山大医学物理学课件第1章 绪论

1、医学物理学 医用物理学山东大学基础医学院 医学物理学绪 论 一、物理学的研究对象 物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，研究物质运动最基本形态以及他们之间相互转化的一门基础科学。 医用物理学是物理学的重要分支学科，是现代物理学与医学相结合所形成的交叉学科医学物理学 与其它学科密切结合，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。 物理学的基本概念、基本规律和基本研究方法，以及根据物理学原理设计制造的各种仪器设备，已经广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了各学科领域和技术部门的飞速发展。 医学物理学 物理学是技术发展的主要源泉，三

2、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。 目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的科学技术革命，从根本上讲来源于20世纪初物理学的原子结构理论、相对论、量子力学三大成就。医学物理学二、物理学与医学的关系 医学是以人体为研究对象的生命科学，生命现象属于物质的高级运动形式。随现代物理学迅速发展，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。“现代生物学研究的最终目的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少的基础，任何生命过程都是和物理过程密切相联系的.2、物理学所提供的技术和方法为医学研究和实践开辟了

3、新途径，极大推动了包括生命科学和医学在内的其它自然科学的发展。 医学物理学三 物理在医学简史中的回顾光学技术的发展推动了基础医学的发展：11550年，光学显微镜的出现 ： 使生命科学进入了细胞水平，紧接一系列类型的显微镜涌现出来。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 紫外光显微镜医学物理学暗视野显微镜（dark field microscope） 使用特殊的照明方法，使照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。 利用这种显微镜能见到小至 4 200 nm 的微粒子，分辨率可比普通显微镜高50倍。应用：观察

4、未经染色的活体或胶体粒子。医学物理学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，但如果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的工具之一。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医学物理学微管呈绿色、细胞核呈蓝色、微丝呈红色医学物理学荧光显微镜的优点和用途优点：检出能力高对细胞的刺激小能进行多重染色用途：物体构造的观察据荧光的有无、色调比较进行物质判别发荧光量的测定对物质定性、定量分析医学物理学医学物理学荧光显微镜技术在生命科

5、学研究中的应用对细胞结构或组分的定性、定位、半定量研究。作为生物大分子筛选与鉴定的标记物。医学物理学偏光显微镜 ( polarizing microscope) 用于检测具有双折射性的物质，如纤维丝、纺锤体、胶原、染色体等； 光源前有偏振片（起偏器），使进入显微镜的光线为偏振光，镜筒中有检偏器 。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学物理学微分干涉差显微镜（DIC显微镜） 能显示细胞结构的三维立体投影影像，立体感强，用于研究活细胞中较大的细胞器，与录像设备结合，可观察活细胞中的颗粒及细胞器的运动。医学物理学DIC 显微镜下的硅藻医学物理学相差显微镜（PCM）1953

6、年获得诺贝尔物理奖，把透过标本的可见光（直射光和衍射光）的光程差变成振幅差，从而提高了各种结构间的对比度，使各种结构变得清晰可见。应用：观察未经染色的标本和活细胞。 在构造上，相差显微镜有两个特殊之处。环形光阑：位于光源与聚光器之间。相位板：物镜中加了涂有氟化镁的相位板，可将直射光或衍射光的相位推迟1/4。医学物理学医学物理学用途：观察未经染色的玻片标本医学物理学显微镜的发展趋势采用组合方式，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。医学物理学人类红细胞医学物理学酵母医学物理学人类精子医学物理学医学物理学转基因显微操作过程 医学物理学人类染色体端粒 DNA 的荧光

7、原位杂交照片医学物理学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学物理学激光共聚焦扫描显微镜医学物理学激光共聚焦扫描显微镜（LSC显微镜）可改变观察的焦平面，因而能进行“光学切片”，观察较厚样品的内部结构。将改变焦点获得的一系列细胞不同平面上的图像叠加后，可重构出样品的三维结构。激光共聚焦扫描显微镜既可以用于观察细胞形态，也可以用于细胞内生化成分的定量分析、光密度统计以及细胞形态的测量。医学物理学LCSM 照片，绿色为微管蓝色为细胞核，医学物理学疟疾破坏的两个红细胞医学物理学X 光衍射技术 生物大分子结构理论、DNA双螺旋结构DNA 双螺旋结构的

8、分子模型诞生 1953年4月25日，英国的自然杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA 双螺旋结构的分子模型。医学物理学医学物理学医学物理学医学物理学1962年， Wilkins、 Watson和Crick共获诺贝尔奖。医学物理学首先，他们是一对最佳搭档，沃森熟悉噬菌体方面的实验，而克里克则精通数学、物理学，这些被沃森视之为有点难度的学科，他俩的合作是生物学与物理学互补的最佳典范；医学物理学其次，他们善于模仿前人的成功经验。诺贝尔奖获得者鲍林成功地用模型方法提出蛋白质的螺旋理论，而双螺旋模型的建立正是成功地借用了这一方法；最后，他们还有天赋的好运，其实与其说是一种

9、好运，倒不如说是一种高超的想像力。因为关于 DNA 的 x 射线衍射图片，只能提供一半的信息，另一半则来自于研究者的想象力医学物理学富兰克林1920年生于伦敦，她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习 X 射线衍射技术。 她把 X-衍射技术用在拍摄 DNA 晶体的研究中。医学物理学X 射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视，而物理学家用它来分析晶体的结构。当 X 射线穿过晶体之后，形成衍射图样是一种特定的明暗交替的图形。不同晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形，就知道组成晶体的原子是如何排列的。医学物理学富兰克林精于此道，她成功的拍摄了 D

10、NA 晶体的 X 射线衍射照片。这张照片是她拍摄的 DNA 晶体的 X 射线衍射照片，正是这张照片成为发现 DNA 结构的关键。医学物理学 当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在 4 年前因为卵巢癌而去世。 至今科技界对富兰克林的工作给予很高评价， 对威尔金斯是否有资格分享发现 DNA 双螺旋结构的殊荣存在很大争论。 医学物理学 其他物理知识对医学发展的推动计算机断层扫描，1974年在蒙特利尔(Montreal)召开的第一次国际专题讨论会上正式将这种检查方法称作电子计算机体层摄影(computer tomography,简称 CT)。 医学物理学CT成

11、像的工作流程旋转扫描 检测器衰减信号 模/数转换原始数据 阵列计算显示数据 数/模转换灰阶图像医学物理学医院使用的 CT 机医学物理学核磁共振 医学物理学核磁共振 医学物理学特殊功能 全身血管摄影医学物理学刀放射疗法对于治疗,出现了在不切开皮肤的情况下切除体内病灶,达到治疗目的的神奇“手术刀”,目前已在临床应用的有：超声波刀,激光刀射线刀等。医学物理学刀放射疗法： 医学物理学射线刀医学物理学1. 红外热像仪（1）用于诊断乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤；（2）安装在眼底照相机上，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学物理学红外图象医学物理学红外图象医

12、学物理学静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明显。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，各种图象测量功能）（2）多普勒血流频谱分析及血流声谱图显示。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步医学

13、物理学超声图象O医学物理学超声图象医学物理学超声图象Photo courtesy Philips Research Ultrasound examination during pregnancy 医学物理学超声图象Photo courtesy Philips Research 3D ultrasound images 医学物理学电子监护系统医学物理学PET显像技术Positron Emission Computed Tomography的缩写，中文全称叫正电子发射计算机断层显像。采用的是正电子核素。这些核素大多是构成人体基本元素的超短半衰期同位素或性质极为相似的核素，如氧(0)、氮(N)、碳(C)、氟(F，与氢相似)等。医学物理学运载这些正电子核素的示踪药物是生命的基本物质如葡萄糖、水、氨基酸；或是治疗疾病常用的药物。因此每项 PET 显像结果实质上是反映了某种特定的代谢物(或药物)在人体内的动态变化，是在分子水平上反映人体是否存在生理或病理变化。医学物理学医学物理学医学物理学放