Fizyka w medycynie

1. Fizyka w medycynie V LO Bożena Lasko

2. Fala elektromagnetyczna • Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor indukcji magnetycznej B), prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. • Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię. • Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo (Wielkości te zależą od siebie). Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza fali. • Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka.

3. Typy promieniowania

4. Promieniowanie gamma • Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10 -10 m. • Związana jest z nim bardzo duża energia • Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach.

5. Radioterapia • Obecnie w radioterapii stosuje się niemal wyłącznie promieniowanie o bardzo dużej energii. Promieniowanie to wnika głęboko w ciało pacjenta i naświetla zainteresowany obszar. Promieniowanie przechodząc przez tkanki człowieka jonizuje je i może nastąpić śmierć komórki lub zahamowanie procesów rozmnażania. Napromieniowany obszar to guz i najbliższe węzły chłonne ponieważ właśnie przez węzły chłonne następują przerzuty do innych części ciała. Okazuje się, że tkanka nowotworowa w stosunku do tkanki zdrowej ma bardzo małą zdolność do regeneracji uszkodzeń wywołanych działaniem promieni gamma. • Promieniowanie o wysokich energiach nie ulega też wybiórczemu pochłanianiu w kościach i chrząstkach, dzięki czemu zmniejsza się ryzyko popromiennego uszkodzenia tych struktur. • Rzadziej źródło jest umieszczone wewnątrz ciała pacjenta. Wtedy izotopy podajemy dożylnie lub doustnie wprowadzając je do wnętrza organizmu. • Do leczenia promieniami zewnętrznymi, jako źródło źródła promieniowania gamma najczęściej wykorzystuje się aparat kobaltowy (bomba kobaltowa) wykorzystujący promieniowanie izotopu kobaltu lub bomby cezowe wykorzystujące izotop cezut. • Do leczenia miejscowego niewielkich zmian nowotworowych położonych w narządach takich jak oskrzela, przełyk, narząd rodny, mózg używa się również źródła irydowego,. • Do wytwarzania wysokoenergetycznych wiązek elektronów stosuje się akceleratory liniowe (jest to przyspieszacz czyli urządzenie przyspieszające naładowane cząstki). Bomba kobaltowa Symulator - określanie miejsc będących naświetlanych promieniowaniem gamma

6. Promieniowanie rentgenowskie widok ręki żony Roentgena otrzymany na kliszy fotograficznej z pomocą odkrytego przez Roentgena promieniowania Schemat lampy rentgenowskiej • Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku W.C. Roentgen (pierwszy laureat Nagrody Nobla z fizyki) i nazwał promieniowaniem X • promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. • Pierwszy mechanizm to -przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania • Drugi mechanizm emisji tego promieniowania związany jest z procesami wzbudzenia i jonizacji atomów ośrodka (anody) przez uderzające w anodę elektrony.

7. RTG • W metodzie tej wykorzystane jest zjawisko różnego pochłaniania promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki ciała. Szczególnie duża różnica jest między pochłanianiem tkanek miękkich i kości. • Przechodzące przez ciało promieniowanie powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej w stopniu zależnym od natężenia tego promieniowania. • Kość wykazuje znacznie większą zdolność absorpcji (pochłaniania) promieniowania niż otaczające ją tkanki miękkie, dzięki czemu widoczna jest na kliszy jako miejsce niezaczernione • Badania rentgenowskie nie są obojętne dla zdrowia, ponieważ ok. 99% promieniowania jest pochłaniane przez organizm

8. Arteriografia • W badaniach radiologicznych stosuje się również związki kontrastowe czyli substancje, które silnie pochłaniają promieniowanie rentgenowskie. • Do tętnicy najczęściej tętnicy udowej lub tętnicy ramiennej wprowadza się cewnik naczyniowy przez który do krwi wstrzykuje się rozpuszczalny w wodzie środek kontrastowy, który dociera do regionu organizmu podlegającego badaniu , a następnie wykonuje się serię zdjęć rentgenowskich. Pozwala to na uwidocznienie naczyń, ich odgałęzień i zmian chorobowych w nich występujących. • Niekiedy w trakcie badania wykonuje się zabieg angioplastyki lub implantacji stentu w miejscu zmiany chorobowej. • Najczęściej wykonuje się arteriografię: aorty, tętnic nerkowych, naczyń mózgowych i tętnic wieńcowych. zdjęcie tętnic mózgowych Arteriografia tętnic podstawno-kręgowych Cewnik naczyniowy

9. Tomografia komputerowa • Tomografia w skrócie CT (computedtomography) polega na wykonywaniu wykonywaniu kolejnych zdjęć rentgenowskich sterowanych komputerem badanego narządu w różnych płaszczyznach i pod różnym kątem. Pozwala to uzyskać warstwowy obraz, przedstawiający bardzo dokładnie nawet niewielkie zmiany chorobowe. • Tomograf komputerowy składa się ze stołu, na którym leży pacjent, gantry, w której znajduje się lampa promieniowania rentgenowskiego wraz z detektorami oraz z komputerowej konsoli, na której programuje się i ogląda badania. • Promieniowanie rengenowskiePromieniowanie rengenowskie, przechodząc przez poszczególne tkanki ciała pacjenta, ulega osłabieniu. Stopień osłabienia promieniowania zależy od rodzaju tkanki, np. przechodząc przez kości - fala rentgenowska ulega silnemu osłabieniu, natomiast przechodząc przez powietrze - osłabienie to jest minimalne. Dzięki temu zjawisku można dobrze zróżnicować między sobą poszczególne tkanki w ciele pacjenta. • Czasami, w celu dokładniejszej oceny danego obszaru, pacjentowi podaje się dożylnie odpowiedni środek kontrastowy (osłabiający promieniowanie rentgenowskie). Podanie badanemu takiego środka powoduje, że fale rentgenowska jest prawie całkowicie pochłonięta w tych tkankach (np. naczynia żylne) a na ekranie komputera widzimy jasne pole, odpowiadające w tym przypadku naczyniom żylnym wypełnionym środkiem kontrastowym Zdjęcie tomograficzne głowy na poziomie oczodołów

10. Promieniowanie nadfioletowe • Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowy ( w skrócie UV) • Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. • Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. • Lampa kwarcowa - rodzaj lampy wyładowczej, w której źródłopromieniowania nadfioletowego powstaje poprzez wzbudzenie par rtęci bądź gazów szlachetnych pod wpływem pola elektrycznego. Lampa ta jest wykonywana ze szkła kwarcowego, które w niewielkim stopniu pochłania promieniowanie tej długości. • W lampie jarzeniowej rura wyładowcza wypełniona jest parami rtęci. Kiedy prąd elektryczny płynie przez pary rtęci, zaczyna wydobywać się promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie pada na luminofor, którym pokryta jest rura od wewnątrz i pobudza go do świecenia przez fluorescencję. • Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. wywołuje jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. • Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, a także powietrze

11. Zastosowanie UV • Promieniowanie z zakresu o największej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach szkodliwe i stosuje się je klinicznie w leczeniu niektórych dolegliwości skóry, jak np. łuszczycy. • Promieniowanie UVC ze względu na dużą częstotliwość i energie niesiona przez falę wykorzystuje się w warunkach laboratoryjnych do sterylizacji czyli odkażania i zabijania chorobotwórczych mikroorganizmów jak np. bakterii. • Najbardziej aktywny biologicznie jest obszar promieniowania UVB. W odpowiednich dawkach ma on działanie przeciwkrzywiczne – wytwarza w organizmie witaminę D, jak również wzmaga odporność organizmu na infekcje i choroby.

12. Promieniowanie podczerwone • Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym • Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne Już w temperaturze kilku kelwinów ciała emitują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie dalekiej podczerwieni, ciała o temperaturze pokojowej emitują najwięcej promieniowania o długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty cieplejsze emitują więcej promieniowania i o mniejszej długości, co pozwala na ich łatwe wykrycie.

13. Zdjęcia termowizyjne • W medycynie możliwe jest poznanie rozkładu temperatury skóry człowieka. • Zazwyczaj miejsca zmienione chorobowo mają nieco wyższą temperaturę niż tkanka zdrowa, więc długości fal, na które przypada maksimum emisji, są nieco krótsze niż długości fal emitowanych przez zdrową tkankę i wysyłają więcej promieniowania. • Na zdjęciach otrzymuje się rozkład temperatury. Kolory cieplejsze odpowiadają wyższym temperaturom. • Zdjęcia termowizyjne wykorzystane są w różnych sytuacjach np. do wykrywanie raka piersi, wykrywania i lokalizacji stanów zapalnych, reumatycznych, oparzeniowych i zmian alergicznych, diagnostyki podczas operacji rozbijania kamieni nerkowych, badania układu krążenia, diagnozowania zmian miażdżycowych w kończynach czy też kontroli temperatury schłodzonego serca podczas jego operacji. Zdjęcie termowizyjne, widoczne jest wyraźne podwyższenie temperatury spowodowane zapaleniem nerwu

14. Wzmacniacz kontrastu żył • By podać lek, pobrać próbkę krwi czy podłączyć kroplówkę, trzeba się najpierw wkłuć do żyły. Bywa to trudne zwłaszcza u osób otyłych czy u dzieci, które mają małe naczynia krwionośne. A im szybciej nastąpi dokładne wkłucie, tym lepiej dla chorego. Szczególnie jest to potrzebne, gdy trzeba udzielić pomocy ciężko rannemu. • Skutecznym rozwiązaniem może być zastosowanie urządzenia zwanego "wzmacniaczem kontrastu żył" Opracował je Herbert Zeman z University of Tennessee w Memphis w 2004 roku. • Kamera pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni (o długości fali 740 nanometrów) wychwytuje obraz wideo żył pacjenta, komputer podwyższa kontrast obrazu, a elektroniczny projektor rzutuje obraz żył na skórę. • Podczerwień emitują diody LED, otaczające soczewkę kamery. Bliska podczerwień jest silnie pochłaniana przez krew, zaś rozpraszana przez otaczające tkanki. Kamera widzi czarne naczynia na jasnym tle mięśni i tkanki tłuszczowej. • Obraz w kolorze zielonym, z komputerowo zwiększonym kontrastem jest rzutowany na skórę w to samo miejsce, które widzi kamera, poprzez półprzepuszczalne lustro ustawione pod kątem 45 stopni. Wybrano zielone światło, gdyż nie zakłóca działania czujnika podczerwieni. • Obraz żył odpowiada rzeczywistości z dokładnością do 0,06 milimetra, można je uwidocznić do głębokości 8 milimetrów pod skórą.

15. Spektralny tomograf optyczny oka • Tomograf optyczny pozwala na otrzymywanie obrazu oka przez analizę światła podczerwonego rozproszonego w elementach jego struktury. • Fala odbija się od poszczególnych warstw oka, wraca do urządzenia i jest analizowana. • Obraz przekroju wybranego fragmentu oka, czyli tomogram, pojawia się na monitorze. Pozwala on uzyskać doskonały obraz rogówki, siatkówki, tęczówki i soczewki oka. • Właśnie w ten sposób można zdiagnozować między innymi uszkodzenia i choroby rogówki, dokładnie dopasować soczewki kontaktowe. Daje to również szansę na szybsze wykrywanie niektórych chorób, na przykład zwyrodnienia plamki związanego z wiekiem, a także odkrywanie rzeczy nowych. Tomogram czyli przekrój przez plamkę żółtą oka zdrowego człowieka wykonany nowym urządzeniem, kolory oznaczają natężenie światła odbitego od danej warstwy

16. Światło laserowe • Światło laserowe ma ściśle określoną długość fali (fala monochromatyczna), jest spójne (cała wiązka ma taką samą fazę) i można je wytwarzać w postaci silnie skupionych wiązek o średnicy nawet rzędu długości fali tego promieniowania. Ta ostatnia cecha pozwala na ogromne zwiększenie gęstości mocy wiązki, co z kolei daje możliwość skupienia dużych ilości energii na minimalnym obszarze.

17. Zastosowanie lasera chirurg wprowadza wiązkę lasera argonowego przez wąski przewód do ucha pacjenta w celu usunięcia nowotworu powstałego pomiędzy uchem a mózgiem. • Ostra wiązka laserowa stosowana jako skalpel chirurgiczny umożliwia przeprowadzanie czystych cięć w tkankach, a przez przypalanie rany zmniejsza krwawienie. Takich bezkrwawych zabiegów można dokonywać na narządach silnie ukrwionych, jak wątroba, płuca czy mózg. • Laserem można usuwać tatuaż lub zabarwienia skóry w miejscach różniących się współczynnikiem absorpcji od miejsc sąsiednich • W stomatologii stosuje się najczęściej do fizykoterapii przy chorobach dziąseł (światło o odpowiedniej barwie korzystnie wpływa na tkanki), ale również zamiast wiertła. Innym zastosowaniem lasera jest wybielanie zębów - przebarwienia bieleją pod wpływem silnego światła • W okulistyce, w mikrochirurgii ocznej do łączenia (koagulacji) odklejonej siatkówki z naczyniówką w oku ludzkim.. Zabieg polega na tym, że wiązkę laserową kieruje się przez źrenicę tak, aby soczewka skupiła ją w miejscu, w którym ma powstać koagulacja. Wiązka laserowa rozchodzi się bez dużych strat w elementach przezroczystych oka, a jest silnie pochłaniana przez nabłonek siatkówki. Silny, impuls świetlny wywołuje odczyn zapalny, w następstwie czego powstaje zrost, który "przykleja" siatkówkę do naczyniówki. • W biomedycynie-promieniowanie to pozwala na przeprowadzanie mikrooperacji wewnątrz pojedynczej komórki.

18. Zastosowanie lasera

19. Fale radiowe Fale długie, o bardzo małych częstotliwościach(3-300 kHz), rozchodzą się na olbrzymie odległości po liniach prostych, a w miarę oddalania od nadajnika ulegają coraz większym zakłóceniom. Fale średnie (częstotliwość 300 kHz-3MHz) mają zasięg do kilkuset kilometrów. Są używane do komunikacji radiotelegraficznej i w radiofonii . Fale krótkie o wysokiej częstotliwości (3-30 MHz) są przeznaczone dla radioamatorów. Fale ultrakrótkie o bardzo wysokiej częstotliwości (30-300MHz) mogą przenosić skomplikowane sygnały, np. muzykę stereo, program telewizyjny a także rozmowy przez telefony komórkowe. • Fale radiowe są rodzajem promieniowania elektromagnetycznego i od innych fal (np. rentgenowskich, czy światła widzialnego ) różnią się długością (od 1 cm do 100 km) oraz sposobem w jaki są generowane • Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym

20. Rezonans magnetyczny • Na jądra atomowe umieszczone w silnym polu magnetycznym można działać falami radiiowymi o ściśle określonej częstości. Jądra absorbują energię tych fal radiowych, a potem oddają ją - emitując fale o tej samej częstości. Zjawisko to zachodzi najłatwiej dla jąder wodoru, ponieważ są najlżejsze • Obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego polega na umieszczeniu pacjenta w komorze aparatu, w stałym polu magnetycznym o wysokiej energii. Silne magnesy wytwarzają jednorodne pole, które powoduje, że momenty magnetyczne lub inaczej spiny jąder wodoru (protonów) porządkują się w kierunku pola. • Jądra wodoru absorbują energię tych fal radiowych, zmieniają swój stan, a potem oddają energię emitując fale o tej samej częstości (zachodzi więc zjawisko rezonansu). Sygnały te odbierane są przez aparat i można precyzyjnie zlokalizować miejsce, w którym zachodzi emisja. Szybkość emisji zależy od typu cząsteczek i jest różna dla tłuszczów, białek, wody i innych bogatych w wodór związków, co pozwala rozróżnić typy i gęstości tkanek. • Odebranym sygnałom komputer przypisuje odpowiednią skalę szarości i na ekranie monitora telewizyjnego lub na zdjęciach widać obszary o różnym stopniu zaczernienia. Obraz uzyskany za pomocą MRI, przemieszczony dysk w kręgosłupie szyjnym (czwarty od góry) uciska rdzeń kręgowy

21. Fala mechaniczna • Fala mechaniczna – fala rozchodząca się w ośrodkach sprężystych poprzez rozprzestrzenianie się drgań tego ośrodka. Przykładami fal mechanicznych są fale morskie, fale dźwiękowe, fale sejsmiczne itd.

22. Ultradźwięki • Przeciętny człowiek słyszy dźwięki o częstotliwości od 16 do 16 000 Hz. Dźwięki o częstotliwości większej niż 20000Hz nazywamy ultradźwiękami. Słyszą je niektóre zwierzęta, na przykład nietoperze, delfiny lub również psy. • Na granicy dwóch ośrodków fizycznych, np. powietrza i wody, część fali dźwiękowej odbija się, a cześć przechodzi dalej. Jeśli fala przechodzi przez granicę dwóch ośrodków o różnych prędkościach rozchodzenia się następuje załamanie czyli zmiana kierunku rozchodzenia się fali. Na zjawisku odbicia i załamania fali dźwiękowej opiera się jedna z najczęściej stosowanych metod diagnostycznych - ultrasonografia zwana w skrócie USG. • Różnie można wytwarzać ultradźwięki np. • mechanicznie - układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki). Wykorzystują one drgania samego tworzywa albo przepływ gazów czy cieczy, • termicznie - poprzez wyładowania elektryczne w płynach i gazach, poprzez ciągle lub impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu.

23. USG • Wyemitowana fala, przechodząc przez ciało człowieka, wprawia w drgania napotkane tkanki. Gdy trafia na przeszkodę, na przykład granicę między różnymi strukturami anatomicznymi lub niejednorodności tkanki, takie jak zwapnienie, pęcherzyki gazów czy ciała obce, jej część zostaje odbita i wraca do źródła, część zaś podąża dalej aż trafi na kolejną przeszkodę. • Różnica gęstości ośrodków powoduje drastyczną zmianę kierunków rozchodzenia się fali. Właśnie dlatego przed badaniem lekarz nakłada na skórę specjalny żel, eliminując w ten sposób niepotrzebną ze względów diagnostycznych granicę między ośrodkami. Zamiast dwóch wyraźnych granic - na styku głowicy aparatu z powietrzem oraz powietrza ze skórą - mamy jedną dzięki odpowiednim własnościom żelu. Fala wnika prawie bez przeszkód w głąb ciała pacjenta. • Ultradźwięki są rozpraszane przez gazy, zaś w ośrodkach o dużej gęstości pochłaniane. Dlatego nie bada się w ten sposób płuc, trudno też badać żołądek i jelita, ponieważ zawsze gromadzą się tam gazy, także badanie kości lepiej wykonać inną metodą. Utrudnieniem jest też tkanka tłuszczowa, która tłumi fale dźwiękowe.

24. USG dopplerowskie • Zjawisko Dopplera polega na zmianie częstotliwości odbieranej fali przy wzajemnej zmianie odległości między źródłem fali a odbiornikiem. Podczas zbliżania częstotliwość fali jest wyższa, a podczas oddalania niższa. Różnica tych częstotliwości zwana jest przesunięciem dopplerowskim. Łatwo to zjawisko zaobserwować dla dźwięków. Jeśli samochód zbliża się do stojącego obserwatora to słyszymy dźwięk wyższy, jeśli oddala się to niższy. • To właśnie zjawisko wykorzystano w budowie specjalnych aparatów ultradźwiękowych, które umożliwiają ocenę przepływu krwi w naczyniach krwionośnych i sercu. • Ultradźwięki odbite od poruszającej się masy krwinkowej powracają do sondy z inną niż wyjściowa częstotliwością. Różnica tych częstotliwości jest podstawą uzyskiwania obrazów dopplerowskich. • Po komputerowym przetworzeniu otrzymanych podczas badania sygnałów można uzyskać kolorowy obraz. Jeśli jego barwa uzależniona będzie od kierunku przepływu krwi, lekarz otrzyma dodatkową ważną informację pozwalającą odróżnić na przykład krew żylną od tętniczej. Na ogół krew tętniczą wyświetla się kolorem czerwonym, a powracającą czyli żylną niebieskim. Możliwy jest także dokładny pomiar prędkości przepływu krwi i innych parametrów na specjalnym wykresie. Krew tętnicza (kolor czerwony) przepływa przez tętnicę szyjną zwężoną nieco przez blaszki miażdżycowe. Niebieski punkt oznacza zawirowanie krwi. Powyżej widać żyłę szyjną, którą krew wraca do serca (kolor niebieski

25. Źródło: • http://fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_wn3.html • http://fizyka.net.pl/aktualnosci/ciekawostki_m2.html • http://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_elektromagnetyczne • www.gim44.home.pl • http://fizyka-w-medycynie.friko.pl/radioterapia.htm • http://niewit.republika.pl/nadawanie_fal_radiowych.htm