نقش فيزيک در پزشکی

پزشکان براى تشخیص بیمارى ها از انواع وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشى طبى (استتوسکوپ) تا دستگاه هاى بسیار پیچیده مانند میکروسکوپ الکترونى، لیزر و هولوگراف که همه براساس قانون هاى فیزیک طراحى و ساخته شده استفاده مى کنند. در این قسمت به ساختمان و طرز کار برخى از آنها مى پردازیم.

رادیوگرافى و رادیوسکوپى
رادیوگرافى عکسبردارى از بدن با پرتوهاى ایکس و رادیوسکوپى مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عکاسى معمولى از نورى که از چیزها بازتابش مى شود و بر فیلم عکاسى اثر مى کند استفاده مى شوند در صورتى که در رادیوگرافى پرتوهایى را که از بدن مى گذرند به کار مى برند.
پرتوهاى ایکس را نخستین بار در سال ۱۸۹۵ میلادى، ویلهلم کنراد رنتیگن استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف کرد. این کشف بسیار شگفت انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه هاى جهان منتشر شد. جالب است که رنتیگن بر روى پرتوهاى کاتدى کار مى کرد و به طور اتفاقى متوجه شد که وقتى این پرتوها، که همان الکترون هاى سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد مى کنند پرتوهاى ناشناخته اى تولید مى شود او این پرتوها را پرتو ایکس به معنى مجهول نامید.
پرتوهاى ایکس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیاد دارند. به آسانى از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتى فلزهاى سبک مانند آلومینیوم مى گذرند، لیکن فلزهاى سنگین مانند سرب مانع عبور آنها مى شود. اشعه ایکس از استخوان هاى بدن که از مواد سنگین تشکیل شده اند عبور نمى کنند در صورتى که از گوشت بدن به آسانى مى گذرند. همین خاصیت سبب شده که آن را براى عکسبردارى از استخوان هاى بدن به کار برند و محل شکستگى استخوان ها را مشخص کنند. براى عکسبردارى از روده و معده هم از پرتوهاى ایکس استفاده مى شود لیکن براى این کار ابتدا به شخص مایعاتى مانند سولفات باریم مى خورانند تا پوشش کدرى اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس رادیوگرافى صورت مى دهند.
کشف پرتوهاى ایکس که به وسیله رنتیگن عملى شد سرآغاز فعالیت هاى دانشمندانى مانند تامسون، بور، رادرفورد، مارى کورى، پیرکورى، بارکلا و بسیارى دیگر شد به طورى که نه فقط چگونگى تولید، تابش و اثرهاى پرتو ایکس و گاما و نور شناخته شد بلکه خود اشعه ایکس یکى از ابزارهاى شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بى نهایت کوچک ها آشنا کرد و انرژى عظیم اتمى را در اختیار بشر قرار داد.
پرتوهاى ایکس در پزشکى و بهداشت براى پیشگیرى، تشخیص و درمان به کار مى رود به طورى که در فناورى هاى مربوطه یکى از ابزارهاى اساسى است.
سونوگرافى
سونوگرافى عکسبردارى با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانیکى مانند صوت ۲ است که بسامد آن بیش از ۲۰ هزار هرتز است. این امواج را مى توان با استفاده از نوسانگر پتروالکتریک یا نوسانگر مغناطیسى تولید کرد.
خاصیت پیزوالکتریک عبارت است از ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکى در دو طرف یک بلور هنگامى که آن بلور تحت فشار یا کشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامى که تحت تاثیر یک میدان الکتریکى واقع شود. بنابراین هرگاه از یک بلور کوارتز تیغه متوازى السطوحى عمود بر یکى از محورهاى بلور تهیه کنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازک فولادى قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسیل متناوبى وصل کنیم، تیغه کوارتز با همان بسامد جریان منبسط و منقبض مى شود و به ارتعاش درمى آید و در نتیجه امواج فراصوت تولید مى کند. پدیده پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ به وسیله پیرکورى کشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتى، در میکروفن هاى کریستالى و فندک استفاده مى شود.
امواج فراصوتى داراى انرژى بسیار زیاد است و مى تواند سبب بالا رفتن دماى بافت هاى بدن انسان، سوختگى و تخریب سلول ها شود. از این امواج در دریانوردى، صنعت و پزشکى استفاده مى شود.
در پزشکى براى تشخیص، درمان و تحقیقات این امواج را به کار مى برند. دستگاهى که براى عکسبردارى به کار مى رود اکوسکوپ۳ یا سونوسکوپ۴ است. اساس کار عکسبردارى با امواج فراصوت بازتابش امواج است در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهاى میان یک میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده مى کنند. دستگاه مولد ضربه هاى موجى در زمان هاى بسیار کوتاه یک تا پنج میلیونیم ثانیه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانیه مى فرستد و این ضربه ها در بدن نفوذ مى کند و چنانچه به محیطى برخورد کند که غلظت آن با محیط قبلى متفاوت باشد پدیده بازتابش روى مى دهد و با توجه به غلظت نسبى دو محیط مقدارى از انرژى ضربه هاى فراصوت بازتابش مى شود. دستگاه گیرنده این امواج را دریافت مى کند و به کمک دستگاه الکترونى و یک اسیلوسکوپ آن را به نقطه یا نقاط نورانى به تصویر تبدیل مى کند. عکسبردارى با فراصوت را براى تشخیص بیمارى هاى قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام مى دهند.
وسایل الکتروپزشکى
بخشى از وسایل تشخیص بیمارى ها، دستگاه هایى هستند که براساس قانون هاى مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته و به کار گرفته مى شوند. نمونه اى از این دستگاه ها عبارتند از الکتروکاردیوگراف، الکتروبیوگراف و الکترو آسفالوگراف. این دستگاه ها مى توانند با رسم نمودارهایى وضع سلامت یا بیمارى را براى پزشک مشخص کنند. ممکن است این دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتیجه نمودارها مستقیماً بر روى یک صفحه تلویزیون مشاهده شود. نمونه این دستگاه ها کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیمار قرار مى گیرد و بر آن منحنى ضربان قلب بیمار مشاهده مى شود. در الکتروکاردیوگراف به جاى آنکه منحنى ها مستقیماً دیده شود آن منحنى ها (نمودارها) بر روى نوارى از کاغذ ثبت و ضبط مى شود و پزشک از روى آنها مى تواند وضعیت قلب و نوع بیمارى را تشخیص دهد.
الکتروآنسفالوگرافى
 دستگاهى است که با آن بیمارى هایى چون صرع، تومورهاى مغزى، ضربه، اعتیاد به دارو و الکل تشخیص داده مى شود و کار این دستگاه با استفاده از فعالیت هاى الکتریکى که در سطح بدن ظاهر مى شود، صورت مى گیرد. اندازه گیرى ها نشان مى دهد که در قشر مغز تغییرات پتانسیل الکتریکى منظمى انجام مى شود. «این پتانسیل هاى الکتریکى به استثناى حالت بیهوشى عمیق یا قطع جریان خون به مغز همیشه وجود دارند. هنگامى که قشر مغز خراب شود، این نقش تغییر مى کند. با قرار دادن الکترودهاى پهن یا الکترودهاى سوزنى شکل بر روى پوست سر مى توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدایت کرد… این امواج نتیجه پتانسیل هاى کار نورون هاى عصبى قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر مى شوند … خاصیت مهم این امواج بسامد آنها است. گستره معمولى این بسامد از یک تا ۶۰ هرتز تغییر مى کند… این امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل هاى تلاقى، شکل امواج و نقش هایى که دارند، ارزیابى مى شوند.»۵
تهیه طرح هاى سه بعدى از بدن
در سال هاى ۷۰-۱۹۶۰ براى تشخیص بیمارى ها چهار روش جدید ابداع شد:
الف _ گرمانگارى: نخستین روش گرمانگارى بود که در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. مى دانیم که هر جسمى که دمایش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سلسیوس) باشد از خود امواجى تابش مى کند که به نام امواج گرمایى معروف است. از این خاصیت یعنى انتشار امواج گرمایى از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دماى قسمتى از بدن را به صورت تصویرى رنگى تهیه مى کنند. این روش براى تحقیق و بررسى رگ هاى خونى سطحى بدن مفید است و با آن مى توان از وجود تومورها نیز باخبر شد.
ب- توموگرافى: پرتوهاى ایکس مى توانند از بافت هاى نرم بگذرند، لیکن میزان جذب یا عبور آنها به غلظت بافت بستگى دارد. چنانچه پرتو ایکس در مسیر خود از غده اى بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتى که غده وجود نداشته باشد، تفاوت مى کند. به کمک کامپیوتر مى توانند تصویرى را که از بدن گرفته اند، پردازش کنند و اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمایند. عملى که با کمک پرتو ایکس و کامپیوتر براى تعیین غده ها صورت مى گیرد را توموگرافى مى نامند.
پ- هولوگرافى (تمام نگارى): دنیس گابور فیزیکدان نوع جدیدى از عکاسى را در سال ۱۹۴۷ ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشکى از آن استفاده شد. هولوگرافى براساس خواص امواج متکى است و تصویرى که از ریزشىء گرفته مى شود، سه بعدى است. در این طریقه تصویرى که از هر عضو بدن گرفته مى شود، کاملاً همه قسمت هاى اطراف آن عضو دیده مى شود. براى تهیه عکس سه بعدى معمولاً از پرتوهاى لیزر استفاده مى شود.
ت- دستگاه تشدید مغناطیسى (NMR ) :اساس این دستگاه بر این خاصیت است که هسته اتم هاى خاصى در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسى امواجى از خود تابش مى کنند که قابل ردیابى است. این پدیده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکى براى نخستین بار در سوئد توسط «اریش اودبلاد»۶ و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد.
در سال ۱۹۷۳ در انگلیس از طریق ردیابى تابش تراکم اتم هاى هیدروژن در بافت هاى مختلف بدن نخستین تصویر NMR تهیه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصویر از مغز نیز به این وسیله گرفته شد.
 
نقش فیزیک در زندگی
– هر فرد بزرگ یا کوچک، درس خوانده یا بیسواد ، شاغل یا بیکار خواه ناخواه با فیزیک زندگی می کند. عمل دیدن و شنیدن ، عکس العمل در برابراتفاقات ، حفظ تعادل در راه رفتن و… نمونه هایی از امور عادی ولی در عین حال وابسته به فیزیک می باشند.
– پدیده های جالب طبیعی نظیر رنگین کمان ، سراب ، رعد و برق ، گرفتگی ماه و خورشید و… همه با فیزیک توجیه می شوند.
– برنامه های رادیو ، تلویزیون ، ماهواره ، اینترنت ، تلفن و… با کمک فیزیک مخابره می شوند.
– با این نمونه های ساده ، می توان تصور کرد که اگر فیزیک نبود و اگر روزی قوانین فیزیک بر جهان حاکم نباشند، زندگی و ارتباطات مردم شدیدا دچار مشکل می شود.
فیزیک و آینده
با این روند رو به رشدی که علم فیزیک در کنار سایر علوم دارد، می توان امیدوار بود که در آینده به چراها و چگونگی های عالم طبیعت پاسخ داده شود و این دنیای فیزیک سکوی پرتاب به عالم متا فیزیک باشد.
در آینده شاید فیزیک بتواند …
– رسیدن به سرعت نور و فراتر از آن را مقدور سازد.
– مثالهای عجیب نسبیت را عملی کند.
– معمای مثلث برمودا را حل کند.
– واقعیت یوفوها( بشقاب پرنده ها) را مشخص کند.
– به راز وجود یا عدم وجود هوش فرا زمینی واقف شود. و…
 
پى نوشت ها:
۱- هنرهاى مفید: پس از گذشت بیش از سه قرن، بعید به نظر مى رسد که دریابیم آن چهل تن عضو جامعه سلطنتى از کلمه «هنرهاى مفید» چه منظورى داشتند که به تعبیر خود آنان مى بایست از کاربرد معلومات علمى الهام مى گرفت. البته با رجوع به مباحث اولیه آنان روشن مى شود که آنها مکانیزه کردن روند صنایع را به طور اخص در سر داشتند که قبلاً شروع شده بود و پیش بینى مى شد که تا آغاز انقلاب صنعتى در یک قرن بعد به طور کامل شکوفا شود. نتیجتاً «هنرهاى مفید» را مى توان با تکنولوژى آن روز معادل دانست. اختراعات و اکتشافات قرن بیستم صفحه ۱۴
۲- صوت، امواج مکانیکى با بسامد ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز است. امواج کمتر از ۲۰ هرتز را فروصوت و امواج بالاتر از ۲۰ هزار هرتز را فراصوت مى نامند.
۳-Echoscope
۴- Sonoscope
۵- فیزیک در پرستارى، تالیف هسل هوارد فلیتر. ترجمه: جهانشاه میرزابیگى و پروین عزالدین زنجانى، مرکز نشر دانشگاهى. ص ۳۹۶.
۶- Erich Odeblad