Στα θεμέλια των βιοϊατρικών επιστημών βρίσκεται η Φυσική
Όταν ένας μαθητής σκοπεύει να σπουδάσει επιστήμες ιατρικής και υγείας, υποθέτει ότι πρέπει να διαπρέψει στη βιολογία ή τη χημεία. Έτσι, εστιάζει το ενδιαφέρον του κυρίως σ’ αυτά τα δύο μαθήματα. Όμως, οι περισσότεροι ξεχνούν ή αγνοούν την τεράστια σημασία των εννοιών της Φυσικής στον βιοϊατρικό τομέα.
Πίσω από τις ιατρικές ορολογίες της ανατομίας, της φυσιολογίας ή της μοριακής βιολογίας απλώνονται οι σκιές ορολογιών όπως η ιατρική απεικόνιση, η εμβιομηχανική, η ακτινοβολία, ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός, που σχετίζονται με τις αναπόσπαστες έννοιες της Φυσικής. Αυτά αναφέρονται συχνά ως ιατρική Φυσική.
Η ιατρική Φυσική εφαρμόζει τις αρχές της Φυσικής στην ιατρική. Είναι απαραίτητη σε όλες σχεδόν τις ιατρικές τεχνολογίες διάγνωσης και θεραπείας που χρησιμοποιούνται σήμερα. Από τις ακτινογραφίες έως τις τομογραφίες μαγνητικού συντονισμού (MRI), την ακτινοθεραπεία έως τη χειρουργική επέμβαση λέιζερ, τις ιατρικές συσκευές και τα εμφυτεύματα έως την αποκατάσταση, η Φυσική διαδραματίζει πολύ κρίσιμο ρόλο στην εξέλιξη του τομέα της ιατρικής.
Εμβιομηχανική
Οι μηχανικές ιδιότητες των βιολογικών συστημάτων, όπως τα οστά και οι μύες, και το πώς αλληλεπιδρούν με τις εξωτερικές δυνάμεις μελετώνται από την εμβιομηχανική.
Η Φυσική είναι απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι δυνάμεις και τα φορτία κατανέμονται στις αρθρώσεις του σώματος και για τον σχεδιασμό εμφυτευμάτων και προσθετικών που μιμούνται την λειτουργία των φυσικών αρθρώσεων στην ορθοπαιδική. Αυτό βασίζεται στην κατανόηση των ελαστικών ορίων και της εφελκυστικής τάσης στους μύες. Όταν σε ένα σώμα ασκούνται δυνάμεις αντίθετης φοράς προκαλούν την επιμήκυνσή του, όπως το τέντωμα ενός ελαστικού ιμάντα. Αυτό ονομάζεται εφελκυστική τάση. Η ελαστικότητα είναι η ικανότητα ενός μυός να αντιστέκεται σε μια παραμορφωτική επίδραση και να επιστρέφει στο αρχικό του μέγεθος και σχήμα όταν παύει το εξωτερικό αίτιο ή δύναμη. Έτσι, την επόμενη φορά που θα κάνετε ασκήσεις γυμναστικής, σκεφτείτε την «σύντηξη» Φυσικής και βιολογίας.
Ιατρική απεικόνιση
Οι τεχνικές ιατρικής απεικόνισης, όπως η απεικόνιση ακτίνων Χ, η Αξονική Τομογραφία ή Υπολογιστική Τομογραφία (Axial Tomography, σήμερα Computed Tomography – CT), η Tομογραφία Eκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emmision Tomography-PET) και η Μαγνητική Τομογραφία (Magnetic Resonance Imaging-MRI, Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού) βασίζονται όλες σε διαφορετικές αρχές της Φυσικής για τη δημιουργία εικόνων του σώματος.
Οι ακτίνες Χ, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν φωτόνια υψηλής ενέργειας για να διεισδύσουν στους ιστούς του σώματος, ενώ οι αξονικές τομογραφίες χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για τη δημιουργία πολλαπλών εικόνων του σώματος από διαφορετικές γωνίες.
Στην τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) χρησιμοποιούν ραδιενεργά στοιχεία για την παρατήρηση μεταβολικών διαδικασιών στο σώμα. Αυτή η τεχνική εντοπίζει τα ζεύγη ακτίνων γάμμα που εκπέμπονται από την εξαϋλωση των ποζιτρονίων που εκπέμπει το ραδιενεργό στοιχείο, συνήθως το Φθόριο-18 (18F), το οποίο εισάγεται στο σώμα διαμέσου μιάς βιολογικά ενεργής ουσίας που ονομάζεται ραδιενεργός ανιχνευτής. Στη συνέχεια δημιουργούνται τρισδιάστατες εικόνες συγκέντρωσης του ανιχνευτή με ανάλυση σε υπολογιστή.
Οι σαρώσεις Μαγνητικής Τομογραφίας χρησιμοποιούν ισχυρά ομογενή μαγνητικά πεδία (τουλάχιστον 1,5 Tesla -15.000 φορές ισχυρότερα από το μαγνητικό πεδίο της Γης). Κάτω από αυτές τις συνθήκες οι πυρήνες υδρογόνου του σώματος (που βρίσκονται στο νερό και σχεδόν σε όλες τις άλλες χημικές ενώσεις του ανθρωπίνου οργανισμού) προσανατολίζονται παράλληλα ως προς τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου και εκτελούν μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον άξονα των μαγνητικών γραμμών με συγκεκριμένη συχνότητα περιστροφής. Η συχνότητα αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε άτομο. Αυτή η μεταπτωτική κίνηση αποτελεί ένα μέσο διερεύνησης των διαφόρων τύπων πυρήνων που εμπεριέχονται σε ένα σώμα, είτε αυτό είναι δείγμα κάποιας βιολογικής ή χημικής ουσίας είτε είναι ιστός κάποιου εξεταζόμενου. Κατά την διάρκεια της εξέτασης τα πηνία ραδιοσυχνότητας του μαγνητικού τομογράφου εκπέμπουν ραδιοκύματα, οι πυρήνες διεγείρονται και όταν μεταπίπτουν στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπουν ένα αδύνατο ραδιοφωνικό σήμα σε συγκεκριμένη συχνότητα. Αναλύοντας το αδύναμο εκπεμπόμενο ραδιοφωνικό σήμα δημιουργούνται λεπτομερείς εικόνες των εσωτερικών δομών του σώματος.
Η κατανόηση της Φυσικής αυτών των τεχνικών απεικόνισης, όπως η αλληλεπίδραση βιολογικών κυττάρων με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της ποιότητας των εικόνων, ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα τους κινδύνους που σχετίζονται με την έκθεση στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Θεραπεία εξολόθρευσης κυττάρων
Η ακτινοθεραπεία είναι μια θεραπευτική αγωγή που χρησιμοποιεί ιονίζουσα ακτινοβολία υψηλής ενέργειας, για την εξόντωση καρκινικών κυττάρων και τη συρρίκνωση των όγκων. Η ακτινοθεραπεία μπορεί να είναι θεραπευτική σε διάφορους τύπους καρκίνου εάν εντοπίζονται σε μια περιοχή του σώματος.
Η Φυσική της ακτινοθεραπείας περιλαμβάνει την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με την ύλη και πώς μπορεί να μεταφερθεί με ακρίβεια στην στοχευόμενη περιοχή. Η ακτινοθεραπεία πρέπει να σχεδιάζεται προσεκτικά και να παρακολουθείται για να διασφαλιστεί ότι η δόση της ακτινοβολίας είναι αρκετά υψηλή για να σκοτώσει τα καρκινικά κύτταρα, και ταυτόχρονα αρκετά χαμηλή ώστε να αποφευχθεί η περαιτέρω καταστροφή του υγιούς ιστού. Η Φυσική μπορεί να περιγράψει με λεπτομέρεια την επίδραση της ακτινοβολίας και της ραδιενέργειας στην ύλη και στο ανθρώπινο σώμα.
Με τη βοήθεια των προηγμένων τεχνικών απεικόνισης, όπως η αξονική τομογραφία και η μαγνητική τομογραφία, οι γιατροί είναι σε θέση να στοχεύουν με ακρίβεια την ακτινοβολία στον όγκο, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της θεραπείας, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον κίνδυνο παρενεργειών.
Χειρουργική με λέιζερ
Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την χρήση εστιασμένων ακτίνων φωτός για την αφαίρεση ή την επιδιόρθωση του ανθρώπινου ιστού. Η Φυσική της χειρουργικής με λέιζερ περιλαμβάνει την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το συμφασικό, μονοχρωματικό φως αλληλεπιδρά με τον ιστό, αλλά και το πως πρέπει να καθορίζεται η ένταση και η διάρκεια της δέσμης λέιζερ. Διαφορετικοί τύποι λέιζερ χρησιμοποιούνται για διαφορετικούς τύπους επεμβάσεων.
Για παράδειγμα, τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιούνται για την ανάπλαση της επιφάνειας του δέρματος και την αφαίρεση όγκων, ενώ τα λέιζερ αλουμινίου υττρίου (YAG) χρησιμοποιούνται για χειρουργικές επεμβάσεις στα μάτια για τη θεραπεία καταρράκτη, για τη θεραπεία των οφθαλμικών μυοψιών του υαλοειδούς κ.ά.
Οι χειρουργικές επεμβάσεις με λέιζερ είναι επίσης πολύ δημοφιλείς σήμερα στην αισθητική θεραπεία για την παραγωγή πιο ανοιχτόχρωμου δέρματος, την αφαίρεση της ανεπιθύμητης τριχοφυΐας και τη δημιουργία περισσότερο επιθυμητών (;) χαρακτηριστικών του προσώπου.
Ακτινοχειρουργική εγκεφάλου με ‘νυστέρι’ ακτίνων γάμμα (γ-knife)
Η γ-knife ακτινοχειρουργική θεραπεία θεωρείται η μεγαλύτερη τεχνικά καινοτομία στη νευροχειρουργική τα τελευταία 20 χρόνια, επιτρέποντας σε περίπου 1 εκατομμύριο ασθενείς παγκοσμίως να έχουν επαρκή έλεγχο της νόσου τους χωρίς την ταλαιπωρία και το ρίσκο μιας ανοικτής χειρουργικής επέμβασης. Εδώ η εμπειρία του νευροχειρουργού, του ακτινοθεραπευτή-ογκολόγου και του ακτινοφυσικού συνενώνονται προκειμένου να δημιουργήσουν ένα πρόγραμμα θεραπείας, δομημένο ακριβώς στα μέτρα του κάθε ασθενούς.
Η ανελλιπής παρακολούθηση και η αξιολόγηση των ασθενών που έχουν υποβληθεί σε θεραπεία γάμμα knife, επιβεβαίωσαν ποσοστό επιτυχίας πάνω από 95% για τις περισσότερες καλοήθεις βλάβες και ένα σημαντικό ποσοστό βελτίωσης για τις πλέον επιθετικές παθήσεις, καθιστώντας την γάμμα knife την πλέον κατάλληλη μέθοδο θεραπείας, υποκαθιστώντας πολλές φορές την κλασσική χειρουργική ή τις άλλες θεραπευτικές παρεμβάσεις που έχουν αποτύχει.
Ιατρικές συσκευές
H λειτουργία ιατρικών συσκευών, όπως βηματοδότες, απινιδωτές ή τεχνητά μέλη, βασίζονται στις αρχές της Φυσικής. Για παράδειγμα, οι βηματοδότες χρησιμοποιούν μεγάλης διάρκειας ζωής πυρηνικές μπαταρίες και ηλεκτρικά σήματα για τη ρύθμιση του καρδιακού παλμού, ενώ τα τεχνητά μέλη χρησιμοποιούν αισθητήρες για να ανιχνεύουν τις κινήσεις του σώματος και να προσαρμόζονται ανάλογα.
Η Φυσική αυτών των συσκευών περιλαμβάνει την κατανόηση του τρόπου μέτρησης και ελέγχου διαφόρων φυσικών παραμέτρων, όπως της πίεσης, της θερμοκρασίας ή των χαρακτηριστικών των ηλεκτρικών σημάτων, για να διασφαλιστεί ότι η συσκευή λειτουργεί όπως προβλέπεται και δεν προκαλεί βλάβη στον ασθενή. Επιπλέον, το ιατρικό προσωπικό, ιδιαίτερα ο ακτινολόγος και ο τεχνικός ακτίνων Χ, πρέπει επίσης να έχουν γνώσεις χειρισμού ασθενών με μεταλλικά εμφυτεύματα.
Η Φυσική των υλικών
Η ανάπτυξη των υλικών που χρησιμοποιούνται στην επιστήμη της υγείας, όπως τα μέταλλα, τα κεραμικά και τα πολυμερή, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη Φυσική. Για παράδειγμα, οι ιδιότητες των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στα ορθοπεδικά εμφυτεύματα, όπως η αντοχή, η όρια κόπωσης και η βιοσυμβατότητα καθορίζονται από την κρυσταλλική τους δομή και άλλα φυσικά χαρακτηριστικά.
Η βιοεκτύπωση αιμοφόρων αγγείων είναι ένας πολλά υποσχόμενος τομέας που περιλαμβάνει τη δημιουργία τεχνητών αιμοφόρων αγγείων χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ο στόχος είναι η παραγωγή λειτουργικών αγγείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αντικατάσταση κατεστραμμένων ή νοσούντων αιμοφόρων αγγείων σε ασθενείς, μειώνοντας την ανάγκη για επεμβατικές χειρουργικές επεμβάσεις.
Ενώ η απεικόνιση ακτίνων Χ χρησιμοποιείται ευρέως στην ιατρική διάγνωση, η περίθλαση ακτίνων Χ χρησιμοποιείται κυρίως στη Φυσική και τη χημεία των υλικών. Όμως, ποιός μπορεί να ξεχάσει τη διάσημη φωτογραφία 51 που τράβηξε ο μεταπτυχιακός φοιτητής Raymond Gosling, το 1952, χρησιμοποιώντας την τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ;
Λίγες μέρες μετά οι James Watson και Francis Crick που είδαν την παραπάνω φωτογραφία αναγνώρισαν την δομή της διπλής έλικας του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA), του μορίου που περιέχει τις γενετικές πληροφορίες όλων των ζωντανών οργανισμών.
Σχετικά επαγγέλματα
Πολλά σημαντικά επαγγέλματα γύρω μας απαιτούν την γνώση εννοιών της Φυσικής, ιδιαίτερα στον τομέα της επιστήμης της υγείας. Η αποκατάσταση που βοηθά τους ασθενείς να αναρρώσουν από τραυματισμούς και χειρουργικές επεμβάσεις βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε αρχές που βασίζονται στη Φυσική των ροπών και της στατικής ισορροπίας. Για παράδειγμα, οι φυσιοθεραπευτές, οι βοηθοί ιατρών, το παραϊατρικό προσωπικό και οι εργοθεραπευτές χρησιμοποιούν ασκήσεις και τεχνικές που έχουν σχεδιαστεί για να βελτιώσουν το εύρος κίνησης, τη δύναμη και την ευλυγισία, με βάση τις αρχές της μηχανικής και της κινητικής.
Με λίγα λόγια, η Φυσική παίζει ουσιαστικό ρόλο στην ανθρώπινη βιολογία και ιατρική και παρέχει τις βάσεις για πολλές από τις τεχνολογίες διάγνωσης και θεραπείας που χρησιμοποιούνται σήμερα. Κατανοώντας τη Φυσική που κρύβεται πίσω από τους τομείς της ιατρικής και της υγείας, οι γιατροί και οι βιοϊατρικοί ερευνητές μπορούν να συνεχίσουν να αναπτύσσουν νέους και πρωτότυπους τρόπους για τη διάγνωση και τη θεραπεία των διαφόρων παθήσεων. Χωρίς τη Φυσική, πολλές από τις ιατρικές εξελίξεις που θεωρούμε δεδομένες σήμερα θα ήταν αδύνατες.
Να θυμάστε. Η Βιολογία και η Χημεία για να χορέψουν ταγκό στις βιοϊατρικές επιστήμες χρειάζονται ως παρτενέρ-καθοδηγητή την Φυσική.
διαβάστε περισσότερα: Beyond the human eye: the unseen impact of physics in healthcare
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου