הגדרה של פיזיקה ביו-רפואית

פיזיקה ביו-רפואית היא ענף מדעי בין-תחומי המורכב מחקר יישומים שונים של מדעים פיזיקליים-מתמטיים בתחום הביו-רפואי.

הצורך הנוכחי להשיג תוצאות כמותיות מניסויים ביולוגיים, לפתח טכנולוגיות המשמשות בשיטות שונות של אִבחוּן או טיפולים, בין היתר, דרשו שיתוף פעולה של דיסציפלינות מדעיות שונות ואנשים בעלי הכשרה בינתחומית המאפשרת את חדירתם לסוג זה של פרויקטים. פיזיקה ביו-רפואית מורכבת מיישומים של המדעים הפיזיקליים - מתמטיים בביו-רפואה, יישומים אלו נעים בין חֲקִירָה במדע בסיסי בתחום הביו-רפואי למדע יישומי בנושאים בעלי עניין רפואי או בריאותי.

איך פיזיקה וביו-רפואה קשורים?

למרות שבהתחלה נראה כי פיזיקה וביורפואה הן שתיים מאוד מרוחקים אחד מהשני, האמת היא שהרבה פעמים המחסום שמפריד ביניהם הופך ל-a כל כך מפוזר. אולי העדות הראשונה שהצביעה על קשר בין פיזיקה לביולוגיה היו הניסויים שערך לואיג'י גלוואני, שבהם הבחין כי, על ידי העברת זרם חשמלי על ידי חוט השדרה של צפרדע מתה, רגליה של הצפרדע היו מתנדנדות באופן דומה לאופן שבו עשו כשהצפרדע הייתה בחיים. היום אנחנו יודעים שאותות עצבים הם לא יותר מאשר דחפים חשמליים שנשלחים אליהם דרך האקסונים של נוירונים וכי התכווצות השרירים מתבצעת על ידי א קָבוּעַ

הובלת יונים דרך ממברנות סיבי השריר.

בשל הרלוונטיות הזו שיש לתופעות חשמליות ביצורים חיים, הפיזיקה תרמה במידה רבה ל פיתוח טכניקות המאפשרות זיהוי של אותות ביו-אלקטריים לחקר מערכות ביולוגיות או לאבחון של מחלות. בקטגוריה האחרונה הזו, בולטות טכניקות אבחון כגון אלקטרוקרדיוגרמה (ECG), המורכבת מזיהוי האותות החשמליים של לֵב והאלקטרואנצפלוגרמה (EEG) המנתחת את האותות החשמליים של המוח, שתי השיטות מאפשרות זיהוי של חריגות באותות החשמליים של האיברים הנ"ל שעשויים להיות קשורים לפתולוגיות שונות או תנאים.

לגילויים שעשתה הפיזיקה הייתה השפעה רבה גם על חקר הביולוגיה. גילוי קרני הרנטגן על ידי Röntgen בשנת 1895 אפשר את הפיתוח של קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, טכניקה המשתמשת בקרני רנטגן כדי לגלות את המבנה האטומי של מולקולות מסוימות. בטכניקה זו השתמשו רוזלינד פרנקלין, ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק כדי לשים קץ לתעלומה הגדולה של מבנה דנ"א ולחשוף את מבנה הסליל הכפול שלו. כמו כן, לפיזיקה יש תפקיד חשוב במחקר כמותי של המנגנונים המולקולריים המאפשרים את קיומם של חיים ופיתוח טכניקות כגון מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), פינצטה אופטית ומערכות מיקרופלואידיות המקלות על חקר מערכות ביולוגיות.

ברפואה, כמה טכניקות אבחון כגון צילומי רנטגן, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) וטומוגרפיה הדמיה קוהרנטיות אופטית (OCT) לא יכולה להיות אפשרית ללא ההבנה של קרינה אלקטרומגנטית והאינטראקציה שלה עם הגוף בן אנוש. שיטות אבחון אחרות כגון תהודה מגנטית (MR) וטומוגרפיה פליטת פוזיטרון (סריקת PET) הם מבוססים על תופעות קוונטיות גרידא שהבנתן אפשרה להם למצוא יישום בשטח דוֹקטוֹר. כמו כן, טיפולים כגון רדיותרפיה המורכבת מיישום של מינונים גדולים של קרינה חומר מיינן להרוג תאים סרטניים באופן ממוקד, דורש ניטור מתמיד כדי להבטיח את יְעִילוּת של הטיפול ושל בִּטָחוֹן של המטופל. חשוב להזכיר שהפיתוח והניהול של טכניקות האבחון והטיפול הללו הם המשימה של ענף אחר של פיזיקה מתמחה יותר שנקרא "פיסיקה רפואית".

נכון להיום, אחד הענפים שצוברים משקל ניכר במחקר הביו-רפואי הוא פיתוח מודלים מתמטיים וחישוביים של תהליכים פיזיולוגיים. במודלים אלה נעשה שימוש בפיזיקה ומתמטיקה לביצוע הפשטות מספריות של מערכות ביולוגיות, ניתן להכניס מודלים אלה לתוך מַחשֵׁב לבצע סימולציות ולבצע את מה שמכונה "In Silico Studies". בסיליקו ניסויים היו מאוד שימושיים כדי להנחות ולעורר ניסויים אחרים שכן מתבצעות בתחום הביולוגי וצפוי שבעתיד יקחו חלק גדול יותר בדיסציפלינות כגון ה ביולוגיה מולקולרית, ה פַרמָקוֹלוֹגִיָה, בין השאר.

התשובות לחידות גדולות של הטבע התקבלו הודות לאינטראקציה בין דיסציפלינות מדעיות שונות, ונראה שהכל מעיד על כך שזה ימשיך להיות כך גם בעתיד.