FIZIKA AZ ORVOSLÁSBAN

Köteles György
"Fodor József" Országos Közegészségügyi Központ
Országos "Frédéric Joliot-Curie" Sugárbiológiai
és Sugáregészségügyi Kutató Intézete

Közös kezdetek

Physica-physicus-medicina: a gyökerek azonosak. Crômagnoni örökségünk a környezet megismerésének kényszerű kívánsága - a fennmaradásért, "túlélésért". Az Oxford Dictionaryban a modern physics, physical science a természet erőinek és jelenségeinek megismerésével foglalkozik, amelyek nem élők. De a physician mint régi elnevezés az orvost jelenti a physicisttel, a fizikussal szemben.

Az ókori és középkori tudományoknak nem volt szorosan a mai értelemben vett jelentésük. Az akkori "grammatika" felölelte a stilisztikát és az irodalomtudományt, a "dialektika" a logikát, a "retorika" a jogtudományt, a "geometria" a földrajzot, természetrajzot és az orvostudományt is.

1. táblázat Néhány adat a fizikai ismeretek felhasználásáról a korai orvosi tevékenységben
kb. 400 i.e.	Hippokratész az ésszerű (racionális) orvoslás iskoláját alapítja meg.
IX-XIII. sz.	A középkori arab orvostan (Averrhoes, Avicenna, Maimonides) összekötő láncszem az ókori és latin középkori kultúra között Az araboknak igen pontos mérlegeik voltak, ingát használtak időmérésre, piknometerrel határozták meg a fajsúlyt, gépeket és vízi motorokat építettek a homorú, domború, gömb alakú és hengeres tükrök hatását tanulmányozva. kibővítették a fénytanban a sugárvisszaverődés tanát.
kb. 1267	R. Bacon leírja a kb. 1250-ben feltalált szemüveg használatát a távollátás javítására.
XVII. sz.	A. Leewenhoek mikroszkópot szerkesztett, s megfigyelt ázalékállatkákat, emberi ondószálakat. Magyarországon Paterson Hain János (XVII. század második felében) eperjesi városi orvos végzett először (1671) mikroszkópos vizsgálatokat bolhán, légyen, mikroszkópját ő maga szerkesztette
1733	S. Hales a vérnyomás mérésére vonatkozó vizsgálatairól ír.
1761	G. Auenbrugger a mellkas kopogtatását írja le a tüdő állapotának akusztikus vizsgálatára.
1819	R. Laennec feltalálja a sztetoszkópot a mellkasban képződő hangok észlelésére.
1847	Semmelweis Ignác epidemiológiai, egészségügyi statisztikai módszert alkalmaz a gyermekágyi láz okának feltárására
1851	H. van Helmholtz feltalálja az első eredményes oftalmoszkópot a szem vizsgálatára.
1861	C. Wunderlich megállapítja a normális testhőmérsékletet.
1866	Th. Allbutt feltalálja a klinikai hőmérőt.
1881	S.S. von Basch leírja a szfigmomanométert, az első olyan műszert, amellyel vérnyomást lehet mérni a bőr sérülése nélkül

Valamivel később használatos lett a physica elnevezés is: ezzel illették a quadriviumba tartozó valamennyi tudományt (az aritmetikát, geometriát, asztronómiát, zenét) és velük együtt természetesen az orvostudományt is. És amint egy ideig a geometer névbe belefoglalták az orvosokat, úgy valamivel később a physicus nevet adták nekik, nyilvánvalóan szintén azért, mert éppúgy, mint a geometriában, úgy a "physicá"-ban (ti. a természetről szóló tudományban) is minding túlsúlyban volt az orvostudomány, anyagának tömegénél, a vele való foglalkozók tekintélyénél, valamint gyakorlati értékénél fogva.

Pápai Páriz Ferenc nagy szótárában a "physica" a természetről írt könyveket jelenti, a "physicus" a természetet vizsgáló; a régi magyarországi szóhasználatban is a physicus orvost jelentett. A lényeg tehát a "physis", a természet, az élettelen és az élővilág, beleértve az ember tanulmányozását, megismerését. S ez a két út párhuzamosan futott, egymásra is hatottak és ma is hatnak.

A beteg ember nyomorult, szenved, az orvos feladata, hogy segítsen. Így az orvosi tudomány mindig kora ismereteire alapozva igyekezett írj és új kőrismérési módszereket (diagnosztika) és gyógyító eljárásokat (terápia) alkalmazni. Így volt ez a civilizáció előtti kultúrákban, a varázsló, a táltos, a sámán, a javasasszony idejében éppúgy, mint az érzékelhető világról szóló tudás (fizika) kialakulása során.

Amikor tehát a fizika hozzájárulását kívánjuk vázolni az orvostudományhoz, akkor a fizika történetében a mindenkori felismerések alkalmazását vehetjük leltárba. A leltár természetesen koronként változik, bővül.

A fizika mint természettudomány (natural science-nek is hívták) bővülése során néhány fontos elv tudatosodott a mindenkori orvosokban is, nevezetesen

• a természet egészséges és kóros jelentségeinek megfigyelésére kell alapozni tevékenységeket,
• igyekezni kell az egészséges és a kóros közötti különbségeket kvantifikálni, azaz mérni kell, például a testsúlyt, hőmérsékletet, pulzust, majd a vérnyomást, látásélességet s így tovább egészen a szemek működése elektronikus ellenőrzéséig, a szervezetbe való belelátásig, a képalkotó eljárásokig.
• Mindehhez eszközöket, műszereket kell fejleszteni.
• A fizikai jelenségek feltárása mint az anyag és energia megismerésének forrása számos biológiai-orvosi ismeret, tünet, folyamat értelmezését segíti.

Ma már arra a kérdésre, hogy mit adott a fizika az orvostudománynak, jelen kereteink között csak igen nagy ívű vázlatot lehet adni. Néhány példa a kultúrtörténetből, művelődéstörténetből rávilágít az egyes korok vonatkozásában a fizikatudomány alkalmazásaira.

Az 1. táblázatban néhány régi példa azt jelzi, hogy a fizika ma is ismert fő területeinek alkalmazásai - optika, hangtan, mechanika - korán szerepet kaptak az orvoslásban. De később is látjuk - például a sugárzások fizikája, az atomfizika megszületése után -, hogy a mindenkori fizikai ismeretek behatoltak az orvosi tevékenységbe. A fizika és az orvostudomány történetének tanulmányozása régen is, ma is az egyik legizgalmasabb kultúrtörténeti kalandozás.

2. táblázat A modern fizikai felfedezések: az orvostudomány mérföldkövei
1895, november 8.	Wilhelm Conrad Röntgen würzburgi fizikaprofesszor felfedezi az X-sugarakat. "A XIX. század végén a fizikusok különös érdeklődéssel tanulmányozták az elektromos kisüléseket ritkított gázokban. A katódsugarakat a légritkított kisülési csőből először hazánkfiának, Lénárd Fülöpnek sikerült a szabad levegőre kihoznia. A kisülési cső üvegfalát Lénárd a megfelelő helyen átfúrta, és a nyílást olyan vékony alumíniumlemezzel fedte be, amelyen a nagy sebességű elektronok át tudtak hatolni. Röntgennek szokása volt mások kísérleteit, amelyek érdemleges felfedezésre vezettek, megismételni. Ezért olyan kisülési csövet készített, amilyet Lénárd használt, sőt ilyet Lénárdtól is kapott. 1895. november 8-án este, sötét laboratóriumában, kísérletezés közben észrevette, hogy a fekete kartonba burkolt kisülési cső közelében lévő bárium-platincianür (BaPt)(CN4) ernyő, valahányszor bekapcsolta kisülési csövét, zöldes fényben kezdett el fluoreszkálni. Ekkor a cső és ernyő közé deszkát, majd könyvet helyezett. Meglepetésére a zöldes fény csak gyengült, de nem szűnt meg, amint ez katódsugárzás esetében várható lett volna. Kezét helyezve az ernyő elé, megpillantotta kézcsontjainak ťárnyékképétŤ" [4] Röntgen 1901-ben az első fizikai Nobel-díjas lett.
1896. január	Már 1896-ban, Röntgen első nyilvános előadása előtt Klupathy Jenő budapesti tudományegyetemi tanár és Eötvös Loránd jó röntgenfelvételt készítettek Eötvös kezéről. 1896 elején Kiss Károly egyetemi tanár a Műegyetemen állított fel egy röntgenkészüléket, majd tanműhelyét fokozatosan röntgenlaboratóriummá fejlesztette tovább.
1896 január 19.	Hőgyes Endre az Orvosi Hetilap - A hazai és külföldi gyógyászat és Kórbúvárlás Közlönyében felveti a sugarak biológiai hatékonyságának és orvosi terápiás hasznosításának lehetőségét: "Nem lehetetlen, hogy ezen új sugaraknak, melyeknek mechanikai tekintetben oly hatalmas szövet penetráló hatásuk van, a mellett kétségen kívül chemiai tekintetben is hatnak, therapeutikai tekintetben is szerepük fog lenni a medikában."
1896	Wartha Vince első közlése az X-sugarakról a Természettudományi Közlönyben.
1896. március 1.	Henry Becquerel uránt tartalmazó ércben felfedezi a természetes radioaktivitást.
1898. december 26.	Pierre Curie és Marie Sklodowska-Curie a francia akadémián bejelentik a rádium és polónium felfedezését.
1901.	W. Einthoven kifejleszti az első megbízható elektrokardiográfot a szív elektromos aktivitásának jelzésére.
1902.	A.G. Bell először helyezett tokba rádiumot, hogy azt közvetlenül a testben helyezze el. Rádiumsókat vagy radongázt tűkbe, szemcsékbe vagy gyöngyökbe zárva 1905 óta alkalmaznak közelterápia céljára.
1904	P. Curie 1904-ben maga is megfigyelte, hogy a rosszindulatú daganatokat gyorsabban pusztítja a sugárzás, mint az egészséges szöveteket, ha azokat rádium sugárzásának teszik ki.
1903	Hevesy György F. Paneth-tel felfedezi a radioaktív nyomjelzéses technika lehetőségét, 1934-ben a nyomjelzéses technika "in vivo" módjait.
1928	A II. Nemzetközi Radiológiai Kongresszus Stockholmban létrehozza az első nemzetközi sugárvédelmi szervezetet International Committee on X-ray and Radium Protection néven, melyet 1950 óta neveznek International Commission on Radiological Protection - ICRP-nek, Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottságnak.
1934	F. Joliot-Curie és Irene Curie felfedezi a mesterséges radioaktivitást.
1936	Budapesten megnyílik az Eötvös Loránd Rádium és Röntgen Intézet. 1937 óta az intézmény sugárfizikusa Bozóky László volt, az Eötvös Loránd Fizikai Társulat Sugárvédelmi szakcsoportjának alapítója és tiszteletbeli elnöke.
1944	W. Kolff kifejleszti az első vesedializáló készüléket.
1959	I. Donald ultrahangot használ a magzat vizsgálatorra.
1960	W. Greatbatcb szabadalmat jelent be a szívműködést szabályozó pacemakerre
1962	Először alkalmaznak lézeres szemsebészetet.
1972	G.N. Hounsfield kifejleszti a számítógépes rétegfelvételezés technikáját. Ezt hamarosan követi a mágnesesrezonancia-képalkotás és pozitronemissziós rétegfelvételezés.
1976	Az illetékes nemzetközi szervezetek, az ICRP (ICRP 26, 1977) és az ICRU (ICRU 33, 1980) kezdeményezésére egyes dozimetriai egységek elnevezésére bevezetik a gray és a sievert elnevezéseket. L.H. Gray, angol sugárbiológus jelentős kutatásokat folytatott a sugárterápia tudományos megalapozása, az oxigénhatás, a sugárzások dozimetriája területén. R.M. Sievert, svéd sugárfizikus és sugárvédelmi szakember jelentós munkát folytatott a sugárterápia dozimetriájában és méréstechnikájában.

A fizikai módszerek robbanásszerű bevonulása az orvoslásba az 1895-1896-os évek néhány hónapján belül tett két óriási Felfedezést követően történt, nevezetesen Röntgen felfedezése az X-sugárzásról, másrészt Becquerel felfedezése a természetes radioaktivitásról. Érdekes megjegyezni, hogy a nagy fizikusok, például Röntgen és Curie-ék, felfedezéseiket követően elsőként arra gondoltak, hogy az új felismerések, az azokból származó technológiák az emberiség javára válnak a betegségek felismerésében és gyógyításában. A fizikai diadalmenet néhány állomását a 2. táblázat mutatja be.

Az orvosi műszerek fejlesztésében a fizikai és mérnöki ismereteknek egyedülálló szerepe van. A szó legszorosabb értelmében is a leglátványosabb a képalkotó eljárások rohamos fejlődése, és ma már mondható, sokfélesége. Az eljárások alkalmazásával bele lehet látni a szervek morfológiai szerkezetébe, sőt ma már működésébe is, elkülönítve ezáltal az egészséges, normál állapotokat a kórosaktól. A képalkotó módszerek fejlődését a berendezések technikai színvonalának fejlődése és a számítástechnikai módszerekkel való kombinálása biztosította. Az eljárások alapelve változó, így a nagy áttöréseknek jelzett felfedezések, a röntgensugárzás és a mesterséges radioizotópok felfedezése és előállítása hozta az első sikereket. Ezt követték a korszerű ultrahangvizsgálati módszerek, a mágnesesrezonancia-vizsgálati eljárások, mindezek kombinálása endoszkópos vizsgálatokkal önmagukban is és egymást kiegészítve, az orvostudomány nélkülözhetetlen eszközei. A 3. táblázat néhány fontosabb eljárás lexikonszerű rövid felsorolását adja.

Az "atomkori fizika" már eddig elért eredményei, az orvosi izotópdiagnosztika és terápia, ciklotrontermékek előállítása alkalmazásával, képalkotó eljárások arzenáljával, vagy a gamma-, illetve neutronsugárzással végzett sebészi beavatkozások, nyilvánvalóan mutatják, hogy mit adott a fizika az orvoslásnak, mondhatjuk az "atomkori orvoslásnak". S nincs okunk feltételezni, hogy az eljárások nem fognak finomodni, érzékenyebbé válni, de azt is érzékelnünk kell, hogy minden új fizikai felfedezés megtalálja útját az orvosi gyakorlathoz. Ezt a tehetséges fizikusok, orvosok, mérnökök segítik, biztosítják.

3. táblázat A fizikai felismerésekre alapozott egyes korszerű orvosi eljárások
Elektrokardiográfia (EKG)	A szív elektromos aktivitását jelzi, kimutatja például a ritmuszavarokat, és jelzi a szívizom károsodását
Elektroenkefalográfia (EEG)	Az agy elektromos aktívitását jelzi. Számos agyi keringési és egyéb szemi betegségben, az agyhalál kimutatásának fő eszköze.
Endoszkópia	A test belsejébe bocsátott eszközzel, amely két száloptikapályán részben fényt enged a belső terekbe, másrészt visszahozza a látványt a vizsgálóhoz. Használata során gyógyszerek célbajuttatásához, elszíváshoz, öblítéshez, kis műszerekkel diagnosztikai minták vételére vagy terápiás céllal is alkalmazzák (biopszia).
Egyfotonemissziós számítógépes rétegfelvételezés (single photon emission computer tomography, SPECT)	Nagyméretű szcintillációs kristályos gamma-kamerával megfigyelt felvillanások keltése radioizotópok alkalmazásával láthatóvá teszi a véráramlást a kiserekben leképezi az agyat, olyan betegségeket diagnosztizál, mint például az agyvérzés, epilepszia, schizofrénia, Parkinson-kór.
Termográfia	Infravörös sugárzást mér és mutat ki a szervezet egyes részeinek hőtérképezésével, kóros felmelegedés, vagy éppen lehűlés esetén (pl. gyulladások, ill. elhalások).
Ultrahangvizsgálat, szonográfia	Rendszerint 1 MHz tartományban bocsát ultrahang-frekvenciájú hanghullámokat a testbe. A visszhangot számítógépes képalkotássá formálja. Jól alkalmazhatók a terhességi vizsgálatoknál, kiváltotta a röntgenvizsgálatokat, de számos szerv helyzete, mérete, vagy daganata észlelhető általa.
Röntgenvizsgálat	A legrégebbi és legszélesebb körben használt képalkotó eljárás. Számos alkalmazási területei közül az orvosi alkalmazáson belül a számítógépes rétegfelvételezés (Computer tomographia) rohamosan terjed, nélkülözhetetlen eljárás. Érdekes megemlíteni, hogy a korszerűség nem jelentett sugárterhelés-csökkentést a beteg számára, hiszen egy-egy vizsgálatnál 10-100 mGy is érheti a beteget.
Orvosi izotópdiagnosztika - nukleáris medicina	A megfelelő gamma-sugárzó radioizotópok (99mTc, 131I, radiojóddal jelzett vegyületek, 201Tl, 67Ga ) szervezetbe juttatásával számos szerv vagy éppen daganat helye, nagysága tehető láthatóvá gamma-kamerával.
Pozitronemissziós tomográfia (PET)	Ciklotronnal rövid felezési idejű izotópokat gyártanak, és így válik lehetővé olyan radiofarmakonok (radioaktív izotópokkal jelzett vegyületek) előállítása, például a glukóz, amely daganatok elhelyezkedését jelzi azok fokozott cukorfelvétele révén PET-kamerák segítségével.
Radioizotópos terápia	Radioizotópok bejuttatása a daganathoz és ezáltal közvetlen besugárzása

Az ionizáló sugárzások biztonságos alkalmazásához megfelelő sugárvédelmi ismeretek szerveződés és szabályok szükségeltetnek. Elsősorban azonban olyan mérőműszerek, amelyek a sugárzás jellegétől függően megfelelően mérik a dózisteljesítményt, szennyezettséget az ember munkahelyi és környezeti viszonya között. Magyarországi viszonylatban a sugárvédelem mindig is igyekezett a legkorszerűbb szinten működni, s megfelelni az iparilag fejlett országokban kialakult szintnek.

Amikor orvoslásról van szó, bele kell érteni az arra való felkészülést. A fizika szerepének néhány példán való felvillantása egyértelművé teszi, hogy ezt az orvostanhallgatóknak és orvosoknak folyamatosan tanulniuk, alkalmazniuk kell. Egyrészt számos életjelenség fizikai értelmezésében, kutatásában, másrészt mérésében. Az orvosi biofizika mint tudományág és mint tantárgy ezeket a célokat szolgálja. A magyar érdeklődő közönség kelönösen előnyös helyzetben van, mert igen jó biofizikai könyvek állnak rendelkezésére, mint például Rontó Györgyi és Tarján Imre A biofizika alapjai című (tan)könyve, amely immár 10 kiadást ért el. Bemutatásképpen csak néhány a gondolatkör jellemzésére:

• az anyagszerkezet,
• fény- és röntgensugárzás,
• mikroszkópos és szubmikroszkópos módszerek a biológiai struktúrák vizsgálatában,
• orvosi elektronika,
• az ingerületi folyamatok biofizikája, - a biokibernetika alapjai.

Számos közlemény és futurológiai vízió sejteti, hogy a fizika tudományának fejlődése folytatódik az anyag és energia mélyebb részleteinek megismerésében. Ugyanakkor az is nyilvánvaló, hogy az eddigi kultúrtörténeti tapasztalatok - például éppen az orvoslás segítésében - a fizikusokat arra fogja ösztönözni, hogy fokozottan törődjenek a fizikai ismeretek alkalmazásával, az alkalmazott kutatással. A biológiában és orvostudományban nagy kihívás a sejtek, komplex molekulaszerkezetek, gének struktúrájának és mikrokörnyezetének vizsgálata nagy térbeli (1-10 nanométer) és időbeli (1-1000 mikroszekundum) felbontással. A mikroelektronika, a számítógép-technológia, a szuperkonduktivitás kutatásának fejlesztése egyre több információt fog szolgáltatni az egészséges és a károsodott élő sejt anyagcseréjéről, állapotáról, alkalmazkodó képességéről. Mindazonáltal, nemcsak a mikrotartományban tágul szemléletünk a végtelen irányába, hanem a makrovilágban is: a fizikának segítenie kell, hozzá kell járulnia az ember és a világ holisztikus szemléletének kialakításához, a "bio-psziho-szociális" összefüggések megértéséhez. Ezzel remélhetjük, hogy a fizika a tudomány mindenkori állása szerint továbbra is nagy támasza lesz az emberi tevékenységnek, ezen belül az orvoslásnak is.