فیزیک و کاربرد آن در پزشکی ؛ از ماهیت تا نقش فيزيک در تشخيص بيماری ها

فیزیک علم شناختن قانون های عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی است. کوشش های پيگير فيزيکدانان در اين راه سبب کشف بسياری از قانون های اساسی، بيان نظريه ها و آشنايی با بعضی پديده های طبيعی شده است. هرچند اين موفقيت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندک است ليکن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان اميد بسيار آفريده که انسان می تواند رازهای هستی را دريابد. انسان در يکی دو قرن اخير، با بهره گيری از روش علمی و ابزارهای دقيق توانسته است در هر يک از شاخه های علم، به ويژه فيزيک دنيای روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در اين مدت با دنيای بی نهايت کوچک ها آشنا شده، به درون اتم راه يافته تا انواع نيروهای بنيادی طبيعت را شناخته، الکترون و ويژگی های آن را دريافته و طيف گسترده امواج الکترومغناطيسی را کشف کرده است. فيزيک که تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مکانيک، گرما، صوت، نور و الکتريسيته را شامل می شد اکنون در اوايل قرن بيست و يکم در اشتراک با ساير علوم (مانند شيمی، زيست شناسی و…) روز به روز گسترده تر و ژرفاتر شده و بيش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگرفته است (دانشنامه فيزيک تعداد شاخه های فيزيک را ۳۳ مورد معرفی کرده است.)

فناوری

فناوری، چگونگی استفاده از علم، ابزار، راه و روش برای انجام کارها و برآوردن نيازها است. به عبارت ديگر فناوری به کارگيری آگاهی های انسان برای تغيير در محيط به منظور رفع نيازها است. اگر علم را فرآيند شناخت طبيعت تعريف کنيم، فناوری فرآيند انجام کارها خواهد بود.در گذشته مثلاً در کشور ايران تا حدود يک صد سال پيش، زندگی ساده و ابتدايی بود و کارها با ابزارهای ساده و روش های اوليه انجام می شد. کشاورزی، حمل ونقل، تجارت، ساختمان سازی با روش های سنتی و ابزارهايی که در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود صورت می گرفت. گرچه انسان به برخی از قانون های طبيعی دست يافته بود ليکن علم و عمل کمتر اثر متقابل در يکديگر داشتند. دانشمندان راه خود را می پيمودند و صنعتگران و ابزارکاران به راه خود می رفتند تا آنکه عصر جديد آغاز شد و تمدنی به وجود آمد که همه چيز در راه مصالح زندگی انسان و توانايی او به کار گرفته شد. در سال ۱۶۶۳ ميلادی «جامعه سلطنتی لندن» تاسيس شد و هدف خود را ارتقای سطح علوم مربوط به امور و پديده های طبيعی و هنرهای مفيد از طريق آزمايش و تجربه به نفع «ابنای بشر» انتخاب کرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاريس شکل گرفت و بر مفيد واقع شدن علم تاکيد فراوان شد. اعضای اين فرهنگستان برای هرچه به ثمر رساندن تحقيقات علمی در زندگی انسان، به تلاش پرداخته و از اين بابت حقوق دولتی دريافت می کردند.۱ در سال ۱۸۵۳ موزه علوم لندن با نام «هيات معتمدين دايره علم و هنر و موزه ملی علم و صنعت» گشايش يافت اما نزديک تر شدن علم و صنعت سبب شد که در سال ۱۸۸۲ بخش های مختلف اين موسسه در هم ادغام شود و سازمان جديدی با نام «دايره علوم کاربردی و تکنولوژی» تاسيس شود. علم، کوشش در جهت دانايی و فناوری تلاشی در جهت توانايی است. اين هر دو اثر متقابل در هم داشته اند. دانش سبب شد که ابزارها و روش ها کامل تر شوند و ابزارها نيز دقت انسان را در اندازه گيری ها و رسيدن به نتايج علمی بيشتر کرده است. اکنون بسياری از موضوع ها و مباحث فيزيک پيامدهای کاربردی داشته و عملاً در فناوری ها موثر بوده است. فناوری های ارتباطات، فناوری های حمل ونقل (خشکی، دريايی، هوايی و فضايی)،فناوری های توليد (کشاورزی _ صنعتی)، فناوری های استخراج انواع معادن و فناوری های ساختمان و انواع ماشين ها و فناوری های آموزشی وابسته به دانش مکانيک، الکتريسيته، الکترومغناطيس، ترموديناميک، فيزيک هسته ای، نورشناسی، فيزيک بهداشت، فيزيک پزشکی و… است. در اين مقاله فقط به نقش فيزيک در فناوری های بهداشت و درمان می پردازيم تا مشخص شود چه اندازه فيزيک در تشخيص و درمان بيماری ها و بهداشت محيط موثر است.

نقش فيزيک در تشخيص بيماری ها

پزشکان برای تشخيص بيماری ها از علم فیزیک برای طراحی و مبنای علمی ساخت انواع وسايل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسکوپ) تا دستگاه های بسيار پيچيده مانند ميکروسکوپ الکترونی، ليزر و هولوگراف که همه براساس قانون های فيزيک طراحی و ساخته شده استفاده می کنند. در اين قسمت به ساختمان و طرز کار برخی از آنها می پردازيم.

راديوگرافی و راديوسکوپی

راديوگرافی عکسبرداری از بدن با پرتوهای ايکس و راديوسکوپی مشاهده مستقيم بدن با آن پرتوها که این زیبایی و ارتباط عمیق فیزیک با پزشکی را نشان می‌دهد. در عکاسی معمولی از نوری که از چيزها بازتابش می شود و بر فيلم عکاسی اثر می کند استفاده می شوند در صورتی که در راديوگرافی پرتوهايی را که از بدن می گذرند به کار می برند. پرتوهای ايکس را نخستين بار در سال ۱۸۹۵ ميلادی، ويلهلم کنراد رنتيگن استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف کرد. اين کشف بسيار شگفت انگيز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه های جهان منتشر شد. جالب است که رنتيگن ، این استاد بزرگ فیزیک بر روی پرتوهای کاتدی کار می کرد و به طور اتفاقی متوجه شد که وقتی اين پرتوها، که همان الکترون های سريع هستند به مواد سخت و فلزات سنگين برخورد می کنند پرتوهای ناشناخته ای توليد می شود او اين پرتوها را پرتو ايکس به معنی مجهول ناميد. پرتوهای ايکس قدرت نفوذ و عبور بسيار زياد دارند. به آسانی از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهای سبک مانند آلومينيوم می گذرند، ليکن فلزهای سنگين مانند سرب مانع عبور آنها می شود. اشعه ايکس از استخوان های بدن که از مواد سنگين تشکيل شده اند عبور نمی کنند در صورتی که از گوشت بدن به آسانی می گذرند. همين خاصيت سبب شده که آن را برای عکسبرداری از استخوان های بدن به کار برند و محل شکستگی استخوان ها را مشخص کنند. برای عکسبرداری از روده و معده هم از پرتوهای ايکس استفاده می شود ليکن برای اين کار ابتدا به شخص مايعاتی مانند سولفات باريم می خورانند تا پوشش کدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس راديوگرافی صورت می دهند. کشف پرتوهای ايکس در علم فیزیک که به وسيله رنتيگن عملی شد سرآغاز فعاليت های دانشمندانی مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماری کوری، پيرکوری، بارکلا و بسياری ديگر شد به طوری که نه فقط چگونگی توليد، تابش و اثرهای پرتو ايکس و گاما و نور شناخته شد بلکه خود اشعه ايکس يکی از ابزارهای شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی نهايت کوچک ها آشنا کرد و انرژی عظيم اتمی را در اختيار بشر قرار داد. پرتوهای ايکس در فیزیک پزشکی و بهداشت برای پيشگيری، تشخيص و درمان به کار می رود به طوری که در فناوری های مربوطه يکی از ابزارهای اساسی است.

سونوگرافی 

طبق تعریف علم فیزیک از سونوگرافی ، این علم عکسبرداری با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانيکی مانند صوت ۲ است که بسامد آن بيش از ۲۰ هزار هرتز است. اين امواج را می توان با استفاده از نوسانگر پتروالکتريک يا نوسانگر مغناطيسی توليد کرد. خاصيت فیزیک پيزوالکتريک عبارت است از ايجاد اختلاف پتانسيل الکتريکی در دو طرف يک بلور هنگامی که آن بلور تحت فشار يا کشش قرار گيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی که تحت تاثير يک ميدان الکتريکی واقع شود. بنابراين هرگاه از يک بلور کوارتز تيغه متوازی السطوحی عمود بر يکی از محورهای بلور تهيه کنيم و اين تيغه را ميان دو صفحه نازک فولادی قرار دهيم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسيل متناوبی وصل کنيم، تيغه کوارتز با همان بسامد جريان منبسط و منقبض می شود و به ارتعاش درمی آيد و در نتيجه امواج فراصوت توليد می کند. پديده پيزوالکتريک در سال ۱۸۸۰ به وسيله پيرکوری کشف شد و از آن علاوه بر توليد امواج فراصوتی، در ميکروفن های کريستالی و فندک استفاده می شود. امواج فراصوتی دارای انرژی بسيار زياد است و می تواند سبب بالا رفتن دمای بافت های بدن انسان، سوختگی و تخريب سلول ها شود. از اين امواج در دريانوردی، صنعت و پزشکی استفاده می شود. در پزشکی برای تشخيص، درمان و تحقيقات اين امواج را به کار می برند. دستگاهی که برای عکسبرداری به کار می رود اکوسکوپ يا سونوسکوپ است. اساس کار عکسبرداری با امواج فراصوت بازتابش امواج است در اين عمل دستگاه گيرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهای ميان يک ميليون تا پانزده ميليون هرتز استفاده می کنند. دستگاه مولد ضربه های موجی در زمان های بسيار کوتاه يک تا پنج ميليونيم ثانيه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانيه می فرستد و اين ضربه ها در بدن نفوذ می کند و چنانچه به محيطی برخورد کند که غلظت آن با محيط قبلی متفاوت باشد پديده بازتابش روی می دهد و با توجه به غلظت نسبی دو محيط مقداری از انرژی ضربه های فراصوت بازتابش می شود. دستگاه گيرنده اين امواج را دريافت می کند و به کمک دستگاه الکترونی و يک اسيلوسکوپ آن را به نقطه يا نقاط نورانی به تصوير تبديل می کند. عکسبرداری با فراصوت را برای تشخيص بيماری های قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام می دهند.

وسايل الکتروپزشکی

 بخشی از وسايل تشخيص بيماری ها، دستگاه هايی هستند که براساس قانون های مربوط به الکتريسيته و الکترونيک در علم فیزیک ساخته و به کار گرفته می شوند. نمونه ای از اين دستگاه ها عبارتند از الکتروکارديوگراف، الکتروبيوگراف و الکترو آسفالوگراف. اين دستگاه ها می توانند با رسم نمودارهايی وضع سلامت يا بيماری را برای پزشک مشخص کنند. ممکن است اين دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتيجه نمودارها مستقيماً بر روی يک صفحه تلويزيون مشاهده شود. نمونه اين دستگاه ها کارديوسکوپ است که معمولاً در اتاق بيمار قرار می گيرد و بر آن منحنی ضربان قلب بيمار مشاهده می شود. در الکتروکارديوگراف به جای آنکه منحنی ها مستقيماً ديده شود آن منحنی ها (نمودارها) بر روی نواری از کاغذ ثبت و ضبط می شود و پزشک از روی آنها می تواند وضعيت قلب و نوع بيماری را تشخيص دهد. الکتروآنسفالوگرافی دستگاهی است که با آن بيماری هايی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتياد به دارو و الکل تشخيص داده می شود و کار اين دستگاه با استفاده از فعاليت های الکتريکی که در سطح بدن ظاهر می شود، صورت می گيرد. اندازه گيری های علم فیزیک نشان می دهد که در قشر مغز تغييرات پتانسيل الکتريکی منظمی انجام می شود. «اين پتانسيل های الکتريکی به استثنای حالت بيهوشی عميق يا قطع جريان خون به مغز هميشه وجود دارند. هنگامی که قشر مغز خراب شود، اين نقش تغيير می کند. با قرار دادن الکترودهای پهن يا الکترودهای سوزنی شکل بر روی پوست سر می توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدايت کرد… اين امواج نتيجه پتانسيل های کار نورون های عصبی قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر می شوند … خاصيت مهم اين امواج بسامد آنها است. گستره معمولی اين بسامد از يک تا ۶۰ هرتز تغيير می کند… اين امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل های تلاقی، شکل امواج و نقش هايی که دارند، ارزيابی می شوند.»

 تهيه طرح های سه بعدی از بدن با علم فیزیک

در سال های ۷۰-۱۹۶۰ برای تشخيص بيماری ها چهار روش جديد ابداع شد:

 گرمانگاری

 نخستين روش گرمانگاری بود که در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. فیزیک می‌گوید که هر جسمی که دمايش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سلسيوس) باشد از خود امواجی تابش می کند که به نام امواج گرمايی معروف است. از اين خاصيت يعنی انتشار امواج گرمايی از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دمای قسمتی از بدن را به صورت تصويری رنگی تهيه می کنند. اين روش برای تحقيق و بررسی رگ های خونی سطحی بدن مفيد است و با آن می توان از وجود تومورها نيز باخبر شد.

توموگرافی

 پرتوهای ايکس می توانند از بافت های نرم بگذرند، ليکن ميزان جذب يا عبور آنها به غلظت بافت بستگی دارد. چنانچه پرتو ايکس در مسير خود از غده ای بگذرد، ميزان جذب آن نسبت به وضعيتی که غده وجود نداشته باشد، تفاوت می کند. به کمک کامپيوتر می توانند تصويری را که از بدن گرفته اند، پردازش کنند و اطلاعات دقيق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمايند. عملی که با کمک پرتو ايکس و کامپيوتر برای تعيين غده ها صورت می گيرد را توموگرافی می نامند.

هولوگرافی (تمام نگاری)

دنيس گابور فيزيکدان نوع جديدی از عکاسی را در سال ۱۹۴۷ ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشکی از آن استفاده شد. هولوگرافی براساس خواص امواج متکی است و تصويری که از ريزشیء گرفته می شود، سه بعدی است. در اين طريقه تصويری که از هر عضو بدن گرفته می شود، کاملاً همه قسمت های اطراف آن عضو ديده می شود. برای تهيه عکس سه بعدی معمولاً از پرتوهای ليزر استفاده می شود.

دستگاه تشديد مغناطيسی (NMR )

اساس اين دستگاه یک دستگاه سراسر فیزیکی و برگرفته از علم فیزیک کوانتوم می‌باشد که بر اين خاصيت است که هسته اتم های خاصی در صورت قرار گرفتن در ميدان مغناطيسی امواجی از خود تابش می کنند که قابل رديابی است. اين پديده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی برای نخستين بار در سوئد توسط «اريش اودبلاد»۶ و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد. در سال ۱۹۷۳ در انگليس از طريق رديابی تابش تراکم اتم های هيدروژن در بافت های مختلف بدن نخستين تصوير NMR تهيه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصوير از مغز نيز به اين وسيله گرفته شد.

سایت آزمایشگاه پیش بالینی دانشگاه علوم پزشکی تهران
کاربرد فیزیک در پزشکی ؛ تشخیص بیمار‌ی‌ها با قوانین فیزیک

فیزیک پزشکی (Medical Physics) ؛ علم روز دنیا ، یک رشته پردرآمد
تاریخچه فیزیک پزشکی ؛ جدید اما قدیمی، علمی پرطرفدار و جذاب
آینده شغلی فیزیک پزشکی ؛ پردرآمد یا صرفا رشته‌ای علمی و جذاب؟