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医学影像——波的世界

发布时间:2018/03/26浏览数量:243发布出处:本站
作者:深圳华瑞通科技有限公司
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摘要:儿时读《西游记》,本是大唐和尚取经的故事,开篇上溯到天地混沌未开之时。传统积习,酷爱刨根问底。数字骨科研究离不开医学影像——莫不说平时用来诊断疾病时需要看的X光片、CT片和核磁片,就是听起来高大上的3D打印、手术导航、虚拟现实和骨科机器人,都离不开基于医学影像所重建的计算机三维模型。而医学影像的主要来源,是电磁波,包括显微镜、X光机、CT机和核磁机,更广泛的说是波,还有超声波等。故而学习数字骨科,先从波讲起。

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儿时读《西游记》,本是大唐和尚取经的故事,开篇上溯到天地混沌未开之时。传统积习,酷爱刨根问底。数字骨科研究离不开医学影像——莫不说平时用来诊断疾病时需要看的X光片、CT片和核磁片,就是听起来高大上的3D打印、手术导航、虚拟现实和骨科机器人,都离不开基于医学影像所重建的计算机三维模型。而医学影像的主要来源,是电磁波,包括显微镜、X光机、CT机和核磁机,更广泛的说是波,还有超声波等。故而学习数字骨科,先从波讲起。



维基百科中的定义,波或波动是扰动或物理信息在空间上传播的一种物理现象。波的基本特征是:波长、波速、频率,三者关系为公式c=λf,c为波速,λ为波长,f为频率。波的研究简单如弹簧的振动,复杂如广义相对论的引力波,学力不逮,以下仅从这三个基本的物理量来看看波的世界。

石子投入水中,引起水面的涟漪,这是我们最容易理解的波。水波(图1)既可以细微到浮萍之末,也可以形成能量巨大的海啸。海浪的波长以米记,波速以秒记,为人类直觉可以感受到的最简单的波。


从牙牙学语起始,人们借助语言交流信息,是人类文明得以产生和保存的基础。语言本质上是不同的声波。频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声;频率20Hz~20kHz的声波称为可闻声;频率20kHz~1GHz的声波称为超声波,我们最熟悉的超声检查就是产前胎儿监测(图 2);人们普通谈话的声波频率在500Hz~2000Hz之间。同一频率的声波在不同介质中传播时,声速不同;而不同频率的声波在同一介质中传播时,声速基本相同。声速在空气中传播的速度是337米/秒。声波的波长1.7cm~17m。


《圣经》中神说:“要有光。”就有了光,七彩阳光(图 3)构成了我们七彩的世界。可见光是电磁波谱中人眼可以看见的部分。人眼可以感受到的波长范围一般是落在390到700nm,对应于这些波长的频率范围在430THz~790THz。虽然每个人都可以感受到五光十色,但可见光如此之小的波长,和如此之快的频率,超出了人类直觉可以理解的范畴。对光的认识,从牛顿于1671年假定光谱是由不同颜色的小粒子组成,到詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测电磁波,进而推论光波也是电磁波,经历了近两百余年的历史。



正如变化的电场或磁场可以产生电磁波一样,在广义相对论里,当带质量物体呈加速度运动时,会在时空产生涟漪,这时空的涟漪就是引力波。2016年2月11日,爱因斯坦提出广义相对论并预言引力波的存在100周年之际,LIGO团队宣布完成人类历史上首个引力波(图4)直接探测结果,这束引力波来自位于南天的距地球约13亿光年的双黑洞。两个黑洞的质量分别约为太阳质量的29和36倍。它们经过互相旋近后合并为质量约为太阳62倍的黑洞,有约3倍太阳质量的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释出,其峰值功率达到了全宇宙的所有可见光功率的50倍。

而为什么引力波现在才探测到,一是因为产生引力波所需要能量特别大,做一个《三体》描述的那种引力波天线,拨动一下,每秒辐射的能量相当于1万颗原子弹的能量;而引力波引起的空间变化幅度又特别小,如果把LIGO的实验臂变成地球到比邻星的距离,那么引力波引起的长度变化,也只有一根头发丝那么细。


医学影像电磁波谱


我们之所以能够俯察山川草木,仰望日月星辰,是因为这些东西,或者说这些物质,在最根本的层面上,能够跟光,或者说电磁波互动——它们能够被光照亮,或者能够发出光亮。而医学影像的本质,也是人体不同解剖结构在与不同电磁波相互作用下的表现[1]。

电磁辐射拥有波粒二相性,从量子理论来看,电磁波由光子级成,光子的能量与电磁辐射的频率成正比。根据普朗克-爱因斯坦关系式,光子的能量是E=hv;其中,E是能量,h是普朗克常数,v是频率。在医学影像学中一般指高能射线,这里能量指的是电磁波中每个光子的能量,因此频率越高能量越高,X射线、阿尔法射线、贝塔射线、伽玛射线因为频率极高,又称高能射线。电磁波的波长理论上可以从最小的普朗克尺度到最大的宇宙尺度。

电磁波谱根据在电磁频谱中的位置,使用不同的单位表示:在红外辐射的非电离范围内,通常使用以Hz(赫兹:k,M或GHz)表示的频率;在从红外到紫外的区域中,通常使用波长,如在nm(纳米)中;而在电离范围中,通常以eV(电子伏特,k或MeV)提供能量


不同的医学图像,利用了不同波长的探测设备[2],提供了不同的医学信息



104Hz~108Hz:磁共振(MRI)检查主要用于发现软组织疾病,在骨科主要用于发现椎间盘病变、脊髓病变、半月板病变、炎性病变和出血性病变等。磁共振检查所发射的电磁波频率为60MHz,转换成波长为5m,属于一种无线电波,与电视、广播等设备发出的电磁波类型一致,远远高于危害人体健康的波长范围,因此对人体不会造成任何伤害。


108Hz~1012Hz:微波和超声波的频率范围,超声波为机械波,微波为电磁波。


1012Hz~7*1014Hz:波长为2.0-1000微米的部分称为热红外线,医用红外热像技术是一种记录人体热场的影像装置。人体是一个天然的生物发热体,由于解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态的不同,机体各部位温度不同,形成不同的热场。红外热像仪以伪彩色热图形式,显示人体的温度场。


4.6*1014Hz~6.6*1014Hz:可见光光谱,各种医学腔镜、内窥镜和显微镜成像均为可见光成像。


4*1014Hz~1018Hz:紫外线(ultraviolet ray),波长在可见光紫端到X 射线波长之间的电磁辐射,其波长范围约在400~5纳米之间。波长短于200纳米的紫外线在空气中传播时损耗大。因此这一波段的紫外线叫真空紫外线。自然界的主要紫外光源是太阳。太阳光透过大气层时,波长短于290×10-9米的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。人工的紫外线光源有多种气体的电弧,例如高压汞弧、高压氙弧等。紫外线有杀菌作用。照射在人皮肤上,能使麦角甾醇变为维生素 D。强紫外线对眼睛角膜和皮肤有伤害作用。


1018Hz~1020Hz:X射线,又被称为伦琴射线或X光,是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间的电磁辐射形式。X射线最初用于医学成像诊断和X射线结晶学。X射线也是一类对人体有危害的射线。X射线波长范围在较短处与伽马射线较长处重叠。


>1020Hz:伽玛射线,或γ射线是原子衰变裂解时放出的射线之一。此种电磁波波长在0.01纳米以下,穿透力很强,又携带高能量,容易造成生物体细胞内的脱氧核糖核酸(DNA)断裂进而引起细胞突变,因此也可以作医疗之用。伽马射线立体定向放射治疗,又称为伽马刀,可用于对特定肿瘤患者的治疗。




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