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兒時(shí)讀《西游記》，本是大唐和尚取經(jīng)的故事，開篇上溯到天地混沌未開之時(shí)。傳統(tǒng)積習(xí)，酷愛(ài)刨根問(wèn)底。數(shù)字骨科研究離不開醫(yī)學(xué)影像——莫不說(shuō)平時(shí)用來(lái)診斷疾病時(shí)需要看的X光片、CT片和核磁片，就是聽起來(lái)高大上的3D打印、手術(shù)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)和骨科機(jī)器人，都離不開基于醫(yī)學(xué)影像所重建的計(jì)算機(jī)三維模型。而醫(yī)學(xué)影像的主要來(lái)源，是電磁波，包括顯微鏡、X光機(jī)、CT機(jī)和核磁機(jī)，更廣泛的說(shuō)是波，還有超聲波等。故而學(xué)習(xí)數(shù)字骨科，先從波講起。

波

維基百科中的定義，波或波動(dòng)是擾動(dòng)或物理信息在空間上傳播的一種物理現(xiàn)象。波的基本特征是：波長(zhǎng)、波速、頻率，三者關(guān)系為公式c=λf，c為波速，λ為波長(zhǎng)，f為頻率。波的研究簡(jiǎn)單如彈簧的振動(dòng)，復(fù)雜如廣義相對(duì)論的引力波，學(xué)力不逮，以下僅從這三個(gè)基本的物理量來(lái)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(xì)微到浮萍之末，也可以形成能量巨大的海嘯。海浪的波長(zhǎng)以米記，波速以秒記，為人類直覺(jué)可以感受到的最簡(jiǎn)單的波。

從牙牙學(xué)語(yǔ)起始，人們借助語(yǔ)言交流信息，是人類文明得以產(chǎn)生和保存的基礎(chǔ)。語(yǔ)言本質(zhì)上是不同的聲波。頻率低于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(chǎn)前胎兒監(jiān)測(cè)（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(zhì)中傳播時(shí)，聲速不同；而不同頻率的聲波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，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(zhǎng)1.7cm～17m。

《圣經(jīng)》中神說(shuō)：“要有光。”就有了光，七彩陽(yáng)光（圖 3）構(gòu)成了我們七彩的世界?？梢?jiàn)光是電磁波譜中人眼可以看見(jiàn)的部分。人眼可以感受到的波長(zhǎng)范圍一般是落在390到700nm，對(duì)應(yīng)于這些波長(zhǎng)的頻率范圍在430THz～790THz。雖然每個(gè)人都可以感受到五光十色，但可見(jiàn)光如此之小的波長(zhǎng)，和如此之快的頻率，超出了人類直覺(jué)可以理解的范疇。對(duì)光的認(rèn)識(shí)，從牛頓于1671年假定光譜是由不同顏色的小粒子組成，到詹姆斯·麥克斯韋于1865年預(yù)測(cè)電磁波，進(jìn)而推論光波也是電磁波，經(jīng)歷了近兩百余年的歷史。

正如變化的電場(chǎng)或磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電磁波一樣，在廣義相對(duì)論里，當(dāng)帶質(zhì)量物體呈加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在時(shí)空產(chǎn)生漣漪，這時(shí)空的漣漪就是引力波。2016年2月11日，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論并預(yù)言引力波的存在100周年之際，LIGO團(tuán)隊(duì)宣布完成人類歷史上首個(gè)引力波（圖4）直接探測(cè)結(jié)果，這束引力波來(lái)自位于南天的距地球約13億光年的雙黑洞。兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別約為太陽(yáng)質(zhì)量的29和36倍。它們經(jīng)過(guò)互相旋近后合并為質(zhì)量約為太陽(yáng)62倍的黑洞，有約3倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量在不到1秒的時(shí)間內(nèi)以引力波的形式釋出，其峰值功率達(dá)到了全宇宙的所有可見(jiàn)光功率的50倍。

而為什么引力波現(xiàn)在才探測(cè)到，一是因?yàn)楫a(chǎn)生引力波所需要能量特別大，做一個(gè)《三體》描述的那種引力波天線，撥動(dòng)一下，每秒輻射的能量相當(dāng)于1萬(wàn)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(shí)驗(yàn)臂變成地球到比鄰星的距離，那么引力波引起的長(zhǎng)度變化，也只有一根頭發(fā)絲那么細(xì)。

醫(yī)學(xué)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?yàn)檫@些東西，或者說(shuō)這些物質(zhì)，在最根本的層面上，能夠跟光，或者說(shuō)電磁波互動(dòng)——它們能夠被光照亮，或者能夠發(fā)出光亮。而醫(yī)學(xué)影像的本質(zhì)，也是人體不同解剖結(jié)構(gòu)在與不同電磁波相互作用下的表現(xiàn)[1]。

電磁輻射擁有波粒二相性，從量子理論來(lái)看，電磁波由光子級(jí)成，光子的能量與電磁輻射的頻率成正比。根據(jù)普朗克-愛(ài)因斯坦關(guān)系式，光子的能量是E=hv；其中，E是能量，h是普朗克常數(shù)，v是頻率。在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中一般指高能射線，這里能量指的是電磁波中每個(gè)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?yàn)轭l率極高，又稱高能射線。電磁波的波長(zhǎng)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(jù)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范圍內(nèi)，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(qū)域中，通常使用波長(zhǎng)，如在nm（納米）中；而在電離范圍中，通常以eV（電子伏特，k或MeV）提供能量

不同的醫(yī)學(xué)圖像，利用了不同波長(zhǎng)的探測(cè)設(shè)備[2]，提供了不同的醫(yī)學(xué)信息

104Hz～108Hz：磁共振（MRI）檢查主要用于發(fā)現(xiàn)軟組織疾病，在骨科主要用于發(fā)現(xiàn)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(fā)射的電磁波頻率為60MHz，轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為5m，屬于一種無(wú)線電波，與電視、廣播等設(shè)備發(fā)出的電磁波類型一致，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于危害人體健康的波長(zhǎng)范圍，因此對(duì)人體不會(huì)造成任何傷害。

108Hz～1012Hz：微波和超聲波的頻率范圍，超聲波為機(jī)械波，微波為電磁波。

1012Hz～7*1014Hz：波長(zhǎng)為2.0-1000微米的部分稱為熱紅外線，醫(yī)用紅外熱像技術(shù)是一種記錄人體熱場(chǎng)的影像裝置。人體是一個(gè)天然的生物發(fā)熱體，由于解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同，機(jī)體各部位溫度不同，形成不同的熱場(chǎng)。紅外熱像儀以偽彩色熱圖形式，顯示人體的溫度場(chǎng)。

4.6*1014Hz～6.6*1014Hz：可見(jiàn)光光譜，各種醫(yī)學(xué)腔鏡、內(nèi)窺鏡和顯微鏡成像均為可見(jiàn)光成像。

4*1014Hz～1018Hz：紫外線(ultraviolet ray)，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光紫端到X 射線波長(zhǎng)之間的電磁輻射，其波長(zhǎng)范圍約在400～5納米之間。波長(zhǎng)短于200納米的紫外線在空氣中傳播時(shí)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(yáng)。太陽(yáng)光透過(guò)大氣層時(shí)，波長(zhǎng)短于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?yōu)榫S生素 D。強(qiáng)紫外線對(duì)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(zhǎng)范圍在0.01納米到10納米之間的電磁輻射形式。X射線最初用于醫(yī)學(xué)成像診斷和X射線結(jié)晶學(xué)。X射線也是一類對(duì)人體有危害的射線。X射線波長(zhǎng)范圍在較短處與伽馬射線較長(zhǎng)處重疊。

>1020Hz：伽瑪射線，或γ射線是原子衰變裂解時(shí)放出的射線之一。此種電磁波波長(zhǎng)在0.01納米以下，穿透力很強(qiáng)，又?jǐn)y帶高能量，容易造成生物體細(xì)胞內(nèi)的脫氧核糖核酸（DNA）斷裂進(jìn)而引起細(xì)胞突變，因此也可以作醫(yī)療之用。伽馬射線立體定向放射治療，又稱為伽馬刀，可用于對(duì)特定腫瘤患者的治療。