Fizyka w medycynie
Zastosowanie fizyki w medycynie zaczynamy od lasera, wykorzystania plazmy w medycynie oraz termowizji. Na następnych podstronach opisujemy kolejne tematy: Elektryczność w organizmie człowieka, Pomiar magnetyzmu ciała ludzkiego, Zastosowanie pola magnetycznego w medycynie, Ultrasonografia, Usg dopplerowskie, Rezonans magnetyczny, Obrazowanie płuc metodą rezonansu magnetycznego, Radioterapia, Znakowanie izotopowe, Emisyjna tomografia pozytonowa, Zdjęcia rentgenowskie, Tomografia komputerowa, Korekcja układu optycznego oka i Spektralny tomograf optyczny oka.
Zastosowanie lasera w medycynie
|
|||||||||||||||||||||||
Światło laserowe ma ściśle określoną długość fali (fala monochromatyczna), jest spójne (cała wiązka ma taką samą fazę) i można je wytwarzać w postaci silnie skupionych wiązek o średnicy nawet rzędu długości fali tego promieniowania. Ta ostatnia cecha pozwala na ogromne zwiększenie gęstości mocy wiązki, co z kolei daje możliwość skupienia dużych ilości energii na minimalnym obszarze. Szczególne znaczenie mają w biomedycynie lasery molekularne ze względu na dużą wydajność, niski koszt wytwarzania i niewielkie rozmiary. Ponadto promieniowanie lasera molekularnego przypada na część podczerwoną widma, która jest silnie pochłaniana przez tkankę.
Terapeutyczne i diagnostyczne zastosowania laserów podaje tabela, a poniżej dokładniej omawiamy poszczególne dziedziny.Wysokoenergetyczna i skupiona wiązka laserowa stosowana jako skalpel chirurgiczny umożliwia przeprowadzanie czystych cięć w tkankach, a przez przypalanie rany zmniejsza krwawienie. Takich bezkrwawych zabiegów można dokonywać na narządach silnie ukrwionych, jak wątroba, płuca czy mózg. Najtrudniejszą sprawą z praktycznego punktu widzenia jest dobranie odpowiednich ilości energii. Przy zbyt dużej gęstości mocy mogą powstawać małe eksplozje, utrudniające stosowanie lasera do cięcia tkanek, przy zbyt małej mogą wystąpić dodatkowe komplikacje. Zastosowanie światłowodów umożliwia niszczenie tkanki wewnątrz organizmu. Po takim zabiegu rana szybciej się goi i mniejsze są powikłania.
W onkologii za pomocą lasera wycinane są tkanki zaatakowane przez nowotwór. Podczas operacji wykorzystuje się mikroskop z laserem. Pacjent pod narkozą jest zaintubowany. Promień laserowy jest doprowadzony za pomocą światłowodu do odpowiedniego miejsca i "plamka" światła laserowego wycina wybrane części tkanki. Na zdjęciu obok chirurg wprowadza wiązkę lasera argonowego przez wąski przewód do ucha pacjenta w celu usunięcia nowotworu powstałego pomiędzy uchem a mózgiem.
W dermatologii do leczenia schorzeń skórnych stosuje się lasery wysokoenergetyczne o bardzo skoncentrowanej, silnej wiązce, dzięki czemu stosować ją można w precyzyjnie wybranym rejonie. Promieniowanie laserowe w medycynie estetycznej pozwala usunąć niepożądane blizny, znamiona, zmarszczki, przebarwienia, rozszerzone naczynia, owłosienie (niszczenie cebulki włosa), czy nadmiar tkanki tłuszczowej (liposukcja laserowa), oraz usuwać tatuaże. Dzięki stymulacji włókien kolagenowych zabiegi z udziałem promieniowania laserowego działają odmładzająco oraz ujędrniająco.
W stomatologii stosuje się też od lat lasery. Najczęściej do fizykoterapii przy chorobach dziąseł (światło o odpowiedniej barwie korzystnie wpływa na tkanki), ale również zamiast wiertła. Do tego celu oczywiście potrzeba urządzeń dużej mocy. Laser neodymowy odparowuje część tkanek, zaś pozostałe stapia, pozostawiając szklistą powierzchnię. Innym zastosowaniem lasera jest wybielanie zębów - przebarwienia bieleją pod wpływem silnego światła jak kości leżące na pustyni. Jednak nie uda się w ten sposób usunąć na przykład szpecących złogów metali ciężkich.
|
|
Przyklejanie siatkówki za pomocą lasera
|
Laser jest również ratunkiem w chorobie zwanej AMD, czyli zwyrodnienie plamki związane z wiekiem (ang.: Age-related Macular Degeneration). Jest to oprócz zaćmy i jaskry jedna z najczęstszych przyczyn pogorszenia wzroku, a nawet ślepoty w starszym wieku. Receptą jest stosowana od pięciu lat terapia fotodynamiczna (PDT). Choremu wstrzykuje się do ramienia substancję wrażliwą na światło - werteporfinę. Kiedy dotrze ona do naczyń krwionośnych oka, na siatkówkę kieruje się promień specjalnego lasera, który uaktywnia werteporfinę. Wtedy uwalnia ona pewne substancje, które sprawiają, że uszkadzające siatkówkę naczynia ulegają zamknięciu.
Obecnie silnie rozwijającą się dziedziną jest laseroterapia, czyli wykorzystanie promieniowania laserowego z zakresu światła widzialnego i podczerwieni o odpowiednim natężeniu (o stosunkowo małej mocy) i skupieniu na odpowiednim fragmencie ciała, bez jego uszkodzenia. Oddziaływanie światła laserowego polega na wniknięciu wiązki w tkankę, częściowemu rozproszeniu, oraz pochłonięciu (absorpcji) przez tkanki. Głębokość działania promienia wynosi od kilku do kilkudziesięciu milimetrów. W trakcie tego zabiegu, dochodzi do częściowego odbicia promienia laserowego, dlatego fizjoterapeuta jak i pacjent, zobowiązani są do użycia okularów ochronnych.
|
|
Laseroterapia punktowa
|
Laseroterapię stosuje się w następujących przypadkach: trudno gojące się rany (np. pooperacyjne, po amputacji), uszkodzenia skóry (martwica, owrzodzenia, oparzenia, odmrożenia, odleżyny), defekty skóry (blizny, zmarszczki, rozstępy), choroby skóry (łuszczyca, trądzik, opryszczka, afty), dolegliwości stawowe (przewlekłe stany zapalne stawów; zapalenie kaletek stawowych), zespół bolesnego barku, łokieć tenisisty, zespół cieśni kanału nadgarstka, urazy (stawów: skręcenia, zwichnięcia), wylewy podskórne (siniaki), stłuczenia, kręcz szyjny, dolegliwości reumatyczne (zesztywniające zapalenie stawów kręgosłupa, reumatoidalne zapalenie stawów), zespół przeciążenia mięśni, nerwobóle nerwów obwodowych czy nerwobóle po przebytym półpaścu.
W zależności od potrzeby stosuje sie laseroterapię punktową, prysznicową i skanującą. Laseroterapia punktowa polega na aplikowaniu na chore miejsca wiązki światła laserowego o działaniu przeciwbólowym, przeciwzapalnym, przeciwzakrzepowym i biostymulującym. Laseroterapia prysznicowa wykorzystuje kilka źródeł światła i obejmuje większy obszar ciała. Laseroterapia skanerowa zmienia cyklicznie miejsce naświetlania, dzięki czemu promień lasera dostarczany jest równomiernie do całej objętej zabiegiem okolicy. Następuje naświetlanie większej powierzchni ciała.
Opracowano na podstawie Encyklopedii Fizyki Współczesnej strony internetowej: http://www.rehabka.pl/kategoria,Laser,49,52.php.
Wykorzystanie plazmy w medycynie
|
|
Wyładowanie w kuli plazmowej
|
Plazma jest to w dużym stopniu zjonizowany gaz, składający się z jonów dodatnich i elektronów. Obecność naładowanych cząstek na tyle istotnie zmienia właściwości tego gazu, że w fizyce plazma jest uznawana jako czwarty stan materii. Większość materii występującej w kosmosie ma postać plazmy, jednak na ziemi plazma jest rzadko spotykana. Przykładem zjawisk, w których można w warunkach ziemskich obserwować powstawanie plazmy jest wyładowanie atmosferyczne czyli piorun i zorza polarna. Do celów technicznych plazma oczywiście musi być sztucznie wytwarzana.
Plazma znalazła olbrzymie zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. Obecnie rozszerza się też zastosowanie plazmy do celów medycznych. Plazma przez długi czas była używana do sterylizacji sprzętu medycznego, opakowań w przemyśle spożywczym, bądź implantów. Spowodowane jest to wysoką skutecznością bakteriobójczą, a także łatwym dostępem plazmy do wąskich i ograniczonych, trudnodostępnych przestrzeni. W ostatnich latach rozwinęła się technologia otrzymywania plazmy o temperaturze poniżej 40°C, zwanej zimną plazmą atmosferyczną (CAP), która pozwoliła na zastosowanie plazmy w obszarze żywych tkanek. Pozwoli to na dostarczania leków na poziomie cząsteczkowym, a w przyszłości na poziomie komórkowym. Leczenie z wykorzystaniem plazmy jest nowym obszarem i jest obiektem badań interdyscyplinarnych obejmujących medycynę, biologię, fizykę, chemię i inżynierię. Większość nowych efektów biomedycznych będzie zależeć od tego, jak zaprojektować plazmę aby uzyskać fizyczne efekty, które umożliwiłyby ilościowo na jej zastosowanie w medycynie na poziomie komórki.
Przewiduje się wiele przyszłych zastosowań plazmy w medycynie. W higienie szpitalnej obserwowany obecnie wzrost ilości odpornych bakterii wymaga szybkiej i efektywnej sterylizacji. Także budynki publiczne można by w ten sposób sterylizować, np. pielęgniarki szkolne mogłyby korzystać z urządzeń wykorzystujących w tym celu plazmę. W leczeniu przeciwgrzybicznym urządzenia plazmowe do użytku domowego i praktyki medycznej mogłyby znacząco ułatwić leczenie tych chorób. Jest to ważne ponieważ grzybice stóp dotykają 25-40% populacji Europy, USA czy Japonii. Inny przykład to opieka dentystyczna. 23% osób powyżej 65 roku życia i ponad 75% kobiet w ciąży cierpi z powodu infekcji ozębnej. Takie infekcje podnoszą ryzyko chorób serca i niosą za sobą inne komplikacje medyczne. Plazma, dzięki penetracji w przestrzenie mikroskopowe między zębami a dziąsłem, wydaje się być idealnym kandydatem do profilaktyki i leczenia dentystycznego.
W chorobach skóry większość problemów dermatologicznych (od wykwitów trądzikowych, zapaleń skóry, świądu do chorób naczyniowych) jest związana z bakteriami lub grzybami, które z sukcesem można by leczyć lub redukować za pomocą plazmy. Plazma mogła by też pomóc w leczeniu przewlekłych ran, eliminując bakterie i grzyby zapewniając szybszy powrót do zdrowia. Jest to ważne, gdyż około 1% populacji w rozwiniętych krajach cierpi z powodu przewlekłych ran. Leczenie plazmą w kosmetyce można zastosować przy restrukturyzacji tkanek i wybielaniu zębów.
|
|
Zdjęcie termowizyjne, widoczne jest wyraźne podwyższenie temperatury spowodowane zapaleniem nerwu
|
Opracowano na podstawie artykułu Agaty Nowak-Stępniowskiej "Plazma w medycynie" zamieszczonego w czasopiśmie "Fizyka w Szkole", nr 4/2011.
|
|
Zdjęcie twarzy wykonane w podczerwieni
|
Zastosowanie zdjęć termowizyjnych
Każde ciało emituje niewidzialne dla oka promieniowanie podczerwone. Im wyższa temperatura ciała tym większe jest natężenie tego promieniowania. Promieniowanie podczerwone można odebrać za pomocą specjalnych detektorów. Zdjęcia wykonane w podczerwieni nazywają się zdjęciami termowizyjnymi, a sama metoda termowizją. Dzięki temu w medycynie możliwe jest poznanie rozkładu temperatury skóry człowieka. Zazwyczaj miejsca zmienione chorobowo mają nieco wyższą temperaturę niż tkanka zdrowa, więc długości fal, na które przypada maksimum emisji, są nieco krótsze niż długości fal emitowanych przez zdrową tkankę i wysyłają więcej promieniowania. Na zdjęciach otrzymuje się rozkład temperatury. Kolory cieplejsze odpowiadają wyższym temperaturom.
Zdjęcia termowizyjne wykorzystane są w różnych sytuacjach np. do wykrywanie raka piersi, wykrywania i lokalizacji stanów zapalnych, reumatycznych, oparzeniowych i zmian alergicznych, diagnostyki podczas operacji rozbijania kamieni nerkowych, badania układu krążenia, diagnozowania zmian miażdżycowych w kończynach czy też kontroli temperatury schłodzonego serca podczas jego operacji.
Obraz żył pacjenta
By podać lek, pobrać próbkę krwi czy podłączyć kroplówkę, trzeba się najpierw wkłuć do żyły. Bywa to trudne zwłaszcza u osób otyłych czy u dzieci, które mają małe naczynia krwionośne. A im szybciej nastąpi dokładne wkłucie, tym lepiej dla chorego. Szczególnie jest to potrzebne, gdy trzeba udzielić pomocy ciężko rannemu. Pojawiły się dwie możliwości rozwiązania tego problemu.
Wzmacniacz kontrastu żył
Skutecznym rozwiązaniem może być zastosowanie urządzenia zwanego "wzmacniaczem kontrastu żył" (vein contrast enhancer, VCE). Opracował je Herbert Zeman z University of Tennessee w Memphis w 2004 roku. Kamera pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni (o długości fali 740 nanometrów) wychwytuje obraz wideo żył pacjenta, komputer podwyższa kontrast obrazu, a elektroniczny projektor rzutuje obraz żył na skórę. Podczerwień emitują diody LED, otaczające soczewkę kamery. Bliska podczerwień jest silnie pochłaniana przez krew, zaś rozpraszana przez otaczające tkanki. Kamera widzi czarne naczynia na jasnym tle mięśni i tkanki tłuszczowej. Obraz w kolorze zielonym, z komputerowo zwiększonym kontrastem jest rzutowany na skórę w to samo miejsce, które widzi kamera, poprzez półprzepuszczalne lustro ustawione pod kątem 45 stopni. Wybrano zielone światło, gdyż nie zakłóca działania czujnika podczerwieni. Obraz żył odpowiada rzeczywistości z dokładnością do 0,06 milimetra, można je uwidocznić do głębokości 8 milimetrów pod skórą.
Ultradźwiękowy wykrywacz żył
Zespół specjalistów z Georgia Institute of Technology opracowuje niedrogie, przenośne urządzenie, które ma lokalizować żyły za pomocą ultradźwięków, wykorzystując znany z kontroli drogowych efekt Dopplera, polegający na zmianie długości fali wysyłanej lub odbijającej się od ruchomego obiektu. Pozwala to zlokalizować żyłę wypełnioną płynącymi krwinkami. Kluczowe znaczenie ma określenie zarówno miejsca, jak i głębokości, na jakiej znajduje się żyła. Takie możliwości od dawna mają szpitalne aparaty dopplerowskie USG, jednak są to urządzenia o wiele za duże i za drogie do użytku w warunkach polowych czy przy łóżku każdego chorego. Opatentowany detektor składa się z dwóch części: jednostki centralnej która mieści elektronikę oraz jednorazowej przystawki z przetwornikiem, reflektorem ultradźwięków i prowadnikiem igły. Prowadnik jest ustawiany równolegle do wiązki dźwięku wytwarzanej przez przetwornik. Gdy lekarza czy sanitariusz przesuwa przystawkę wzdłuż ramienia lub nogi badanego, przetwornik emituje cienką wiązkę ultradźwięków, a reflektor kieruje ją pod określonym katem do skóry pacjenta. Można ocenić kierunek przepływu krwi, co pozwala odróżnić żyły niosące krew do serca od tętnic, którymi krew płynie z serca. Gdy zostanie wykryta żyła, włącza się sygnał i można wkłuwać igłę. Pierwsze próby na sztucznym pacjencie wypadły dobrze, wkrótce mają się rozpocząć próby na ludziach. Jeśli pomysł się sprawdzi, prawdopodobnie urządzenie można będzie zminiaturyzować do rozmiarów grubego wiecznego pióra.
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym portalu Onet.
| Następna » |