物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学⑤物理医学诊断与治疗技术

物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学

⑤物理医学诊断与治疗技术

物理学在现代医学中已获得广泛的应用并构成了现代医学的重要基础，无论是疾病的预防、诊断、治疗，还是病因病理分析都离不开物理学技术、原理和方法。物理学极大地促进了医学的发展，各种现代化的医疗装备都是物理新技术的结晶，现代医学对物理学的依赖程度已越来越高。医学物理学就是把物理学的原理和方法应用于人类疾病预防、诊断、治疗和保健的交叉学科。物理学新成果与医学的结合逐渐形成了许多新的医学分支学科，如超声医学、放射医学、核医学、激光医学、低温医学、影像医学及生物医学工程学等。一些常规的医疗器械如医用无影灯、反光镜、显微镜及化验分析仪器也都利用了物理学原理。以下将从治疗和诊断两个方面介绍物理学在医学中的应用。

一、 物理医学治疗技术

医学治疗分为物理治疗、化学治疗、心理治疗和生物学基因治疗，心理治疗和生物学基因治疗目前还处于辅助地位。化学治疗即药物治疗。物理治疗则依赖于医疗器械，它是利用某些物理装置、器具以及生物体对光、电磁场、声波、放射性粒子等外界物理因素的响应，来消除病灶、实现康复的一类医疗方法。

1.红外 紫外 微波治疗

某些波段的红外线照射能使病灶产生光化效应和热效应，从而增强细胞组织的活力，凝固蛋白质，抑制细菌、病毒的繁衍，促进组织恢复正常功能,达到治疗目的。

中长波紫外线的适度照射可使皮肤中的脱氧胆固醇转变为维生素D，而维生素D能增强人体对钙磷的吸收，促进骨骼的生长发育，所以儿童经常晒太阳能预防佝偻病。UV-A（波长约320~400nm）、UV-B（波长约280~320nm）波段能够治疗风湿性关节炎和白癜风、玫瑰糠疹等皮肤病, UV-A能抑制银屑病表皮细胞的增殖。

微波是介于红外线与超短波之间的高频电磁波。人体由各种有机与无机化合物组成，体内K^-、Na^- 、Ca^- 、Mg^{2 +} 、Cl^-、P、Fe^{2 +} 等多种无机离子在微波电磁场中会产生振动并与周围媒质相摩擦, 人体内蛋白质、脂肪等分子电偶极子在微波电磁场中也发生振动或急剧旋转摩擦，产生热效应。除热效应外, 还存在非热效应，如在电场作用下细胞膜两侧的带电粒子浓度及膜的通透性会改变。微波具有强的穿透性，能在组织深部促进细胞的新陈代谢，增强血液循环，降低感觉神经的兴奋，从而达到消炎止痛、消肿的作用。微波在妇科（尤其是子宫肌瘤）、外科、皮肤科、肛肠科、耳鼻喉科、风湿关节病治疗等方面有许多应用。

2.电疗和磁疗

低频脉冲电流主要有增强和放松肌肉、促进局部血液循环、镇痛消炎消肿、活化神经、调节消化等作用，对于扭挫伤、腰背痛、颈椎病、肩周炎、关节肿痛、坐骨神经痛、腹部减肥等有疗效。

磁疗是利用磁场作用于人体治疗疾病的方法。在2000多年前，我国西汉时代就已利用磁石（Fe₃O₄）治病。磁疗具有止痛、消炎消肿、镇静解痉、降压降脂等作用，其适应症为扭挫伤、积压伤、外伤性血肿、肩周炎、关节炎、乳腺小叶增生、麦粒肿、咽炎、牙龈肿痛、神经性头痛等。磁疗方法很多，常用的有以下三种：磁片贴敷法、旋转磁疗法和磁疗机。

3.激光治疗

激光具有方向性强、亮度高、单色性和相干性好的特点，在60年代初激光器发明后的次年就被应用到医学上。目前，激光技术在医学上的应用发展迅速。研究表明，激光与生物体作用会产生多种效应：（1）热效应当激光照射到生物体组织上，会被生物组织吸收转变为热能，由于能量密度高，故可在几毫秒内使被照部位局部升温200~1000°C，使病变组织凝固、分解,甚至熔融和气化。（2）压力效应 光照射到物体上时，会对物体产生机械压力，称为光压。激光能量密度高，能产生很大的辐射压力，使已产生热效应的生物组织迅速被破坏。（3）光化效应 细胞内存在多种色素，因此生物体对激光的不同波长具有选择吸收的特性。用适当波长的激光照射，可使生物组织有较强的吸收，促使某些光化反应的发生，起到杀死病毒和细菌或者产生刺激细胞的作用。（4）电磁效应 高功率激光可产生较强的电磁场，使生物体分子、原子发生电离，从而破坏细胞生长。实际上，上述生物效应往往同时存在。一般认为激光正是通过这些生物效应达到治疗效果的。

目前激光已在皮肤科、五官科、口腔科、妇科、肿瘤科、外科、骨科、心脏内科、脑科以及美容等方面开展了临床应用，形成了全新的医学分支——激光医学。下面简要介绍一些激光治疗技术。

利用激光的热效应和压力效应，可以通过气化、烧灼而清除病变组织，起到传统手术刀的作用，称之为激光刀。激光刀有很多优点：简便易行、手术时间快、出血少，有止血作用（血液快速凝固），能封闭小血管和淋巴管（有利于防止肿瘤细胞扩散）；手术切缘锐利、平整，可作各种形态的切口，无声响、无震动；非接触性,不会引起细菌感染，对一些操作困难的部位实施手术尤为方便；能量集中、精度高、伤口小、痛感小，对周围正常组织不会造成损伤。激光可以直接烧灼病变部位而达到治疗目的，如治疗鼻炎、慢性咽喉炎、舌根部淋巴组织肥大、咽异感症等。 用低功率激光照射穴位称为激光针灸，对疼痛、风寒、气滞血瘀、血虚等有很好的疗效。通过光纤将激光引入血管，照射血液，使血液中的蛋白质分子构象发生改变，从而降低血液粘度、抑制血栓形成。可以采用光纤导入激光束到动脉管内，将堵塞部位“打孔”、消融血栓。采用激光瞬时照射的热效应,使人体的创伤口或血管刚好达到熔融状态而未气化, 起到“焊接”作用，可以代替传统外科缝合手术,且不易发炎,术后恢复快。利用激光还可以“焊接”损伤的骨骼。心脏病患者由于动脉血管内有胆固醇或有钙质晶体的沉积而使血液受阻,以致心肌局部缺血、梗塞以至坏死。还可以用激光直接在左心室壁上打孔，“再造”血管通道,让左心室的富氧血液直接流经再造血管, 把心室中的血液引向心肌缺血区域，改善供血状况。先给病人注射一种光敏药物，再用激光通过光纤进入肿瘤部位，药物吸收激光引起接触组织内的细胞生物分子链发生断裂,从而切断肿瘤供血并将其分裂成碎片气化。

此外，用激光还可以治疗眼疾（如白内障、视网膜脱离、青光眼、视力矫正等）、牙病。适当剂量的激光能加速肌肤的血液循环、去除皱纹、修复损伤皮肤、治疗牛皮癣和白癜风，还能消除色斑、血斑、胎记、黑痣、疤痕等。近年来美国科研人员开发了一种无痛微型激光麻醉器,它以激光脉冲在病人皮肤的上层表皮上烧一个直径2 毫米深20 微米的小洞,不伤及神经组织,不会有任何痛感,使液体麻醉药直接进入体内。这一新的麻醉方法深受医护人员和病人的欢迎。

4.超声治疗

超声波是一种弹性机械波，与电磁波不同。超声波可以进入任何弹性材料（不论气体、液体或固体）包括人体，而且不受材料的电导率、导热率和透光性等性能的影响。超声波频率高、波长短，具有很好的定向传播特性。超声波发生器中的一个关键元件是超声换能器，它由具有压电效应的材料制成。所谓压电效应是指某些晶体或陶瓷受外力作用变形时，在两个端面产生异号束缚电荷的现象（电效应）。反之，将压电材料置于交变电场中，则会发生伸-缩振动，称为逆压电效应。用压电材料制成的元件（超声换能器）可以实现声能（机械能）和电能的相互转换，起到产生和接收超声波的作用。

超声波广泛地用于医学诊断和治疗。超声治疗的机理还不是很清楚，一般认为超声与人体组织作用将产生多种效应：

（1）机械振动效应 超声的高频振动，能破坏组织间的结合力，产生碎裂。

（2）空化效应 生物组织或液体经超声波辐照，内部会出现微小气泡（空化核），空化核在周期性交变的声压作用下作高频脉动、振荡，体积急剧膨胀、收缩，直至破裂，局部产生高温、高压（上千个大气压），从而改变生物组织的结合状态，或引起生物化学反应。

（3）热效应 由于生物组织对超声波的吸收，超声能量转化为热能，使组织温度升高，若采用声聚焦，局部温度可升高100多度。超声波能引起生物组织的某些物理或化学性质的改变，谓之触变效应，如使血液粘滞性降低、血浆变稀、血球沉淀等。超声波还能提高膜的渗透作用，使药物分子更易于吸收利用，称之为弥散效应。除此之外，超声波的生物效应还有多种，而且在超声治疗或手术中，往往同时存在多种生物效应。

因其无创特性，超声治疗技术已广泛应用于眼科、理疗、消化、普外等各个临床领域中。例如，利用超声波的热效应、机械效应等,用聚焦或非聚焦声束对疾病部位进行“加热”和机械刺激来治疗某些疾病（称超声理疗）。超声理疗对于治疗某些皮肤病、坐骨神经痛、关节炎、骨伤、脑血栓及促进伤口愈合等都有较好的效果.用聚焦超声可对体表及体内深部的癌肿加温至42～43 ℃，可抑制某些癌细胞的生长,甚至杀死癌细胞。将药物加入超声耦合剂中,通过超声作用,使药物经皮肤或粘膜组织透入人体内，可以用于治疗硬皮病、慢性结节性红斑及许多皮肤病等。利用超声空化作用,将药物变成微细的雾状颗粒,通过呼吸道进入,直接作用于病灶，适应于各种急慢性呼吸道疾病、鼻炎、哮喘、肺结核以及慢性阻塞性肺部疾病等.用聚焦后的超声波束产生的机械破坏作用及空化作用，可以进行无创性的肿瘤治疗（粉碎肿瘤、杀伤癌细胞），使体内结石（胆结石、肾结石）等碎裂而自行排出体外，还能击碎血栓以减少血液流动的障碍。眼睛中的白内障可以通过超声波进行破碎。此外还有超声洁牙、利超声美容等。

5.放射性治疗

放射性药物用于治疗主要是利用射线对机体组织的各种生物效应，抑制和破坏肿瘤细胞的生长、扩散以达到治疗的目的，这就是放射疗法，简称“放疗”。放疗最早使用的放射线是X射线，后来又使用放射性同位素产生的β、γ射线，以及各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束和重离子束等。放疗方法如今已有很多，大致分为外照射和内照射。外照射是将放射源与病人身体保持一定距离进行照射，放射线穿过皮肤和正常组织到达肿瘤。内照射是将放射源密封置于人体的腔内（如舌、鼻、咽、食管、气管和宫体等部位）、组织内、肿瘤内或肿瘤表面进行照射，即采用腔内、组织间插植及模型敷贴等方式进行治疗。

6.粒子手术刀

人体某些部位的疾病，如脑部肿瘤的治疗，对常规外科手术来说难度很大。为此，人们研制了各种粒子手术刀。前面介绍的激光刀是其中之一，这里要介绍的是γ刀、X射线刀、电子束刀、质子刀。

（1）γ刀

激光束、X射线和γ射线都是光子束，只是波长不同或光子能量不同而已。所谓γ刀就是用γ射线作为“手术刀”来“切除”肿瘤特别是人体脑部肿瘤。

1951年，瑞典神经外科医生莱克塞尔（L.Leksell）提出立体定向放射外科手术思想：用许多束经过准直的γ射线，从不同方向射向脑瘤，这样在交点处的剂量很强，而其它正常组织所受的影响就很小了，如图11-7-1。

γ刀是一种融现代物理学、放射生物、医学影像、计算机、智能自动化控制等多学科门类于一体，以治疗人体颅脑疾病为主的大型高科技放射外科治疗设备。其基本原理是采用核磁共振显像方法将颅内病灶精确定位，将201束γ射线经多角度精确聚集照射病灶，一次性大剂量摧毁病灶组织。

γ刀手术的优点是：（a）无手术创伤，不存在出血、感染等情况，术后并发症轻微或几乎没有；（b）定位精确，安全可靠，对病灶周围的脑组织损伤很小；γ刀可通过其它刀无法通过的禁区，将特殊部位的脑瘤切除；（c）整个手术（γ射线照射）只要20分钟，手术后病人即可下床活动，住院时间很短，甚至在门诊即可完成手术。

（2） 电子束刀和X射线刀

电子直线加速器是利用电场将电子枪发射的电子加速到很高能量，并使其沿直线运动的加速装置。这样的高能电子束可直接用于医疗，也可利用它打到靶上所产生的X射线来治疗癌症等疾病，这种用途的电子直线加速器称为医用电子直线加速器。医用电子直线加速器是一种大型精密的、自动控制的、目前最常用的放射治疗设备，能根据需要提供不同能量（4~25MeV）的高能电子束和高能X射线供治疗用。

高能电子束适合浅层和中层肿瘤的治疗。电子束刀的主要特点是：（1）电子束能量可以调节。（2）一定能量的电子束进入人体后有一定的射程，即进入的最大深度。在射程外，电子束能量迅速衰减。因此，根据肿瘤位置，选用适当能量的电子束，可以保护深于肿瘤的健康组织。

X射线刀是将医用电子直线加速器加以改造、利用它提供的高能X射线进行立体定向放射外科治疗装置。高能X射线有较强的穿透能力，且表层和骨组织吸收少，因此适合深层肿瘤的治疗。

（3）质子刀

放疗中最理想的剂量分布是，放射线的所有能量集中于肿瘤区，以杀死癌细胞，而散布到周围组织的能量应尽可能地少，以免伤害正常细胞，但要做到这一点却不容易。科学家发现，在各种放射线中，质子束的剂量分布特性十分理想。在人体中，质子束能量衰减的特点是：先慢后快，在射程末端处能量骤然衰减。利用这一特性，在治疗肿瘤时，可以通过调节质子束的能量使其停止在肿瘤的指定位置，达到对肿瘤组织的最大杀伤，而肿瘤前面的正常组织损伤很小，肿瘤后面的正常组织则不受影响。就对正常组织的损伤而言，质子刀明显优于γ刀、电子束刀和X射线刀。

二、物理医学诊断技术

物理诊断是利用物理学原理和技术设计的装置，采集人体各个层次上的信息，为获得临床诊断结论提供定性或定量分析数据与图像的方法，其重点是无创伤的影象诊断。在医学上，利用物理学原理和技术制造的医学诊断仪器装备品种很多。下面将对几种先进的物理诊断技术特别是医学影象技术作一简介。

1.利用生物电磁效应的诊断技术

（1）心电图

心脏本身的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活动。将测量电极放置在人体表面的一定部位，体表心电经电极、导联线送至心电图机，记录两个测量点间的电位差，并将其值描记在以时间为X轴、以电位差值为Y轴的坐标系中，得到的心脏电变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图(ECG)。正常心电图上的每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的。当心脏因缺血受损或坏死时，心电活动的变化（表现出各个波形的异常）能正确及时地反映在心电图上，从而为医生诊断心律失常、心室肥厚、急性缺血、心肌梗塞等心脏疾病提供可靠依据。心电图机主体可分为输入回路、导联选择、放大电路、描笔驱动和走纸部分，现代心电图机通常还有程控部分。

（2）脑电图

脑电图（EEG）是通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录的一种曲线图。脑电图对脑部疾病有一定的诊断价值，但受到多种条件的限制，需要结合患者的症状、体征、其他实验检查来综合分析。脑电图对诊断癫痫、判断脑部器质性病变，特别对判断是精神病还是脑炎等其他疾病造成的精神症状很有价值，对诊断脑肿瘤或损伤有一定帮助。普通检查难以确定的轻微脑外伤，脑电图可能发现异常；

（3）心磁图
心磁图（MCG）是心脏无创伤性检查领域的新技术。心磁图法的原理是通过极为敏感的超导量子介入探头对在心动周期中心电活动引起的微小磁场进行测定，从而判定心脏有无病变以及病变的位置和程度等。这是一种低温超导与计算机技术结合的高科技方法。与现行的检查方法相比，它既避免了有创伤检查（如冠脉造影）操作难度大且有一定危险性的弊端，又使无创伤检查的灵敏度（如运动心电图）有所提高。怀疑有冠脉病变（胸痛、胸闷等）但心电图（ECG）并无异常改变的患者，可以通过MCG对心肌缺血程度做进一步检查和诊断。

（4）脑磁图

脑磁图（MEG）是直接探测大脑神经功能活动的最新技术，是一种完全无侵袭、无损伤的脑功能检测技术。MEG的检测过程是对脑内神经电流发出的极其微弱的生物磁场信号进行直接测量。MEG具有高灵敏度(能测量极微弱的脑磁信号)、高时间分辨率(能实时测量功能神经活动)、高空间分辨率(能作功能区或病灶定位)等特点。脑磁图系统的技术核心是低温超导技术，其中有两个反向串联线圈组成的超导传感器，当有磁力线穿过时就会在线圈内产生稳恒感应电流。在超导状态下，线圈的电阻完全消失。这样的组合系统能检测远小于一个磁通量子的磁场变化，故足以测量出大脑皮质中枢神经活动所产生的磁场。它记录的原始数据是头皮各处的磁场转换成的电压-时间曲线，另一种记录方法是显示某一时刻头皮各处的磁场强度曲线。MEG可用于诊断脑瘤、脑血管病、轻度脑外伤、偏头痛、癫痫、酒精中毒、突发性耳聋、耳鸣、痴呆、Parkinson症、抑郁症等。MEG可以完全无创性检查胎儿神经系统的各种功能，对研究先天性脑瘫、智力发育障碍以及癫痫疾病病因和防治方法十分重要。MEG可用于精神病的早期发现，研究精神分裂症。

2.激光诊断

激光不仅用于治疗，也广泛地用于诊断。利用激光的特性，人们开发出了各种各样的激光诊断仪器。

根据激光在光纤表面全反射的原理制成的各种激光光纤内窥镜（胃镜、肠镜、支气管镜等）为相应部位的疾病诊断提供了可靠依据。通过内窥镜可直接观察到人体各器官的病灶，并施以相应治疗。该镜一般前方有光源、光学镜头以及取样和治疗装置，后方有接收器、处理器及成像系统，光纤起连接和信息传输功能。内窥镜可分为无创伤性和创伤性两种，前者直接插入与外界相通的腔道（如消化道、呼吸道）；后者通过切口送入密闭的体腔（如胸腔、腹腔、关节腔等）。在显微成像技术配合下可观察到细小病变图像, 并可采用CCD电视摄像获得记录完整的彩色照片或电视图像,同时能在直观的情况下在腔道内采集标本、清除异物、止血、注射药物、通过灼烧或气化切除病变组织。

利用激光的高强度特点，能从物质或细胞中激发出较强的光谱，从而检测细胞内的分子结构或组分。根据这一原理研制出了一系列用于医学基础研究和临床诊断的新型分析仪器，如肿瘤诊断分析仪、激光流动式细胞计、激光拉曼光谱仪、激光荧光光谱仪。利用激光的高相干性和偏振性，已开发出激光全息眼底摄影仪、激光脑颅分析仪、激光干涉视力测定仪、激光衍射细胞分析仪、激光散斑分析仪、激光偏振仪等。这些仪器分别用来测试血液、尿液和人体其他组织成分、微量元素的含量以及识别细胞是否病变或癌变等。激光光学层析（断层）造影（OT）技术正在兴起，势将成为替代X－CT的新兴的医疗诊断技术。

3.红外热象诊断

一切物体都在不停地向外辐射红外线，辐射能量的大小与波长的分布根体表温度有关，人体亦不例外。因此，通过对人体红外辐射能量的测量，便能准确测定体表温度。人体各部位的温度是不尽相同的，利用红外热像仪，还能得到体表温度及温度场的分布图——热像图。在患病期间，全身或局部的热平衡遭到破坏，皮肤、粘膜表面温度的细微变化会在热像图上显示出来，据此可以确定病灶的部位和病变程度。这种方法已应用到内、外、妇、儿、五官及皮肤等各科。

4.超声诊断

自1942年首次用超声技术扫描脑部结构以来，人们开发了各种超声诊断和治疗仪器，超声在医学领域的应用不断扩展， 理论研究日渐深入，并形成了超声医学。超声诊断已由一维发展到三维，由静态发展到实时，出现了A型、B型、M型及D型等多种扫描模式，回波信息大大增加，体内的病灶愈加清晰易辨。

超声诊断的物理基础是超声波的界面反射。人体组织是复杂的超声传播介质，其声学性质各异，于是组织边缘就成了反射界面。超声探头发射脉冲式的超声波通过两相邻组织的界面时，一部分被反射，另一部分透过界面继续前进，到下一个界面再反射。反射波进入换能器，转换成交变电压加到示波器上，屏幕上便出现一个反射脉冲。最早使用的A型显示（A超），就是显示这种脉冲回波。通过分析回波幅度的分布可以获得组织的特征信息。移动超声探头，做超声束扫描，便能了解整个界面的情况。后来对A型显示作了改进，用多个条式压电陶瓷片列成一横排而成为阵列，构成多阵元探头，再配上适当的电子线路，将脉冲回波显示为光点，光点的明暗代表回声信号的强弱，以此反映界面情况，这就是B超即B型显示。当脏器发生病变时，必然会产生新的界面，通过B超就可在荧光屏上显示出来。

X光摄影得到的是体内纵向投射的阴影像，可检查骨骼或一些固体异物情况，而对一般脏器（软组织）中的病变却分辨不清，必须依靠B超或X-CT显像技术。B超得出的是纵切面的结构像，在切面方向没有重叠，可以准确判断切面的情况。与X-CT相比，B超还有简单、便宜、无损伤等优势。B超和X光已成为两种相互补充的常规检查手段。

血流速度的测定对脑循环、心血管疾病的诊断非常重要。20世纪50年代，人们开始将多普勒效应应用于医学，80年代利用超声多普勒效应成功测量了血流速度。从此无需切开皮肤，在血管中插入导管来测量血流，在体外便能实现无损测量。图11-7-4是多普勒超声血流计的原理示意图。频率为的超声波由探头（换能器）I发出，被血流中的红细胞反射后，探头（换能器）II接收到的频率为。设血流速度为v，超声束与血流方向的夹角为θ，超声波在人体组织中传播的平均速度为u，可以证明测到的多普勒频移为

测出，便可算出血流速度v。在实际应用时，因为，所以

在人体内，不只血流有多普勒效应，任何运动着的器官都有。因此，超声多普勒效应还可以用于研究心脏的运动、测量胎儿的心音等方面。

图11-7-4 多普勒超声血流计原理图

5.X射线诊断

1895年伦琴在研究稀薄气体放电时发现了X射线，并公布了他妻子的手指骨的X光像片，仅3个月后X射线就应用于临床医学研究。

X射线透视是一种简便而常用的检查方法。X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。透视时需将患者的被检查部位置于X射线管球与荧光屏之间,直接在屏上进行观察。优点是方便、可以立刻得到结果，还可任意转动病人，从不同角度观察人体器官的形态、大小及运动功能。其缺点是没永久性记录供隔期对比观察，且对微小病灶的分辨力较差。另外，患者所接受的辐射剂量比较多。

人体不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度也就不同，透过人体的X射线投射到照相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像，这就是X射线摄片的基本原理。摄片的优点是器官结构显示清晰，分辨力高于透视，胶片可长期保存，供以后参考。X光片也只能提供一个各层结构的重叠影象，当病变与各层组织密度差别不大时，就不易辨别，而且不能给出定量分析结果。

为了克服X射线摄片的不足，1972年CT技术问世。CT是Computed Tomography（计算机断层扫描）两个首写字母，它为医学成像技术开辟了新的领域。XCT指X射线计算机断层扫描。普通X射线照片上的影像是身体各层组织前后重叠的复合影像，被掩遮、重叠的病灶有时显示不清。断层摄影装置可使某一预选的身体层面的组织结构显示清晰，而使前后与之重叠的组织阴影模糊，可以将病变区以立体的、高分辨率的形式显示出来，并作出定量分析。

XCT是利用X射线对人体某个部位进行逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得二维和三维图像。XCT设备是以测定人体组织对X射线的吸收系数为基础的，目的是将待测部位各断层上的各立方体小单元（体素）的吸收系数全部求出，并用图像表示出来。

CT机扫描部分主要由X射线管和不同数目的探测器组成，分别安装在被扫描组织的两侧，用来收集信息。当X线束沿某方向穿过选定层面时，该方向上的各体素均对X线有吸收，被吸收的总量等于该方向上所有体素吸收量的总和，探测器可以探测到这种吸收。再将X射线管（连同探测器）沿垂直X线束的方向逐步平移，对所选择的层面进行扫描。一次扫描可得一组方程。然后，将X射线管与探测器一起，绕患者旋转一定角度，重复上面的操作，又可得到一组方程。如此反复，直到在180度范围内完成全部数据采集。求解所得到若干组方程，便可得知各体素的吸收系数。由于方程个数成千上万，必须借助于计算机。实际做法是，探测器将收集的X射线信号转变为电信号，再经模／数转换器转换成数字，输入计算机储存和处理，从而得到该层面各体素的吸收系数，并排列成数字矩阵。数字矩阵经数／模转换器转换，在显示器上以不同颜色或不同灰度表示各体素的吸收系数大小，即为该层的横断图像。图像可用多幅照相机摄于胶片上。这就是CT技术的基本原理。利用现代CT技术可检查全身几乎所有器官，清晰地显示它们的各种断面，轻微的病变也能反映出来，比X摄线摄影的分辨率高了一个数量级。

6.放射性诊断

（1）放射性核素示踪诊断

放射性核素的示踪诊断方法是，病人口服或静脉注射含有某种特定的放射性核素标记的药物，当这种药物进入人体某种脏器后，其所发射的γ射线能穿出体外，通过显像仪器可以观察放射性核素在人体脏器中的分布情况，从而诊断出病变。还可以测量脏器中或血管中药物浓度随时间的变化，以检查病人的脏器功能。

（2）ECT和PECT

CT技术诞生后不久便与核技术结合，产生了所谓的发射型CT（ECT）。ECT是在XCT基础上发展起来的，两者的影像重建原理基本相同，但在显像基础和用途上各有特点。前面介绍的XCT是透射型CT，在成像过程中测定的是X射线通过人体后的衰减情况，根据不同衰减来分析病变。ECT是通过口服或注射放射性药物在体内引入放射源，在成像过程中测定的是引入的放射源从体内发射出来的射线强度，最后获得的是体内某断层面的放射性核素的密度分布图像，根据密度分布来分析病变。ECT利用γ探测器在体外从不同角度采集体内放射性核素分布的数据，再通过计算机把放射性核素的密度分布（即病变）在三维方向显示出来。这与前面介绍的放射性核素示踪诊断相同，不同的是，这里配以计算机处理，可得到断层面上的放射性核素的密度分布。

目前使用的ECT有两类：一是单光子发射型CT（SPECT），测量的是放射性核素（如等）发射的单γ光子；二是正电子发射型CT（PECT，又简称为PET即正电子断层照相），是专门用于衰变核素显像的。引入体内的衰变核素（如，，及等）会释放正电子，这些正电子在体内引起正负电子湮灭而发射一对γ光子， PECT就是通过检测这些γ光子实现断层成像的。PET 分辨率高, 是目前惟一的活体分子生物学显示技术,还可以从基因水平对疾病作出早期诊断。PET 不但可以获得人体局部的断层图像,而且还可以获得全身各个方向的断层图像和立体图像, 特别对于肿瘤的转移观察和复发的监测有重要意义。PET代表目前核医学的最高水平。

7.磁共振成像（MRI）

MRI（磁共振成像）是magnetic resonance imaging 的三个首写字母。磁共振成像的基本原理是核磁共振。我们知道，原子核由核子（质子和中子）组成，核子也像原子中的电子一样，有自旋运动。由质子和中子构成的原子核也有自旋且自旋角动量大小和方向是量子化的（不连续）。原子核有自旋磁矩，该磁矩的大小和方向也是量子化的。在外加磁场中，核磁矩与外磁场相互作用会产生附加能量。该附加能量与磁场大小成正比，而且与磁矩方向和磁场方向的夹角有关。由于磁矩有多个不连续的方向，则对应多个附加能量。这样在原有的某个核能级上再加上这几个附加能量，就使得该核能级分裂成多个对应的能级。如果再在与磁场垂直的方向上加上一定频率的电磁波（一般是射频范围），电磁波的能量等于这些相邻能级的能量差时，处于低能级的核将吸收电磁波能量而跃迁到相邻的高能级上。这种在外磁场中，原子核吸收特定频率电磁波的现象叫核磁共振（从经典物理观点看，是外来电磁波的频率与核的固有频率相等发生共振）。例如氢核即质子，它与磁场相互作用有两个正负等值的附加能量。当氢核磁矩方向与外磁场方向一致时，附加能量为负，使其能量降低，氢核处于基态；反之处于激发态。在1T的磁场中，电磁波的频率为42.56MHz（短波无线电波长范围）时，氢核可以产生共振吸收从基态跃迁到激发态。当去掉射频电磁场时，激发态氢核将退激回到基态，发出电磁辐射。这种电磁辐射能够在环绕待测物的线圈上感应出电压信号。该信号就是核磁共振信号简称NMR信号

由于磁场，包括交变电磁场可以进入人体，而人体的大部分（75%）是水（一个水分子有两个氢核），还有碳氢化合物。这些水以及富含氢的分子的分布可因种种疾病而变化，所以可以利用氢核的核磁共振来进行医疗诊断。射频电磁波对人体无害，磁共振仪中的磁场一般小于1T，对人体也没有伤害。

1973年，MRI被用于医学临床检验，这是继CT之后医学影像学的又一重大进步。图11-7-5是MRI的基本原理：将人体置于静磁场中，用射频电磁波激励受检部位的某种原子核，使其产生共振吸收。去掉射频场后，该原子核向外辐射特定频率的电磁波，进而在线圈中感应出NMR信号（电压信号），再经过转换和计算机处理，便可获体内病变信息。只要在三个方向都加上有梯度的稳定磁场，以及用一个宽频的射频电磁波，由核磁共振成像就可以获得任意断层面的三维立体图像，故又称为磁共振CT。原则上，人体组织中的各种原子核都能用于磁共振成像。但氢核含量最大，所获得的NMR信号强度比其他核种强得多，因而成为MRI的首选核种。人体不同组织以及同一组织在病变前后，其含水量是不一样的即氢核密度不同，因此NMR信号强度有差别，这种差异可作为区分各种组织和判断组织是否病变的依据。

图11-7-5 磁共振仪原理框图

激发态氢核除通过辐射跃迁退激之外，还可把能量传递给周围的核或晶格，以非辐射跃迁的方式返回低能态，这一过程称为核磁弛豫。核磁弛豫有两种：一是自旋-晶格弛豫即激发能变成晶格热运动的能量，达到平衡的特征时间即为弛豫时间，用T₁表示；二是自旋-自旋弛豫即把激发能转移给另一个同类核，弛豫时间用T₂表示。人体各种组织的T₁和T₂值是不同的。

可见，正常组织与病变组织的NMR信号强度既与氢核数密度ρ有关，还与T₁和T₂有关。实际检测时可得到三种图像：第一种是密度图像，NMR信号只取决于ρ；第二种是T₁加权图像，NMR信号由ρ和T₁共同决定；第三种是T₂加权图像，NMR信号由ρ和T₂共同决定。到底用哪种图像，就看哪一种能更好地区分正常组织和病变组织。例如，正常肝组织的密度图像及T₂加权图像跟肝癌的相差无几，但它们的T₁加权图像差别明显，因而使用T₁加权图像。

MRI几乎能用于全身各系统的不同疾病，如肿瘤、炎症、创伤及各种先天性疾病的检查，能清楚、全面地显示心室、心肌、心包及心内其它细小结构，是诊断各种心脏疾病和检查心功能的可靠方法。它可给出隐藏在头骨、脊椎骨、软骨下的脑部、脊髓等软组织的高清晰图像。与X—CT 和B 超相比，MRI获得的人体内部信息更多，尤其是对于脑部病变和早期肿瘤病变的诊断，更具有优越性。MRI被认为是21世纪最有前途、最先进的影像技术。

8.三维中子成像

2004年在美国召开的医学物理学家年会上，美国Duke大学的C.Floyd教授领导的研究组首次展示了他们利用中子形成三维图像的新技术。他们之所以使用中子，是因为与相同能量的其他粒子相比，一方面，中子的穿透深度较大，可以探测到其他粒子达不到的禁区内的组织结构；另一方面，中子对人体内的化学元素具有极好的分辨能力。C.Floyd教授的研究组将这种新技术称为“中子受激辐射断层摄影术（neutron stimulated emission computed tomography，简称为NSECT）。NSECT是用1~10MeV能量的快中子照入人体，引起体内的原子核辐射出γ射线，根据这些光子的特征能量就可反映出体内不同深度处原子核的化学特性。初步计算表明，对胸部肿瘤作一次精确诊断所需的辐射剂量相当于一次早期胸部肿瘤X射线检查的剂量。由于微量示踪元素的浓度在良性与恶性肿瘤组织内部具有明显的差别，根据组织体内化学元素浓度的变化，中子能在肿瘤开始形成以前分辨出它的生理特征，而不必等到肿瘤形成以后再使用切片或其他常规诊断方法来确诊。

物理学极大地促进了医学的发展。我们相信物理学在医学中将会获得更多的应用，并为医学的发展做出更大贡献。