Jakie i czy w ogóle są jakieś powiązania fizyki z medycyną?

Relacje między fizyką i medycyną są bardzo liczne, ścisłe oraz długotrwałe. Znaczna ilość odkryć fizyki, tych z dawnych czasów ale także i z tych obecnych, pozwoliło wyjaśnić i zrozumieć kilkanaście problemów medycznych (budowa ciała, fizjologia). Również przełożenie ich przez inżynierię biomedyczną na praktyczne wykorzystanie kliniczne, dało wiele bardzo złożonych oraz bardzo skutecznych metod instrumentalnych i maszyn diagnostycznych, terapeutycznych oraz rehabilitacyjnych. W związku z tym fizyka dała początek rozwoju współczesnej medycyny oraz tworzenie się techniki medycznej. Za aktualny poziom medycyna powinna podziękować nie tylko lekarzom oraz biologom ale w dużej mierze właśnie fizykom oraz inżynierom, którzy inspirowali oraz budowali te sposoby jak również maszyny. Sprawiedliwość domaga się by, zauważyć iż najczęściej inspiracje medyczne były punktem wyjścia dla prac naukowych oraz konstrukcyjnych fizyków oraz inżynierów. Te wspólne inspiracje pozwoliły na ogromnie cenne społecznie zarówno dla praktyki medycznej jak również i nauki.

To jak istotną i ważną role w medycynie pełni fizyka, może świadczyć również nazywanie głównego badania lekarskiego, stanowiącego podstawowy kanon postępowania diagnostycznego, badaniem fizykalnym. Analiza fizykalna opiera się na ocenie stanu zdrowia pacjenta biorąc pod uwagę wiadomości o budowie oraz czynnościach organów ciała, takich jak: kształt, temperatura, zabarwienie powłok, rozmiary, twardość, ruch (w tym drgania). Dane te otrzymane bezpośrednio sposobami fizycznymi przy pomocy analiz, które wykorzystują zmysły lekarza (słuch, powonienie, wzrok, dotyk,) dokonanych na powierzchni organizmu pacjenta. Interesujące jest również to, że analizy fizykalne na ogół nie potrzebują żadnych elementów (oprócz oczywiście fonendoskopu).

W Anglii, gdzie po raz pierwszy wprowadzono określenie "fizyka medyczna", pojęcie "physician" określające lekarza, pokazuje jakie bliskie są powiązania fizyki i medycyny.

W przeszłości kilkunastu fizyków zajmowało się medycyną oraz tyle samo medyków zajmowało się fizyką. Również aktualnie są takie przypadki, tylko, że częściej fizycy zajmują się medycynę. Określenie fizyka medyczna pojawiło się już na początku XIX wieku. Inicjatorem przypuszczalnie był wykładowca fizyki dla studentów medycyny, Szkot Neil Arnott, który urodził się w 1788 roku w Forfar. Był on również autorem pierwszego podręcznika fizyki dla medyków. Do jego zasług zalicza się również zdawanie obowiązkowo egzaminów na Uniwersytecie Londyńskim przez adeptów medycyny z takich przedmiotów jak fizyka czy chemia

Pierwsza publikacja książkowa, która ukazała się na kontynencie europejskim, była książką Adolfa Ficka (1829-1901). Zajmował się on fizjologią, słynnego twórcy prawa transportu masy. Książka nosiła tytuł "Fizyka Medyczna" (Medizinische Physik)i została wydana w Zurichu w 1856 roku.

Nazwa "Fizyka medyczna" budzi niejednokrotnie sprzeciw pewnej grupy fizyków, którzy myślą, iż fizyka jest jedna i nie potrzebuje wykorzystywania przymiotnika. Określenie "medyczna" nie definiuje innej fizyki ale pokazuje tylko obszar gdzie występuje, oraz gdzie stosowane są jej prawa. Wskazuje na jej nieodzowną obecność w podstawach medycyny współczesnej. Nie zawsze jednak zdawano sobie z tego faktu.

Również bardzo ciekawą rzeczą jest to, iż od samego początku postępu fizyki medycznej, jak również inżynierii biomedycznej, gdy dyscypliny naukowe nie były tak bardzo zróżnicowane jak aktualnie, tematami biologii, medycyny czy fizyki zajmowali się wyłącznie przedstawiciele kilku ówczesnych dyscyplin. Powodowali oni także przekraczanie naruszenia czyichkolwiek kompetencji, niewyraźną granicę między biologią oraz naukami ścisłymi.

Próby zdefiniowania procesów biologicznych oraz mechanizmów życiowych, były podejmowane na przykład 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, definicja komórki jako określenie najmniejszej jednostki życia) oraz kilku innych. Trzeba także napisać takie nazwisko znanego lekarza jak Tomas Young (zagadnienia sprężystości, moduł Younga).

Za ojca fizyki medycznej oraz inżynierii biomedycznej jako dyscyplin naukowych, część z osób uważa Hermana von Helmholtza (1821 - 1894), profesora fizjologii, patologii oraz anatomii na Uniwersytecie w Heidelbergu i profesora fizyki na Uniwersytecie w Berlinie (od 1871 roku). Byli oni klasycznymi przykładami integralnego traktowania fizyki oraz medycyny.

Zapoczątkowanie nowej fizyki oraz inżynierii biomedycznej jako dyscyplin naukowych oraz specjalności zawodowych było odkrycie promieniowania X przez Konrada Wilhelma Roentgena w 1895r. Jak również pierwiastków promieniotwórczych polonu oraz radu przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie w 1898r. Odkrycia te wykorzystane zostały od razu w praktyce medycznej, zapoczątkowały współczesną diagnostykę radiologiczną, radioterapię oraz medycynę nuklearną, posiadających do dzisiaj ogromny udział w metodach instrumentalnych diagnostyki oraz terapii medycznej. Wartość maszyny medycznej, która wykorzystuje promieniowanie jonizujące, przewyższa 50% wartości wszelkich maszyn medycznych umieszczanych w zakładach opieki zdrowotnej.

Analizy radiologiczne zalicza się do najczęściej dokonywanych analiz diagnostycznych. Dla 60% przypadków są podstawowymi analizami obrazowymi; dla pozostałych 20% są analizami zalecanym jako uzupełniające. Zatem prawie 80% pacjentów podlegają diagnostyce radiologicznej, mimo szybkiego postępuj innych sposobów diagnostyki obrazowej, stosujących promieniowanie niejonizujące, między innymi ultradźwięki (USG) czy magnetyczny rezonans jądrowy (MRI).

Trzeba wziąć pod uwagę złożoność metod radiologicznych, koszty aparatury oraz możliwe zagrożenie pacjenta ze strony promieniowania jonizującego, które ciągnie za sobą niezbędność wykorzystywania zabezpieczeń oraz pomiarów dawek. Bardzo wcześnie dodano do zespołów lekarskich ludzi z przygotowaniem fizycznym, a później nawet z przygotowaniem technicznym. Zadaniem fizyków oraz inżynierów medycznych było przede wszystkim obsługiwanie skomplikowanych urządzeń oraz nadzór użytkowaniem ich oraz zapewnieniem bezpieczeństwa analiz. W zakresie przede wszystkim zabiegów radioterapeutycznych jednym z ważniejszych zadań było planowanie naświetlań zewnętrznych oraz wewnętrznych.

Pierwszym wielkim fizykiem, który pracował w szpitalu wśród lekarzy, był S. Russ w Midlessex. Zatrudniony został on w Londynie w 1910r. Mniej więcej w tym samym momencie na oddziale radioterapii szpitala w Monachium zatrudniono fizyka F. Voltz. Natomiast później, w czasie I Wojny Światowej, jako rentgenolog w wojskowych szpitalach polowych zatrudniona była jako wolontariuszka M. Skłodowska -Curie. Był to okres w historii gdy wspomagano medycynę innymi nielicznymi oraz bardzo nieskomplikowanymi urządzeniami, które były w stanie zmieścić się w podręcznej torebce. Oprócz takich urządzeń do użytku szpitali oddawano również zestawy rentgenowskie oraz elektrokardiografy z galwanometrem strunowym jako detektorem biopotencjałów serca.

Ogromne zainteresowanie fizyką medyczną na początku zdominowane było przez tematy powiązane przede wszystkim z aplikacjami promieniowania rentgenowskiego oraz izotopów promieniotwórczych. Później dopiero zwróciły się one w stronę pozostałych zagadnień między innymi zaliczyć do nich można: czynność bioelektryczna tkanek oraz organów, oddziaływanie fal elektromagnetycznych, w tym podczerwieni, ultrafioletu, jak również ultradźwięków na organizm żywy. Istotnym zainteresowaniem fizyków medycznych jest diagnostyka laboratoryjna, szczególnie oparta na badaniach sposobami fizycznymi materiału biologicznego pobranego wcześniej od pacjenta .

Postęp technik przemysłowych oraz kosmicznych, a w szczególności wojskowych stworzył w latach 60 - tych nowe postępy w medycynie. Utworzyła się konieczność transferu tych technik do medycyny. Jednocześnie w postępującej medycynie utworzyły się bariery do których pokonania konieczna była technika. W takim momencie narodziła się inżynieria biomedyczna. Rosnąca oferta przemysłu na dostawę ciągle polepszanych maszyn medycznych zakładom opieki zdrowotnej wymagała większego wkładu pracy inżynierów do zespołów medycznych. Inżynieria biomedyczna zajęła pewną część tematów wchodzących do tego czasu w zakres fizyki medycznej.

Spektakularne wyniki diagnostyczne oraz ogromne sukcesy terapeutyczne aktualnej medycyny są możliwe na skutek codziennej wspólnej pracy lekarzy z fizykami oraz inżynierami i przede wszystkim dużego potencjału środków technicznych. Według tradycyjnego podziału, sposoby oraz urządzenia wykorzystywane w medycynie da się następująco podzielić na:

-diagnostyczne

-terapeutyczne

-rehabilitacyjne

Sposoby fizyczne oraz maszyny wykorzystywane w diagnostyce, przydają się nam do określania wartości wielkości fizycznych, generowanych przez tkanki oraz organy cechujących czynne własności ciała ludzkiego (potencjał czynnościowy, ruch, siła) i wielkości fizycznych, chemicznych oraz biologicznych cechujących bierne własności organizmu, jego organów oraz tkanek (budowa tkanek, skład chemiczny, stężenia elektrolitów, długość, kształt, budowa ciała, itp.).

Określenie cechujących czynne własności organizmu ludzkiego opierają się przede wszystkim na pomiarach sygnału generowanego przez organizm (np. elektrografie: ekg, emg, eeg). Natomiast wyznaczenie biernych właściwości ciała ludzkiego potrzebuje na ogół wykorzystania środka penetrującego ciało takiego jak ultradźwięki (USG), światło (mikroskop optyczny), prąd elektryczny (badania elektroimpedancyjne), promieniowanie jonizujące (X albo jądrowe), pole elektromagnetyczne (MRI) itp.

Sposobami fizycznymi oraz przyrządami w terapii, wymusza się, wspomaga albo zatrzymuje pewne procesy biologiczne lub usuwa się niechcianą tkankę (głównie chodzi tu o tkankę nowotworową), przy pomocy zewnętrznego środka fizycznego takiego jak ciepło , zimno, siła, ruch, promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące (promieniowanie X, cząsteczki naładowane), niejonizujące (diatermia, światło podczerwone lub ultrafioletowe), prąd elektryczny itp. By przywrócić zdrowie.

Sposoby fizyczne oraz przyrządy rehabilitacyjne, tak samo jak terapeutyczne posiadają na celu poprawę stanu zdrowia pacjenta, a jeżeli to możliwe, to przywrócenie go to stanu zdrowia jaki miał zanim zachorował, zanim rozpoczął leczenia. Rehabilitacja jest w związku z tym typem postępowania leczniczego. Stosuje ona ogromną ilość metod oraz przyrządów terapeutycznych.

Bardzo drogie, trafiające do medycyny w coraz to znacznej ilości, nowe środki techniczne diagnostyki oraz terapii, by móc później racjonalnie zostać zastosowane oraz by nie zagrażały pacjentom wymagają właściwego i przede wszystkim uważnego użytkowania. W związku z tym jest potrzeba wspierania personelu medycznego kadrą specjalistów o przygotowaniu fizycznym oraz inżynieryjnym.

Aktualnie co roku na całym świecie trafia sprzęt medyczny o wartości przekraczającej 10 mld dolarów (1999r.). Ta ogromna ilość środków technicznych diagnostyki oraz terapii potrzebuje fachowej oraz przede wszystkim odpowiedzialnej obsługi, a szczególnie systematycznej kontroli sprawności i bezpiecznego użytkowania.

Niewiele osób wie, iż po raz pierwszy kształcenie na wyższym poziomie fizyków medycznych oraz inżynierów medycznych zaczęto w Polsce, na Politechnice Warszawskiej, na Wydziale Elektrycznym w 1946r. Organizatorem oraz twórcą tych studiów był fizyk, uczeń prof. Pieńkowskiego oraz M. Skłodowskiej -Curie, prof. Cezary Pawłowski.

W dzisiejszych czasach nie ma granica między fizyką medyczną a inżynierią biomedyczną. Zakres tematów, które są domeną każdej z tych dyscyplin uzależniona jest od tradycji otoczenia oraz lokalnych potrzeb klinik czy innych zakładów ochrony zdrowia .

Aktualnie przyjęło się, iż fizyka medyczna zawiera zagadnienia związane z analizami naukowymi, które dotyczą oddziaływania promieniowania jonizującego na organizmy ludzkie (radiobiologia, radiosterylizacja) oraz praktyką medyczną, w których stosuje się to promieniowanie w celach diagnostycznych oraz terapeutycznych wraz z ochroną radiologiczną personelu medycznego czy pacjenta. Natomiast przyrządy generujące promieniowanie jonizujące oraz niejonizujące wykorzystywane w technologii obrazowania organów wewnętrznych (diagnostyka radiologiczna, MRI, USG) czynnych oraz biernych właściwości elektrycznych tkanek organizmu, oddziaływanie na organizm żywy promieniowania elektromagnetycznego niejonizującego wykorzystywanego w terapii głównie w fizykoterapii, przyrządów do analiz laboratoryjnych oraz wielu innych maszyn diagnostycznych oraz sprzętu medycznego jest domeną inżynierii biomedycznej.

Ludzie o przygotowaniu fizycznym jak również inżynierskim są tak samo niezbędne lekarzom w codziennej praktyce medycznej. Wykorzystanie złożonych przyrządów oraz sposobów diagnostycznych i terapeutycznych potrzebuje ogromnej znajomości oraz umiejętności wykraczających poza programy nauczania lekarzy, oraz wiedzy którą posiadają fizycy czy inżynierowie.

Aktualnie medycyna jest ogromnie nasycona technologią. Główne wartościowanie zakładu opieki zdrowotnej, w odczuciu społecznym, są teraz nie tylko kwalifikacje personelu lekarskiego czy pielęgniarskiego ale głównie stan techniczny sprzętu medycznego. Bardzo ciężko wyobrazić jest nam sobie by szpital w dzisiejszych czasach był w stanie działać racjonalnie bez uczestniczenia w procedurach diagnostycznych oraz terapeutycznych bez udziału fizyków czy inżynierów medycznych.

Aktualnie pod względem organizacyjnym radiologiczne jak i nieradiologiczne sposoby oraz przyrządy diagnostyki obrazowej są traktowane łącznie oraz zaliczane są do czynności Zakładów Diagnostyki Obrazowej, które zatrudniają nie tylko lekarzy ale również fizyków, inżynierów.

Wykorzystywane w medycynie sposoby oraz przyrządy stosujące zjawiska fizyczne da się rozdzielić na dwie zasadnicze grupy. Celem pierwszej grupy jest pomiar wielkości generowanych przez ludzkie ciało. Natomiast celem drugiej grupy jest wyznaczenie wielkości cechujących bierne właściwości fizyczne ciała ludzkiego i materiału biologicznego pobranych próbek. Jest to wtedy możliwe, gdy wartości konkretnych wielkości należą do pierwszej grupy.

Rejestracja sygnałów biologicznych generowanych przez ciało ludzkie, elektrycznych, mechanicznych czy chemicznych w formie pomiaru konkretnych wielkości fizycznych - diagnostyka.

Pomiar biernych właściwości ludzkiego organizmu elektrycznych oraz mechanicznych, spektrometria częstotliwościowa; analiza ilościowa chemiczna na ogól sposobami fizycznymi oraz pomiar fizycznych składników ludzkiego ciała(spektroskopia optyczna, masowa, NMR) przede wszystkim diagnostyka laboratoryjna.

Oddziaływanie czynnikiem fizycznym na organizmy żywe (promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące oraz niejonizujące )to:

-świtało widzialne oraz uv, korpuskularne

-hadrony (ciepło, zimno, wibracje) przede wszystkim terapia ale również diagnostyka, generacja, rozkłady pola energii, dawkometria, ochrona;

-Obrazowanie

-Elektrografia

-Mechanografia

Część wypowiedzi Grzegorza Pawlickiego, profesora fizyki na uniwersytecie w Białymstoku

Rola fizyki w budowie oraz wykorzystaniu przyrządów medycznych

Radiografia cyfrowa

Podstawowy obraz radiograficzny ma postać analogową i jest otrzymywany na ogół na kliszy rentgenowskiej. W tej formie może być oglądany oraz badany od razu przy pomocy negatoskopu albo po zamianie (poprzez skanowanie laserowe) na obraz cyfrowy, przy pomocy monitora. Obraz w formie cyfrowej jakkolwiek zubożony o część informacji posiada taką zaletę, iż może być przetwarzany, jak to się dzieje w opisanych dalej nowych sposobach wizualizacji i jest łatwo archiwizowany.

Nowe przyrządy rentgenowskie zaopatrzone są w tak zwane tory wizyjne zbudowane ze wzmacniacza obrazu, kamery wideo, łączącego je układu optyczne i komputer, pozwalają otrzymać obraz cyfrowy od razu w czasie rzeczywistym. To daje nam możliwość wizualizacji nie tylko budowy ale również czynności organów, a w szczególności układu krążenia. Możliwość uzyskiwania oraz przetwarzania radiologicznych obrazów cyfrowych definiowane jest jako radiografia cyfrowa.

Tomografia wspomagana komputerowo

Stosowana potocznie nazwa tomografia komputerowa, prawidłowo powinno używać się sformułowania tomografia wspomagana komputerowo, jest to metoda obrazowania następnych przekrojów (zwykle) poprzecznych względem osi ciała pacjenta. Charakteryzuje ją dokładność oraz drobiazgowość w przedstawianiu szczegółów budowy ciała przewyższająca na ogół radiografię, przy małym obciążeniu pacjenta dawką promieniowania

Obrazowanie przy pomocy promieniowania jądrowego

Właściwość tkanek do selektywnego gromadzenia pewnych substancji podawanych pacjentowi dożylnie, albo drogą oddechową (przez inhalacje), jest punktem wyjścia dla wizualizacji organów, a w szczególności ich czynności metabolicznej sposobami medycyny nuklearnej. Materiały te nazywane są radiofarmaceutykami, znakowane izotopami promieniotwórczymi, po podaniu są następnie odnajdywane w ciele ludzkim przy pomocy detektorów promieniowania, w formie rozkładu aktywności.

Obrazowanie przy pomocy pola magnetycznego

Obrazowanie sposobem rezonansu magnetycznego opiera się na zastosowaniu magnetycznych właściwości jąder atomowych przede wszystkim atomów wodoru czyli protonów. Właściwości magnetyczne protonów są następstwem spinu oraz powiązanego z nim momentu magnetycznego. Wodór, który znajduje się w przeróżnych związkach ma duży udział wśród pierwiastków, które tworzą składniki ciała człowieka i zarazem relatywnie ogromny moment magnetyczny. Powoduje to, że jest najsilniejszym źródłem sygnału spośród wszelkich jąder. Pod tymi względami jest bardzo atrakcyjny dla obrazowania budowy oraz czynności organów.

Obrazowanie za przy pomocy biomagnetycznego

Sposób ten nazywany magnetografią, powoduje, że możemy mamy zobrazowane czynności mózgu albo innych organów, z dokładnością lokalizacji zmian (na przykład ogniska epilepsji) z dokładnością do kilkunastu milimetrów. Ta niewielka dokładność lokalizacji potrzebuje skorelowania wyników z wynikami analiz innymi sposobami.

Ultrasonografia

W ultrasonograficznym (a dokładniej trzeba by było powiedzieć ultrasonicznym, zastrzegając przyrostek graficzny dla obrazów zarejestrowanych na papierze) sposobie obrazowania stosowane są ultradźwięki. Wiadomości o budowie oraz czynności ruchowej organów otrzymuje się na skutek odbicia wiązki fal ultradźwiękowych (efekt echa) od różniących się własnościami fizycznymi struktur tkankowych albo zmiany ich częstotliwości (efekt Dopplera) od ruchomych części organów w penetrowanym obiekcie. Są również sposoby transmisyjne, ale nie posiadają one dużego znaczenia w diagnostyce medycznej. Warto wspomnieć, iż powstanie oraz postęp ultrasonografii medycznej był stymulowany osiągnięciami wojskowymi, w dziedzinie radarów oraz sonarów.