Физические основы диагностических методов

Физико-биофизические принципы диагностических методов

Ключевым физическим принципом в основе большинства диагностических методов является взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Биологические ткани обладают различной способностью поглощать, рассеивать и пропускать излучение в зависимости от длины волны, плотности и состава тканей. Это используется, например, в рентгеновской радиографии, компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ), оптической когерентной томографии (ОКТ) и методах ядерной медицины.

Рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью, и его поглощение зависит от атомного номера элементов в ткани. Костная ткань, богатая кальцием, поглощает рентгеновские лучи сильнее, чем мягкие ткани. Это позволяет визуализировать структуру костей и патологические кальцификации.

Инфракрасное и ближнее инфракрасное излучение, используемое в ОКТ и спектроскопии, позволяет получать изображение слоев тканей на субмиллиметровом уровне, что особенно ценно в офтальмологии и дерматологии.

Радиоволны и магнитные поля являются основой метода МРТ. Протонное магнитное резонансное явление позволяет получать изображения с высоким разрешением на основе различий в плотности водорода и молекулярной подвижности.

Акустические волны в ультразвуковой диагностике

Ультразвуковая диагностика основана на распространении и отражении механических (акустических) волн высокой частоты (обычно от 1 до 20 МГц) в тканях организма. Скорость распространения и коэффициент отражения зависят от акустического импеданса тканей. В месте границы между двумя тканями с различным импедансом часть ультразвуковой волны отражается обратно и регистрируется датчиком.

Различные режимы ультразвука:

B-режим (brightness mode) — двумерное серое изображение.
Допплеровский режим — оценка скорости и направления кровотока.
Эластография — определение жесткости ткани на основе скорости распространения сдвиговых волн.

Ультразвуковые методы не требуют ионизирующего излучения и применяются широко в акушерстве, кардиологии, урологии и др.

Принципы магнитного резонанса

Магнитно-резонансная томография (МРТ) основана на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), при котором ядра атомов (в основном водорода) поглощают и переизлучают радиочастотные сигналы в сильном внешнем магнитном поле. Основные физические аспекты:

Ларморовская частота — частота прецессии магнитного момента ядра, пропорциональна напряженности магнитного поля.
Т1 и Т2 времена релаксации — характеризуют скорость восстановления продольной и поперечной намагниченности после радиочастотного импульса. Различие этих времен между тканями позволяет контрастировать изображение.

МРТ не использует ионизирующее излучение, отличается высокой контрастностью мягких тканей и возможностью функциональной и спектроскопической визуализации.

Компьютерная томография: основы и реконструкция изображения

Компьютерная томография (КТ) использует рентгеновские лучи, проходящие через тело под разными углами. Детекторы регистрируют ослабление сигнала, а компьютерный алгоритм реконструирует срез органа или тела.

Ключевые физические принципы:

Линейный коэффициент ослабления μ, зависящий от плотности и состава ткани.
Алгоритмы обратной проекции, включая фильтрованную обратную проекцию и методы на основе преобразования Радона.
Многосрезовая КТ и спиральная КТ обеспечивают быструю реконструкцию объемных изображений с высокой детализацией.

КТ широко применяется в экстренной медицине, онкологии и кардиологии, однако требует осторожности из-за ионизирующего излучения.

Радиоизотопные методы и ядерная медицина

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) основаны на регистрации гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, введенными в организм. Они отражают физиологическую активность тканей, а не только их анатомию.

Физические принципы:

β⁺-распад — испускаемый позитрон аннигилирует с электроном, образуя два γ-кванта по 511 кэВ, распространяющихся в противоположные стороны (ПЭТ).
Коллимация и детекторы — используются сцинтилляционные кристаллы (NaI, BGO) и фотодетекторы.
Полуколичественный анализ позволяет оценивать метаболизм глюкозы, кровоток, перфузию миокарда.

Методы ядерной медицины незаменимы в онкологии, неврологии, кардиологии для выявления функциональных нарушений до появления анатомических изменений.

Оптические методы визуализации

Оптические методы используют свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне для визуализации тканей. К основным методам относятся:

Флуоресцентная визуализация — основана на возбуждении флуорофоров и регистрации их эмиссии.
Конфокальная микроскопия — получение изображений с высоким пространственным разрешением за счет оптического сечения.
Фотонная корреляционная спектроскопия и биофотонные методы применяются для изучения диффузии и подвижности молекул в клетках.

В биомедицинской оптике широко применяются лазеры, фотодетекторы, интерференционные методы, а также биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса.

Электрофизические методы диагностики

Электрофизиологические методы направлены на регистрацию биоэлектрической активности различных органов и тканей:

Электрокардиография (ЭКГ) — регистрация электрической активности сердца. Основывается на распространении возбуждения по миокарду и генерации дипольных токов.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — измерение электрической активности мозга. Используются многоканальные системы с высоким временным разрешением.
Электромиография (ЭМГ) — регистрация биоэлектрических потенциалов скелетных мышц.

Биоэлектрические сигналы формируются за счёт ионных токов через мембраны клеток. Используются усилители, фильтры, цифровые преобразователи и методы спектрального анализа сигналов.

Импедансная томография и биоимпедансный анализ

Электрическая импедансная томография (ЭИТ) — метод, основанный на измерении распределения электрического сопротивления (импеданса) в тканях. Биологические ткани обладают различной проводимостью в зависимости от содержания воды, ионов и клеточной структуры.

Методика включает:

Введение слабого переменного тока через электроды.
Регистрацию разности потенциалов.
Реконструкцию распределения импеданса внутри объекта.

Применяется для мониторинга вентиляции легких, кровотока, оценки отеков и состава тела.

Термографические методы

Медицинская термография использует инфракрасные камеры для регистрации теплового излучения организма. По законам теплового излучения (закон Стефана–Больцмана) интенсивность излучения тела пропорциональна его температуре в четвёртой степени. Отклонения температурной картины указывают на воспаления, опухоли, нарушения кровообращения.

Биофизика современных гибридных методов

Современные технологии объединяют несколько физических методов в одном диагностическом устройстве:

ПЭТ/КТ — объединение анатомической и метаболической информации.
МРТ/ПЭТ — сочетание высокой мягкотканевой контрастности и функциональной диагностики.
ОКТ с флуоресценцией — точная визуализация поверхности и глубины тканей.

Гибридные системы требуют точного совмещения координатных систем, синхронизации датчиков, коррекции артефактов и использования сложных алгоритмов обработки данных.

Радиофизические аспекты безопасности

Применение физических методов диагностики требует строгого учета радиационной и электромагнитной безопасности. Основные аспекты:

Контроль дозы ионизирующего излучения — нормирование, экранирование, автоматическая регулировка экспозиции.
Электромагнитная совместимость (ЭМС) — предотвращение помех и наводок, особенно в МРТ.
Тепловые эффекты — ограничение интенсивности УЗИ и радиочастотных полей для предотвращения термического повреждения.

Нормативные документы, стандарты и международные протоколы регулируют использование каждого метода с учетом биофизических рисков.