Одна из наиболее значимых областей применения физики в медицине — это диагностическая визуализация, основанная на взаимодействии физических полей и волн с биологическими тканями.
Рентгеновская томография использует ионизирующее излучение, генерируемое с помощью ускоренного пучка электронов, который бомбардирует анод рентгеновской трубки. Рентгеновское излучение, проходя через ткани различной плотности, частично поглощается, что позволяет визуализировать внутренние структуры. Ключевым физическим процессом здесь является фотоэлектрический эффект и эффект Комптона.
Компьютерная томография (КТ) — развитие рентгеновского метода. Она основывается на множественных проекционных снимках с последующим математическим реконструированием сечений. Применяется метод обратной проекции и алгоритмы реконструкции изображений, основанные на уравнениях Радона.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует явление ядерного магнитного резонанса. При помещении организма в сильное магнитное поле протоны водорода выстраиваются вдоль направления поля. Радиочастотный импульс выводит их из равновесия, после чего они возвращаются в исходное состояние, испуская сигнал, регистрируемый детекторами. Сигналы преобразуются в изображение благодаря алгоритмам Фурье-преобразования и градиентной модуляции.
Ультразвуковая диагностика использует распространение и отражение звуковых волн высокой частоты (от 1 до 20 МГц) от границ между тканями с разной акустической импедансностью. На основе времени возврата отражённого сигнала и его амплитуды формируется изображение.
Принцип действия лучевой терапии основан на использовании ионизирующего излучения для разрушения злокачественных клеток. Физика обеспечивает точное дозиметрическое планирование, моделирование распределения дозы и выбор типа излучения.
Фотонная терапия использует линейные ускорители, генерирующие высокоэнергетические фотоны (6–25 МэВ), которые проникают в глубоко расположенные опухоли. Здесь важны процессы тормозного излучения и взаимодействия с веществом (фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование пар).
Протонная терапия основывается на уникальном эффекте Брэгга: протоны отдают максимальную энергию в конце своего пробега, что позволяет избирательно облучать опухоль, минимизируя дозу в здоровых тканях. Расчёты здесь включают моделирование энергетического спектра, модуляцию пучка и моделирование рассеяния в тканях.
Брахитерапия — это внедрение радиоактивных источников внутрь опухоли или в непосредственной близости. Она требует тонкого дозиметрического расчета и понимания физики распада (альфа-, бета- и гамма-излучение), скорости дозонакопления и пространственного распределения энергии.
Дозиметрия — ключевая область медицинской физики, обеспечивающая точность в диагностике и лечении. Она включает:
Физик обязан точно рассчитывать дозу, особенно при радиотерапии, учитывая влияние плотностей тканей, гетерогенностей, движений пациента (дыхание, перистальтика) и многолучевого планирования.
Физика лазеров активно применяется в хирургии, офтальмологии, дерматологии и терапии. Основу составляют:
Пример — использование эрбиевого лазера в стоматологии, СО₂-лазера в онкологии, фемтосекундного лазера в рефракционной хирургии глаза.
Физика описывает поведение тканей под действием сил. Биомеханика использует законы Ньютона, теорию упругости и вязкоупругости:
Знания в этой области важны при создании ортопедических имплантов, протезов, экзоскелетов, а также при анализе повреждений.
Физические методы оптической диагностики позволяют анализировать состав тканей и жидкостей организма:
Эти методы незаменимы в дерматологии, офтальмологии, онкологии и хирургии.
Применение радионуклидов для диагностики и терапии базируется на понимании законов ядерной физики:
Физик отвечает за радиационную безопасность, защиту персонала и пациентов, разработку алгоритмов планирования и контроль утечек.
Современная медицина всё шире использует физику на нано- и микромасштабах:
Физические модели микропотоков, теплового переноса и квантовых взаимодействий необходимы для разработки таких систем.
Применение вычислительных моделей основано на физическом моделировании процессов:
Физик взаимодействует с инженерами и врачами, создавая интегрированные системы для персонализированной медицины.
Физика служит основой для соблюдения стандартов безопасности в медицине:
Физик медицинский обеспечивает соблюдение санитарных норм, обучает персонал безопасному обращению с оборудованием и следит за калибровкой всех систем.
Медицинская физика — это область высокой ответственности и точности, в которой физика выступает фундаментом всей современной клинической практики: от диагностики и лечения до предсказания и предотвращения патологий.