醫學造影：利用輻射透視身體

大家好！有沒有試過骨折去照X光？或者在醫療劇集裡聽過CT掃描？這一章我們將會探索一些神奇的物理學原理，讓我們醫生無需手術就能透視我們的身體。我們會學習如何利用一種特殊的輻射——電離輻射——來進行診斷。

我們會探討三種主要的技術：

  • X光造影：檢查骨骼的經典方法。
  • CT掃描：X光造影的強大3D版本。
  • 放射性核素：利用微小的放射性「追蹤劑」來觀察器官如何運作。

聽起來好像很複雜？別擔心！我們會一步步地，用簡單的解釋和真實世界的例子來為大家拆解這些概念。讓我們一起開始吧！


1. X光射線造影：最初的「透視」

X光影像，或稱為射線照片，就像一張影子圖。但不同於阻擋可見光，我們的身體部位會以不同程度阻擋X光。

什麼是衰減？

當X光穿過物質時，有些會被吸收或散射。這種X光束強度的減弱就稱為衰減。

類比：你可以把X光想像成光線，你的身體部位則像是不同深淺的太陽眼鏡。空氣就像透明玻璃（幾乎沒有衰減）。軟組織（肌肉、脂肪）就像淺色太陽眼鏡（有少量衰減）。骨骼就像非常深色的太陽眼鏡（高度衰減）。

這種衰減的差異正是形成影像的關鍵！骨骼吸收大量X光，而軟組織則允許更多X光穿過。

衰減公式

我們可以用這個公式來計算X光強度的減弱程度：

$$ I = I_0 e^{-\mu x} $$

讓我們來分解一下：

  • I 是X光束穿過材料後的最終強度。
  • I₀ 是X光束進入材料前的初始強度。
  • μ（希臘字母 'mu'）是線衰減系數。這是一個數字，告訴我們某種材料阻擋X光的效能。μ值越大，表示衰減越多（例如，骨骼的μ值很高）。
  • x 是X光穿過材料的厚度。
  • e 是一個數學常數（約為2.718）。
快速回顧：關鍵概念

半值厚度（HVT或x₁/₂）：這是一個非常重要的概念。半值厚度是指將X光束強度降低到其原始值一半所需的材料厚度（即 I = 0.5 I₀）。

具有高衰減系數（μ）的材料，其HVT會比較低，因為不需要很厚的材料就能阻擋一半的X光。它們是反比關係！連接它們的公式是 $$ HVT = \frac{\ln(2)}{\mu} $$。

X光影像的形成方式

X光機透過你的身體發射X光束，投射到一個探測器上（例如攝影底片或數碼感應器）。

  • X光容易穿過的區域（例如充滿空氣的肺部）會以高強度撞擊探測器，使影像的該部分看起來很暗。
  • X光被嚴重衰減的區域（例如骨骼）無法到達探測器，使影像的該部分看起來很亮或白色。

因此，射線照片實際上是X光束穿過身體時衰減的分佈圖。

讓影像更清晰：顯影劑

由於胃或腸道等軟組織與周圍物質的衰減系數非常相似，因此很難在X光片上清楚看到它們。為了解決這個問題，醫生會使用顯影劑。

例子：鋇餐。病人會飲用含有硫酸鋇的液體。鋇具有非常高的衰減系數。它會附著在胃和腸道的內壁，使它們在X光片上清晰地顯示出來。

X光的優點與缺點

優點：

  • 快速且無痛。
  • 相對便宜。
  • 非常適合對骨骼等緻密結構進行造影。

缺點：

  • 它產生的是2D影像，因此重疊的結構可能會造成混淆（這稱為疊影）。
  • 在沒有顯影劑的情況下，難以顯示軟組織的細節。
  • 使用電離輻射，帶有輕微的健康風險。
X光重點回顧
  • X光影像的形成是基於身體組織對X光不同的衰減程度。
  • 骨骼衰減高（顯示為亮色）；軟組織衰減低（顯示為暗色）。
  • 公式 $$ I = I_0 e^{-\mu x} $$ 描述了衰減。
  • 顯影劑（如鋇）用於使軟組織可見。

2. 電腦斷層掃描 (CT掃描)：3D X光

CT掃描將X光造影提升到一個新的水平。它不是一張平面的影像，而是創建身體的詳細3D影像。

CT掃描儀的工作原理

類比：想像一條切片麵包。傳統的X光就像從側面看麵包——你無法看到裡面的細節。CT掃描就像取出每一片，單獨觀察，然後再把它們疊放回一起，看到整條麵包的3D視圖。

以下是分步的過程：

  1. X光源和一圈探測器被安裝在一個巨大的甜甜圈狀機器中，稱為掃描機架。
  2. 掃描機架會圍繞病人旋轉，從數百個不同角度穿透身體發射X光束。
  3. 探測器測量穿過X光的強度。
  4. 強大的電腦會處理所有這些數據，並執行一個複雜的過程，稱為影像重構。它計算身體該「切片」內每個微小點的衰減系數。
  5. 結果是一張詳細的橫截面影像。病人的床會稍微移動，然後重複這個過程以創建另一片。這就構築出一個完整的3D視圖。
CT影像與X光影像的比較

CT影像比標準X光影像詳細得多。以下是快速比較：

  • 影像類型：
    X光：2D影像，存在疊影。
    CT掃描：橫截面「切片」，可組合成3D影像。沒有疊影。
  • 細節：
    X光：骨骼造影效果好，軟組織造影效果差。
    CT掃描：軟組織和骨骼的細節都非常出色。它能區分密度非常相似的組織。
  • 顯示內容：
    X光：穿過身體的總衰減分佈圖。
    CT掃描：切片內組織衰減系數的詳細分佈圖。
  • 輻射劑量：
    X光：劑量較低。
    CT掃描：劑量顯著較高，因為它實質上是拍攝了數百張X光片。
CT掃描重點回顧
  • CT掃描儀利用旋轉的X光源和探測器來創建橫截面影像（「切片」）。
  • 電腦將這些切片重構為詳細的3D影像，避免了疊影問題。
  • CT影像顯示的是衰減系數的分佈圖，並比X光提供更多軟組織細節。
  • CT掃描比標準X光涉及更高的輻射劑量。

3. 醫學中的放射性核素：功能造影

X光和CT掃描在顯示結構（物體的外觀）方面表現出色，而放射性核素造影則用於顯示功能（物體的運作方式）。

基本概念是將放射性物質（放射性核素）引入體內，並追蹤它的去向。這種物質充當追蹤劑。

類比：這就像請某人喝一種夜光的液體，然後用特殊的夜視鏡來觀察他們身體的哪些部位會發光。如果腎臟運作良好，當它們過濾液體時，就應該會發光。

什麼是優良的醫學追蹤劑？

為了使放射性核素安全且可用於診斷，它必須具有以下特定特性：

  1. 輻射類型：它必須只發射伽馬 (γ) 射線。阿爾法粒子和貝他粒子電離能力太強，會被身體阻擋並造成傷害，而無法被探測到。伽馬射線可以輕易穿出體外被相機探測到。
  2. 短半衰期：物理半衰期應該很短（通常是數小時）。這確保了它能提供足夠強的訊號進行造影，但會迅速衰變，這樣病人就不會長時間保持放射性。
  3. 適當能量：伽馬射線的能量必須高到足以穿出體外，但又要低到足以被設備準確探測到。
  4. 化學適用性：必須能夠將放射性核素附著到一種分子上，這種分子會被身體輸送到感興趣的特定器官（例如，將其附著到甲狀腺會吸收的化合物上）。

醫學中最常用的放射性核素是鎝-99m (Tc-99m)。它幾乎是完美的：它有6小時的半衰期，並發射能量合適的伽馬射線。

半衰期：物理、生物及有效

這是一個常見的混淆點，讓我們來澄清一下！

  • 物理半衰期 (Tₚ)：樣品中一半放射性原子核衰變所需的時間。這是我們在核心放射性課題中學過的半衰期。
  • 生物半衰期 (Tb)：身體通過自然生物過程（例如排尿）清除一半物質所需的時間。這與放射性無關。
  • 有效半衰期 (Tₑ)：這結合了物理衰變和生物清除。它代表一半原始放射性核素從身體中被清除的實際時間。這是計算病人劑量最重要的數值。 $$ \frac{1}{T_e} = \frac{1}{T_p} + \frac{1}{T_b} $$

常見錯誤：不要簡單地將半衰期相加！你必須將它們的倒數相加。有效半衰期將總是比物理半衰期和生物半衰期都短。

影像如何產生：伽馬相機

追蹤劑被引入病人體內後，會使用一種特殊的機器，稱為伽馬相機。它不發射任何輻射；它只探測來自病人的伽馬射線。這部相機會建立一張影像，稱為閃爍圖，它是一種體內放射性同位素分佈圖。

影像上的亮點（「熱點」）顯示追蹤劑濃度高的區域，這可能表示代謝活動旺盛（例如腫瘤）。暗點（「冷點」）可能表示功能低下的區域。

將放射性核素影像與X光片比較時，最重要的區別是放射性核素影像顯示的是生理功能，而X光片顯示的是解剖結構。

你知道嗎？

測量輻射生物風險的單位是希沃特 (Sv)。它考慮了吸收的能量和輻射的類型。一次胸部X光檢查的劑量約為0.1毫希沃特 (mSv)，而一次全身CT掃描可以超過10毫希沃特。我們每人每年僅從自然背景輻射中就接受約2-3毫希沃特的劑量！

健康風險與安全預防措施

所有電離輻射都帶有健康風險，主要由於潛在的DNA損傷而增加患癌症的風險。對於醫學造影，原則是診斷的好處必須大於相關的小風險。

為確保安全，醫護人員和病人都會遵循關鍵的預防措施：

  • 減少曝露時間：盡可能縮短在輻射源附近的時間。
  • 增加距離：輻射強度會隨距離迅速減弱。
  • 使用屏蔽：使用鉛等材料（如鉛圍裙或屏蔽牆）來阻擋輻射。
  • 小心處理：放射性源必須按照嚴格的安全規程儲存和處理。
放射性核素重點回顧
  • 放射性核素用作追蹤劑，以顯示器官功能。
  • 一個好的追蹤劑（如鎝-99m）只發射伽馬射線，並且半衰期短。
  • 有效半衰期結合了物理衰變和生物清除。
  • 伽馬相機探測輻射，以創建追蹤劑分佈圖。
  • 通過減少時間、增加距離和使用屏蔽來管理安全。