Zastosowanie fizyki w medycynie.

Jakie są związki fizyki z medycyną?
Relacje pomiędzy fizyką a medycyną są długotrwałe, liczne i ścisłe. Wiele odkryć fizyki, tych dawnych i całkiem świeżych, umożliwiło zrozumienie wielu problemów medycznych (struktura ciała, fizjologia), a przełożenie ich przez inżynierię biomedyczną na praktyczne zastosowania kliniczne, zaowocowało wieloma bardzo złożonymi i bardzo skutecznymi metodami instrumentalnymi oraz urządzeniami diagnostycznymi, terapeutycznymi i rehabilitacyjnymi. Tym samym fizyka umożliwiła rozwój nowoczesnej medycyny i powstanie techniki medycznej. Dzisiejszy poziom medycyna zawdzięcza nie tylko lekarzom i biologom ale w znacznej mierze także udziałowi fizyków i inżynierów, którzy inspirowali i tworzyli te metody i urządzenia. Sprawiedliwość wymaga jednak, aby powiedzieć że często inspiracje medyczne stanowiły punkt wyjścia dla prac badawczych i konstrukcyjnych fizyków i inżynierów. Te wzajemne inspiracje okazywały się niezwykle cenne społecznie zarówno dla praktyki medycznej jak i nauki.

Jak ważną rolę w medycynie odgrywa fizyka, może świadczyć także nazwanie podstawowego badania lekarskiego, stanowiącego główny kanon postępowania diagnostycznego, badaniem fizykalnym. Badanie fizykalne polega na ocenie stanu zdrowia pacjenta na podstawie informacji o strukturze i czynności narządów ciała, takich jak: kształt, rozmiary, twardość, ruch (w tym drgania), temperatura, a nawet zabarwienie powłok. Dane te uzyskiwane są bezpośrednio metodami fizycznymi za pomocą badań wykorzystujących zmysły lekarza (wzrok, dotyk, słuch, powonienie) przeprowadzonych na powierzchni ciała pacjenta. Co ciekawe, badanie fizykalne w zasadzie nie wymaga żadnych przyrządów (nie licząc fonendoskopu).

W Anglii, gdzie po raz pierwszy użyto pojęcia „fizyka medyczna”, słowo „physician” oznaczające lekarza, wskazuje na bliskie związki fizyki z medycyną.

W przeszłości wielu fizyków uprawiało medycynę i równie wielu medyków zajmowało się fizyką. Także obecnie zdarzają się takie przypadki, chociaż częściej fizycy praktykują medycynę. Termin fizyka medyczna pojawił się na początku XIX wieku. Inicjatorem prawdopodobnie był wykładowca fizyki dla studentów medycyny, Szkot Neil Arnott urodzony w 1788 roku w Forfar. Był on także autorem pierwszego podręcznika fizyki dla medyków. Jego zasługą jest wprowadzenie na Uniwersytecie Londyńskim obowiązku zdawania egzaminów z fizyki i chemii przez adeptów medycyny.

Pierwsza publikacją książkową na kontynencie europejskim była książka Adolfa Ficka (1829 1901), zajmującego się fizjologią, znanego twórcy prawa transportu masy, zatytułowana „Fizyka Medyczna” (Medizinische Physik), wydana w Zurichu w 1856 roku.

Określenie „Fizyka medyczna” budzi czasami sprzeciw niektórych fizyków, którzy uważają, że fizyka jest jedna i nie wymaga stosowania przymiotnika. Rzeczywiście słowo „medyczna” nie oznacza innej fizyki ale wskazuje jedynie na obszar gdzie występuje i gdzie obowiązują jej prawa. Wskazuje na jej ważną obecność w podstawach medycyny współczesnej. Nie zawsze zdawano sobie sprawę z tego faktu.

Jest rzeczą niezmiernie interesującą, że od samego początku rozwoju fizyki medycznej, a także inżynierii biomedycznej, gdy dyscypliny naukowe nie były tak zróżnicowane jak obecnie, zagadnieniami biologii, medycyny i fizyki zajmowali się wybitni przedstawiciele wielu ówczesnych dyscyplin, przekraczając bez obawy naruszenia czyichkolwiek kompetencji, niewyraźną granicę pomiędzy biologią i naukami ścisłymi.

Próby opisu procesów biologicznych i mechanizmów życiowych, były podejmowane między innymi przez Galileusza (student medycyny - pomiary pulsu; pierwszym autorem rozprawy o tętnie był poznański lekarz W. Struś), Kartezjusza (mechaniczne podstawy fizjologii), Boyla (płuca, oddychanie ryb), Roberta Hooka (prawo sprężystości, termin komórka na oznaczenie najmniejszej jednostki życia) i wielu innych. Warto wspomnieć także lekarza, Tomasa Younga (zagadnienia sprężystości, moduł Younga).

Za ojca fizyki medycznej i inżynierii biomedycznej jako dyscyplin naukowych, niektórzy uważają Hermana von Helmholtza (1821 1894), profesora fizjologii, patologii i anatomii na Uniwersytecie w Heidelbergu i profesora fizyki na Uniwersytecie w Berlinie (od 1871 roku). Stanowi on klasyczny przykład integralnego traktowania fizyki i medycyny.

Początkiem nowoczesnej fizyki i inżynierii biomedycznej jako dyscyplin naukowych i specjalności zawodowych było jednak dopiero odkrycie promieniowania X przez Konrada Wilhelma Roentgena w 1895r. oraz pierwiastków promieniotwórczych polonu i radu przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie w 1898r. Odkrycia te zastosowane niezwłocznie w praktyce medycznej, dały początek współczesnej diagnostyce radiologicznej, radioterapii i medycynie nuklearnej, mających do dziś największy udział w metodach instrumentalnych diagnostyki i terapii medycznej. Wartość urządzeń medycznych wykorzystujących promieniowanie jonizujące, przekracza 50% wartości wszystkich urządzeń medycznych zainstalowanych w zakładach opieki zdrowotnej.

Badania radiologiczne należą do najczęściej wykonywanych badań diagnostycznych. Dla 60% przypadków stanowią podstawowe badanie obrazowe; dla dalszych 20% są badaniem zalecanym jako uzupełniające. Tak więc około 80% pacjentów podlega diagnostyce radiologicznej, pomimo dynamicznego rozwoju innych metod diagnostyki obrazowej, wykorzystujących promieniowanie niejonizujące, na przykład ultradźwięki (USG) czy magnetyczny rezonans jądrowy (MRI).

Biorąc pod uwagę złożoność metod radiologicznych, kosztowność aparatury i potencjalne zagrożenie pacjenta ze strony promieniowania jonizującego, które pociąga za sobą konieczność stosowania zabezpieczeń i pomiarów dawek, stosunkowo wcześnie wprowadzono do zespołów lekarskich osoby z przygotowaniem fizycznym, a wkrótce potem także technicznym. Fizykom i inżynierom medycznym postawiono zadanie obsługi skomplikowanych urządzeń lub nadzoru nad ich użytkowaniem oraz zapewnienie bezpieczeństwa badań. W zakresie zwłaszcza zabiegów radioterapeutycznych jednym z najważniejszych zadań jest planowanie naświetlań zewnętrznych i wewnętrznych.

Jednym z pierwszych fizyków pracujących w szpitalu wśród lekarzy, był S. Russ zatrudniony w Midlessex Hospital w Londynie w 1910r. W tym samym mniej więcej czasie na oddziale radioterapii Szpitala w Monachium został zatrudniony fizyk F. Voltz. Nieco później, podczas I Wojny Światowej, jako rentgenolog w wojskowych szpitalach polowych pracowała jako wolontariuszka M. Skłodowska -Curie. Były to czasy gdy medycyna wspomagana była nielicznymi i bardzo prostymi narzędziami mieszczącymi się całkowicie w charakterystycznej podręcznej torbie, nie licząc oczywiście wchodzących do użytku prymitywnych zestawów rentgenowskich i elektrokardiografów z galwanometrem strunowym jako detektorem biopotencjałów serca.

Zainteresowania fizyki medycznej zdominowane początkowo przez zagadnienia związane głównie z aplikacjami promieniowania rentgenowskiego i izotopów promieniotwórczych, z czasem skierowały się w stronę innych zagadnień takich jak: jak czynność bioelektryczna tkanek i narządów, oddziaływanie fal elektromagnetycznych, w tym podczerwieni, ultrafioletu, a także ultradźwięków na organizm żywy. Ważnym polem zainteresowań fizyków medycznych jest diagnostyka laboratoryjna, zwłaszcza oparta na analizie metodami fizycznymi materiału biologicznego pobranego od pacjenta .

Rozwój technologii przemysłowych i kosmicznych, a zwłaszcza wojskowych stworzył w latach 60 - tych nowe możliwości rozwojowe medycynie. Powstała potrzeba transferu tych technologii do medycyny. Równocześnie w rozwijającej się medycynie pojawiły się bariery do których pokonania potrzebna była technologia. W tej sytuacji narodziła się inżynieria biomedyczna. Wzrastająca oferta przemysłu na dostawę stale ulepszanych urządzeń medycznych zakładom opieki zdrowotnej wymagała zaangażowania inżynierów do zespołów medycznych. Inżynieria biomedyczna objęła część zagadnień wchodzących do tej pory w zakres fizyki medycznej.

Spektakularne osiągnięcia diagnostyczne i niezwykłe sukcesy terapeutyczne współczesnej medycyny są możliwe dzięki bliskiej codziennej współpracy lekarzy z fizykami i inżynierami i ogromnego potencjału środków technicznych. Według tradycyjnego podziału, metody i urządzenia stosowane w medycynie można podzielić na:
· diagnostyczne
· terapeutyczne
· rehabilitacyjne

Metody fizyczne i urządzenia stosowane w diagnostyce, służą do wyznaczania wartości wielkości fizycznych, generowanych przez tkanki i narządy charakteryzujących czynne własności organizmu (potencjał czynnościowy, ruch, siła) oraz wielkości fizycznych, chemicznych i biologicznych charakteryzujących bierne właściwości ciała, jego narządów i tkanek (długość, kształt, struktura ciała, struktura tkanek, skład chemiczny, stężenia elektrolitów, itp.)

O ile wyznaczanie wielkości charakteryzujących czynne własności organizmu oparte jest na pomiarach sygnału generowanego przez organizm (np. elektrografie ekg, emg, eeg), wyznaczenie biernych właściwości organizmu wymaga zazwyczaj zastosowania środka penetrującego organizm jak promieniowanie jonizujące (X i jądrowe), pole elektromagnetyczne (MRI), ultradźwięki (USG), światło (mikroskop optyczny), prąd elektryczny (badania elektroimpedancyjne), itp.

Metodami fizycznymi i urządzeniami stosowanymi w terapii, wymusza się, wspomaga lub hamuje niektóre procesy biologiczne albo niszczy się niepożądaną tkankę (zwłaszcza nowotworową), za pomocą zewnętrznego środka fizycznego takiego jak promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące (promieniowanie X, cząstki naładowane), niejonizujące (diatermia, światło podczerwone i ultrafioletowe), prąd elektryczny, ciepło , zimno, siła, ruch itp., w celu przywrócenie zdrowia.

Metody fizyczne i urządzenia rehabilitacyjne, podobnie jak terapeutyczne mają na celu poprawienie stanu pacjenta, a jeśli to możliwe, przywrócenie do formy jaką miał przed zachorowaniem i przed rozpoczęciem leczenia. Rehabilitacja jest zatem rodzajem postępowania leczniczego i wykorzystuje znaczną część metod i urządzeń terapeutycznych.

Kosztowne, trafiające do medycyny w coraz większej ilości, nowoczesne środki techniczne diagnostyki i terapii, aby mogły być racjonalnie wykorzystane i aby nie zagroziły bezpieczeństwu pacjenta wymagają właściwego i ostrożnego użycia. W tym celu istnieje potrzeba wsparcia personelu medycznego kadrą specjalistów o przygotowaniu fizycznym i inżynieryjnym.

Obecnie co roku na świecie oferowany jest sprzęt medyczny o wartości przeszło 10 mld dolarów (1999r.). Tak wielka ilość środków technicznych diagnostyki i terapii wymaga fachowej i odpowiedzialnej osługi, a zwłaszcza systematycznej kontroli sprawności i bezpiecznego użytkowania.

Mało kto wie, że po raz pierwszy systematyczne kształcenie na poziomie wyższym fizyków medycznych i inżynierów medycznych rozpoczęto w Polsce, w Politechnice Warszawskiej, na Wydziale Elektrycznym w 1946r. Twórcą i organizatorem studiów był fizyk, uczeń prof. Pieńkowskiego i M. Skłodowskiej -Curie, prof. Cezary Pawłowski.

Dzisiaj nie istnieje wyraźna granica pomiędzy fizyką medyczną a inżynierią biomedyczną. Zakres tematyki będącej domeną każdej z tych dyscyplin zależy od tradycji środowiska i lokalnych potrzeb klinik i innych zakładów ochrony zdrowia .

Zwyczajowo utarło się, że fizyka medyczna obejmuje zagadnienia związane z badaniami naukowymi dotyczącymi oddziaływania promieniowania jonizującego na organizmy żywe (radiobiologia, radiosterylizacja) i praktyką medyczną, w których wykorzystuje się to promieniowanie w celach diagnostycznych i terapeytycznych oraz z ochroną radiologiczną personelu medycznego i pacjenta. Natomiast urządzenia generujące promieniowanie jonizujące i niejonizujące stosowane w technice obrazowania narządów wewnętrznych (diagnostyka radiologiczna, MRI, USG) czynnych i biernych właściwości elektrycznych tkanek organizmu, oddziaływanie na organizm żywy promieniowania elektromagnetycznego niejonizującego stosowanego w terapii zwłaszcza w fizykoterapii, urządzeń do badań laboratoryjnych i licznych innych urządzeń diagnostycznych i sprzętu medycznego jest domeną inżynierii biomedycznej.

Osoby o przygotowaniu fizycznym jak i inżynierskim są w równej mierze potrzebne lekarzom w codziennej praktyce medycznej. Stosowanie skomplikowanych urządzeń i metod diagnostycznych i terapeutycznych wymaga wiedzy i umiejętności wykraczających poza programy nauczania lekarzy. Wiedzy którą dysponują fizycy i inżynierowie.

Współczesna medycyna jest nasycona technologią jak nigdy dotąd. Podstawą wartościowania zakładu opieki zdrowotnej, w odczuciu społecznym, są już nie tylko kwalifikacje personelu lekarskiego i pielęgniarskiego ale przede wszystkim stan technicznego wyposażenia. Trudno sobie wyobrazić aby współczesny szpital mógł funkcjonować racjonalnie bez uczestnictwa w procedurach diagnostycznych i terapeutycznych bez udziału fizyków i inżynierów medycznych.

Obecnie pod względem organizacyjnym zarówno radiologiczne jak i nieradiologiczne metody i urządzenia diagnostyki obrazowej są traktowane łącznie i wchodzą w zakres czynności Zakładów Diagnostyki Obrazowej, zatrudniających obok lekarzy także fizyków i inżynierów.

Stosowane w medycynie metody i urządzenia wykorzystujące zjawiska fizyczne można podzielić na dwie grupy. Te których celem jest pomiar wielkości generowanych przez organizm człowieka oraz te których celem jest wyznaczenie wielkości charakteryzujących bierne właściwości fizyczne organizmu oraz materiału biologicznego pobranych próbek. O ile wartości poszczególnych wielkości należących do pierwszej

Rejestracja sygnałów biologicznych generowanych przez organizm człowieka, elektrycznych, mechanicznych i chemicznych w postaci pomiaru odpowiednich wielkości fizycznych - diagnostyka

Pomiar biernych właściwości ciała człowieka elektrycznych i mechanicznych, spektrometria częstotliwościowa;
Analiza ilościowa chemiczna często metodami fizycznymi i fizyczna składników ciała człowieka (spektroskopia optyczna, masowa, NMR) głównie diagnostyka laboratoryjna

Oddziaływanie czynnikiem fizycznym na organizm żywy (promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące i niejonizujące -swiatło widzialne i uv, korpuskularne -hadrony, ciepło, zimno, wibracje) głównie terapia ale także diagnostyka generacja, rozkłady pola energii, dawkometria, ochrona;
· Obrazowanie
· Elektrografia
· Mechanografia

Fragmenty wypowiedzi Grzegorza Pawlickiego, profesora fizyki na uniwersytecie w Białymstoku
Rola fizyki w konstrukcji i zastosowaniu urządzeń medycznych
Radiografia cyfrowa

Klasyczny obraz radiograficzny ma charakter analogowy i uzyskiwany jest zazwyczaj na kliszy rentgenowskiej. W tej postaci może być oglądany i analizowany bezpośrednio za pomocą negatoskopu lub po zamianie (przez skanowanie laserowe) na obraz cyfrowy, za pomocą monitora. Obraz w postaci cyfrowej jakkolwiek zubożony o część informacji ma tę zaletę, że może być przetwarzany, jak to ma miejsce w opisanych dalej nowoczesnych metodach wizualizacji oraz łatwo archiwizowany.

Nowoczesne urządzenia rentgenowskie wyposażone w tak zwany tor wizyjny składający się ze wzmacniacza obrazu, kamery wideo, łączącego je układu optycznego oraz komputera, umożliwiają uzyskiwanie obrazu cyfrowego bezpośrednio w czasie rzeczywistym. Dzięki temu jest możliwa wizualizacja nie tylko struktury ale także czynności narządów, a w szczególności układu krążenia. Procedura otrzymywania i przetwarzania radiologicznych obrazów cyfrowych nazywa się radiografią cyfrową.

Tomografia wspomagana komputerem
Używane potocznie określenie tomografia komputerowa, a poprawnie jak powinno być tomografia wspomagana komputerem, jest to sposób obrazowania kolejnych przekrojów (zwykle) poprzecznych względem osi ciała pacjenta. Cechuje ją dokładność i drobiazgowość w przedstawianiu szczegółów struktury ciała przewyższająca zwykłą radiografię, przy mniejszym obciążeniu pacjenta dawką promieniowania

Obrazowanie za pomocą promieniowania jądrowego
Właściwość tkanek do selektywnego gromadzenia niektórych substancji podanych pacjentowi dożylnie, lub drogą oddechową (przez inhalacje), stanowi punkt wyjścia dla wizualizacji narządów, a szczególnie ich czynności metabolicznej metodami medycyny nuklearnej. Substancje te zwane radiofarmaceutykami, znakowane izotopami promieniotwóczymi, po podaniu są następnie odnajdywane w organizmie za pomocą detektorów promieniowania, w postaci rozkładu aktywności.

Obrazowanie za pomocą pola magnetycznego
Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego polega na wykorzystaniu magnetycznych właściwości jąder atomowych w szczególności atomów wodoru czyli protonów. Właściwości magnetyczne protonów są następstwem spinu i związanego z nim momentu magnetycznego. Wodór występujący w rożnych związkach ma największy udział wśród pierwiastków tworzących składniki ciała ludzkiego i zarazem relatywnie duży moment magnetyczny. Dzięki temu jest najsilniejszym źródłem sygnału spośród wszystkich jąder. Z tych względów jest niezwykle atrakcyjny dla obrazowania struktury i czynności narzadów.

Obrazowanie za pomocą pola biomagnetycznego
Metoda ta zwana magnetografią, umożliwia obrazowanie czynności mózgu lub innych narządów, z dokładnością lokalizacji zmian (na przykład ogniska epilepsji) z dokładnością do kilku milimetrów. Ta stosunkowo mała dokładnośc lokalizacji wymaga skorelowania wyników z wynikami badań innymi metodami.

Ultrasonografia
W ultrasonograficznym (a właściwie należałoby powiedzieć ultrasonicznym, zastrzegając przyrostek graficzny dla obrazów zarejestrowanych na papierze) sposobie obrazowania wykorzystywane są ultradźwięki. Informacje o strukturze i czynności ruchowej narządów uzyskuje się na podstawie odbicia wiązki fal ultradźwiękowych (efekt echa) od różniących się własnościami fizycznymi struktur tkankowych lub zmiany ich częstotliwości (efekt Dopplera) od ruchomych części narządów w penetrowanym obiekcie. Istnieją także metody transmisyjne, lecz nie mają one większego znaczenia w diagnostyce medycznej. Warto przypomnieć, że powstanie
i rozwój ultrasonografii medycznej był stymulowany osiągnięciami wojskowymi, w tym wypadku w dziedzinie
radarów i sonarów.