با وجود اینکه فیزیک در علوم مختلف کاربردهای بسیاری دارد اما آنچه در اینجا مورد بررسی قرار می‌گیرد کاربرد فیزیک در پزشکی است.
علم فیزیک که یکی از قدیمی‌ترین علوم است، درکی درست از طبیعت و زندگی اطراف به ما می‌دهد. فیزیک کاربردهایی متفاوت دارد که در اینجا به بررسی یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن یعنی کاربرد فیزیک در پزشکی می‌پردازیم. برای درک بهتر این موضوع در ادامه با تکراتو همراه باشید.
منظور از علم فیزیک چیست؟
پیش از پرداختن به موضوع اصلی این مقاله یعنی کاربرد فیزیک در پزشکی ،علم فیزیک را بررسی می‌کنیم. فیزیک علمی است که مطالعه خواص طبیعت را ممکن می‌کند. علم فیزیک را معمولا علم ماده و حرکت و رفتار آن در فضا و زمان هم می‌دانند. فیزیک از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم و نورشناسی استفاده می‌کند. در واقع می‌توان هدف اصلی علم فیزیک را بررسی و تحلیل طبیعت دانست. این علم رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیش‌بینی می‌کند.
فیزیک علم شناختن قانون‌های عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی است. فیزیکدانان کوشش‌های بسیار داشته‌اند که بتوانند قانون‌های اساسی و نظریه‌ها را کشف کنند و با بعضی پدیده‌های طبیعی آشنا شوند. البته این موفقیت‌ها در برابر حجم ناشناخته‌ها، اندک است. انسان در یکی دو قرن اخیر، توانسته با استفاده از روش علمی و ابزارهای دقیق در هر یک از شاخه‌های علم، به ویژه فیزیک، دنیای روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. فیزیکدانان و دانشمندان با تلاش‌های بسیار خود در این مدت توانسته‌اند با دنیای بی نهایت آشنا شده، وارد درون اتم شوند و انواع نیروهای بنیادی طبیعت را بشناشند. همچنین الکترون و ویژگی‌های آن را دریافته و طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی را کشف کرده‌اند.
فیزیک تا اواخر قرن نوزدهم مباحثی چون مکانیک، گرما، صوت، نور و الکتریسیته را شامل می‌شد اما اکنون در اوایل قرن بیست و یکم در اشتراک با سایر علوم (مانند شیمی، زیست شناسی و…) روز به روز گسترده‌تر و ژرفاتر شده و بیش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگرفته است.
کاربرد فیزیک در پزشکی
در این بخش کاربرد فیزیک در پزشکی مورد بررسی قرار می‌گیرد. پیش از پرداختن به این موضوع در مورد علم فیزیک به اطلاعات کاملی دست یافتیم. فیزیک کاربردهایی بسیار دارد که از جمله می‌توان به کاربرد فیزیک در پزشکی اشاره کرد.
کاربرد فیزیک در پزشکی را می‌توان فیزیک پزشکی در نظر گرفت. رادیوگرافی ، سونوگرافی ، بینایی‌سنجی و … از جمله کاربردهایی مهمی است که می‌توان به آنها اشاره نمود. شاید بتوان کاربرد فیزیک در پزشکی را توانایی آن در تشخیص بیماریها در نظر گرفت. پس در ادامه به بررسی نقش فیزیک در تشخیص بیماریها می‌پردازیم.
فیزیک در تشخیص بیماریها چه نقشی دارد؟
پزشکان برای تشخیص انواع مختلف بیماریها از انواع وسایلی استفاده می‌کنند که براساس قانون‌های فیزیک طراحی و ساخته شده‌اند. از ساده‌ترین وسایل چون دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسکوپ) گرفته تا پیچیده‌ترین دستگاه‌ها چون میکروسکوپ الکترونی، لیزر و هولوگراف که همه براساس قانون‌های فیزیک ساخته شده‌اند.
رادیوگرافی و رادیوسکوپی
رادیوگرافی عکسبرداری از بدن با پرتوهای ایکس و رادیوسکوپی مشاهده مستقیم بدن با استفاده از آن پرتوها است. در فرایند عکاسی معمولی از نوری که از چیزها بازتابش کرده و بر فیلم عکاسی اثر گذاشته است، استفاده می‌شود اما در رادیوگرافی پرتوهایی که از بدن می گذرند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
پرتوهای ایکس را نخستین بار در سال ۱۸۹۵ میلادی، ویلهلم کنراد رنتیگن استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف کرد. این کشف بسیار شگفت انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه‌های جهان منتشر شد. جالب است که رنتیگن بر روی پرتوهای کاتدی کار می‌کرد و به طور اتفاقی متوجه شد که وقتی این پرتوها، که همان الکترون‌های سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می‌کنند پرتوهای ناشناخته‌ای تولید می‌شود.
پرتوهای ایکس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیادی دارند. به آسانی از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهای سبک مانند آلومینیوم می‌گذرند، به همین دلیل فلزهای سنگین مانند سرب مانع عبور آنها می‌شوند. اشعه ایکس از استخوان‌های بدن که از مواد سنگین تشکیل شده‌اند عبور نمی‌کنند اما قدرت عبور از گوشت بدن را دارند. این امر باعث شده تا از آنها در عکسبرداری از استخوان‌های بدن استفاده شود و بتوان محل شکستگی استخوان‌ها را مشخص کرد.
برای عکسبرداری از روده و معده هم از پرتوهای ایکس استفاده می‌شود اما برای این کار ابتدا به شخص مایعاتی مانند سولفات باریم داده می‌شود تا پوشش کدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس بتوان کار را انجام داد.
کشف پرتوهای ایکس که به وسیله رنتیگن عملی شد سرآغاز فعالیت‌های دانشمندانی مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماری کوری، پیرکوری، بارکلا و بسیاری دیگر شد به طوری که نه فقط چگونگی تولید، تابش و اثرهای پرتو ایکس و گاما و نور شناخته شد بلکه خود اشعه ایکس یکی از ابزارهای شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی نهایت کوچک‌ها آشنا کرد.
سونوگرافی
سونوگرافی فرایند عکسبرداری از طریق امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانیکی است که بسامد آن بیش از ۲۰ هزار هرتز است. این امواج را می‌توان با استفاده از نوسانگر پرتوالکتریک یا نوسانگر مغناطیسی تولید کرد.
خاصیت پیزوالکتریک عبارت است از ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف یک بلور هنگامی که آن بلور تحت فشار یا کشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی واقع شود. بنابراین هرگاه از یک بلور کوارتز تیغه متوازی السطوحی عمود بر یکی از محورهای بلور تهیه کنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازک فولادی قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسیل متناوبی وصل کنیم، تیغه کوارتز با همان بسامد جریان منبسط و منقبض می شود و به ارتعاش درمی آید و در نتیجه امواج فراصوت تولید می کند.
پدیده پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ به وسیله پیرکوری کشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میکروفن‌های کریستالی و فندک استفاده شد.
امواج فراصوتی دارای انرژی بسیار زیادی هستند و می‌توانند سبب بالا رفتن دمای بافت‌های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول‌ها شوند. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشکی استفاده می‌شود.
علاوه بر این در پزشکی هم می‌توان برای تشخیص، درمان و تحقیقات از این امواج استفاده کرد. اساس کار عکسبرداری با این امواج، بازتابش امواج است. در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهای میان یک میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده می‌شود. دستگاه مولد ضربه‌های موجی در زمان‌های بسیار کوتاه مانند یک تا پنج میلیونیم ثانیه، حدود ۲۰۰ ضربه در ثانیه می‌فرستد و این ضربه‌ها در بدن نفوذ می‌کند و چنانچه به محیطی برخورد کند که غلظت آن با محیط قبلی متفاوت باشد پدیده بازتابش روی می دهد.
وسایل الکتروپزشکی
از جمله کاربرد فیزیک در پزشکی وجود دستگاه‌هایی است که براساس قوانین فیزیک طراحی شده‌اند. بخشی از وسایل تشخیص بیماریها، دستگاه‌هایی هستند که براساس قانون‌های مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته و به کار گرفته می‌شوند.
نمونه‌ای از این دستگاه‌ها عبارتند از:
- الکتروکاردیوگراف
- الکتروبیوگراف
- الکترو آسفالوگراف
این دستگاه‌ها می‌توانند با رسم نمودارهایی وضع سلامت یا بیماری را برای پزشک مشخص کنند. ممکن است این دستگاه‌ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتیجه نمودارها مستقیماً بر روی یک صفحه تلویزیون مشاهده شوند. نمونه‌ای از این دستگاه‌ها کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیمار قرار می‌گیرد و از طریق آن محنی ضربان قلب بیمار مشاهده می‌شود.
در الکتروکاردیوگراف به جای آنکه منحنی‌ها مستقیماً دیده شوند، منحنی‌ها (نمودارها) بر روی نواری از کاغذ ثبت و ضبط می‌شوند و پزشک می‌تواند از روی آنها وضعیت قلب و نوع بیماری را تشخیص دهد.
الکتروآنسفالوگرافی دستگاهی است که با آن بیماری‌هایی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتیاد به دارو و الکل تشخیص داده می‌شود و کار این دستگاه با استفاده از فعالیت‌های الکتریکی که در سطح بدن ظاهر می‌شود، صورت می گیرد.
تهیه طرح‌های سه بعدی از بدن
در سال‌های ۱۹۶۰ تا 1970 برای تشخیص بیماریها چهار روش جدید ابداع شد:
گرمانگاری
با استفاده از این روش اختلاف دمای قسمتی از بدن به صورت تصویری رنگی تهیه می‌شود. این روش برای تحقیق و بررسی رگ‌های خونی سطحی بدن مفید است و از طریق آن می‌توان از وجود تومورها باخبر شد.
توموگرافی
عملی که با کمک پرتو ایکس و کامپیوتر برای تعیین غده‌ها صورت می‌گیرد را توموگرافی گفته می‌شود. پرتوهای ایکس می‌توانند از بافت‌های نرم بگذرند و چنانچه پرتو ایکس در مسیر خود از غده‌ای بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی که غده وجود ندارد متفاوت است.
هولوگرافی
هولوگرافی به خواص امواج متکی است و تصویری که از ریزشیء گرفته می‌شود، سه بعدی است. در این روش در تصویری که از هر عضو بدن گرفته می‌شود، کاملاً همه قسمت‌های اطراف آن عضو قابل دیدن است.
دستگاه تشدید مغناطیسی (NMR)
در صورتی که هسته‌ی اتم‌هایی خاص در میدان مغناطیسی امواجی قرار گیرد و از خود تابش کند، از طریق این روش قابل ردیابی است. این پدیده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی برای نخستین بار در سوئد شروع شد.
بررسی گرایش‌های گوناگون علم فیزیک
جدول زیر بسیاری از زمینه‌ها و زیرزمینه‌های فیزیک به همراه نظریه‌های مربوط به مفاهیم به کار رفته در آنها را در بر می‌گیرد.
| مینه | زیرزمینه‌ها | نظریه‌های اصلی | مفاهیم |
| اخترفیزیک | کیهان‌شناسی، گرانش، اخترفیزیک در انرژی-بالا، اخترفیزیک سیاره‌ای، فیزیک فضا، اختر فیزیک ستاره‌ای | مهبانگ، تورم کیهانی، نسبیت عام، قانون گرانش عمومی نیوتن، | سیاهچاله، تابش زمینه کیهانی، ریسمان کیهانی، کیهان، انرژی تاریک، ماده تاریک، کهکشان، گرانش، موج گرانشی، تکینگی گرانشی، سیاره، منظومه شمسی، ستاره، ابرنواختر، عالم |
| فیزیک اتمی، مولکولی و اُپتیک | فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، اختر فیزیک اتمی و مولکولی، شیمی فیزیک، اُپتیک، فوتونیک، فیزیک پلاسما | مکانیک کوانتومی، اُپتیک کوانتومی، شیمی کوانتومی، نظریه اطلاعات کوانتومی | فوتون، اتم، مولکول، پراش، نور، موج الکترومغناطیسی، لیزر، قطبش، خط طیفی، اثر کازیمیر |
| فیزیک ذرات | فیزیک هسته‌ای، اخترفیزیک هسته‌ای، اخترفیزیک ذره‌ای، پدیدارشناسی فیزیک ذره‌ای | مدل استاندارد، نظریه کوانتومی میدان، الکترودینامیک کوانتومی، کرومودینامیک کوانتومی، نظریه الکتروضعیف، نظریه میدان مؤثر، نظریه میدان شبکه، نظریه پیمانه‌ای شبکه، نظریه پیمانه‌ای، ابرتقارن، نظریه وحدت بزرگ، نظریه ریسمان، نظریه ابرریسمان، نظریه-م | نیروهای پایه در فیزیک (گرانشی، الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی)، ذرات بنیادی، فیزیک بنیادی، اسپین، ضدماده، شکست تقارن خودبخود، نوسان نوترینو، مکانیسم الاکلنگی، پوسته، ریسمان، گرانش کوانتمی، نظریه همه چیز، انرژی خلاء |
| فیزیک ماده چگال | فیزیک حالت جامد، فیزیک فشاربالا، فیزیک دما پایین، فیزیک سطح، نانو اندازه، فیزیک پلیمر | مکانیک کوانتومی، نظریه بی‌سی‌اس، موج بلوخ، گاز فرمی، مایع فرمی، نظریه بس ذره‌ای | حالت‌های ماده (گاز، مایع، جامد، چگالش بوز-اینشتین، ابررسانایی، ابرشاره)، رسانایی الکتریکی، مغناطیس، خودسامان‌دهی، اسپین |
| فیزیک کاربردی | فیزیک شتاب‌دهنده‌ها، آکوستیک، زیست‌فیزیک، فیزیک شیمی، فیزیک ارتباطات، فیزیک اقتصاد، مهندسی فیزیک، دینامیک شاره‌ها، ژئوفیزیک، فیزیک مواد، فیزیک پزشکی، نانوتکنولوژی، اُپتیک، شیمی فیزیک، فیزیک شمارش، فیزیک پلاسما، دستگاه‌های حالت جامد، شیمی کوانتمی، الکترونیک کوانتمی، نظریه اطلاعات کوانتومی، دینامیک خودرو |
با کاربرد فیزیک در پزشکی آشنا شدیم. دانستیم که فیزیک در پزشکی نیز کاربردهایی بسیار دارد و بسیاری از روش‌های درمانی از قوانین فیزیک پیروی می‌کنند. این مقاله اطلاعاتی کامل در مورد کاربردهای فیزیک در پزشکی در اختیار علاقه‌مندان قرار می‌دهد.
آیا در زمینه ای تخصص و تجربه کافی را دارید؟ دانش خود را با کاربران تکراتو به اشتراک بگذارید. برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.
.
