Intermediate Physics for Medicine and Biology（医学・生物学のための中級物理学）

引用

Hobbie, R. K., & Roth, B. J. (2015). Intermediate Physics for Medicine and Biology (5th ed.). Springer.

章の要約

第5版は全18章、約630ページ。出版社によれば、前半は主に生物物理学で、物理学の考え方を用いて生物学と生理学を理解する。後半は主に医学物理学で、診断（主に画像）と治療における物理学の利用を扱う。章題もこの区分に沿っている。最初の11章は力学と輸送から、神経・筋の電気、生体磁気、フィードバック、データ解析へと進み、最後の7章は画像、音、光、放射線、核医学を扱う。各章に充実した参考文献リストが付く。

第1–3章：Mechanics（力学）、Exponential Growth and Decay（指数的成長と減衰）、Systems of Many Particles（多粒子系）

冒頭の3章（それぞれ約30、20、30ページ）が物理と数学の土台を置く。第1章は力学を応用し、第2章は指数的成長と減衰を扱い、第3章は多粒子系へ進む。

第4–5章：Transport in an Infinite Medium（無限媒質中の輸送）、Transport Through Neutral Membranes（中性膜を通る輸送）

輸送を扱う2章。前者は境界のない媒質中の輸送を、後者は膜を加えて、生体系の区画間の境界へ議論を進める。

第6–9章：Impulses in Nerve and Muscle Cells（神経・筋細胞のインパルス）、The Exterior Potential and the Electrocardiogram（外部電位と心電図）、Biomagnetism（生体磁気）、Electricity and Magnetism at the Cellular Level（細胞レベルの電気と磁気）

本書の電気に関する部分。第6章は神経と筋のインパルス（約40ページ）、第7章は体外の電位と心電図、第8章は生体磁気、第9章は細胞レベルの電気と磁気を扱う。

第10–11章：Feedback and Control（フィードバックと制御）、The Method of Least Squares and Signal Analysis（最小二乗法と信号解析）

第10章はフィードバックと制御、第11章は最小二乗法と信号解析を扱う。調節のモデル化とデータの当てはめ・解析の道具により、生物物理学の前半を締めくくる。

第12–13章：Images（画像）、Sound and Ultrasound（音と超音波）

医学物理学の後半は、短い「画像」の章（約20ページ）と「音と超音波」の章（約15ページ）で始まる。

第14–16章：Atoms and Light（原子と光）、Interaction of Photons and Charged Particles with Matter（光子・荷電粒子と物質の相互作用）、Medical Uses of X-Rays（X線の医学的利用）

「原子と光」（約40ページ）は「光子・荷電粒子と物質の相互作用」（約35ページ）へつながり、その後「X線の医学的利用」の章（約40ページ）で応用される。

第17–18章：Nuclear Physics and Nuclear Medicine（核物理と核医学）、Magnetic Resonance Imaging（磁気共鳴画像法）

本書は核物理と核医学、続いて磁気共鳴画像法（各約30ページ）で終わる。

主要概念

第1–5章：力学から膜輸送まで

• 指数的成長と減衰：本書の前半に独立した章を持つ数学的な形。
• 多粒子系：単一物体の力学の後に続く、集団的な振る舞いの話題。
• 膜を通る輸送：無限媒質中の輸送の後で扱われる、区画間の移動。

第6–11章：電気・磁気・解析の話題

• 神経・筋のインパルス：興奮性細胞の電気信号。
• 心電図と生体磁気：体外で測定される信号。第7章は電気、第8章は磁気。
• フィードバックと制御：生理系における調節。
• 最小二乗法と信号解析：データへのモデルの当てはめと信号の解析。

第12–18章：医学物理

• 画像：個々の画像診断法に先立つ、画像の総論。
• 光子・荷電粒子と物質の相互作用：X線、核、放射線の話題の背後にある物理。
• X線、核画像、磁気共鳴画像、超音波：章題に挙げられた画像診断法。

批判的分析

長所

• 明快な二部構成。 出版社のいう生物物理と医学物理の区分は章題と一致しており、コースは一方だけ、または両方を使える。
• 一冊で物理の広い範囲をカバー。 力学、熱物理と輸送、電磁気、光学、音、核物理、画像が登場し、生理学や医学と結びつけられている。
• 演習が豊富。 出版社は850問を超える問題が理解を試し、生物学的な例を補うと述べており、教員向けの解答集もある。各章に充実した参考文献リストがある。
• 長い実績。 出版社によれば20か国以上で使われている。初版は1978年で、Hobbieが医学部の講義を聴講した後の1973年に開発した授業に由来する。
• 第5版の追加。 出版社は、サイクロトロン、光線力学療法、色覚、X線結晶学、電子顕微鏡、人工内耳、脳深部刺激、ナノ医療などの新しい内容を挙げている。

短所

• 前提条件。 物理学と微積分の履修を前提とするため、その両方に触れていない学生の最初の一冊には向かない。
• 版が置き換わりつつある。 本書を支援するブログによれば、第6版（共著者にGene Surdutovichが加わる）は2026年9月にゲラ刷りの段階にあり、表面張力と放射線損傷の新章、二つに分割されたフィードバックの章、1000問超の問題が加わる。入手する際は授業で使う版を確認すること。
• 物理の教科書であり、工学の概説ではない。 主題は医学・生物学に応用された物理であり、生体医工学の各分野の概観を求める学生には、一般的な入門書より範囲が狭く感じられる。

コースにおける位置づけ

本コースの書目の中で、本書は生理学と画像診断の背後にある物理を提供する。Ann Saterbak、Ka-Yiu San、Larry McIntire の Bioengineering Fundamentals は保存則を軸にした最初のコース、Mark Saltzman の Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology は生物学から分野を組み上げる本、Ritter らの Biomedical Engineering Principles は定量的な分析と設計を重視した入門、Enderle の Introduction to Biomedical Engineering は幅広い概説である。Wittrup らの Quantitative Fundamentals of Molecular and Cellular Bioengineering は、分子や細胞の速度過程を扱う。

入門書の一冊を読み、微積分に基づく物理を身につけた後に、神経の電気、生体磁気、輸送、画像の物理についてのより深い扱いとして Hobbie と Roth を読むとよい。Wittrup の本と同様に輸送を扱うが、重点は異なる。本書は物理を軸に、あちらは分子・細胞モデルを軸に構成されている。

本書の使い方

出版社の説明では、生物物理、生理学、医学物理、神経科学、生体医工学を学ぶ上級の学部生や大学院の初期の学生に向き、独習や研究者の参考書としても位置づけられている。微積分と入門物理が身についていることが望ましい。

実践的な計画：

• 生理学寄りのコースの中核： 第1〜11章を順に読む。第4〜9章（輸送と生体電気）が中心となる。
• 医学物理・画像のコースの中核： 第12〜18章。多粒子の考え方に不慣れなら第1〜3章を先に読む。第14〜15章（原子と光、放射線と物質の相互作用）が第16〜18章へつながる。
• 任意： 第8章（生体磁気）と第10章（フィードバックと制御）は、順序を崩さずに後回しにできる。

どの章からも一部の問題を解くこと。生物学的な例が追加されるのは問題の中だからである。章の範囲を超える話題は参考文献をたどる。購入前に版を確認すること。ここで述べたのは第5版である。