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量子技術(shù):現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的利器

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量子技術(shù):現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的利器

量子物理學(xué)是人類(lèi)日常生活中不可或缺的一部分,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

文|創(chuàng)瞰巴黎 Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

量子物理學(xué),看似深?yuàn)W而遙遠(yuǎn),卻在我們的日常生活和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中扮演著無(wú)可替代的角色。從激光手術(shù)刀到核物理技術(shù)人體檢查,再到反物質(zhì)檢測(cè)癌癥,這些技術(shù)的奇跡都源自對(duì)微觀世界法則的精準(zhǔn)理解。光的奇跡如何成就醫(yī)學(xué)中的高精度工具?超導(dǎo)體如何引領(lǐng)MRI技術(shù)的革新?而量子物理學(xué)如何以人體內(nèi)的微小變化揭示癌癥的位置?讓我們一起揭開(kāi)這些微觀世界的奇妙面紗,探尋量子科學(xué)如何捍衛(wèi)人類(lèi)健康的奧秘。

一覽:

  • 大量的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療和成像技術(shù)得益于量子物理學(xué)的發(fā)展。
  • 量子力學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了激光的發(fā)明,激光在在眼科和皮膚科等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。
  • 正是由于量子物理學(xué)對(duì)電磁場(chǎng)中原子核行為的深入研究,才有了如今的核磁共振成像技術(shù)。
  • 核磁共振成像設(shè)備需要超導(dǎo)體。在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。
  • 用于定位人體癌細(xì)胞位置的PET檢查,使用的是粒子物理學(xué)原理。

量子物理學(xué)的研究對(duì)象是原子和更小粒子的行為。掌握量子物理學(xué),理論上就能推斷出微觀乃至宏觀物質(zhì)的基本物理規(guī)律,甚至人體也不在話下!畢竟人體也是由原子和分子組成的大型、高度復(fù)雜集合體,同樣該遵守微觀世界的法則。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中,量子物理學(xué)占據(jù)著舉足輕重的地位。今天,讓我們看看微觀世界的規(guī)律是如何捍衛(wèi)人類(lèi)健康的!

01 激光手術(shù)刀

說(shuō)來(lái)可能讓人驚訝,但光其實(shí)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最高精度的工具之一。當(dāng)然,這說(shuō)的可不是普通的光,而是一束經(jīng)過(guò)完美校準(zhǔn)的激光光束:所有的光子具有相同的能量,所有的光波彼此之間完全相干。

根據(jù)量子力學(xué),原子具有特定的一套能級(jí),通常這些能級(jí)是分立的,原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候,所釋放的能量以光子的形式放出,這些光子的光學(xué)特性高度一致,于是便形成了激光。

激光的原理早在1917年便由愛(ài)因斯坦提出。1960年,激光技術(shù)走向成熟,隨后立即在眼科(1961年)和皮膚病學(xué)(1963年)中得到應(yīng)用。今天,激光用于治療視網(wǎng)膜脫落、處理傷口、清除微小癌性腫瘤、精確切割和研磨角膜、進(jìn)行治療牙齦疾病的手術(shù)等,還能洗紋身、抗皺、脫毛……

02 核物理技術(shù)人體檢查

MRI(核磁共振成像)是目前最廣泛使用的成像技術(shù)之一,其基本原理是將氫原子核置于強(qiáng)磁場(chǎng)中,觀察其行為。為什么要選擇氫原子核?因?yàn)闅涫撬℉2O)的主要成分,而水占人類(lèi)總質(zhì)量的60%左右,沒(méi)幾種生物分子完全不含氫。

MRI的具體原理如下:氫原子核是單個(gè)質(zhì)子,可以將其視為一個(gè)個(gè)微小的磁體。在正常情況下,人體沒(méi)有被磁化,體內(nèi)的每個(gè)氫原子核的自旋方向是隨機(jī)的。

MRI的第一步是讓患者進(jìn)入一個(gè)極強(qiáng)的磁場(chǎng)中(大約等于地球自然磁場(chǎng)強(qiáng)度的3萬(wàn)倍),在磁場(chǎng)的作用下,體內(nèi)原來(lái)雜亂無(wú)章的質(zhì)子會(huì)統(tǒng)一按外磁場(chǎng)方向排列。在主磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上,儀器又會(huì)施加一個(gè)射頻脈沖(radiofrequency pulse),打破先前的平衡。當(dāng)質(zhì)子回到初始狀態(tài)時(shí),就能檢測(cè)到它們發(fā)射回來(lái)的RF波。

由于不同人體組織的物理特性不同,質(zhì)子不會(huì)以相同的速度返回到初始狀態(tài),由此便可在成像中區(qū)分各個(gè)組織,呈現(xiàn)身體的3D圖像。如果沒(méi)有量子物理學(xué)、不掌握電磁場(chǎng)中原子核行為的規(guī)律,這種先進(jìn)的體外成像技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)。

03 物質(zhì)的狀態(tài)

極罕見(jiàn)的物質(zhì)狀態(tài),是世界各地的基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的研究對(duì)象,也是未來(lái)醫(yī)學(xué)成像發(fā)展所必需。

“在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)?!?/p>

MRI使用的是極強(qiáng)烈的磁場(chǎng);強(qiáng)度越強(qiáng),磁化態(tài)恢復(fù)到初始平衡時(shí)發(fā)出的信號(hào)就越強(qiáng),生成的圖像質(zhì)量就越高。如果用傳統(tǒng)的電磁鐵來(lái)產(chǎn)生MRI所需的強(qiáng)磁場(chǎng),強(qiáng)電流發(fā)出的熱量會(huì)將人體瞬間融化。

為了克服這個(gè)問(wèn)題,MRI設(shè)備中使用的是電阻為零的“超導(dǎo)磁體”:不會(huì)因電流而發(fā)熱,即使強(qiáng)電流長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)也不會(huì)有危險(xiǎn),就算電源被切斷也不會(huì)有任何電流損失。

在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。超導(dǎo)體中的電子就像單一的超流體,流動(dòng)時(shí)沒(méi)有任何阻力。超導(dǎo)元件也可以用于腦磁圖技術(shù),在體外以非侵入性的方式實(shí)時(shí)記錄大腦的活動(dòng)電波。

04 反物質(zhì)檢測(cè)癌癥

怎么使用醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)的癌變部位、檢測(cè)癌癥的發(fā)展呢?這個(gè)問(wèn)題的突破點(diǎn)是癌細(xì)胞的高活性。癌細(xì)胞總是在瘋狂分裂,消耗大量能量,即糖類(lèi)物質(zhì)。

在做PET檢查前,患者要服用放射性標(biāo)記的糖,每個(gè)糖分子上都附著一個(gè)放射性原子(例如氟18),衰變時(shí)會(huì)發(fā)射反電子(也稱(chēng)為正電子)。

“通過(guò)追溯伽馬射線的軌跡,可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置,從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置?!?/p>

患者攝入的糖會(huì)積累在體內(nèi)消耗大量能量的地方(那里一般就是腫瘤區(qū)域),并發(fā)射反電子,當(dāng)它們與周?chē)镔|(zhì)的“正?!彪娮咏佑|時(shí),會(huì)湮滅并產(chǎn)生能穿過(guò)身體、能在體外檢測(cè)到的伽馬射線。通過(guò)追溯伽馬射線的軌跡,可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置,從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置。這種方案十分巧妙,但與MRI類(lèi)似,如果人類(lèi)不掌握相關(guān)的粒子物理學(xué)知識(shí),PET技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)了。

圖片來(lái)源:PI France

量子物理學(xué)是人類(lèi)日常生活中不可或缺的一部分,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是大勢(shì)所趨。沒(méi)有量子物理學(xué),就沒(méi)有許多先進(jìn)治療手段和成像技術(shù)。大家千萬(wàn)不要以為量子物理學(xué)、粒子物理學(xué)和核物理只不過(guò)是實(shí)驗(yàn)室里的研究課題——這些學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用每天都在拯救成千上萬(wàn)人的生命。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請(qǐng)聯(lián)系原著作權(quán)人。

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量子技術(shù):現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的利器

量子物理學(xué)是人類(lèi)日常生活中不可或缺的一部分,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

文|創(chuàng)瞰巴黎 Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

量子物理學(xué),看似深?yuàn)W而遙遠(yuǎn),卻在我們的日常生活和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中扮演著無(wú)可替代的角色。從激光手術(shù)刀到核物理技術(shù)人體檢查,再到反物質(zhì)檢測(cè)癌癥,這些技術(shù)的奇跡都源自對(duì)微觀世界法則的精準(zhǔn)理解。光的奇跡如何成就醫(yī)學(xué)中的高精度工具?超導(dǎo)體如何引領(lǐng)MRI技術(shù)的革新?而量子物理學(xué)如何以人體內(nèi)的微小變化揭示癌癥的位置?讓我們一起揭開(kāi)這些微觀世界的奇妙面紗,探尋量子科學(xué)如何捍衛(wèi)人類(lèi)健康的奧秘。

一覽:

  • 大量的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療和成像技術(shù)得益于量子物理學(xué)的發(fā)展。
  • 量子力學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了激光的發(fā)明,激光在在眼科和皮膚科等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。
  • 正是由于量子物理學(xué)對(duì)電磁場(chǎng)中原子核行為的深入研究,才有了如今的核磁共振成像技術(shù)。
  • 核磁共振成像設(shè)備需要超導(dǎo)體。在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。
  • 用于定位人體癌細(xì)胞位置的PET檢查,使用的是粒子物理學(xué)原理。

量子物理學(xué)的研究對(duì)象是原子和更小粒子的行為。掌握量子物理學(xué),理論上就能推斷出微觀乃至宏觀物質(zhì)的基本物理規(guī)律,甚至人體也不在話下!畢竟人體也是由原子和分子組成的大型、高度復(fù)雜集合體,同樣該遵守微觀世界的法則。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中,量子物理學(xué)占據(jù)著舉足輕重的地位。今天,讓我們看看微觀世界的規(guī)律是如何捍衛(wèi)人類(lèi)健康的!

01 激光手術(shù)刀

說(shuō)來(lái)可能讓人驚訝,但光其實(shí)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最高精度的工具之一。當(dāng)然,這說(shuō)的可不是普通的光,而是一束經(jīng)過(guò)完美校準(zhǔn)的激光光束:所有的光子具有相同的能量,所有的光波彼此之間完全相干。

根據(jù)量子力學(xué),原子具有特定的一套能級(jí),通常這些能級(jí)是分立的,原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候,所釋放的能量以光子的形式放出,這些光子的光學(xué)特性高度一致,于是便形成了激光。

激光的原理早在1917年便由愛(ài)因斯坦提出。1960年,激光技術(shù)走向成熟,隨后立即在眼科(1961年)和皮膚病學(xué)(1963年)中得到應(yīng)用。今天,激光用于治療視網(wǎng)膜脫落、處理傷口、清除微小癌性腫瘤、精確切割和研磨角膜、進(jìn)行治療牙齦疾病的手術(shù)等,還能洗紋身、抗皺、脫毛……

02 核物理技術(shù)人體檢查

MRI(核磁共振成像)是目前最廣泛使用的成像技術(shù)之一,其基本原理是將氫原子核置于強(qiáng)磁場(chǎng)中,觀察其行為。為什么要選擇氫原子核?因?yàn)闅涫撬℉2O)的主要成分,而水占人類(lèi)總質(zhì)量的60%左右,沒(méi)幾種生物分子完全不含氫。

MRI的具體原理如下:氫原子核是單個(gè)質(zhì)子,可以將其視為一個(gè)個(gè)微小的磁體。在正常情況下,人體沒(méi)有被磁化,體內(nèi)的每個(gè)氫原子核的自旋方向是隨機(jī)的。

MRI的第一步是讓患者進(jìn)入一個(gè)極強(qiáng)的磁場(chǎng)中(大約等于地球自然磁場(chǎng)強(qiáng)度的3萬(wàn)倍),在磁場(chǎng)的作用下,體內(nèi)原來(lái)雜亂無(wú)章的質(zhì)子會(huì)統(tǒng)一按外磁場(chǎng)方向排列。在主磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上,儀器又會(huì)施加一個(gè)射頻脈沖(radiofrequency pulse),打破先前的平衡。當(dāng)質(zhì)子回到初始狀態(tài)時(shí),就能檢測(cè)到它們發(fā)射回來(lái)的RF波。

由于不同人體組織的物理特性不同,質(zhì)子不會(huì)以相同的速度返回到初始狀態(tài),由此便可在成像中區(qū)分各個(gè)組織,呈現(xiàn)身體的3D圖像。如果沒(méi)有量子物理學(xué)、不掌握電磁場(chǎng)中原子核行為的規(guī)律,這種先進(jìn)的體外成像技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)。

03 物質(zhì)的狀態(tài)

極罕見(jiàn)的物質(zhì)狀態(tài),是世界各地的基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的研究對(duì)象,也是未來(lái)醫(yī)學(xué)成像發(fā)展所必需。

“在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)?!?/p>

MRI使用的是極強(qiáng)烈的磁場(chǎng);強(qiáng)度越強(qiáng),磁化態(tài)恢復(fù)到初始平衡時(shí)發(fā)出的信號(hào)就越強(qiáng),生成的圖像質(zhì)量就越高。如果用傳統(tǒng)的電磁鐵來(lái)產(chǎn)生MRI所需的強(qiáng)磁場(chǎng),強(qiáng)電流發(fā)出的熱量會(huì)將人體瞬間融化。

為了克服這個(gè)問(wèn)題,MRI設(shè)備中使用的是電阻為零的“超導(dǎo)磁體”:不會(huì)因電流而發(fā)熱,即使強(qiáng)電流長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)也不會(huì)有危險(xiǎn),就算電源被切斷也不會(huì)有任何電流損失。

在宏觀世界中,超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。超導(dǎo)體中的電子就像單一的超流體,流動(dòng)時(shí)沒(méi)有任何阻力。超導(dǎo)元件也可以用于腦磁圖技術(shù),在體外以非侵入性的方式實(shí)時(shí)記錄大腦的活動(dòng)電波。

04 反物質(zhì)檢測(cè)癌癥

怎么使用醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)的癌變部位、檢測(cè)癌癥的發(fā)展呢?這個(gè)問(wèn)題的突破點(diǎn)是癌細(xì)胞的高活性。癌細(xì)胞總是在瘋狂分裂,消耗大量能量,即糖類(lèi)物質(zhì)。

在做PET檢查前,患者要服用放射性標(biāo)記的糖,每個(gè)糖分子上都附著一個(gè)放射性原子(例如氟18),衰變時(shí)會(huì)發(fā)射反電子(也稱(chēng)為正電子)。

“通過(guò)追溯伽馬射線的軌跡,可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置,從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置?!?/p>

患者攝入的糖會(huì)積累在體內(nèi)消耗大量能量的地方(那里一般就是腫瘤區(qū)域),并發(fā)射反電子,當(dāng)它們與周?chē)镔|(zhì)的“正?!彪娮咏佑|時(shí),會(huì)湮滅并產(chǎn)生能穿過(guò)身體、能在體外檢測(cè)到的伽馬射線。通過(guò)追溯伽馬射線的軌跡,可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置,從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置。這種方案十分巧妙,但與MRI類(lèi)似,如果人類(lèi)不掌握相關(guān)的粒子物理學(xué)知識(shí),PET技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)了。

圖片來(lái)源:PI France

量子物理學(xué)是人類(lèi)日常生活中不可或缺的一部分,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是大勢(shì)所趨。沒(méi)有量子物理學(xué),就沒(méi)有許多先進(jìn)治療手段和成像技術(shù)。大家千萬(wàn)不要以為量子物理學(xué)、粒子物理學(xué)和核物理只不過(guò)是實(shí)驗(yàn)室里的研究課題——這些學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用每天都在拯救成千上萬(wàn)人的生命。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請(qǐng)聯(lián)系原著作權(quán)人。