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医学物理学
量子与核

内幕故事:医学中的物理学

物理学叙事对于14 - 16的概率

《内幕故事》是由电影公司制作的物理研究所医学研究委员会

在这个系列中,您可以找到正电子发射断层扫描(PET)扫描,结肠镜,磁共振成像(MRI)扫描和放射治疗的物理叙事,以及“治疗肿瘤”的互动。

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原子核
量子与核

磁共振成像

物理学叙事对于11-14 14-16

磁共振成像(MRI)使用磁铁,足够强大拿起汽车,制作内脏的详细图像。

当您执行某些任务或感受某些情绪和感觉时,医生可以使用MRI查看大脑的哪些部分是活动的。

MRI是如何工作的

人体的很大一部分是由脂肪和水组成的,两者都含有大量的氢原子。事实上,你是由大约60%的氢原子组成的。磁共振成像(MRI)的工作原理是测量这些氢原子吸收并释放电磁能量的方式。

当你做核磁共振扫描时,你躺在一台装有强力磁铁的机器里。氢原子核就像一块微小的磁铁,因此,通过与扫描仪内的强磁场对齐,你所有的氢原子核也会对齐——就像一根罗盘针与地球磁场对齐一样。

扫描仪还具有几个电线圈,该电线材产生了磁场强度的变化,在您的身体中的不同点处。这意味着每个氢核的经历略有不同的磁场强度,这对于检测到它们的位置是重要的。

使用无线电波的脉冲,其给予足够的能量给氢核电,以改变方向。当脉冲关闭时,核恢复到原始位置,每个核以无线电波的形式释放能量。这些波的频率取决于每个核的磁场的强度,这意味着扫描仪可以解决每个核的位置。

发射出的无线电波也让扫描仪能够确定氢原子核是什么样的身体组织的一部分。此信息用于创建身体中不同类型组织的地图。

功能磁共振成像(fMRI)是一种核磁共振成像技术,它可以让你看到当你执行不同任务或感觉到某种情绪和感觉时,大脑的哪些部分是活跃的。

大脑活动需要能量和良好的富含血液供应。扫描仪可以看到血流增加到大脑中最活跃的部分,因为它可以检测到氧化血液中氢核的差异和去氧血液中的氢核。以这种方式,扫描仪建立了一个3D地图,其中大脑的部分特别努力。

大脑的FMRI映射用于了解大脑如何进行精神任务以及大脑的哪些部分对不同的脑疾病负责。

MRI扫描的例子

当您的主题正在进行各种不同的事情时,您可以使用MRI扫描来查看大脑的哪些部分是活动的。以下是显示五种不同刺激的例子。

疼痛

MRI扫描图像突出显示患有感觉疼痛的大脑的区域。

扫描显示当受试者的手被加热到疼痛水平时变得更加活跃的大脑区域。疼痛涉及感觉和情感,因此不同类型的疼痛导致大脑的不同区域。

利用功能磁共振成像,科学家们可以开始了解疼痛是如何起作用的,以及它如何可能减少疼痛体验。

核磁共振扫描图像突出了大脑中与爱有关的区域。

恐惧

MRI扫描图像突出了当感到害怕时涉及的大脑区域。

扫描表明,当你的主题被吓坏时,称为Amygdala的大脑结构变得更加活跃。

杏仁核负责产生一系列负面情绪,如悲伤、愤怒和厌恶。当人们执行非情绪性任务时,大脑就会变得不那么活跃,这就是为什么当你悲伤时让自己忙起来会让你感觉更好。

快乐

MRI扫描图像突出显示乐趣时涉及的大脑区域。

扫描结果显示,当受试者观看自己的足球队进球时,他的大脑区域变得更加活跃。

虽然一些这些地区与喜悦的感觉有关,但有些领域可能是不同影响的结果,例如对得分的目标的预期。决定主题应该做些什么或者认为孤立情绪可能是FMRI研究中最难的部分。

气味

核磁共振扫描图像突出了大脑中被嗅觉激活的区域。

扫描显示了被嗅觉激活的大脑区域。嗅觉是一种复杂的感觉,需要大脑的几个不同部分来确定嗅觉是什么,从哪里来,以及你是否喜欢它。

可见光
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结肠镜检查

物理学叙事对于11-14 14-16

结肠镜检查是一种医生用来检查大肠内部并检查一切是否正常的技术。

为此,他们使用内窥镜,这是一个长的柔性管,最后是微型相机和光线。

当它们通过冒号引导内窥镜时,视频屏幕将显示来自相机的视图。这允许医生检查结肠的表面并寻找任何不寻常的特征。

内窥镜的照片

结肠镜检查是如何工作的

您的冒号是您消化系统的最后一部分,这里有任何剩余的水和营养素被消化的食物吸收,以产生粪便或粪便。然后将粪便储存在冒号的最后一部分,您的直肠,直到您能够上厕所并排泄它们。

肠图

当它们通过冒号引导内窥镜时,视频屏幕将显示来自相机的视图。这允许医生检查结肠的表面并寻找任何不寻常的特征。

结肠镜检查使用内窥镜,内窥镜是一个长的软管,末端装有微型摄像机和灯。穿过试管的数字电缆将摄像机的视频信号传输到电视屏幕,让医生可以看到结肠的全彩图像。光通过光纤电缆沿管道传输。内窥镜通常也有内置的仪器,由沿着数字电缆穿过管道的电线控制,可用于在结肠镜检查期间执行小型外科手术。

在结肠镜检查期间,内窥镜的柔性管通过直肠插入到您的冒号中。也许令人惊讶的是,这是不舒服而不是痛苦,但你会事先镇静,以尽量减少任何不适。将相机放入冒号中的明显缺点看它看起来像什么,是它通常是部分消化的食物和粪便!为了让医生看到你的结肠而不是你吃的遗骸,你将在结肠镜检查前几天放在透明液体的饮食中,然后在结肠镜检查之前发生强烈的泻药。

插入内窥镜后,您的医生可以控制相机位置和光线,因为它们沿着您的结肠直接。如果发现任何可疑的区域,您的医生将使用内置仪器进行组织样本以供以后分析。

结肠镜检查用于寻找结肠癌或在过程中进行的任何组织样品的任何疾病的证据都在显微镜下分析。早期发现疾病,包括癌症,大大增加了治疗的有效性。

结肠镜检查图像

下面您将看到一些静止图像从结肠镜检查的镜头中拍摄,突出显示某些功能。

特征1

结肠镜图像,显示良性憩室

你看到的这个小洞就是憩室的开口。这是一个凸出的小袋,穿过结肠壁外层的弱点,就像一个内胎穿过轮胎的洞。50岁以上的人中大约有一半患有憩室(憩室的复数),在大多数情况下它们不会引起任何问题。

专题2

来自结肠镜检查的图像,显​​示了患有轻度发炎的区域的活检

在轻度发炎的区域,血管更明显。注意活检。活检是医生从病人的组织样本中抽取样本,这些样本将被送到实验室做进一步检查,以确定是否有问题。

正电子
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PET扫描

物理学叙事对于11-14 14-16

正电子发射断层摄影术(PET)用来观察你的身体是如何使用葡萄糖、氨、水和氧气等物质的。通过观察这些分子是如何在你体内移动的,以及它们被使用的位置,你的医生可以检查任何可能表明疾病存在的异常情况。

宠物扫描如何工作

正电子发射断层摄影术(PET)被用来观察你的身体是如何使用葡萄糖、氨、水和氧气等物质的。通过观察这些分子是如何在你体内移动的,以及它们被使用的位置,你的医生可以检查任何可能表明疾病存在的异常情况。

通过跟踪您的身体如何使用葡萄糖,宠物扫描可以产生癌症的肿瘤图像,并帮助您的医生锻炼待遇最佳。你的身体使用葡萄糖 - 一种糖的糖 - 用于能量,所以使用比正常身体组织更多的葡萄糖的癌组织,将显示为宠物图像上的明亮区域。

如果使用氧气作为追踪分子,PET扫描可以用来成像大脑活动,观察心脏的血流,从而检测冠心病和其他心脏问题。

为了追踪这些分子,放射性同位素被附着在它们上,然后被注射进你的身体。放射性同位素是原子核中中子过多或过少的不稳定原子。在PET中使用的同位素中子太少。这使得它们不稳定,最终它们的原子核会分裂,在这个过程中释放出正电子——带正电的电子。当这些正电子与邻近原子中的电子接触时,就会产生伽马射线。PET扫描仪可以检测这些伽马射线,并找出它们在你体内的来源,从而确定被追踪的分子的位置。

然后利用这些信息生成一系列图像,这些图像使用不同的颜色或亮度来显示随时间变化的分子浓度和位置。

同位素的放射性会随着时间的推移而降低,所以为了得到一系列清晰的图像,在你被注射后必须尽快进行PET扫描。

尽管PET扫描意味着你被注射了放射性物质,但所涉及的辐射剂量与你在两三年内自然暴露的辐射剂量大致相同。这意味着你的身体没有受损,尽管你不想在短时间内进行大量扫描。

宠物扫描图像

下面你将看到三组对三个人的大脑进行的PET扫描。

健康的病人

一组6张PET图像,显示健康患者的大脑

此扫描来自健康的70岁的控制患者。FDG扫描对于具有良好皮质信号的年龄的典型(即通过大脑的该横截面的外边缘)看起来典型。

患者与阿尔茨海默病的疾病

一组6张PET图像,显示阿尔茨海默病患者的大脑

阿尔茨海默病(AD)是一种大脑逐渐退化的疾病,导致人的行为改变,以及严重的短期记忆丧失和认知障碍。

通常通过口头测试评估患者的内存和智力功能来诊断广告。使用宠物的脑成像可以证实诊断,因为阿尔茨海默氏症患者通常显示脑皮层中的葡萄糖使用的减少 - 薄,最外层的大脑,负责许多复杂的大脑功能,包括记忆,语言和意识。

患有脑肿瘤的患者

一组6张PET图像,显示脑肿瘤

脑肿瘤是细胞发生突变并无法控制复制的组织区域。正常脑细胞接触辐射或有害化学物质会导致细胞DNA受损,从而导致突变。

PET扫描对鉴别肿瘤很有用,因为它们比正常组织消耗更多的能量,因此葡萄糖。FDG示踪剂是葡萄糖的一种形式,在肿瘤部位大量出现,在PET图像上显示为明亮区域。

电离辐射
量子与核

放射治疗科

物理学叙事对于11-14 14-16

放射治疗科是一种利用定向辐射束治疗癌症肿瘤的方法。辐射是由一个线性加速器传送的,它可以围绕病人的身体旋转,从不同的角度传送辐射。


放射治疗方式如何工作

并非所有的癌症都是相同的,不同的肿瘤需要不同的治疗方案。治疗的三种主要形式是手术、化疗(使用药物)和放疗(使用放射治疗)。

放射疗法使用精确的靶向高能光子的高能光束来损害癌症肿瘤的细胞,使它们无法繁殖和蔓延。使用临床线性加速器创建和递送高能量光子束,该临床线性加速器可以围绕患者旋转以从任何方向传递辐射。

放射治疗计划软件的屏幕截图,显示了身体的横截面和肿瘤上光束的位置。

放射治疗计划软件的屏幕截图,显示了身体的横截面以及上图中光束放置引起的辐射水平。

当辐射穿过正常组织进入肿瘤时,会损害健康细胞。为了减少这种损伤,辐射从一系列不同方向触发肿瘤。这确保了癌症肿瘤会收到全剂量,同时周围的健康组织接受更低的剂量。

用我们的肺部用癌症肿瘤的患者进行放射治疗治疗治疗对待肿瘤互动

电磁辐射
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治疗肿瘤

课堂活动对于11-14 14-16

在这个活动中,学生们使用一个交互式的放射治疗计划,以治疗一个在他们的肺部有癌症肿瘤的病人。


设备和材料

每个学生都需要一份说明书的复印件。

课堂活动

  1. 通过在直线加速器周围重新定位高能光子束,将其对准肿瘤。使用右上角的床控件重新定位身体本身。
  2. 调整每束射线的照射时间,以确保你已经将肿瘤暴露在足够的辐射下,以移除它。
  3. 健康的组织也会被辐射破坏,所以你必须确保肿瘤接受到所需的剂量,而不损害周围的组织。

当辐射穿过正常组织进入肿瘤时,会损害健康细胞。与学生讨论如何从一系列不同的方向发射辐射,以确保癌变肿瘤将接受完整的剂量,而周围的健康组织接受更低的剂量。

有关放射疗法和线性加速器的更多信息可以找到这个页面

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