作用不易忽视, 如影响酶的活性,加速细胞新陈代谢,刺激人体细胞合成等。人体通过超声波的机械、温热和化学作用的结合, 使局部组织细胞受到细微的按摩,分层处组织温度升高, 细胞功能受到刺激 ,血液循环增进, 组织软化, 化学反应加速, 新陈代谢增加, 蛋白分子和各种酶的功能受到影响, pH值变化 ,生物活性物质含量改变等,并通过神经、体液途径从而产生治疗效果。

3.、1、2　超声波在临床医学中的应用　

超声波在医学领域的应用 十分广泛,特别是在临床诊疗如外科、妇产科、美容、减肥、结 石、节育等手术环节的作用更是无可替代, 超声药物透入疗法、 超声雾化吸入疗法、穴位超声疗法、高强度聚焦超声系统等技 术的发展,为医生的临床诊断提供了许多的帮助 。( 1) 穴位超声疗法: 又称超声针或超声针灸,是现代超声技术和传统的针刺术结合的一种新的穴位刺激法。穴位超声疗法的最主要特点是无痛、无不适反应; 其次,穴位超声疗法是通过声能透入穴位来治疗的,而且又具有对组织无损伤、无副作用、安全可靠 的优点 ,因此易为儿童和惧针的患者所接受 。( 2)高强度聚焦超声系统(HI FU): 又称为“海扶刀 ”, 高强度聚焦超声刀在医学影像技术的协助下,将多束超声波准确聚焦在靶组织上, 声 强达到 2 000W/c m 2 以上,利用肿瘤组织血流量低,不易散热 的特点,短时间内( 一般 0. 5～ 1. 5s )照射靶组织,局部温度达到 70～ 100℃,造成蛋白质固化, 组织坏死,在超声强度和照射 时间适当时, 可在坏死组织周围形成一层组织膜而对周围组织损伤极小。在高能量超声波作用下产生化学反应,杀伤肿瘤细胞。超声波具有较高的聚焦能力, 对组织有较大的穿透能力,不会对人体产生损害。

3、2精确放射治疗———影像引导放射治疗

3、2、1调强放射治疗(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)

I MRT是国际公认最有发展前途的精确放疗, 现已广泛应用于世界各国,在我国也正在不断推广应用于治疗各种癌症. 这种疗法的优点是,通过调节放射强度,使其尽量适合肿瘤靶形状进行放射治疗, 让高剂量的射线射入肿瘤靶上杀死癌细胞,而让低剂量的射线射在肿瘤靶外,尽量避免伤害正常细胞. 无论是适应放疗或立体定位放射外科疗法都应用调强放疗,以达到最佳效果.

3、2、2断层放射治疗(Tomotherapy)

这是美国威斯康星大学医学物理系的汤姆斯麦基教授(ThomasRockM ackie)发明的,他应用 CT的断层扫描原理与放射治疗相结合,实现断层放射治疗. 这是创造性的新疗法,现正在临床推广应用, 可达到更精确的放射治疗.

总结

物理学的新成就与医学的相互渗透和结合逐渐形成了许多新的医学分支学科和边缘学科。像超声医学、放射医学、核医学、激光医学、低温医学、影像医学及生物医学工程学。可以预言，像微电子学、同步辐射技术、纳米科学技术等物理学新成就必将在本世纪为医学和生命科学注入新的生命活力。

参考文献

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/e28030e14bfe04a1b0717fd5360cba1aa8118c8b.html