医学物理学

1. 医学物理学

2. 进度表

3. 绪论 • 物理学是一门医学生必修的基础课，是一切自然科学与工程技术学科(包括医药学)不可缺少的基础。 一、什么是医学物理学是用物理学的理论解释生命过程中的生理及病理现象，把物理学的技术应用于医学实践的一门边缘学科。 二、物理学的研究对象和方法1. 物理学的研究对象物理学是研究自然界中物质运动最基本、最普遍的性质与规律的一门自然科学。 其中的物质有两种基本形态：实物和场。它们互有区别又有联系。 物质的运动形式是极其多样的。物理学所研究的运动形式，普遍存在于其他高级的、复杂的物质运动形式中。 提问：物质的两种基本形态是—固、液、气态？是运动和静止？

4. 2. 物理学的研究方法 • 观察、实验、假说、理论 • 这种研究方法具有普遍意义。 “知识只有通过实践与思考才会变成力量，这就要求要有责任感和良好的习惯与作风。”——吴阶平院士(首医首任院长) 学习物理学，更应该培养严谨、严格的科学作风。在科学实验时，一是一、 二是二，如实记录实验条件、环境和结果。如果结果正确或合理，则据此得出结论；如果结果不正确或不合理，也应该如实记录，并分析出现这种结果的原因。物理的学习过程，就是对严谨科学作风的训练过程。

5. 法拉第(Michael Faraday 1671-1867年) • 迈克尔·法拉第是在电学上作出了巨大贡献的英国科学家。发现电磁感应是他为物理学所做的一项最伟大的贡献。 • 从1820年丹麦哥本哈根大学的奥斯特发现电流的磁效应开始，到1831年的11 麦克斯韦评价法拉第说：“他(的实验记录)既告诉我们他的不成功的实验，也告诉我们他的成功的实验，即告诉我们他的粗糙的想法，也告诉我们那些成熟的。归纳能力不及他的读者，感到共鸣多于敬佩，并且引起这样一个信念，如果他有这样的机会，将也成为一个发现者。” 年间，法拉第为了实现“磁生电”的过程，每天做完实验后都要写实验日记，而这些日记中记得最多的竟是“没有效果”、“没有反应”、“不行”等等否定的词汇。 法拉第的实验日记共8卷，记录了他在1820-1862年进行过的16041则实验。这些宝贵的经验，不知使后来的物理学实验少走多少弯路！

6. 三、物理学与医学的关系 • 物理学提供了设计、研究和使用医学仪器的基础知识、技术和技能。科学仪器越来越往高、精、尖发展，得出的结论结果越来越明确。但如果操作者能够了解仪器的测量原理和手段，就更可能充分利用它的潜力，甚至开发出新的用途。

7. 三、物理学与医学的关系 • 医学的发展历来与物理学的发展有密切的关系，物理学发展过程中经历了三次飞跃，都极大地促进了医学技术的发展。 • 十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学的发展，温度计、压强计、显微镜等仪器的发明，极大地弥补了医学检测手段的不足。 • 19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心脏电偶极子模型的建立，对医学的发展有极大的促进。 • 20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射性、磁共振、激光、计算机技术等在医学现代化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。 十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学的发展，温度计、压强计、显微镜等仪器的发明，极大地弥补了医学检测手段的不足。 19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心脏电偶极子模型的建立，对医学的发展有极大的促进。 20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射性、磁共振、激光、计算机技术等在医学现代化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。

8. 三、物理学与医学的关系 • 医学的发展历来与物理学的发展有密切的关系，物理学发展过程中经历了三次飞跃，都极大地促进了医学技术的发展。 • 十七八世纪，牛顿力学的建立和热力学、光学的发展，温度计、压强计、显微镜等仪器的发明，极大地弥补了医学检测手段的不足。 • 19世纪，电磁理论的建立，X射线的发现和心脏电偶极子模型的建立，对医学的发展有极大的促进。 • 20世纪以来，相对论和量子力学的建立，放射性、磁共振、激光、计算机技术等在医学现代化中已经成为不可缺少的诊断、治疗手段。 物理学与医学的密切关系还表现在，许多科学家运用物理学的知识和研究方法为医学做出了贡献，同时在对医学问题的研究过程中也建立了一些物理学的理论。

9. 物理学技术在生命科学中的应用 生命微观机制的研究运用了量子力学方法，运用了过去已经发展起来以及近代正在发展的各种技术，特别是物理学技术。 现代基础医学研究、预防、临床诊断和治疗方面的技术手段正在日新月异发展着，其中主要是物理学技术，如 各种窥镜、 电子显微镜、 微波、 超声、 激光、 核磁共振、 断层显像、 核医学等技术。

10. 四、物理学的学习要求和方法 • 我们要学习物理学的“观察、实验、假说、理论“的研究方法，而严谨、严格的科学作风的培养是什么时候都不能中断的。

11. 物理学的学习要求和方法 • 学习物理学，要认真听课、作笔记，做好预习和复习、做习题、做实验。 • 要按时交作业，作业都有记录。(作业，要有作业本，交作业时写上姓名和学号) • 交作业：各班课代表收齐作业后按学号排序整理好，交到教学楼435办公室。 • 答疑时间：每周四下午第七节3:30~4:30 • 学期成绩： • 期末考试占60%， • 平时成绩占40%

12. 第二章 波动和声波 • 波动是振动在空间的传播。各种信息的传播几乎都要借助于波。 • 机械振动在媒质中的传播称为机械波。波除有机械波外，还有电磁波等其它种类的波。 • 声波是一种机械波。

13. 简谐振动曲线 振动 • 在介绍波动之前，我们先来现了解振动。 • 振动(vibration)是自然界中最常见的运动形式。物体在空间某一位置附近所作的来回往复运动称为机械振动。 • 简谐振动是一种最简单、最基本的振动。 简谐振动可以用简谐振动方程来描述：x=Acos(ωt+φ) 其中x是振动位移，A是振幅，φ是初相位， ω是角频率，频率f= ω /2π，周期T=1/f。

14. 第一节 波的产生与传播 • 一、波(wave)的产生 • 机械振动在弹性媒质中传播。 • 产生机械波的两个条件：波源和弹性媒质。 横波和纵波。 声波通常是纵波。超声波：f>20,000hz，次生波：f<20hz，通常所说的声波，f：20hz~20,000hz。从物理上看，这三种声波并没有本质上的区别。

15. 二、波的传播

16. 波的传播结论： (1)质点并未“随波逐流” 波的传播不是媒质质点的传播。 (2) “上游”的质点依次带动“下游”的质点振动。 (3) 某时刻某质点的振动状态将在较晚时刻 于“下游”某处出现---波是振动状态的传播 (4)波长——波一个周期内传播的距离。相距波长的两质点的振动状态相同，它们是同相点——在波线上相位差2 (5) 波速c——波单位时间传播的距离。c=f= /T此式适用于各种波 波长：在波线上相邻的两个同相点之间的距离。波速：单位时间内振动状态传播的距离。周期：一个完整波通过波线上某点所需的时间。频率：单位时间内通过波线上某点完整波的个数。角频率：2π秒时间内通过波线上某点完整波的个数。 波的频率、周期、角频率的概念分别是什么？

17. 波的几何描述 • 波面，波前，波线两种波面简单的波：平面波和球面波 注意：一列波在不同媒质中传播，周期和频率是不变的，而波速可能不同。周期和频率决定于波源，波速决定于媒质。 由于= c/f=cT则波长也可能不同。

18. 四、惠更斯原理 • 在媒质中波前上的各点都可以看作新的波源向各个方向发出子波，在其后任一时刻，这些新波源发出的子波的包迹就是新的波前。 • 包迹，公切面 可以由当前的波前求出下一个时刻的波前。

19. 惠更斯原理的应用： • 解释波的衍射现象 传播到依直线传播不能到达的区域。 • 在解释干涉现象时也用到惠更斯原理。

20. 第二节 声波 一、声速 声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。 • 机械波可以在固体、液体和气体中传播。固体可以传播横波和纵波，而液体和气体只能传播纵波。 • 声波通常是以纵波的形式传播。固体中的声速c较大，而液体中c较小，气体中c最小。 • 空气中声速c与气温有关( 经验公式)：c=331+0.6t (m·s-1)其中t是摄氏度(℃)。

21. 二、声压和声强 (一) 声压 声压 声波作为纵波传播时与没有声波传播时媒质内各相应点的瞬时压强差就是声压。声压可正可负，质点密集处声压为正，稀疏处为负。 声压幅值：Pm= A ω ρc ：kg·s-1·m-2 单位? 定义声阻抗Z 声阻抗(简称声阻)反映媒质的声学特性。

22. (二)声强 • 波的传播是运动状态的传播，必然也伴随着能量的传播。媒质各点振动时有动能、也有势能，且动能势能周期变化。 单位时间内通过垂直与传播方向上单位面积的平均能量称为能流密度，即波的强度(声强) 声强单位是什么？ 在教室里要改变我说话声音的声强I，可以怎么办？ 为了计算得到声强，需要测量多少个量？ 可以通过测量声压间接得到声强。

23. 入射波强度Ii 反射波强度Ir Z1 Z2 透射波强度It 界面 声波的透射和反射 • 当声波传播经过声阻不同的两种媒质交界面时，会发生透射和反射。理论证明，当入射波垂直界面入射时，反射系数和透射系数符合： 透射系数 反射系数 讨论：Z1、Z2近似相等时，有什么情况？它们相差很大时，又有什么情况？

24. 提问：声波频率在20~20000Hz内一定可以被我们听到吗？提问：声波频率在20~20000Hz内一定可以被我们听到吗？ 听阈曲线和痛阈曲线 三、听觉区域、声强级和响度级 • (一) 听阈、痛阈、听觉区域 声波要被听到，除了频率要求外，还应考虑声强的范围。 1000Hz | 100Hz听阈：10-12W·m-2 | 5×10-9W·m-2 听阈、听阈曲线痛阈、痛阈曲线听觉区域 痛阈：1W·m-2 | 3W·m-2 这些听阈和痛阈都是大量正常人的统计效果，是一个“平均耳”的数值。

25. 听阈曲线和痛阈曲线 (二) 声强级 L 采用声强的对数表示人耳听到声音的强度等级。 单位：贝尔(B)、分贝(dB) 1000Hz的声波，从听阈到痛阈，声强级0dB~120dB，有120个等级。

26. 城市5类环境噪声标准值 • 类别 • 昼间 • 夜间 • 0 • 50 • 40 • 1 • 55 • 45 • 2 • 60 • 50 • 3 • 65 • 55 • 4 • 70 • 60 城市区域环境噪声标准 各类标准的适用区域0类标准适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区等特别需要安静的区域； 1类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。乡村居住环境可参照执行该类标准； 2类标准适用于居住、商业、工业混杂区； 3类标准适用于工业区； 4类标准适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域，穿越城区的内河航道两侧区域。 夜间突发噪声 夜间突发的噪声，其最大值不准超过标准值15dB。

27. 方 口 (三) 响度级 声波的响度以1000hz的声波为参考。单位(phon)： 声强和声强级都是反映声波的客观效果的物理量，是一个客观量。响度级是人耳感到声波强弱的物理量，它反映声波的主观特性。 0 phon曲线就是听阈曲线，也称为听力曲线

28. 等响曲线 声波传入内耳，不同频率声波能在基底膜不同区域发生共振，产生不同音调感觉。若测定某人对特定区域频率声波出现听力障碍(听阈曲线可能怎样变化？)，对判断耳部疾病有帮助。

29. 听力曲线与耳部疾病 慢性化脓性中耳炎听力曲线 正常听力曲线 曲线在低处说明什么？ 美尼尔中期听力曲线 美尼尔晚期听力曲线

30. u v · · S 0 第三节 多普勒效应 • 当波源和接收器发生相对运动时, 接收器所测得的频率不等于波源发出频率的现象称为多普勒效应。 一、多普勒效应的表达式 声源S发出的声波频率为f0的，相对媒质速度u，接受器O相对媒质速度为v，u、v都在它们连线上，声波在媒质中传播速度为c。

31. 声源静止,接受器静止 首先，若声源静止，接受器静止，u =0, v =0，接收器t时间接收f0t个波，波长为λo c=f0λo=λo/To

32. - - - (一) 声源静止、接收器运动 • u=0，v≠ 0，接受器向声源靠近，t时间内接收器比静止时多接收了(vt/λo)个波，则接受器接受的频率： 若接受器远离声源：

33. (二) 接受器静止、声源运动 • v=0，u≠ 0，声源向接受器靠近。波长变小了 接受器接受到的频率： + 若声源远离接受器：

34. 这个式子怎么记住呢？ (四) 波源和接收器同时运动 • u≠ 0，v≠ 0，综合上面两种情况，有多普勒效应公式 耳朵--上面接受器--分子 符号确定 :声源S和接受器O相互靠近时f 增大。 嘴巴--下面声源--分母

35. u v   · · S 0 一般多普勒效应公式 • 上面讨论的u和v都在声源和接收器的连线上，若不在连线上，就要取速度在连线方向的分量： 其中α、 β是速度与连线方向的夹角。

36. 例2-3 已知：f0=5×106Hz，c=1500m·s-1，v=0.1m·s-1，向声源方向求：Δf=f - f0 • 超声波诊断仪的发射频率为5Mhz，心脏向着超声波诊断仪方向运动 ，速度为10cm·s-1，试求心脏接收到的频率与声源的频率相差多少？(组织中的声速为1500m·s-1) 解：心脏接收到的频率为 则 答：心脏接收到的频率与声源的频率相差333Hz。 解题时,要按照：已知、求、解、答的顺序，并且过程中应该有适当的中文说明。 了解：电磁波也有多普勒效应 在天文学上：f>f0，λ< λ0，蓝移f<f0， λ > λ0，红移

37. 二、超声多普勒血流仪 这是测量血流速度的一种装置 超声波探测过程中经历了两次发射接收。第一次是探头发射，血细胞接收；第二次血细胞发射，探头接收。则： 探头第二次接收与第一次发射的超声波频率差(频移)为：

38. 超声多普勒血流仪 • 由于人体中超声波声速c=1500m·s-1，c>>v，c>>vcosθ，则频移可以简化成： 则血细胞速度，即血流速度v为： 优点：无创伤，简易，灵敏。在二维B超基础上利用多普勒效应反映血流速度，就成为医学中常见的彩超。

39. 第2章 布置习题 • 课本p29 习题二 • 2-3，2-4，2-6，2-7 • 2-4 :增加几个字 • ……另一声音比它的声强级高10dB，问其声强为多少？若两个声音的声强级…… • 答疑时间地点： • 周四？？下午第7节，教学楼435# • 交作业时间：周一上午 大课间

40. 再看例2-3 • 超声波诊断仪的发射频率为5Mhz，心脏向着超声波诊断仪方向运动 ，速度为10cm·s-1，试求心脏接收到的频率与声源的频率相差多少？(组织中的声速为1500m·s-1) 已知：f0=5×106Hz，c=1500m·s-1，v=0.1m·s-1，向声源方向求：Δf=f - f0 解题时,要按照：已知、求、解、答的顺序，并且过程中应该有适当的中文说明。 解：心脏接收到的频率为 答：心脏接收到的频率与声源的频率相差333Hz。

41. 举例：课本p29习题二

42. 压电晶体 高频脉冲发生器 探头 超声波回波探测就是基于此。 第四节 超声波 • 超声波是频率大于20 000hz的声波，人耳听不见。 一、超声波的产生与接收 压电效应 电致伸缩效应 • 二、超声波的性质 • 方向性好 • 强度大 • 穿透能力强(固体和液体) • 容易受到障碍物的反射

43. 三、超声波的生物效应 • 超声波在媒质中传播，对媒质产生以下四种效应： • 热效应机械能转化成媒质内能，用于临床理疗,选择性地治疗肿瘤。 • 机械效应使媒质分子产生剧烈的机械振动，加速度大、压强大 • 空化作用液体内部形成瞬间闭合的空腔。空化作用增强了机械作用。 • 声流效应溶液中的一些悬浮粒子会发生平动或转动，导致细胞损伤

44. 超声波对生物体的损伤 • (1) I较小时，作用时间t长－－热作用为主I较大时，t短－－空化作用为主I居中，t居中－－机械作用为主 • (2) 频率f越低(在超声波范围)，损伤越严重 • (3) f>5MHz，不会产生损伤

45. 超声波生物效应安全区

46. 四、超声的安全剂量 • 生物体对超声波都有一个能够承受的最大剂量，即安全剂量，分为诊断剂量和治疗剂量。长期的动物实验和临床超声检查说明超声诊断所用的剂量对人体是无害的。

47. 安全剂量 • 诊断超声剂量：诊断过程中不能引起对人体造成伤害的生物效应，这个阈值通常是100mW·cm-2。 • 治疗超声剂量：治疗的最佳超声剂量应建立在生物效应基础上。这个剂量比诊断剂量大得多。这个剂量通常分成三个强度：低强度、中强度和高强度。对于一般治疗，移动声头约为1.5W·cm-2~2.0W·cm-2，而固定声头应在0.5W·cm-2 ~0.6W·cm-2之间。

48. 12.1 超声诊断p147 • 医学影像成像是借助于某种物质与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构和密度等，以影像的形式表现出来，供医生根据影像中所提供的信息进行分析判断，从而对病人的健康状况进行诊断的一门科学技术。其中包括超声波成像、X射线成像、磁共振成像(MRI)、核素成像等。

49. 医学超声波技术 • 超声波技术运用于医学，是继X射线诊断技术之后发展最迅速、推广应用和普及最快的一门技术。超声波成像与X射线成像相比，具有无损伤和灵敏度高的特点。 • 超声波、X射线及核素扫描，是现代医学并用的三大影像诊断系统。

50. 超声诊断仪