醫學影像——波的世界
作者：蘇秀雲
兒時讀《西遊記》，本是大唐和尚取經的故事，開篇上溯到天地混沌未開之時。傳統積習，酷愛刨根問底。數字骨科研究離不開醫學影像——莫不說平時用來診斷疾病時需要看的X光片、CT片和核磁片，就是聽起來高大上的3D列印、手術導航、虛擬現實和骨科機器人，都離不開基於醫學影像所重建的計算機三維模型。而醫學影像的主要來源，是電磁波，包括顯微鏡、X光機、CT機和核磁機，更廣泛的說是波，還有超聲波等。故而學習數字骨科，先從波講起。
波
維基百科中的定義，波或波動是擾動或物理信息在空間上傳播的一種物理現象。波的基本特徵是：波長、波速、頻率，三者關係為公式c=λf，c為波速，λ為波長，f為頻率。波的研究簡單如彈簧的振動，複雜如廣義相對論的引力波，學力不逮，以下僅從這三個基本的物理量來看看波的世界。
石子投入水中，引起水面的漣漪，這是我們最容易理解的波。水波（圖1）既可以細微到浮萍之末，也可以形成能量巨大的海嘯。海浪的波長以米記，波速以秒記，為人類直覺可以感受到的最簡單的波。
圖1 水波Retrieved
from: http://scientificsentence.net/Waves/
從牙牙學語起始，人們藉助語言交流信息，是人類文明得以產生和保存的基礎。語言本質上是不同的聲波。頻率低於20Hz的聲波稱為次聲波或超低聲；頻率20Hz～20kHz的聲波稱為可聞聲；頻率20kHz～1GHz的聲波稱為超聲波，我們最熟悉的超聲檢查就是產前胎兒監測（圖 2）；人們普通談話的聲波頻率在500Hz～2000Hz之間。同一頻率的聲波在不同介質中傳播時，聲速不同；而不同頻率的聲波在同一介質中傳播時，聲速基本相同。聲速在空氣中傳播的速度是337米/秒。聲波的波長1.7cm～17m。
圖2 醫學超聲檢查
《聖經》中神說：「要有光。」就有了光，七彩陽光（圖 3）構成了我們七彩的世界。可見光是電磁波譜中人眼可以看見的部分。人眼可以感受到的波長範圍一般是落在390到700nm，對應於這些波長的頻率範圍在430THz～790THz。雖然每個人都可以感受到五光十色，但可見光如此之小的波長，和如此之快的頻率，超出了人類直覺可以理解的範疇。對光的認識，從牛頓於1671年假定光譜是由不同顏色的小粒子組成，到詹姆斯·麥克斯韋於1865年預測電磁波，進而推論光波也是電磁波，經歷了近兩百餘年的歷史。
圖3 三稜鏡白光的折射
正如變化的電場或磁場可以產生電磁波一樣，在廣義相對論里，當帶質量物體呈加速度運動時，會在時空產生漣漪，這時空的漣漪就是引力波。2016年2月11日，愛因斯坦提出廣義相對論並預言引力波的存在100周年之際，LIGO團隊宣布完成人類歷史上首個引力波（圖4）直接探測結果，這束引力波來自位於南天的距地球約13億光年的雙黑洞。兩個黑洞的質量分別約為太陽質量的29和36倍。它們經過互相旋近後合併為質量約為太陽62倍的黑洞，有約3倍太陽質量的能量在不到1秒的時間內以引力波的形式釋出，其峰值功率達到了全宇宙的所有可見光功率的50倍。
而為什麼引力波現在才探測到，一是因為產生引力波所需要能量特別大，做一個《三體》描述的那種引力波天線，撥動一下，每秒輻射的能量相當於1萬顆原子彈的能量；而引力波引起的空間變化幅度又特別小，如果把LIGO的實驗臂變成地球到比鄰星的距離，那麼引力波引起的長度變化，也只有一根頭髮絲那麼細。
圖4 兩個黑洞互相旋近後合併激發引力波
醫學影像電磁波譜
我們之所以能夠俯察山川草木，仰望日月星辰，是因為這些東西，或者說這些物質，在最根本的層面上，能夠跟光，或者說電磁波互動——它們能夠被光照亮，或者能夠發出光亮。而醫學影像的本質，也是人體不同解剖結構在與不同電磁波相互作用下的表現[1]。
電磁輻射擁有波粒二相性，從量子理論來看，電磁波由光子級成，光子的能量與電磁輻射的頻率成正比。根據普朗克-愛因斯坦關係式，光子的能量是E=hv；其中，E是能量，h是普朗克常數，v是頻率。在醫學影像學中一般指高能射線，這裡能量指的是電磁波中每個光子的能量，因此頻率越高能量越高，X射線、阿爾法射線、貝塔射線、伽瑪射線因為頻率極高，又稱高能射線。電磁波的波長理論上可以從最小的普朗克尺度到最大的宇宙尺度。
電磁波譜根據在電磁頻譜中的位置，使用不同的單位表示：在紅外輻射的非電離範圍內，通常使用以Hz（赫茲：k，M或GHz）表示的頻率；在從紅外到紫外的區域中，通常使用波長，如在nm（納米）中；而在電離範圍中，通常以eV（電子伏特，k或MeV）提供能量（圖5）。
圖5 電磁波譜，許多使用領域是重疊的，不同領域之間沒有確切的區別，因此箭頭表示不同使用區域的大致範圍。圖片頂部的一系列圖像顯示了在特定應用中發射輻射的典型源/裝置。圖片底部的一系列圖像是根據相關波長對應對象的示例。例如，電子的直徑10-14米，地球的直徑為12.8 X 10E6米，而木星的直徑為約0.14 X 10E9米。Retrieved from:http://www.uib.no/en/hms-portalen/75292/electromagnetic-spectrum
不同的醫學圖像，利用了不同波長的探測設備[2]，提供了不同的醫學信息（圖6）。
圖6 典型醫學影像設備的電磁譜中的位置
104Hz～108Hz：磁共振（MRI）檢查主要用於發現軟組織疾病，在骨科主要用於發現椎間盤病變、脊髓病變、半月板病變、炎性病變和出血性病變等。磁共振檢查所發射的電磁波頻率為60MHz，轉換成波長為5m，屬於一種無線電波，與電視、廣播等設備發出的電磁波類型一致，遠遠高於危害人體健康的波長範圍，因此對人體不會造成任何傷害。
108Hz～1012Hz：微波和超聲波的頻率範圍，超聲波為機械波，微波為電磁波。
1012Hz～7*1014Hz：波長為2.0-1000微米的部分稱為熱紅外線，醫用紅外熱像技術是一種記錄人體熱場的影像裝置。人體是一個天然的生物發熱體，由於解剖結構、組織代謝、血液循環及神經狀態的不同，機體各部位溫度不同，形成不同的熱場。紅外熱像儀以偽彩色熱圖形式，顯示人體的溫度場。
4.6*1014Hz～6.6*1014Hz：可見光光譜，各種醫學腔鏡、內窺鏡和顯微鏡成像均為可見光成像。
4*1014Hz～1018Hz：紫外線(ultraviolet ray)，波長在可見光紫端到X 射線波長之間的電磁輻射，其波長範圍約在400～5納米之間。波長短於200納米的紫外線在空氣中傳播時損耗大。因此這一波段的紫外線叫真空紫外線。自然界的主要紫外光源是太陽。太陽光透過大氣層時，波長短於290×10-9米的紫外線為大氣層中的臭氧吸收掉。人工的紫外線光源有多種氣體的電弧，例如高壓汞弧、高壓氙弧等。紫外線有殺菌作用。照射在人皮膚上，能使麥角甾醇變為維生素 D。強紫外線對眼睛角膜和皮膚有傷害作用。
1018Hz～1020Hz：X射線，又被稱為倫琴射線或X光，是一種波長範圍在0.01納米到10納米之間的電磁輻射形式。X射線最初用於醫學成像診斷和X射線結晶學。X射線也是一類對人體有危害的射線。X射線波長範圍在較短處與伽馬射線較長處重疊。
>1020Hz：伽瑪射線，或γ射線是原子衰變裂解時放出的射線之一。此種電磁波波長在0.01納米以下，穿透力很強，又攜帶高能量，容易造成生物體細胞內的脫氧核糖核酸（DNA）斷裂進而引起細胞突變，因此也可以作醫療之用。伽馬射線立體定向放射治療，又稱為伽馬刀，可用於對特定腫瘤患者的治療。
聲明：此文內容及圖片由供稿單位提供，僅供學習交流，不代表骨科在線觀點。
歡迎投稿,請將稿件發送至：
TAG:骨科在線orthonline |