Как физики помогли медикам

Медицина и физика – это две области, постоянно окружающие нас в повседневности. Ежедневно влияние физики на развитие медицины только увеличивается, медицинская отрасль за счет этого модернизируется. Это приводит к тому, что многие болезни удается вылечить или остановить их распространение и контролировать.

Применение физики в медицине неоспоримо. Фактически каждый инструмент, используемый медиками, начиная со скальпеля и заканчивая сложнейшими установками для установления точного диагноза, функционирует или изготовлен благодаря достижениями в мире физики. Стоит отметить, что физика в медицине всегда играла важную роль и когда-то эти два направления были единой наукой.

Известное открытие

Как физики помогли медикам

Многие аппараты, изготовленные физиками, позволяют проводить медикам обследования любого рода. Исследования позволяют ставить пациентам точные диагнозы и находить разные пути для выздоровления. Первым полномасштабным вкладом в медицину было открытие Вильгельма Рентгена в области лучей, которые теперь называются его именем. Рентгеновские лучи сегодня позволяют без особого труда определять тот или иной недуг у человека, узнать детально сведения на уровне костей и так далее.

Как физики помогли медикам

Физика в медицину внесла свой вклад еще и благодаря открытию ультразвука. Что это такое? Ультразвук – это механические колебания, частота которых составляет больше двадцати тысяч герц. Частенько ультразвук еще называют дробящим звуком. С его помощью возможно смешивать масло и воду, формируя при этом нужную эмульсию.

Ультразвук пропускается через человеческое тело и отражается от внутренних органов, а это позволяет сформировать макет организма человека и установить имеющиеся заболевания.

Ультразвук помогает готовить различные лекарственные вещества, применяется для разрыхления тканей и дробления почечных камней. Используется ультразвук для безосколочной резки и сварки костей.

Активно применяется он и для дезинфекции хирургических приспособлений, ингаляции.

Именно ультразвук поспособствовал тому, что был создан эхолот – прибор для установления глубины моря под корабельным днищем. Также это явление поспособствовало тому, что в последнее время было создано огромное количество чувствительных приборов, фиксирующих отраженные тканями организма слабые сигналы ультразвука. Вот так и появилась биолокация.

Биолокация позволяет обнаруживать опухоли, инородные тела в теле и тканях организма. Ультразвуковое исследование, или, другими словами, УЗИ, позволяет рассмотреть камни или песок в почках, желчном пузыре, зародыша в утробе матери и даже определить пол ребенка.

УЗИ открывает большие перспективы для будущих родителей и ни один центр современной медицины не обходится без этого аппарата.

Лазер в медицине

Как физики помогли медикам

Активно в современном мире применяются лазерные технологии. Ни один центр современной медицины уже не обойдется без них. Ярчайшим примером может стать хирургия. С помощью лазерных лучей хирургам удается проводить крайне сложные операции. Мощный поток света из лазера позволяет удалять злокачественные опухоли, а для этого не потребуется даже резать тело человека. Потребуется лишь подобрать нужную частоту. Многие изобретения физиков, использующиеся в медицине, прошли испытание временем и весьма успешно.

Уникальный инструмент для хирурга

Многие современные хирурги пользуются специальными скальпелями на основе плазмы. Это инструменты, функционирующие с высокими температурами. Если их применять на практике, то кровь будет сворачиваться в один миг, а значит, у хирурга не будет никаких неудобств из-за кровотечений. Также было доказано, что после применения подобных инструментов раны человека заживают в разы быстрее.

Плазменный скальпель также понижает риск попадания в рану инфекции до минимальной отметки, при такой температуре микробы просто погибают в один момент.

Электрический ток и медицина

В том, что роль физики в медицине велика, наверное, никто и не сомневается. Обычный электрический ток также повсеместно используется медиками. Небольшие импульсы узкой направленности в определенную точку позволяют избавиться от тромбов, опухолей, и при этом стимулируется приток крови. Опять же никого резать при этом не нужно.

Оптические приборы и их роль в медицине

Как физики помогли медикам

Не знаете, как изучение физики поможет в медицине? Яркий тому пример – оптические приборы. Это и источники света, и линзы, и световоды, и микроскопы, и лазеры и так далее. Микроскоп еще в семнадцатом веке позволил ученым заглянуть в микромир и изучить клетки, самые простые организмы, строение тканей, крови и так далее. Благодаря физике в медицине используются оптические микроскопы, предоставляющие увеличение изображения до тысячи раз. Это главный инструмент биолога и медика, что исследует микромир человека.

Роль офтальмоскопа

В медицине используются самые разные оптические приборы. Например, все бывали на приеме у офтальмолога (врача-окулиста). Вначале он проверяет зрение при помощи специальной таблицы, а затем приглашает человека в темную комнату, где через глазное зеркало или офтальмоскоп рассматривает ваши глаза.

Это наглядный пример применения физики в медицине. Офтальмоскоп – это сферическое вогнутое зеркало, в котором имеется маленькое отверстие в центральной части.

Если лучи от лампы, что располагается сбоку, направить с помощью прибора в исследуемый глаз, то лучи пройдут до сетчатки, часть из них отразится и выйдет обратно. Отраженные лучи попадают через отверстие в зеркале в глаз врача, и он видит изображение глазного дна человека.

Чтобы увеличить изображение, врач рассматривает глаз через собирающую линзу и использует ее в качестве лупы. Таким же образом врач-оториноларинголог рассматривает уши, нос и горло.

Появление эндоскопа и его роль в медицине

Как физики помогли медикам

Основные задачи физики в медицине – это изобретение полезных приборов и технологий, что позволят эффективнее лечить людей. В конце двадцатого столетия физики создали уникальный прибор для медиков – эндоскоп, или «телевизор». Прибор позволяет увидеть изнутри трахеи, бронхи, пищевод, желудок человека. Состоит устройство из миниатюрного светового источника и смотровой трубки – сложного прибора из призм и линз. Для проведения исследования желудка пациенту потребуется заглотить эндоскоп, прибор будет продвигаться по пищеводу постепенно и окажется в желудке. Благодаря источнику света желудок будет освещен изнутри, а лучи, отраженные от стенок желудка, пройдут через смотровую трубку и выведутся в глаза доктора с помощью специальных световодов.

Световоды являют собой волоконные оптические трубки, у которых толщина соизмерима с толщиной человеческого волоса. Вот так световой сигнал полностью и без искажений передается в глаз врачу, формируя в нем изображения освещенного участка в желудке. Доктор сможет наблюдать и фотографировать язвы на стенках желудка, кровотечения. Исследование этим прибором называется эндоскопией.

Эндоскоп позволяет также ввести определенное количество лекарства в нужном участке и остановить таким образом кровотечение. С помощью эндоскопов также возможно облучать злокачественную опухоль.

Поговорим о давлении

Как физики помогли медикам

Для чего нужна физика в медицине, уже ясно, ведь именно физика способствует появлению инновационных методик лечения в медицине. Когда-то инновацией было измерение кровяного давления. Как все происходит? На правую руку пациента доктор надевает манжету, что соединена с манометром, и эту манжету накачивают воздухом. К артерии прикладывается фонендоскоп, и при постепенном понижении давления в манжете прослушиваются удары звуков в фонендоскопе. Значение давления, при котором удары начинаются, называют верхним, а значение, при котором звуки прекращаются, – нижним. Нормальное давление у человека – 120 на 80. Этот способ измерения давления был предложен в 1905 году русским врачом Николаем Сергеевичем Коротковым. Он был участником Русско-японской войны и с тех пор, как он изобрел методику, слышимые в фонендоскопе удары именуются звуками Короткова. Природа этих звуков была неясна почти до конца двадцатого века, пока механиками не было допущено следующее пояснение: кровь движется по артерии под действием сердечных сокращений, а изменение давления крови распространяется по стенкам артерии в виде пульсовой волны.

Вначале доктор накачивает воздух в манжету до уровня, что превышает верхнее давление.

Артерия под манжетой находится в сплющенном состоянии на протяжении всего цикла сердечных сокращений, после начинается постепенное выпускание воздуха из манжеты, и когда давление в ней становится равным верхней отметке, то артерия хлопком расправляется и пульсации кровотока приводят в колебание окружающие ткани.

Врач слышит при этом звук и отмечает верхнее давление. При понижении давления в манжете совпадения все будут слышны в фонендоскопе, но как только давление в манжете достигнет нижней отметки, звуки прекратятся. Вот так врач регистрирует нижнюю границу.

Мысли можно «увидеть»?

Уже много лет ученых интересует, как устроен мозг человека и его работа. Сегодня исследователи имеют реальную возможность наблюдать на экране работу человеческого мозга, а также проследить за «течением мысли». Все стало возможным благодаря прекрасному прибору – томографу.

Оказалось, что, к примеру, при обработке зрительных данных увеличивается кровоток в затылочную зону мозга, а при обработке звуковых данных – в височные доли и так далее. Вот так один прибор позволяет ученым использовать принципиально новые возможности для изучения мозга человека. Сейчас томограммы широко применяются в медицине, они помогают диагностировать разные заболевания, неврозы.

Все для людей

Как физики помогли медикам

Людей беспокоит их личное здоровье и благополучие близких им людей. В современном мире много разной техники, которую можно применять даже дома. К примеру, есть измерители нитратов в овощах и фруктах, глюкометры, дозиметры, электронные тонометры, метеостанции для дома и так далее. Да, не все вышеупомянутые приборы относятся непосредственно к медицине, но они помогают людям поддержать здоровье на должном уровне. Помочь человеку разобраться в устройстве приборов и их работе может школьная физика. В медицине она функционирует по тем же законам, что и в жизни.

Физика и медицина связаны между собой прочными узами, которые не разрушить.

ISSN 1996-3955 ИФ РИНЦ = 0,580

1 Хабибулина О.Л. 1 1 ГБОУ ВПО КубГМУ Минздрава России

1. Биография ученых физиков [Электронный ресурс] / — Режим доступа – URL: http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=13.
2. Ольшанский В. Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор [Электронный ресурс] / В. Ольшанский // Наука и жизнь. – 2004. – №12. – Режим доступа – URL: http://www.nkj.ru/archive/ articles/915/
3. Открытая лекция доцента ФФ МГУ Парфенова К.В.: Физика и медицина [Электронный ресурс] / – Режим доступа – URL: http: // www.youtube.com/ watch?v=9mx0BO0GMys
4. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов. – 4-е изд., испр. и перераб. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 648 с. 5. Физика и медицина. Проект «Университетские субботы» Департамента образования г. Москвы [Электронный ресурс] / – Режим доступа – URL:https://www.youtube.com/watch?v=8wGQQW2RXU4

Физика и медицина – науки, тесно связанные: многие важнейшие открытия в области физики были сделаны медиками – факт, на первый взгляд кажущийся довольно необычным. К примеру, в 40-х годах. XIX в. Ю. Р. Майер, будучи судовым врачом, во время плавания в тропиках, обнаружил различие в цвете венозной крови между жителями стран с жарким и холодным климатом. Причина заключалась в том, что вследствие высокой температуры организм вырабатывает меньше теплоты, в результате артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены. Было выявлено, что между потреблением вещества и образованием теплоты существует связь. Майером был сформулирован принцип «Из ничего ничего не бывает» как основа I закона термодинамики, который рассматривает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты. Это всеобщий закон природы, закон сохранения и превращения энергии, объясняющий положение диалектического материализма о вечности и неуничтожимости движения и материи, впоследствии математически обоснованный Г. Гельмгольцем – немецким физиологом, проводившим исследования в области процессов брожения и теплообразования в живых организмах [1].

Читайте также:  6 женских ошибок в сексе

Первый закон термодинамики представляет собой обобщение огромного человеческого опыта, а установили его немецкий врачЮлиус Роберт фон Майер (1842), английский физик Джеймс Джоуль (1842), немецкий физик, врач, физиолог и психолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1847): «Энергия в изолированных системах не может увеличиваться или уменьшаться, а может переходить из одного вида в другой».

Многие электрические явления были открыты в опытах физиологов над животными: эксперименты Л. Гальвани – итальянского физиолога и анатома – над скелетными мышцами лягушки легли в основу исследований А. Вольта, закончившихся изобретением Вольтова столба [2].

Даниил Бернулли, профессор анатомии Петербургской академии наук, написав свои знаменитые уравнения для объяснения системы кровообращения, стал основателем гидродинамики. Парацельс – профессор физики, медицины и хирургии.

Авиценна – лекарь, естествоиспытатель, сделавший ряд важных открытий в механике и т.д.

Как говорит профессор Твердислов В.А., заведующий кафедрой биофизики физического факультета МГУ: «В Европе физику сначала делали медики, а в наше время физика отдает медицине свои долги» [3].

Будущему врачу знать физику необходимо, так как опора на физические законы позволяет изучать функционирование живого организма, объяснять нормальные физиологические и патологические процессы. Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека очень многие из них близки к физическим.

Кровообращение – процесс, связанный с работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество), течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны). Дыхание связано с теплообменом (термодинамика), испарением (фазовые превращения) [4].

Кроме того, в организме, помимо физических макропроцессов, происходят молекулярные процессы, определяющие в конечном итоге поведение биологических систем. Понимание физики этих микропроцессов необходимо для корректной оценки состояния организма, природы ряда заболеваний, воздействия (в том числе и побочного) лекарственных препаратов.

Некоторые физические понятия являются базовыми для понимания строения и функционирования человеческого тела.

К примеру, с позиции общих законов механики, опорно-двигательный аппарат представляет собой систему рычагов: тазобедренный сустав – рычаг I рода, голеностопный сустав – рычаг II рода, предплечье – рычаг III рода.

Ровное положение головы (атлантозатылочное сочленение есть также рычаг I рода) обусловлено равенством моментов силы тяжести, приложенной к центру тяжести черепа, и силы мышечной тяги. Изменение любой из этих сил приводит к изменению положения головы [5].

Рычаги широко используются и в медицинском инструментарии: ножницы различных видов, щипцы, кусачки и др. Некоторые манипуляции, совершаемые врачом, также есть реализация рычага (врач-стоматолог при удалении зуба использует закон сохранения момента силы). 

Многие методы диагностики и лечения базируются на использовании физических принципов: работа медицинского термометра основана на тепловом расширении ртути, в основе устройства стетоскопа (фонендоскопа), используемого при аускультации, лежат свойства колебаний и волн.

Еще в 19 веке студенты-медики изучали физику на очень серьезном уровне. В настоящее время физика также присутствует в ряде изучаемых дисциплин, но студенты зачастую не считают ее изучение столь уж важным.

Эта ситуация должна быть исправлена, поскольку физика внедряется в медицину все более и более ускоренными темпами: лазерная хирургия, ультразвуковые исследования мягких тканей, магнитно-резонансная томография, рентген, операции с помощью гамма-скальпеля и др.

В настоящее время диагностические исследования разной степени сложности и максимально безопасные оперативные вмешательства можно проводить лишь с использованием современных технических устройств, разрабатываемых и обслуживаемых физиками. В компетенцию врача, разумеется, не входит настройка и ремонт используемого оборудования, но понимать принципы, лежащие в основе работы устройства, он должен.

Вот почему в процессе обучения студентов физике в медицинском вузе необходимо освещать разделы, непосредственно связанные с медициной. Важную роль в образовательном процессе играют современные мультимедийные технологии.

Используемые на лекционных и практических занятиях демонстрационные устройства позволяют усовершенствовать процесс обучения и детально ознакомить будущих медиков с физическими методами, используемыми в современной медицинской диагностике, лечении.

Библиографическая ссылка

Хабибулина О.Л. РОЛЬ ФИЗИКИ В МЕДИЦИНСКОМ ОБРАЗОВАНИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 4-1. – С. 302-304;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8914 (дата обращения: 11.05.2021). Как физики помогли медикам

IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Кононова Н.В. 11Транспортный колледж ГМУ им.адм. Ф.Ф.Ушакова
Сюсюка Е.Н. 1

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Введение

Человек ежедневно сталкивается с различными физическими явлениями и даже не придает этому значения. Даже функционирование организма зачастую подчиняется физическим законам.

Становление и развитие физики как науки исторически связано с развитием познаний в медицине. Существует множество подтверждений тому, что большое количество физических понятий и явлений появилось благодаря исследованиям и наблюдениям медиков.

Научные достижения в физике также находят применение в современной медицине. Поэтому я решила выявить, как физика и медицина связаны между собой.

Тема работы актуальна и не потеряет своей актуальности в будущем, а каждому человеку будет полезно знать об этом для собственного развития и расширения кругозора.

Итак, цель работы – показать взаимосвязь медицины и физики с помощью исторических и современных примеров.

Историческая связь физики с медициной.

Изначально между медициной и физикой была очень тесная связь, да и разделения на эти науки еще не было. О том, что такое теплота, задумались еще в древности. Закладка основ науки о тепле и изобретение первых термометров произошли благодаря Клавдию Галену, который ввел понятия «градус» и «температура».

Многие знаменитые личности, которые имели медицинское образование, прославились благодаря исследованиям физических явлений. Например, Томас Юнг, совместно с Френелем являющийся создателем волновой оптики, открыл один из дефектов зрения – дальтонизм, но дефект был назван в честь первого, у кого он обнаружился.

Немецкий врач и ученый Герман Гельмгольц сделал великие открытия не только в физике, но и в физиологии зрения, слуха, нервной и мышечной систем, а также пытался применить к физиологическим исследованиям знания по физике и математике. Жан-Луи Пуазейль изучал мощность сердца как насоса и исследовал законы движения крови в капиллярах и венах.

Обобщив результаты своих исследований, Пуазейль получил формулу, которая оказалась крайне важной для физики[1, 2]:

  • где p1 — p2 = Δp– перепад давления на концах капилляра, Па;
  • Q– объемный расход жидкости, м3/с;
  • R – радиус капилляра, м;
  • d – диаметр капилляра, м;
  • η–коэффициент динамической вязкости, Па*с;
  • l– длина капилляра, м.
  • Медицинская физика включает изучение систем и органов человека с точки зрения физики:
  • – скелет и мышцы – механика, теория упругости, теория устойчивости;
  • – глаз и зрение – оптика и электричество;
  • – слух – акустика и электрические импульсы;
  • – сердце и сосуды – гидравлика;
  • – мозг и нервная система – электричество;
  • – дыхательная система и обмен веществ – диффузия.

Медицинская физика

Цель этой науки – изучение систем профилактики и диагностики заболеваний, а также лечение больных с помощью методов и средств физики, математики и техники. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение[3].

Первопроходцем в области медицинской физики был Леонардо да Винчи, проводивший исследования механики передвижения человеческого тела.

Медицинская физика по-настоящему стала утверждаться как самостоятельная наука и профессия только во второй половине ХХ в.– с наступлением атомной эры. В медицине стали широко применяться диагностические аппараты, основанные на излучении волн определенной длины, а также на рентгеновском и гамма-излучении, магнитных полях, лазерах и других физических явлениях.

Важнейшим в области медицинского обследования стало создание компьютерных томографов, позволивших, проводить широкий спектр медицинских исследований и сократить время, требуемое на их проведение[4].

Для того, чтобы показать, как физика связана с медициной в современном мире, рассмотрим несколько примеров [5].

Для исследования работы сердечно-сосудистой системы, а также выявления отклонений в ней на первом месте остается такой прибор, как тонометр. Конструкция прибора предельно проста: устройство, нагнетающее воздух, манжета, закрепляемая на руке пациента, манометр, который непосредственно и производит измерение, и механическое или электронное устройство, показывающее результаты измерения [6].

Измерение температуры уже нельзя представить без такого привычного для всех прибора, как термометр.

Принцип работы термометра основан на расширении жидкости при повышении температуры (жидкостный), расширении металла при повышении температуры (механический), изменении сопротивления проводника (электронный), изменению уровня светимости, спектра и иных оптических параметров (оптический), изменении давлении газа (газовый) [7, 8].

Ультразвуковой аппарат – первичный инструмент диагностики в медицине. Принцип работы прибора основывается на ультразвуке, который не воспринимается человеческим ухом. В обыденности работу аппарата можно описать так: в полость исследуемого объекта посылается ультразвук, при отражении которого создается эхо.

Значимость УЗИ-аппаратов невозможно переоценить, однако среди множества достоинств и плюсов есть и недостатки: обследовать методом ультразвука можно только внутренние органы брюшной полости, почек, щитовидной железы и малого таза [9].

Для того, чтобы выявить, к примеру, перелом кости или дефекты в строении зубов, применяется совсем другой вид приборов – рентген-аппараты.

Рентгеновские аппараты представляют собой приборы, применяющие рентгеновское излучение для получения информации о внутренних органах и костях для исследования на предмет патологий и их последующего устранения. Излучение из аппарата посылается исключительно по трубочкам-излучателям, а сам аппарат надежно защищен корпусом из свинца, хорошо поглощающего излучение.

Принцип работы основывается на подаче напряжения к пульту управления и главному трансформатору, откуда возросшее напряжение поступает к рентгеновской трубке, из которой и происходит излучение.

Рентгеновские лучи, проходя через кожные покровы, в разной степени поглощаются костной и мышечной тканью, вследствие чего на снимке будут отображаться ярко-белым –кости (наибольшее поглощение лучей происходит кальцием), оттенками серого цвета – соединительные ткани, жир, мышцы, жидкость, самым темным цветом – воздух (меньше всего поглощает излучение).

Специальное устройство преобразует излучение в видимое изображение, доступное для наблюдения. В некоторых случаях пациенту в исследуемый орган вводят контрастную субстанцию для большей точности диагностики [10].

Настоящий прорыв в диагностике произошел после создания томографов. Различают компьютерную и магнитно-резонансную томографию.

Компьютерная томография (КТ) – метод послойного исследования внутреннего строения органов, основан на измерениях и последующей компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными тканями[11].

Обычно процедура компьютерной томографии назначается для уточнения диагноза после предварительного осмотра и для установления точного местоположения проблемы.

Компьютерный томограф так же является рентгеновским аппаратом, однако его преимущество над последним в том, что снимки делаются под различными углами вследствие вращения рамки томографа вокруг тела пациента, а компьютерная обработка позволяет различать ткани, отличающиеся друг от друга на 0,5%, что повышает точность диагностики в 1000 раз. При КТ в подробностях различимы скелет и ткани легких, а также свежие кровотечения, что позволяет исследовать больных с травмами головы, брюшной полости, грудной клетки, а также выявить инсульт на ранней стадии.

Магнитно-резонансная томография основана на взаимодействии сильного магнитного поля устройства и атомов водорода в организме. Аппарат посылает электромагнитный сигнал определенной частоты и улавливает сигнал атомов водорода, имеющих такую же частоту. Ответный сигнал регистрируется устройством.

Разные ткани организма имеют разное количество атомов водорода, соответственно сигнал имеет различные характеристики. Томограф распознает сигнал и преобразует его в изображение.

Читайте также:  Высокое артериальное давление: возможные осложнения

Проводится МРТ точно так же, как КТ, но пациент находится в тоннеле прибора практически полностью, поэтому главным ограничением в применении данного метода является клаустрофобия.

Еще одно отличие от КТ – МРТ проводится без использования рентгеновского излучения, в процессе диагностики используется только магнит, который не оказывает вредного воздействия на человека, но достаточных оснований полагать, что метод полностью безопасен, пока нет, так как он достаточно молод и до конца не изучен [12].

Физиотерапия – совокупность методов лечения с помощью физических факторов (электрический ток, магнитное излучение, воздух, свет и др.).

Электрофорез – воздействие на организм постоянного электрического тока в сочетании с введением через кожу или слизистые оболочки разнообразных препаратов. Принцип действия основан на действии электрического поля, вызывающего разложение лекарственного препарата на заряженные частицы, движущиеся к электродам [13].

    Бытовые аппараты для диагностики

Благодаря достижениям физики в быту мы используем множество различных медицинских приборов, которые позволяют не посещать врача без особой надобности.

К примеру, бытовой глюкометр позволяет контролировать уровень сахара в крови, не выходя из дома и не обращаясь в больницу. Появление таких приборов сильно облегчило жизнь людям, страдающим сахарным диабетом, ведь им необходимо регулярно проверять уровень сахара в крови, а часто ходить в медицинские лаборатории не представлялось возможным.

Бытовые тонометры мало отличаются от механических, используемых в медицинских учреждениях, однако сильно облегчают задачу, так как электронные и полуэлектронные тонометры не требуют фонендоскопа для измерения давления.

Заключение

Таким образом, в работе показана тесная взаимосвязь физики и медицины. Достижения в области физических и технических изысканий находят широкое применение в медицинских исследованиях, позволяют создавать новые, более точные и надежные приборы и аппараты, которые спасут множество жизней.

Анализ исторических фактов показывает, что одним из двигателей прогресса в физике на протяжении многих веков является медицина, в древности и до XVIII века физика и медицина были неразрывны друг от друга и входили в единую область знаний – естествознание. Врачи-мыслители древности и медики средневековья открыли и описали явления, которые положили начало многим наукам, а самыми крупными из них стали медицина и физика.

Новые болезни требуют новых методов индикации, диагностики и лечения, что подталкивает ученых физиков и связанных с физикой специалистов разрабатывать, создавать и совершенствовать приборы для нужд медицины.

Таким образом, знание того, что две науки развивались совместно и под влиянием нужд обеих, необходимо не только тем, кто с этими науками связан, но и всем, кто хочет расширить свой кругозор. И каждый человек может стать исторической личностью, внеся свой вклад в развитие знаний.

Список использованной литературы

1Смолова А. А. Значение физики в медицине / А. А. Смолова, И. В. Щербакова // Студенческая наука XXI века: материалы XII Междунар. студенч. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 25 янв. 2017 г.) / — Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2017. — № 1 (12). — С. 55–57.

2Петренко Ю. Нужна ли физика врачу? / Ю. Петренко // Наука и жизнь.– №3.– 2003.

3Подколзина В. А. Медицинская физика/ В. А. Подколзина – Москва: ЭКСМО, 2007.

4Медицинская физика. Краткая история / – Режим доступа: https://cribs.me/meditsinskaya-fizika/meditsinskaya-fizika-kratkaya-istoriya

5Подлесникова А. Физика в медицине и её роль / А. Подлесникова // – 2016. – Режим доступа: http://fb.ru/article/242003/fizika-v-meditsine-i-ee-rol

6Тонометр. Принцип работы / http://krasotaizdorovie.ru/articles/tonometr-princip-raboty.php

7Термометр/Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/4776/ТЕРМОМЕТР

8Термометр / – 2016. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Термометр

9УЗИ-аппараты. Принцип работы / Режим доступа: http://www.baltmedical.ru/uzi-apparaty.htm

10Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата / – Режим доступа: http://www.stormoff.ru/articles_565_139.html

11Компьютерная томография / – 2017. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерная_томография

12Аманова Е. Что может томография и кому она нужна / Е. Аманова // АиФ. Здоровье. –№ 15. – 2009. – Режим доступа: http://www.aif.ru/health/life/10461

13Электрофорез/Режим доступа: http://www.diagnos.ru/procedures/manipulation/elektroforez_lekarstvennyj

Протоновая терапия: физики помогают медикам

shutterstock.com

С диагнозом, в котором фигурируют слова «злокачественная опухоль», сегодня живут миллионы пациентов во всем мире.

В различных группах риска, по разным данным, находится не менее трети от общего населения планеты. Правда, онкологи говорят, что от многих видов и форм этого заболевания можно полностью вылечиться.

Сегодня есть надежда на разнообразные методики, но лучевая терапия при этом остается одной из главных.

Один из европейских исследовательских центров изучения проблем онкологии находится в Брюсселе — IBA (Ion Beam Applications). Здесь на помощь медикам приходят физики, специалисты по элементарным частицам: тут установлены циклотроны, в которых атомы водорода разделяют на электроны и протоны.

Электроны в дальнейшем процессе не используются, ученым нужны именно протоны. С помощью системы электромагнитов, собранных в особую структуру и установленных в циклотроне, уже выделенные протоны направляются в процедурные.

Там они попадают непосредственно в лучевую пушку, которая и будет обрабатывать поражённый участок тела или внутренних органов.

Новый способ лучевой терапии был предложен Ивом Йонгеном. По профессии – инженер-атомщик, он знал, что рентгеновское излучение, обычно использующееся в такой терапии, разрушает не только раковые клетки, но и здоровые ткани.

Инженер Йонген предположил, что лучевая терапия, основанная на потоке протонов, будет более эффективной и не имеющей тяжёлых побочных эффектов.

Первый прототип подобного ускорителя был создан им в 86-м году, сейчас разработка доведена до совершенства, ее производство удешевлено, пользоваться ею проще.

«Раком болеют чаще других пожилые люди, но не только. Есть данные, что 7% детей младшего возраста – пациенты онкологических отделений. Мы не можем использовать одну и ту же методику для лечения детей и для лечения стариков.

Мы не можем подвергать риску будущее малышей, мы обязаны не только сохранить им жизнь, но и не повредить внутренние органы, которые находятся в периоде роста. Именно для них в первую очередь и предназначена лучевая протоновая терапия.

Мы определяем место расположения опухоли с помощью рентгеновских лучей, которые посылаются скрещенным образом, после того, как с точностью до миллиметра установлен размер участка поражённой ткани, начинается, собственно, сам сеанс терапии.

Точность очень важна, мы не имеем права повреждать здоровую ткань, даже речь идет об одной её клетке», — рассказывает Ив Йонген.

Протоновая терапия показана в первую очередь тем пациентам, которым поставлен диагноз рака мозга, шейного позвонка, глазной сетчатки или грудной железы.

Сегодня методика, предложенная Ивом Йонгеном, используется в 25 крупнейших медицинских центрах, которые занимаются изучением и лечением онкологических заболеваний.

Эта разработка, ее совершенствование и внедрение в практику стало делом его жизни.

Как результат, 65-летний инженер входит в число номинантов на получение звания «Европейский изобретатель года», учреждённого Европейской патентной организацией.

«Мне платят за то, что я занимаюсь любимым делом, я сражаюсь с раковыми заболеваниями всю свою жизнь, и я смог найти способ, который помогает онкологическим пациентам справиться с болезнью.

Это удивительное чувство, особенно, когда я посещаю онкологические отделения, в которых проводятся сеансы протоновой терапии.

Я вижу людей, которым эта методика дарит надежду на излечение и жизнь, меня это вдохновляет и радует, это удивительное ощущение счастья от сознания исполненного долга», — добавляет Иво Йонген в интервью телеканалу Euronews.

Единственный существенный минус протоновой терапии – стоимость курса. И инфраструктуры, в которой ее действие становится по-настоящему эффективной. Речь идёт о десятках миллионов евро. Но с каждым годом воспользоваться такой методикой может всё большее количество людей: стоимость производства циклотрона постоянно снижается.

АВТОР: АЛЕКСАНДР МАКАРОВ

Профиль

Металл с памятью формы

Российские ученые создали единственные в своем роде конструкции из металла, которые имеют память формы, благодаря им можно исправлять деформацию костей, а также, вследствие надежной фиксации отломков, значительно укорачивать сроки послеоперационной реабилитации в сравнении с операциями, которые применяют «классические» фиксаторы.

Как физики смогли помочь медикам

Применение новых материалов и технический прогресс во многом обуславливают достижения современной медицины. Уникальный эндопротез, который способен исправить дефекты костей, помогли медикам создать наши инженеры-физики. А созданные ими металлические конструкции с памятью формы дают возможность производить искусственные суставы и выпрямлять деформированные кости.

Конструкция из металла, способная «запоминать» форму, которую ей дали разработчики — это сплав титана — 55% и никеля (нитинола) — 45%, применяемый в медицине для выпрямления костей.

В США еще в 1965г. был создан нитинол, из которого в быту производят пожарные датчики, где нитинол вспоминает заданную форму при +78 градусах, и в трубопроводных соединениях, где нитинол срабатывает при — 50. Он применяется также в кондиционерах, где благодаря ему закрывается и открывается доступ воздуха в клапане.

Современные брекеты в стоматологии, кстати, также делают из нитинольной проволоки. Этот метал оказывает постоянное давление на зубы в течение долгого времени, доводя их в итоге до нужной формы. Ранее брекеты делались из стали, и чтобы подкрутить их пациент должен был приходить к врачу каждые три дня, что вызывало боль. И спустя три дня выпрямляющий эффект уже пропадал.

Наши ученые использовали нитинол для нужд медицины, металл приобрел гибкость на холоде, а в человеческом теле, при 37 градусах – сверхпрочность.

Чтобы проиллюстрировать прочность выпускаемого материала проводят простой опыт, когда в стакан кладут изогнутую пластину, «запомнившую» первоначальную форму.

Затем стакан наполняют теплой водой 37-38 градусов, при этом пластина начнет разгибаться, буквально разбивая стакан в дребезги. Такие пластины врачи используют для исправления деформированных костей.

Следует поблагодарить инженеров, которые помогли докторам. И также, выразить признательность таким чудесным докторам, как профессор Николай Васильевич Загородний, которые эффективно используют новые технические достижения.

В 2010г. профессор Николай Васильевич Загородний, завкафедрой травматологии и ортопедии РУДН, получил Национальную премию для лучших врачей России — «Призвание».

Вернуться к списку новостей

Физик плюс медик. Где научиться быть медицинским физиком, чтобы работать с МРТ, ПЭТ и КТ

«Чердак» и «Мастерские инноваций» ФИОП «Роснано» продолжают рассказывать о профессиях будущего. В России разворачивается Федеральная сеть центров ядерной медицины, но специалистов для их обслуживания не хватает. Для современной диагностики и лечения онкологических и других заболеваний стране будут нужны медицинские физики.

Медицинская рутина или скрининг вовремя

Для начала немного страшных цифр: в России зарегистрировано более 3,5 миллиона онкологических больных, каждый год заболевает еще полмиллиона человек, сто тысяч из них не доживает до конца года.

Читайте также:  Физические тренировки в саду и на участке

Современные методы: хирургия, химиотерапия, традиционная лучевая терапия — недостаточно эффективны и к тому же дороги.

Медики пока стоят на своем: выявление заболевания на ранних стадиях — залог спасения пациентов (недавно «Чердак» подробно писал о последних достижениях в этой области).

Для того чтобы сделать раннюю диагностику обычным делом, а не исключением, необходима специальная скрининговая программа для различных слоев населения и так называемых групп риска. Она предписывает обязательную проверку разных органов в разное время: кому — грудь и женские органы, кому — желудок, кому — толстую кишку, а кому и голову. Обнаружить доклинические формы злокачественных опухолей, когда еще не появились опасные симптомы, помогут ПЭТ- и КТ-исследования, а провести лечение — протонная терапия, которая показана половине больных, и другие высокотехнологичные методы. Да, это дорого: необходима перестройка в здравоохранении, разработка новых центров и развитие своего производства оборудования и сырья для ядерной медицины, а также подготовка и переподготовка специалистов, но на кону человеческие жизни. Так что без этих вложений никак не обойтись. Что происходит уже сейчас? В стране открываются новые центры ядерной медицины, в октябре Правительство России утвердило «дорожную карту» их развития (Распоряжение от 23 октября 2015 года №2144-р), в вузах готовят новых высокотехнологичных специалистов. Попробуем разобраться, с чем придется столкнуться медицинским физикам, которые так необходимы медицине будущего.

«Прозрачный как хрусталь» или ПЭТ для диагностики

Выиграть время и победить болезнь, когда речь идет о самых грозных из них — кардиологии и онкологии, сделать «прозрачным» тело человека, чтобы отличить доброкачественные образования от злокачественных, помогают ядерные технологии в медицине. Если такие методы лучевой диагностики как УЗИ (ультразвуковое исследование), МРТ (магнитно-резонансная томография) и КТ (компьютерная томография) врачи используют, чтобы получить общее представление об опухоли, то с помощью ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) можно «видеть» опухоль на уровне обменных процессов и обнаружить крошечные метастазы вплоть до атомов. Сегодня ПЭТ-исследование в развитых странах — это обязательный пункт протоколов диагностики и лечения онкологических заболеваний, самый информативный и объективный метод, который применяется уже не один десяток лет и у которого нет альтернатив. Как это работает?

Перед исследованием пациенту вводят радиофармпрепарат (РФП).

Способность таких радионуклидных препаратов накапливаться в опухолевых тканях позволяет визуализировать в деталях картину происходящего внутри организма под прицелом ПЭТ/КТ-сканера (для диагностики кардиологических и неврологических заболеваний используют разные РФП).

Обычно для проведения исследований в онкологии в качестве РФП используют аналог глюкозы — фтордезоксиглюкозу (ФДГ), молекула которой содержит радиоактивный нуклид фтор-18. Клетки опухоли потребляют больше глюкозы, чем здоровые клетки, и ПЭТ-сканер это регистрирует.

Но чтобы получить такую информативную картину, в медицинском центре должны работать мощные сканеры и компьютерное оборудование для диагностики, кроме того, в нужный момент для пациента надо изготовить или доставить РФП. А это уже отдельная сложная задача.

Автоматизированный модуль для производства радиофармпрепаратов. «ПЭТ Технолоджи» Для производства радиофармпрепаратов нужен циклотрон, чтобы получить изотопы, оборудование для синтеза РФП и специальная лаборатория для контроля их качества. Поэтому внедрение методов ядерной медицины требует строительства крупных центров и подготовки высококвалифицированных специалистов. Предположим, больному удалось попасть в современный медицинский центр, пройти диагностику и получать заключение о необходимости дальнейшего лечения. В таком центре он может получить разные виды помощи, обычную лучевую терапию, так называемый «Кибернож» или современную протонную терапию.

  • Протонная терапия
  • Атомный проект — медицине
  • Ядерная сеть для здоровья

Более ста лет совершенствовались методы лучевой терапии, и сегодня прогресс в этой области связывают с протонной терапией — использованием протонов для лечения онкологических заболеваний. В чем их преимущество? Разогнанные до огромных скоростей протоны (положительно заряженные аналоги электронов) в два-три раза снижают лучевую нагрузку на окружающую опухоль здоровые клетки по сравнению с гамма-лучами, что значительно уменьшает число побочных эффектов и осложнений. Кроме того, протонный пучок можно «останавливать» в нужном месте: его интенсивность резко падает за границей опухоли, поэтому ее можно облучать бОльшими дозами при минимальном повреждении нормальных тканей и сокращать время облучения. Протонный луч способен добраться до глубоко расположенных опухолей, а в офтальмологии, например, это единственный способ щадящего лечения. К недостаткам метода следует отнести опять же дороговизну, так как для разгона протонов надо строить ускоритель. Первые опыты лечения на таких протонных ускорителях были проведены больше пятидесяти лет назад в научных лабораториях Беркли (США), Уппсальском университете (Швеции), а затем и в СССР. Бурное развитие атомной и ядерной физики в 60-е годы, выделение стабильных изотопов открыли дорогу новым технологиям в медицине. Исследования, проведенные в ядерных физических центрах 60-х годов, вылились в строительство мощных медицинских центров. Такой первый клинический центр ПЛТ (протонной лучевой терапии) появился в 1990 году в Лома Линда (Калифорния, США). К тому времени российские ученые уже имели богатый опыт фундаментальных и прикладных исследований в этой области, так как история отечественной протонной терапии началась в конце 60-х — начале 70-х в ИТЭФ (Москва), ОИЯИ (Дубна) и ПИЯФ (Гатчина), где начались первые облучения с лечебными целями. В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ исследования начались в 1967 году под руководством В.П. Джелепова. Сегодня в Дубне действует Медико-технический комплекс (МТК) на базе фазотрона на 660 МэВ, количество пациентов доходит до 100 человек в год. Богатый исследовательский и клинический опыт позволил сотрудникам ОИЯИ: физикам, радиобиологам, медикам — разработать не только собственные методики, но и оригинальные установки: рентгеновский, протонный и позитронный томографы. В ИТЭФ с 1969 года на базе протонного синхротрона (энергия 7 МэВ) было пролечено больше трех тысяч человек и накоплен богатейший клинический опыт. В Гатчине (ПИЯФ) медицинский комплекс протонной терапии работает с 1975 года, а протоны разгоняет мощный синхроциклотрон СЦ-1000 с энергией 1000 МэВ. Собственно, до 80-х годов протонную терапию для лечения больных использовали физики, которые занимались фундаментальными исследованиями на ускорителях частиц. Теперь в России появляются специализированные медицинские центры ядерной медицины. В 2017 году Федеральная сеть центров ядерной медицины должна охватить 16 регионов России. Над проектом работает «ПЭТ-Технолоджи», портфельная компания «Роснано» и частные инвесторы. За последний год открыты пять центров, где пациентам доступна сверхточная и информативная диагностика с помощью ПЭТ/КТ. Это Липецк, Тамбов, Орел, Курск и Уфа, где также работает радиохирургическая установка «Кибернож». В планах — ПЭТ-центр на острове Русский и отделение ПЭТ-диагностики в Брянске, в очереди — Новосибирск, Самара, Екатеринбург, Калуга, Оренбург, Пермь, Ижевск. В конце 2017 года примет первых пациентов самый крупный в Европе высокотехнологичный центр медицинской радиологии в городе Димитровград Ульяновской области. В 2016 году начнутся первые пуски его ускорителя. Виала с радиофармпрепаратом. «ПЭТ Технолоджи» Для проведения ПЭТ-диагностики необходимы радиофармпрепараты, поэтому медицинские центры сосредоточены вокруг их производства. Так, РФП, производимые в городе Елец Липецкой области, доставляют в Тамбов, Курск и Липецк. Осталось озвучить цену вопроса. На сайте «ПЭТ-Технолоджи» объявлена акция до начала зимы: стоимость ПЭТ/КТ-диагностики — 39 600 рублей. Но сети ядерной медицины необходимы хорошо обученные специалисты. Кто они? Где и чему надо учиться?

Медицинские физики

Большинство медицинских физиков сегодня занимаются вопросами лучевой диагностики и терапии и работают на онкологию. Они должны хорошо разбираться в сплаве наук, на которых основана ядерная медицина, иметь навыки обращения с современным диагностическим оборудованием. Хотя еще в советское время физики-ядерщики и инженеры привлекались к работе в онкологических диспансерах, и с 1993 года существует Ассоциация медицинских физиков России, но официальный статус специальность «медицинский физик» получила только в 2000 году. Сейчас разработаны программы обучения, озвучены высокие требования к профессии. Медицинский физик — это специалист с высшим образованием в области физики, математики, механики, электроники или электротехники, работающий в сотрудничестве с медиками. Поэтому он должен разбираться не только в ядерной физике, но и в медицинских приложениях своей профессии. Уровень современных технологий настолько высок, что врачу при проведении лучевой терапии не обойтись без помощи медицинского физика. Он должен не только уметь рассчитывать дозы облучения для диагностики и лечения, но и обеспечивать радиационную защиту пациента, всего персонала и окружающей среды. Нельзя забывать и о психологической подготовке такого специалиста, которому придется работать и с тяжелобольными людьми.

Куда пойти учиться

1. МГУ имени М.В. Ломоносова. Физический факультет. Кафедра медицинской физики

Первые три года студенты кроме общих курсов по физике и математике получают дополнительное образование по биофизике и основам биологии и медицины. Студенты смогут работать на установках, осваивая физические методы медицинской практики. Участие кафедры предполагается в новом Медицинском центре МГУ. Налаживаются связи кафедры с ведущими медицинскими институтами и центрами, в частности с МНИОИ им П.А. Герцена, где студенты будут проходить преддипломную практику и выполнять дипломные работы. Форма обучения: очная

Сайт кафедры

2. НИЯУ МИФИ. Факультет экспериментальной и теоретической физики. Кафедра №35 «Медицинская физика»

На кафедре студенты получат фундаментальную подготовку в области физики, теоретической физики, высшей математики, вычислительной техники, электроники и современных методов визуализации изображений. Совместно с ведущими медицинскими и научно-исследовательскими центрами страны сотрудники и студенты кафедры проводят исследования в области ЯМР-диагностики, лучевой терапии, разрабатывают аппаратуру и методики для лазерной медицинской диагностики, ведут работы по созданию отечественного позитронного томографа и современных локаторов раковых опухолей. Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр

Сайт кафедры

3. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций

Программа бакалавров и магистров по направлению 010700 — «Физика» (магистерские программы подготовки: «Физика атомного ядра и элементарных частиц» и «Медицинская ядерная физика») — включает подготовку в области экспериментальной ядерной физики и физики элементарных частиц, а также в области применения ядерно-физических методов в науке, технике и медицине как в теории, так и на практике. В ПИЯФ и НИИЭФА кафедра имеет филиалы, где организовано индивидуальное обучение студентов старших курсов на уникальном научном оборудовании и под руководством ведущих научных сотрудников этих институтов. Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр

Сайт института

4. Обнинский институт атомной энергетики (ИАТЭ), НИЯУ МИФИ. Факультет естественных наук. Кафедра радионуклидной медицины

Кафедра готовит специалистов для высокотехнологичных отраслей ядерной медицины — радиоизотопной диагностики и терапии различных заболеваний у человека. Форма обучения: очная. Степень: бакалавр + магистр

Сайт кафедры

5. Химический факультет МГУ. Кафедра радиохимии совместно с «ПЭТ-Технолоджи» и GE Healthcare

Программа повышения квалификации в области позитронно-эмиссионной и компьютерной томографии. Предлагает обучение по дисциплинам «Радиохимия для сотрудников центров ПЭТ/КТ», «Радиология» и «Медицинская физика для сотрудников центров ПЭТ/КТ».

  1. Сайт кафедры
  2.  Ольга Баклицкая

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector