医学物理实验 绪论 数据处理 岑剡 cenyan@fudan.edu.cn.

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1 医学物理实验 绪论 数据处理 岑剡

2 医学物理实验课总体安排 （上课地点：物理楼321室，若有变动另行通知） 第1周 绪论
第1周 绪论 第2周 实验原理讲授（第一组讲实验1~3，第二组讲实验4~6） 第3~5周 做实验 （第一组做实验1~3，第二组做实验4~6） 第6周 实验原理讲授（第一组讲实验4~6，第二组讲实验1~3） 第7~9周 做实验 （第一组做实验4~6，第二组做实验1~3） 第10周 五一长假 第11周 实验总结与讨论 第12周 实验原理讲授（实验7，实验8，实验9） 第13~15周 做实验 （分三组循环） 第16周 答疑，复习 第17周 实验总结及汇报

3 实验内容 实验1 弯曲法测人造骨杨氏模量………………………… 13 实验2 毛细管法测液体黏度……………………………… 20
实验1 弯曲法测人造骨杨氏模量………………………… 13 实验2 毛细管法测液体黏度……………………………… 20 实验3 眼睛的光学原理及物理矫正……………………… 24 实验4 压力传感器特性研究及血压、心率测量………… 31 实验5 人耳听觉听阈曲线测量…………………………… 36 实验6 心电图机技术指标的测量及使用………………… 41 实验7 A型超声探测及B型超声成像…………..………… 46 实验8 X射线特性研究及透视………………….………… 54 实验9 核磁共振基础及成像……………………………… 59

4 绪论（第一节） 医学物理实验的重要性 一、什么是医学物理实验？ 二、物理在医学研究与发展中的作用

5 物理在医学中的应用 诊断――内窥镜、心电图、 X光、CT、核磁共振、超声波 治疗――放射性、激光、微波、γ刀、PDT、热疗

6 内窥镜成像 日本胶囊形内窥镜

7 Electrocardiography 12 Lead ECG of a 26-year-old male
Image showing a patient connected to the 10 electrodes necessary for a 12-lead ECG Schematic representation of normal ECG

8 X-ray Star shaped bladder urolith on an X-ray of the pelvis.
Image A: A normal chest radiograph. Image B: Q fever pneumonia.

9 X-ray computed tomography(CT)
A Multislice CT Scanner Example of a CTPA, demonstrating a saddle embolus (dark horizontal line) occluding the pulmonary arteries (bright white triangle) 亨斯费尔德和科马克共同获取1979年诺贝尔生理学或医学奖

10 CT检查范围 一、头部：脑出血，脑梗塞，动脉瘤，血管畸形，各种肿瘤，外伤，出血，骨折，先天畸形等； 二、 胸部：肺、胸膜及纵隔各种肿瘤，肺结核，肺炎，支气管扩张，肺脓肿，囊肿，肺不张，气胸，骨折等； 三、 腹、盆腔：各种实质器官的肿瘤、外伤、出血，肝硬化，胆结石，泌尿系结石、积水，膀胱、前列腺病变，某些炎症、畸形等； 四、 脊柱、四肢：骨折，外伤，骨质增生，椎间盘病变，椎管狭窄，肿瘤，结核等； 五、 骨骼、血管三维重建成像；各部位的MPR、MIP成像等； 六、 CTA（CT血管成像）：大动脉炎，动脉硬化闭塞症，主动脉瘤及夹层等； 七、 甲状腺疾病：甲状腺腺瘤、甲状腺腺癌等； 其他：眼科及眼眶肿瘤，外伤；副鼻窦炎、鼻息肉、肿瘤、囊肿、外伤等。

11 核磁共振 拉比 1944年获得了诺贝尔物理学奖 医生在为患者做核磁共振检查 用核磁共振技术拍摄的脑截面图像
拉比 1944年获得了诺贝尔物理学奖 伯塞尔&布洛赫 1952年度诺贝尔物理学奖 核磁共振全名是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI）又称自旋成像（spin imaging），也称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。 广泛地用于确定分子结构，用于对生物在组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等诸多方面。 医生在为患者做核磁共振检查 用核磁共振技术拍摄的脑截面图像

12 超声波 Sonogram of a fetus at 14 weeks (Profile)
A fetus, aged 29 weeks, in a "3D ultrasound"

13 超声波美容 机械作用:作用于面部可以使皮肤细胞随之振动，从而，改善局部血液和淋巴液的循环，增强细胞的通透性，提高组织的新陈代谢和再生能力，软化组织，刺激神经系统及细胞功能，使皮肤富有光泽和弹性。 温热作用：可以提高皮肤表面的温度，使血液循环加速，增加皮肤细胞的养分，使神经兴奋性降低，起到镇痛的作用，使痉挛的 肌纤维松弛，起到解痉的作用。 化学作用：超声波可以加强催化能力，加速皮肤细胞的新陈代谢，使组织pH值向碱性方向变化，减轻皮肤炎症伴有的酸中毒及疼痛。超声波可以提高细 胞膜的通透性，使营养素和药物解聚，利于皮肤吸收营养，利于药物透入菌体，提高杀菌能力。

14 Radiation therapy Radiation therapy of the pelvis. Lasers and a mould under the legs are used to determine exact position. Varian Clinac 2100C Linear Accelerator.

15 放射治疗 肿瘤放射治疗是利用放射线如放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、电子线、质子束及其它粒子束等治疗恶性肿瘤的一种方法。 大约70%的癌症病人在治疗癌症的过程中需要用放射治疗，约有40%的癌症可以用放疗根治。 放疗机制 　　直接损伤 :主要由射线直接作用于有机分子而产生自由基引起DNA分子出现断裂、交叉。 　　间接损伤: 主要由射线对人体组织内水发生电离，产生自由基，这些自由基再和生物大分子发生作用，导致不可逆损伤。

16 Photodynamic therapy Shown is close up of surgeons' hands in an operating room with a "beam of light" traveling along fiber optics for photodynamic therapy. Its source is a laser beam which is split at two different stages to create the proper "therapeutic wavelength". A patient would be given a photo sensitive drug (photofrin) containing cancer killing substances which are absorbed by cancer cells. During the surgery, the light beam is positioned at the tumor site, which then activates the drug that kills the cancer cells, thus photodynamic therapy (PDT).

17 热疗 古埃及:加温治疗过乳腺肿瘤 希波克拉底:“药物不能治愈的可用手术治，手术不能治愈的可用热疗治，热疗不能治的就确实无法治了”。
奥地利医生Jauregg发明了治疗中枢神经系统梅毒感染的标准疗法 德国医学家:热疗加化疗 治癌更见效 在土耳其穆拉省达尔扬的苏丹尼耶热疗馆，一名游客正在洗泥浴 肿瘤热疗设备

18 “电子棒棒糖”让盲人通过舌头“看”东西 “电子棒棒糖”帮助盲人用舌头“视物”示意图

19 第二章：实验数据的处理 一、为什么要处理数据？ 二、误差分析与不确定度评定 三、不确定度的评定方法 四、作图与拟合

20 一、为什么要处理数据？ 1、大多物理规律是用物理量之间的定量关系来表述的。 2、实验得到的数据只有经过正确的处理才能得到公认的、合理的结论。

21 二、误差分析与不确定度评定 测量——测量者采取某种测量方法用某种测量仪器将待测量与标准量进行比较。（质量、长度、体积）
用毫米刻度尺测量某物体的长度 数字表测量某一电路中的电流 1、若数字表有稳定的输出：3.888A 2、 若数字表输出不稳定呢？ 左端读数为：10.00cm 右端读数为：15.25cm

22 二、误差分析与不确定度评定 误差——测量值与真值的差 误差的成因： 1.测量方法（伏安法测电阻、热电偶测温度）
2.测量者（经验、估读、疏忽） 3.测量仪器及标准量（定标、环境、时效）  误差分析的重点在测量方法（体温计、单摆测g）。  测量者的估读、仪器和标准量的不确定程度是可以用一定的方法评定的，称为“不确定度评定 ”。

23 三、关于测量不确定度的评定方法 不确定度的评价十分重要：过大----浪费；过小----失误。 1993年由国际计量局（BIPM）、国际标准化组织(ISO)等四个国际权威组织制定了《测量不确定度表示指南》，并由国际理论与应用物理学会（IUPAP）、国际理论与应用化学学会（IUPAC）等七个国际组织批准实施。 不确定度----被测量分散性的表征。 分为两类： A类---由多次测量统计分析评定的不确定度 B类---其他方法评定的不确定度

24 A类不确定度的评定方法: 对待测量x 进行n 次全同测量： 测量次数 n 越多，uA 越小。 一般可在科学型计算器上直接得出计算结果。

25 B类不确定度的评定方法: 测量不确定度（与测量方法和测量经验有关），可取： （多次测量时，uB1由uA代替）
仪器不确定度（与仪器种类、级别及使用条件有关） ，可取：

26 不确定度的合成： 单次测量： 在长度测量中，长度值是两个位置读数x1和x2之差， 其不确定度合成公式为： 多次测量：

27 测量结果的表示方法： 1、测量结果的一般表示法： 如，长度为（1.05±0.02）cm。 2、测量结果的百分比表示法：
3、测量结果的有效数字表示法(简略表示)

28 有效数字表示法 有效数字----从第一个不为0的数开始算起的所有数字。
如, 0.35 (2个); 3.54 (3个); (4个); (5个)。 不确定度本身一般只取一个有效数字，测量值的末位有效数字应与不确定度的有效数字对齐。 即：测量值的末位有效数字是不确定的。 计算结果的舍入原则：4舍6入，遇5末偶 如，计算值为 ; 若不确定度为0.0003, 则取x=3.5484; 若不确定度为0.002, 则取x=3.548； 3.653 若不确定度为0.04, 则取x=3.55; 3.65 若不确定度为0.1, 则取x=3.5; 3.7 大于5入，小于5舍；刚好是5时，若前一位为奇数则入，为偶数则舍

29 有效数字的运算规则: 加减法: 与不确定度最大项的末位有效数字对齐。如： 乘除法: 与最少个数的有效数字相同。
57.31＋0.0156－ （= ）=55.08 乘除法: 与最少个数的有效数字相同。 如： 57.31×0.0156÷ （= ）=0.399 注意：在前两种不确定度表示方法中，测量值也必须按有效数字的规定来表示。

30 不确定度的传递: 在间接测量时，待测量是由直接测量的量通过计算而得的。此时，待测量的不确定度由各直接测量的量的不确定度传递而得。 加减法:
乘除法: 乘方： 一般传递公式： 当各直接测量的量相互独立无关时，

31 例题1： 用电子天平测得一个圆柱体的质量M=80.36g；电子天平的最小指示值为0.01g；不确定度限值为0.02g。用钢尺测量该圆柱体的高度H＝H2－H1，其中，H1＝4.00cm，H2＝19.32cm；钢尺的分度值为0.1cm，估读1/5分度；不确定度限值为0.01cm。用游标卡尺测量该圆柱体的直径D（数据如下表所示）；游标卡尺的分度值为0.002cm；不确定度限值为0.002cm。 试根据上述数据，计算该圆柱体的密度及其不确定度。 D/cm 2.014 2.018 2.016 2.020 2.022

32 分析： 对质量的测量： 圆柱体高度： 圆柱体的直径的平均值：

33 材料的密度： 实验结果：

34 四. 作图与拟合 作图法 最小二乘法

35 作图法直线拟合 一、为何作图？ 1、清晰地看到定性关系（螺线管的磁场分布） 2、方便地比较不同特性（不同曲线用
不同符号或不同颜色） 3、合理地从图上得到有用的信息 （比如：求斜率或从图上读出曲线峰或谷处的信息等） 螺线管中心轴线上 的磁场分布 二极管伏安特性 直线求斜率

36 二、如何作图？ 选择图纸（采用标准坐标纸、反映有效数字、实图占1/2以上） 根据物理量的差（取整）选择图纸的格数
根据自变量－因变量选择图纸的方向（一般取自变量为横坐标） 画坐标轴、分度线（等间距、勿太密）并标明物理量名称（斜体）及单位（正体） 画数据点（不标数据值、符号长度反映不确定度） 画直线或曲线，标明特殊点的坐标值（计算斜率用的点、峰、谷等）

37 作图规则 用铅笔作图 1) 用标准坐标纸；坐标轴不一定取图纸的边线，标度不一定从0开始。
1) 用标准坐标纸；坐标轴不一定取图纸的边线，标度不一定从0开始。 2)  在选择比例时，应使图纸上的1格所表示的物理量为原数据的量值 的1、2、5等倍（或它们的十进倍率）。 3)  对每一坐标轴，要标明物理量的名称及单位符号。每隔一定距离 划上短线并注明标度值，标度值不必取实验数据中的全部有效数字位数。 4)  数据点要用端正的符 号来表示。不同的数据 组应使用不同的符号。 直线或曲线的线条务必 匀、细、光滑，不通过 图线的数据点应匀称地 分布在图线的两侧，且 尽量靠近图线。 5）如用计算机作图，可 不用坐标纸，但仍应画 分隔线，其间隔仍应取 1、2、5的十进倍率， 以便于读图。 用铅笔作图

38 三、如何读图 1、 从图上读数据点的值（X，Y）时，应正确反映有效数字。
1、 从图上读数据点的值（X，Y）时，应正确反映有效数字。 2、从图上读某点的单一坐标值（X或Y）时，不仅应正确反映有效数字，还要标明单位。 3、从图上求直线斜率时，取两数据点的距离应远些，但不超过实验点的范围；斜率应有相应的单位。

39  三、如何读图？ 实验名称：量子论实验 图 名：Ip-UG曲线 实 验 者：郝时彦 实验时间：2007/2/12

40 最小二乘法直线拟合 最小二乘法认为：假设各xi的值是准确的，所有的不确定度都只联系着yi，若最佳拟合的直线为： ，则所测各 值与拟合直线上相应的各估计值 之间的偏差的平方和最小，即： 直线方程中：

41 谢谢！