Медицинская физика

Медицинская физика занимается применением концепций и методов физики для профилактики, диагностики и лечения заболеваний человека с конкретной целью улучшения здоровья и благополучия человека.[1] С 2008 года медицинская физика включена в категорию медицинских профессий в соответствии с Международным стандартом классификации профессий[2] Международной организации труда.[3] С 2010 года «медицинский физик» включен в перечень квалификаций, требующих высшего образования в России.[4]

Медицинские физики встречаются в следующих направлениях медицины: радиационная онкология, диагностическая и интервенционная радиология, ядерная медицина и радиационная защита и др.[5] В клинической практике медицинский физик — это название конкретной медицинской профессии.

Университетские кафедры бывают двух типов. Первый тип в основном связан с подготовкой студентов к карьере больничного медицинского физика, а научные исследования направлены на совершенствование практики данной профессии. Второй тип (все чаще называемый «биомедицинской физикой») имеет гораздо более широкий охват и может включать исследования в любых областях применения физики к медицине, от изучения биомолекулярной структуры до микроскопии и наномедицины.

История: Нобелевские лауреаты по физике и медицине в сфере медицинской физики

Вильгельм Рентген
Виллем Эйнтховен
Питер Мэнсфилд

Нобелевских премий, в разное время за научные открытия, значимые в сфере медицинской физики, были удостоены:

Следует также отметить научный вклад первооткрывателей:

Миссия медицинской физики

Миссия включает 11 основных направлений:

  1. Решение научных проблем: комплексное решение проблем, включающее определение оптимальной производительности или оптимизации использования медицинских устройств, выявление и устранение возможных причин неправильного использования, а также подтверждение того, что предлагаемые решения восстановили работоспособность и использование устройства до приемлемого состояния. Все виды деятельности должны основываться на современных научных данных или собственных исследованиях, когда имеющихся данных недостаточно.
  2. Дозиметрические измерения: измерение доз, переносимых пациентами, добровольцами в биомедицинских исследованиях и лицами, подвергнутыми немедицинскому облучению; выбор, калибровка и обслуживание дозиметрических приборов; независимая проверка доз, связанных с количеством, предоставляемым устройствами регистрации доз; измерение доз, связанных с количеством, требуемым в качестве входных данных для устройств регистрации или оценки доз. Измерения должны основываться на современных рекомендуемых методах и протоколах. Включает дозиметрию всех физических агентов.
  3. Безопасность пациентов / управление рисками: наблюдение за медицинскими приборами и оценка клинических протоколов для обеспечения постоянной защиты пациентов, добровольцев в биомедицинских исследованиях и лиц, подвергнутых немедицинскому облучению от вредных воздействий физических агентов в соответствии с последними опубликованными доказательствами или собственными исследованиями, когда имеющихся доказательств недостаточно. Включает разработку карт оценки рисков.
  4. Профессиональная и общественная безопасность / управление рисками: Наблюдение за медицинскими приборами и оценка клинических протоколов в отношении защиты работников и общественности при воздействии на пациентов, добровольцев в биомедицинских исследованиях и лиц, подвергнутых немедицинскому воздействию. Включает разработку карт оценки рисков совместно с другими экспертами, занимающимися профессиональными / общественными рисками.
  5. Клиническое управление медицинскими устройствами: спецификация, отбор, приемочные испытания, ввод в эксплуатацию и контроль качества медицинских устройств в соответствии с последними опубликованными международными рекомендациями, а также управление и надзор за соответствующими программами. Тестирование должно проводиться на основе современных рекомендуемых методик и протоколов.
  6. Клиническое участие: проведение, участие и контроль ежедневных процедур радиационной защиты и контроля качества для обеспечения непрерывного эффективного и оптимального использования медицинских радиологических устройств, включая оптимизацию для конкретного пациента.
  7. Развитие качества и экономической эффективности услуг: руководство внедрением новых медицинских радиологических устройств в клиническую службу, внедрение новых медицинских физических услуг и участие во внедрении/разработке клинических протоколов/методов, уделяя должное внимание экономическим вопросам.
  8. Экспертная консультация: предоставление экспертных консультаций внешним клиентам (например, клиникам, не имеющим собственной экспертизы в области медицинской физики).
  9. Образование медицинских работников (в том числе обучающихся по медицинской физике: содействие качественному медицинскому профессиональному образованию через деятельность по передаче знаний, касающихся научно-технических знаний, навыков и компетенций, обеспечивающих клинически эффективное, безопасное, научно обоснованное и экономичное использование медицинских радиологических устройств). Участие в обучении студентов медицинской физики и организации программ ординатуры по медицинской физике.
  10. Оценка технологий здравоохранения: Принятие на себя ответственности за физическую оценку технологий здравоохранения, связанных с медицинскими радиологическими устройствами и /или медицинским использованием радиоактивных веществ/источников.
  11. Инновации: разработка новых или модификация существующих устройств (включая программное обеспечение) и протоколов для решения до сих пор нерешенных клинических проблем.[12][13]

Медицинская биофизика и биомедицинская физика

В некоторых учебных заведениях есть кафедры или программы, носящие название «медицинская биофизика», "биомедицинская физика " или «прикладная физика в медицине». Как правило, они относятся к одной из двух категорий: междисциплинарные факультеты, объединяющие биофизику, радиобиологию и медицинскую физику под одной крышей; и программы бакалавриата, которые готовят студентов к дальнейшему изучению медицинской физики, биофизики, или медицина. Большинство научных концепций бионанотехнологии заимствованы из других областей. Биохимические принципы, которые используются для понимания материальных свойств биологических систем, занимают центральное место в бионанотехнологии, потому что те же самые принципы должны использоваться для создания новых технологий. Свойства материалов и приложения, изучаемые в бионанонауке, включают механические свойства (например, деформация, адгезия, разрушение), электрические/электронные (например, электромеханическая стимуляция, конденсаторы, накопление энергии/батареи), оптические (например, поглощение, люминесценция, фотохимия), тепловые (например, термомутабельность, управление температурным режимом), биологические (например, как клетки взаимодействуют с наноматериалами, молекулярные изъяны/дефекты, биосенсорика, биологические механизмы, такие как механоощущение), нанонауки о болезнях (например, генетические заболевания, рак, недостаточность органов/тканей), а также вычислительные (например, ДНК вычислительная техника) и сельское хозяйство (целевая доставка пестицидов, гормонов и удобрений.

Области специализации

Международная организация медицинской физики (IOMP) признает основные области применения и направления деятельности медицинской физики.

МРТ, визуализация композитными изображениями мультиформной глиобластомы
Электронная микроскопия, ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации

Физика медицинской визуализации

Физика медицинской визуализации также известна как физика диагностической и интервенционной радиологии. Клинические (как «штатные», так и «консультирующие») физики[14] обычно занимаются областями тестирования, оптимизации и обеспечения качества таких областей физики диагностической радиологии, как рентгенография, рентгеноскопия, маммография, ангиография и компьютерная томография. , а также методы неионизирующего излучения, такие как УЗИ и МРТ. Они также могут заниматься вопросами радиационной защиты, такими как дозиметрия (для персонала и пациентов). Кроме того, многие физики-визуалисты часто также связаны с системами ядерной медицины, включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ). Иногда физики-визуалисты могут заниматься клиническими областями, но в исследовательских и учебных целях[15], например, для количественной оценки внутрисосудистого ультразвука как возможного метода визуализации конкретного сосудистого объекта. В некоторых случаях для научных исследований и диагностики структур и функций на микро- нано-уровне целесообразно использование электронной микроскопии[16][17].

Радиационная терапевтическая физика

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ): трехмерная визуализация метастаз опухоли в печени после внутривенной инъекции радиоизотопа 18F

Радиационная терапевтическая физика также известная у нас в стране как лучевая терапия или радиотерапия. Сфера медицины, в которой специалисты занимаются вопросами лечения онкологических заболеваний с помощью излучения, образующегося в результате радиоактивного распада. Большинство специалистов в медицинской физике, в той или иной степени, работают, именно, в этой сфере. Физики, занимающийся лучевой терапией, обычно ежедневно имеет дело с системами линейных ускорителей и установками для лечения рентгеновским излучением, а также другими методами, такими как томотерапия, гамма-нож, кибернож, протонная терапия и брахитерапия.[18][19][20] Академические исследования терапевтической физики могут охватывать такие области, как нейтрон-захватная терапия, излучение закрытыми источниками (брахитерапия), терапия террагерцовым излучением[21], терапия высокоинтенсивными сфокусированными ультразвуковыми пучками (в том числе литотрипсия), терапия лазерами оптического излучения[22] включая фотодинамическую терапию, ультрафиолетовое бактерицитдное облучение, и др. Также в этот список можно включить ядерную медицину в рамках лучевой терапии на основе открытых источников излучения.

Физика ядерной медицины

Ядерная медицина — это раздел медицины, который использует излучение для получения информации о функционировании конкретных органов человека или для лечения заболеваний. Можно легко визуализировать щитовидную железу, кости, сердце, печень и многие другие органы, а также выявить нарушения в их функционировании. В некоторых случаях источники излучения могут быть использованы для лечения пораженных органов или опухолей. Пять нобелевских лауреатов были тесно связаны с использованием радиоактивной диагностики в медицине. Более 10 000 больниц по всему миру используют радиоизотопы в медицине, и около 90 % процедур предназначены для диагностики. Наиболее распространенным радиоизотопом, используемым в диагностике, является технеций-99m, с которым проводится около 30 миллионов процедур в год, что составляет 80 % всех процедур ядерной медицины во всем мире.[23]

Радиационная гигиена, физика здоровья

Физика здоровья, термин употребляемый в англоязычном секторе, также известна как радиационная безопасность или радиационная защита. Физика здоровья — это прикладная наука изучающая вопрос защиты здоровья от радиационного излучения опираясь на законы физики. связанная с распознаванием, оценкой и контролем опасных для здоровья факторов, чтобы обеспечить безопасное использование и применение ионизирующего излучения. Специалисты в области медицинской физики способствуют совершенствованию науки и практики в области радиационной защиты и безопасности. К данному разделу относятся исследования в таких сферах как: фоновое излучение, радиационная защита, дозиметрия, физика здоровья, радиологическая защита пациентов.

В России развивалось направление «радиационная гигиена», организованы профильные НИИ, издается одноимённый журнал, действуют нормы радиационной безопасности НРБ-99[24]

Физика неионизирующего медицинского излучения

Некоторые аспекты физики неионизирующего излучения могут рассматриваться в рамках физики радиационной защиты или диагностической визуализации. Методы визуализации включают МРТ, оптическую визуализацию и ультразвуковые исследования. В соответствии с соображениями безопасности, а также в связи с распространенностью «лазерной медицины» сюда включают и лазеры, за изобретение которых Нобелевскую премию получили в 1964 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов.

Измерения в физиологии человека и физических факторов окружающей среды

Физиологические измерения также использовались для мониторинга и измерения различных физиологических параметров. Многие методы физиологических измерений неинвазивны и могут использоваться в сочетании с другими мало-инвазивными методами или в качестве альтернативы им. Методы измерения включают электрокардиографию, электроэнцефалографию, первые измерения скорости нервного импульса[25], магнитного поля одиночного нейрона[26] и пр. Ряд областей могут охватываться другими специальностями, например, медицинской инженерией или сосудистой наукой.[27]

Медицинская информатика, вычислительная физика, моделирование

Модель формирования и распространения миокардиальных нервных импульсов, отраженных в электрокардиографии

Другие области, тесно связанные с медицинской физикой, включают области, связанные с медицинскими данными, информационными технологиями и информатикой в сфере медицины.

Области научных исследований и академического развития

Медицинская визуализация: излучение Черенкова от грудной клетки пациентки, подвергшейся облучению молочной железы, с использованием пучка энергии 6 МэВ от линейного ускорителя при лучевой терапии.

Неклинические физики могут сосредоточиться на вышеуказанных областях с академической и исследовательской точки зрения, их узкая специализация может также включать лазеры и ультрафиолетовые системы (такие как фотодинамическая терапия), МРТ и другие методы функциональной визуализации а также молекулярную визуализацию, электрическую импедансную томографию, диффузную оптическую визуализацию, оптическая когерентная томография, двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия, применение для медицинской визуализации черенковского излучения[29][30].

К 2020 году Международная инициатива по изучению мозга, его коннектома, объединяла ряд национальных мегапроектов (американская BRAIN Initiative, Европейский Human Brain Project, China Brain Project, Brain/MINDS в Японии, Canadian Brain Research Strategy, Australian Brain Alliance, Korea Brain Initiative) с целями, поддерживающими взаимодействие между странами, чтобы обеспечить синергетическое взаимодействие с междисциплинарными подходами, вытекающими из последних исследований в области нейронаук и создания искусственного интеллекта[31], в том числе методом «обратной сборки».

Опубликованы данные о перспективах потребностей в медицинских физиках в мире[32].

Подготовка медицинских физиков в России продолжает совершенствоваться[33][34]. Опубликовано состояние образование медицинской физике в Европе[35], а также «Глобальный список выпускных программ по медицинской физике»[36]

Законодательные и консультативные органы

См. также

Примечания

  1. ↑ Medical Physics - International Organization for Medical Physics (амер. англ.). Дата обращения: 24 сентября 2022. Архивировано 24 сентября 2022 года.
  2. ↑ Medical Physicists (Revised definition provided by International Organisation for Medical Physicists) // ISCO-08 Structure, index correspondence with ISCO-88 [1] Архивная копия от 3 января 2023 на Wayback Machine
  3. ↑ Guidelines for the Certification of Clinically Qualified Medical Physicists. IAEA.. Архивировано 2 декабря 2022 года.
  4. ↑ Приказ Минздравсоцразвития России от 23.07.2010 N 541н (ред. от 09.04.2018) Об утверждении Единого квалификационного справочника должностей руководителей, специалистов и служащих. Дата обращения: 2 декабря 2022. Архивировано 2 декабря 2022 года.
  5. ↑ Черняев А. П., Наркевич Б. Я. Введение в медицинскую физику. М.: ООП физического факультета МГУ, 2019. — 81 с. Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 18 марта 2023 года.
  6. ↑ The Nobel Prize in Physics 1901 (англ.). Нобелевский фонд. Дата обращения: 17 июня 2012. Архивировано 14 мая 2012 года.
  7. ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1924 (англ.). Нобелевский фонд. Дата обращения: 10 октября 2012. Архивировано 20 октября 2012 года.
  8. ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979 (англ.). Нобелевский фонд. Дата обращения: 11 октября 2012. Архивировано 10 октября 2012 года.
  9. ↑ The Nobel Prize in Physics 1986 (англ.). Нобелевский фонд. Дата обращения: 17 июня 2012. Архивировано 13 мая 2012 года.
  10. ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 (англ.). Нобелевский фонд. Дата обращения: 11 октября 2012. Архивировано 10 октября 2012 года.
  11. ↑ Медицинская физика: учебное пособие / А. В. Аганов. — 3-е изд., доп. — Казань: Издательство Казанского университета, 2022. — 336 с. Дата обращения: 24 февраля 2023. Архивировано 24 февраля 2023 года.
  12. ↑ Guibelalde E., Christofides S., Caruana C. J., Evans S. van der Putten W. (2012). Guidelines on the Medical Physics Expert' a project funded by the European Commission
  13. ↑ Caruana C.J., Christofides S., Hartmann G.H. (2014) European Federation of Organisations for Medical Physics (EFOMP) Policy Statement 12.1: Recommendations on Medical Physics Education and Training in Europe 2014 Physica Medica — European Journal of Medical Physics, 30:6, p598-603
  14. ↑ AAPM - What do Medical Physicists Do? (англ.). AAPM. Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 13 ноября 2013 года.
  15. ↑ COMP/OCPM - What is Medical Physics? (англ.). Дата обращения: 13 ноября 2013. Архивировано из оригинала 13 ноября 2013 года.
  16. ↑ Burgess, Jeremy. Under the Microscope: A Hidden World Revealed (англ.). — Cambridge University Press, 1987. — P. 11. — ISBN 0-521-39940-8.
  17. ↑ Introduction to Electron Microscopy (англ.) 15. FEI Company. Дата обращения: 12 декабря 2012. Архивировано 24 января 2013 года.
  18. ↑ Hill R; Healy B; Holloway L; Kuncic Z; Thwaites D; Baldock C (2014). "Advances in kilovoltage x-ray beam dosimetry". Physics in Medicine and Biology. 59 (6): R183—231. Bibcode:2014PMB....59R.183H. doi:10.1088/0031-9155/59/6/R183. PMID 24584183. S2CID 18082594.
  19. ↑ Thwaites DI; Tuohy JB (2006). "Back to the future: the history and development of the clinical linear accelerator". Physics in Medicine and Biology. 51 (13): R343—62. Bibcode:2006PMB....51R.343T. doi:10.1088/0031-9155/51/13/R20. PMID 16790912. S2CID 7672187.
  20. ↑ Mackie, T R (2006). "The history of tomotherapy". Physics in Medicine and Biology. 51 (13): R427—53. Bibcode:2006PMB....51R.427M. doi:10.1088/0031-9155/51/13/R24. PMID 16790916. S2CID 31523227.
  21. ↑ Механизмы влияния террагерцового излучения на клетки // Оптика и спектроскопия. — 2020. — Т. 128, № 6. — С. 852—861. Архивировано 24 сентября 2022 года.
  22. ↑ Лазерная терапия в лечебно-реабилитационных и профилактических программах. — Москва, 2015. Архивировано 24 декабря 2022 года.
  23. ↑ Применение изотопов в ядерной медицине. World Nuclear Association (октябрь 2017). Дата обращения: 21 октября 2017. Архивировано 1 ноября 2019 года.
  24. ↑ СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 29 сентября 2022 года.
  25. ↑ Гельмгольц, Герман Helmholtz H., in Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin. (Veit & Comp., Berlin 1850), pp. 71-73.
  26. ↑ K.Jensen K. et al. Non-invasive detection of animal nerve impulses with an atomic magnetometer operating near quantum limited sensitivity. 2016, arXiv:1601.03273. Дата обращения: 2 октября 2022. Архивировано 2 октября 2022 года.
  27. ↑ Vascular science (англ.). NHS Health Careers (25 марта 2015). Дата обращения: 21 октября 2017. Архивировано 27 сентября 2022 года.
  28. ↑ WHO EMRO | eHealth | Health topics. Всемирная организация здравоохранения. Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 29 сентября 2022 года.
  29. ↑ Das, S.; Thorek, D. L. J.; Grimm, J. (2014). «Cerenkov Imaging». Emerging Applications of Molecular Imaging to Oncology. Advances in Cancer Research. Vol. 124. pp. 213-34.
  30. ↑ Jarvis, Lesley A. et al.(2014). «Cherenkov Video Imaging Allows for the First Visualization of Radiation Therapy in Real Time». International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 89 (3): 615—622.
  31. ↑ Adams A. et al. International brain initiative: An innovative framework for coordinated global brain research efforts. Neuron. 2020; 105(2): 212—216. Дата обращения: 2 октября 2022. Архивировано 7 октября 2022 года.
  32. ↑ Tsapaki V., Tabakov S., Rehani M. M. Medical physics workforce: A global perspective //Physica Medica. — 2018. — Т. 55. — С. 33-39. Дата обращения: 24 февраля 2023. Архивировано 24 февраля 2023 года.
  33. ↑ Давыдов М. И. и др. Анализ состояния и концепция модернизации радиационной онкологии и медицинской физики в России (краткое изложение) //Медицинская физика. — 2013. — №. 2. — С. 8-19.
  34. ↑ Костылев В. А. и др. О подготовке медицинских физиков для лучевой терапии в Международном Учебном Центре АМФР //Вопросы онкологии. — 2015. — Т. 61. — №. 1. — С. 20-24.
  35. ↑ Eudaldo T., Olsen K. The present status of medical physics education and training in Europe: an EFOMP survey //Physica Medica. — 2008. — Т. 24. — №. 1. — С. 3-20. Дата обращения: 24 февраля 2023. Архивировано 24 февраля 2023 года.
  36. ↑ Глобальный список выпускных программ по медицинской физике

Ссылки