医学影像——波的天下
儿时读《西游记》，本是大唐僧人取经的故事，开篇上溯到天地混沌未开之时。古板积习，亲爱刨根问底。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，就是听起来高峻上的3D打印、手术导航、虚拟现实和骨科机械人，都离不开基于医学影像所重修的盘算机三维模子。而医学影像的主要泉源，是电磁波，包括显微镜、X光机、CT机和核磁机，更普遍的说是波，尚有超声波等。故而学习数字骨科，先从波讲起。
波
维基百科中的界说，波或波动是扰动或物理信息在空间上撒播的一种物理征象。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。波的研究简朴如弹簧的振动，重大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天下。
石子投入水中，引起水面的涟漪，这是我们最容易明确的波。水波（图1）既可以细微到浮萍之末，也可以形成能量重大的海啸。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朴的波。
从牙牙学语起始，人们借助语言交流信息，是人类文明得以爆发和生涯的基础。语言实质上是差别的声波。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） ；人们通俗谈话的声波频率在500Hz～2000Hz之间。统一频率的声波在差别介质中撒播时，声速差别 ；而差别频率的声波在统一介质中撒播时，声速基内情同。声速在空气中撒播的速率是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）组成了我们七彩的天下�？杉馐堑绱挪ㄆ字腥搜劭梢酝牟糠�。人眼可以感受到的波长规模一样平常是落在390到700nm，对应于这些波长的频率规模在430THz～790THz。虽然每小我私家都可以感受到五光十色，但可见光云云之小的波长，和云云之快的频率，凌驾了人类直觉可以明确的领域。对光的熟悉，从牛顿于1671年假定光谱是由差别颜色的小粒子组成，到詹姆斯·麦克斯韦于1865年展望电磁波，进而推论光波也是电磁波，履历了近两百余年的历史。
正如转变的电场或磁场可以爆发电磁波一样，在广义相对论里，当带质量物体呈加速率运动时，会在时空爆发涟漪，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保存100周年之际，LIGO团队宣布完成人类历史上首个引力波（图4）直接探测效果，这束引力波来自位于南天的距地球约13亿光年的双黑洞。两个黑洞的质量划分约为太阳质量的29和36倍。它们经由相互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，其峰值功率抵达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，一是由于爆发引力波所需要能量特殊大，做一个《三体》形貌的那种引力波天线，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转变幅度又特殊小，若是把LIGO的实验臂酿成地球到比邻星的距离，那么引力波引起的长度转变，也只有一根头发丝那么细。
医学影像电磁波谱
我们之以是能够俯察山水草木，瞻仰日月星辰，是由于这些工具，或者说这些物质，在最基础的层面上，能够跟光，或者说电磁波互动——它们能够被光照亮，或者能够发出灼烁。而医学影像的实质，也是人体差别剖解结构在与差别电磁波相互作用下的体现[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。凭证普朗克-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。在医学影像学中一样平常指高能射线，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、伽玛射线由于频率极高，又称高能射线。电磁波的波长理论上可以从最小的普朗克标准到最大的宇宙标准。
电磁波谱凭证在电磁频谱中的位置，使用差别的单位体现：在红外辐射的非电离规模内，通常使用以Hz（赫兹：k，M或GHz）体现的频率 ；在从红外到紫外的区域中，通常使用波长，如在nm（纳米）中 ；而在电离规模中，通常以eV（电子伏特，k或MeV）提供能量
差别的医学图像，使用了差别波长的探测装备[2]，提供了差别的医学信息
104Hz～108Hz：磁共振（MRI）检查主要用于发明软组织疾病，在骨科主要用于发明椎间盘病变、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、广播等装备发出的电磁波类型一致，远远高于危害人体康健的波长规模，因此对人体不会造成任何危险。
108Hz～1012Hz：微波和超声波的频率规模，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，医用红外热像手艺是一种纪录人体热场的影像装置。人体是一个自然的生物发热体，由于剖解结构、组织代谢、血液循环及神经状态的差别，机体各部位温度差别，形成差别的热场。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，种种医学腔镜、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，其波长规模约在400～5纳米之间。波是非于200纳米的紫外线在空气中撒播时消耗大。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，波是非于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危险作用。
1018Hz～1020Hz：X射线，又被称为伦琴射线或X光，是一种波长规模在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射线波长规模在较弊端与伽马射线较优点重叠。
>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。
