Medicīniskā fizika apskata slimību diagnostikas un ārstēšanas fizikālo metožu principus, ierīču uzbūves un lietošanas jautājumus, kā arī medicīnā izmantojamo materiālu fizikālās īpašības un organisma fizioloģisko funkciju fizikālās izpētes metodes.

Medicīniskā fizika cieši saistīta ar radniecīgām zinātņu nozarēm: biofiziku un fizioloģiju. Tā saskaras arī ar medicīnisko elektroniku, metroloģiju, skaitļošanas fiziku, radiobioloģiju. Medicīnisko fiziku iedala apakšnozarēs: medicīnas attēlveidošana, radiācijas terapijas fizika, kodolmedicīnas fizika, radiācijas aizsardzība medicīnā, nejonizējošās radiācijas medicīnas fizika, medicīnas informātika, fizioloģiskie mērījumi.

Medicīniskā fizika veic pētījumus, kas saistīti ar cilvēka veselības traucējumu izpēti, šo traucējumu mazināšanu un/vai likvidēšanu, ar inovatīvu diagnostisku procedūru medicīniskajiem pielietojumiem (piemēram, medicīnisko attēlveidošanu); ar jauniem instrumentālo un fizioloģisko mērījumu tehniskiem paņēmieniem. Praktiskajā darbā medicīnas fiziķi veic pacientu izmeklējumus, izmantojot ārstēšanas un diagnostisko aparatūru, – gan jonizējošās radiācijas iekārtas (piemēram, rentgeniekārtas, datortomogrāfus, pozitronu emisijas tomogrāfus), gan nejonizējošās radiācijas iekārtas (piemēram, ultraskaņas iekārtas, magnētiskās rezonanses tomogrāfus, termogrāfus). Radiācijas terapijas laikā tiek nodrošināta korekta radiācijas dozas padeve, aprēķināts dozas sadalījums, izstrādāti staru modifikatori pacienta individuālajai ārstēšanai. Viens no medicīniskās fizikas praktiskiem pielietojumiem ir radiācijas aizsardzība – zinātne un pasākumu komplekss, kas vērsts uz cilvēka un sabiedrības aizsardzību pret jonizējošās radiācijas starojuma kaitīgajiem efektiem.

Medicīniskās fizikas izpētes objekts ir kompleksas biofizikālas parādības un mehānismi, tāpēc tajā pielieto fundamentālus elektromagnētisma, optikas un kodolfizikas likumus, kas apraksta starojuma emisijas un absorbcijas principus un jonizējošā un nejonizējošā starojuma un vielas mijiedarbības mehānismus. Piemēram, radiācijas terapijas pamatā ir radiojutības likums, kas nosaka, ka augošas (tai skaitā, vēža) šūnas ir jutīgākas pret radiācijas bojājumiem nekā veselie audi. Ultraskaņas diagnostika tiek balstīta uz pjezoelektrisko efektu, bet rengtendiagnostikas pamatā ir rentgenstaru difrakcijas likums. Tiek pielietoti arī cilvēka anatomijas un fizioloģijas likumi.

Medicīniskā attēlveidošana ir metožu un paņēmienu kopa, kas ļauj izveidot un izpētīt iekšējo ķermeņa struktūru attēlus diagnostiskos un ārstniecības nolūkos. Medicīniskās attēlveidošanas pamatā ir jonizējošā (rentgenstaru) vai nejonizējošā (lāzera vai ultraskaņas) starojuma mijiedarbība ar iekšējām ķermeņa struktūrām un šīs mijiedarbības rezultāta attēlošana un analīze. Medicīniskās attēlveidošanas paņēmieni vērsti uz dažādu struktūru vizualizāciju, piemēram, mīksto audu vai kaulu attēlošanu, funkcionālo vizualizāciju. Attēlu veidošanai izmanto parasto rentgenogrāfiju, fluoroskopiju, angiogrāfiju, datortomogrāfiju (DT), ultraskaņas izmeklējumus un doplerogrāfiju, magnētiskās rezonanses tomogrāfiju (MRT), kodolmedicīnas attēlveidošanu, scintigrāfiju, termogrāfiju, optiskās koherences tomogrāfiju. Lai mērītu un kontrolētu organisma fizioloģiskos parametrus, izmanto fizioloģiskos mērījumus, piemēram, elektromiogrāfiju, pulsoksimetriju, elektrokardiogrāfiju. Kodolmedicīnā ārstēšanai un attēlveidošanai izmanto radioaktīvās vielas. Kodolmedicīnas attēlveidošanas pamatprincips ir bioloģisko vielu marķēšana ar radioaktīvā izotopa palīdzību. Ar kodolmedicīnas metodēm iegūtie attēli atspoguļo un ļauj pētīt bioloģiskos procesus šūnu un subšūnu līmenī. Diagnostisko attēlu ierakstīšanai, analīzei un apstrādei plaši pielieto arī Montekarlo metodi, neirālos tīklus un citas metodes. Dozimetrija ir starojuma dozas un saistītu lielumu mērīšana, ko pielieto, lai aprēķinātu un izpētītu jonizējošas vai nejonizējošas radiācijas bioloģisko efektu uz cilvēka organismu. Šos mērījumus izmanto Starptautiskā radiācijas aizsardzības sistēma (International System of Radiation), lai izstrādātu radiācijas aizsardzības rekomendācijas.

Vecākais medicīnas dokuments Edvina Smita papiruss (Edwin Smith Papyrus, Ēģipte, 3000.–2500. g. p. m. ē.) ietver fiziskas medicīniskas manipulācijas – krūts abscesa ārstēšanas un piededzināšanas – aprakstu. Grieķu ārsts Hipokrats (Ιπποκράτης) aprakstīja pirmo ķermeņa temperatūras mērīšanas metodi, kuras princips tuvs termogrāfijai. Arābu zinātnieks Ibn al Haitams (أبو علي، الحسن بن الحسن بن الهيثم) eksperimentāli demonstrēja, ka redze iespējama, gaismas stariem ieejot acī, nevis gaismai izstarojot no acs. Itāļu zinātnieks un izgudrotājs Leonardo da Vinči (Leonardo da Vinci) atklāja kontaktlēcu principus, pētīja optiku un cilvēka ķermeņa mehāniku; tiek dēvēts par pirmo medicīnas fiziķi. Uzskats, ka materiālie objekti pakļaujas racionāliem fizikas likumiem, radīja pamatu mehāniskās filozofijas attīstībai – viedoklim, ka dabu pilnībā var aprakstīt, izmantojot mehānikas principus. Šāds viedoklis saskanēja ar tālāko pētījumu rezultātiem, piemēram, asinsrites atklāšanu un mikroskopa izgudrošanu. 17. gs. zinātne sniedza detalizētu ieskatu organisma funkcionēšanā. Itāļu fiziķi Luidži Galvani (Luigi Aloisio Galvani) un Alesandro Volta (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta), demonstrējot elektrības ģenerēšanu ar muskuļu aktivitāti, lika pamatus elektrofizioloģijai. Tomass Jangs (Thomas Young) un Hermanis von Helmholcs (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz) izgudroja oftalmoskopu un tiek uzskatīti par oftalmoloģijas pamatlicējiem. Ar rentgenstaru atklāšanu 1895. gadā sākās jauna ēra gan fizikā, gan medicīnā. Anrī Bekerels (Antoine Henri Becquerel) atklāja radioaktivitāti (1896), bet Marija un Pjērs Kirī (Marie Skłodowska Curie, Pierre Curie) – rādiju (1898). Tas bija pamats radiācijas terapijas attīstībai. Pirmais radioizotops klīniskajiem mērķiem (¹³¹I) iegūts Bērklija ciklotronā Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) 1939. gadā. Ultraskaņu medicīnas diagnostiskajiem mērķiem pirmais izmantoja Īens Donalds (Ian Donald), 1956. gadā demonstrējot amplitūdas režīmā (A-režīmā) izmērīto augļa galvas pakauša diametru. 1973. gadā Godfrijs Haunsfilds (Sir Godfrey Newbold Hounsfield) aprakstīja pirmo rentgenstaru DT skenera prototipu. Vēl lielāka nozīme medicīniskajā attēlveidošanā bija MRT, ko izgudroja Pols Laterburs (Paul Christian Lauterbur) un Pīters Mansfilds (Sir Peter Mansfield), par ko abi zinātnieki 2003. gadā saņēma Nobela prēmiju. Šī izgudrojuma pamatā bija Feliksa Bloha (Felix Bloch) un Edvarda Pērsela (Edward Mills Purcell) atklātais kodolmagnētiskās rezonanses princips (Nobela prēmija, 1952).

Mūsdienās radiācijas aizsardzības nolūkos tiek aktīvi pētīti un ieviesti praksē dažādi radiācijas dozas samazināšanas paņēmieni. 21. gs. pirmajā desmitgadē diagnostikā attīstīta multiavotu un multidetektoru DT, kā arī fotonu skaitīšanas spektrālā metode. Līdz ar jaunām detektoru izgatavošanas tehnoloģijām un iteratīvo rekonstrukciju procesu uzlabošanu būtiski uzlabota diagnostiskā attēla kvalitāte. Tiek papildināta jaunu smagos pozitronus emitējošo radionuklīdu izvēle. Lai labāk izprastu radionuklīdu absorbciju audzējā, tā atrašanās vietu un formu un ieviestu ātru korekciju, pozitronu emisijas tomogrāfija (PET) tiek kombinēta ar DT. Šim nolūkam izstrādāti PET un magnētiskās rezonanses iekārtu hibrīdi. Neskatoties uz izšķirtspējas un jutības ierobežojumiem, mūsdienās PET iekārtas spēj noteikt radioaktīvi marķēto indikatoru pikomolārās koncentrācijas. Turpinās pētījumi PET izmantošanai in vivo molekulāro procesu vizualizēšanai. Ultraskaņas attēlveidošanā tiek ieviesta inovācija – harmoniskā vizualizācija, kad no kopējā signāla tiek atņemts no ķermeņa atstarotais pamatsignāls, rezultātā iegūstot tikai no mērķa orgāna atstaroto signālu. Šāds režīms ļauj samazināt trokšņus un artefaktus ar šķidrumu piepildītajos orgānos, tādējādi būtiski uzlabojot augļa anatomijas un akmeņu vizualizēšanu. Notiek aktīvi pētījumi ultraskaņas izmeklēšanā izmantoto kontrastvielu izstrādē. Tiek izstrādātas jaunas metodes augstas intensitātes fokusētā ultraskaņas kūļa pielietojumiem terapijā.

Medicīnisko attēlveidošanu arvien plašāk izmanto ne tikai diagnostikai, bet arī vizualizēšanai medicīnisko procedūru laikā. Piemēram, lai samazinātu veselo audu apstarošanu ar radiāciju, radiācijas terapijas plānošanā izmanto četrdimensionālo audu izsekošanu reālajā laikā. Veikti veiksmīgi mēģinājumi lineārā paātrinātāja kombinēšanai ar magnētiskās rezonanses aparatūru. Veiksmīgi demonstrēta iespēja lietot augstas intensitātes fokusēto ultraskaņas kūli kopā ar MRT, kas izmantots ne tikai pozicionēšanai un ārstēšanas plānošanai, bet arī efektīvas dozas kontrolei. Tiek izstrādātas ar magnētiskās rezonanses sistēmām savietojamas robotikas ķirurģijas iekārtas.

Strauji attīstās nanotehnoloģiju izmantošana medicīnā. Tiek veikti pētījumi, kas ļaus izmantot nanostruktūras kā zāļu nesējus, tādējādi piegādājot zāles tieši uz mērķa orgānu, šūnu vai iekššūnas struktūru. Tiek prognozēts, ka tādējādi tiks paaugstināta zāļu efektivitāte, kā arī uzlabota to biopieejamība. Tiek pētīta arī nanostruktūru izmantošana attēlveidošanā, attīstot nanodaļiņu kontrastvielas un fluorescento nanodaļiņu pielietošanu attēla iegūšanai. Nanosistēmu trūkums to izmantošanai dzīvajos organismos ir nanotoksicitāte, kuras cēlonis ir nanomateriālu sintēzei izmantotās toksiskās ķīmiskās vielas. 

Gandrīz katrā valstī pastāv profesionālās organizācijas, kuru uzdevums ir sekmēt medicīniskās fizikas attīstību, pētījumus un apmācību. Eiropā šīs organizācijas vieno Eiropas Medicīniskās fizikas organizāciju federācija (European Federation of Organisations for Medical Physics, EFOMP), ASV – Amerikas Medicīnas fiziķu asociācija (American Association for Physicists in Medicine, AAPM), pasaulē – Starptautiskā Medicīnas fiziķu organizācija (International Organisation for Medical Physics, IOMP). Galvenās medicīniskās fizikas pētniecības iestādes ir Harvarda Medicīnas skola (Harvard Medical School) ASV, Ilinojas Universitātes Medicīnas centra (University of Illinois Medical Center) Magnētiskās rezonanses pētniecības centrs (Center for Magnetic Resonance Research) ASV, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts (Massachusetts Institute of Technology) ASV.

Ievērojamākie pētnieki – Dienvidāfrikas un amerikāņu fiziķis Alans Kormaks (Allan MacLeod Cormack) un britu inženieris Godfrijs Haunsfilds (Godfrey Newbold Hounsfield) – izgudroja DT (Nobela prēmija, 1979); japāņu fiziķis Seidži Ogava (小川 誠二) un amerikāņu fiziķis Kens Kvongs (Kenneth Kin Man Kwong) – funkcionālās MRT (fMRT) izgudrotāji.

Aktuālākos rezultātus nozarē publicē zinātniskie izdevumi: Physica Medica: European Journal of Medical Physics (kopš 2007. gada; Elsevier), Medical Physics (kopš 1997. gada; Wiley-VCH), Magnetic Resonance in Medicine (kopš 1999. gada; Wiley-VCH), European Radiology (kopš 1991. gada; Springer), BMC Medical Physics (kopš 1999. gada; Springer Nature), International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Radiotherapy and Oncology (kopš 1975. gada; Elsevier).