物理 | 醫學成像技術

你的醫學造影友善指南！

大家好！你有沒有想過，醫生是如何無需動刀就能看清你體內的狀況呢？這可不是魔法，而是物理學的奧秘！本章「醫學造影技術」將會帶你探索那些令人驚嘆的物理原理，它們讓我們能夠「透視」人體，診斷疾病並檢查我們的健康狀況。我們會從利用聲波觀察未出生嬰兒，到使用X光檢查骨折，一步步拆解這些看似複雜的技術。準備好了嗎？讓我們一起踏上探索體內隱形世界的旅程吧！

第一部分：非電離輻射造影

首先，我們會探討一些非常安全的造影技術，因為它們不使用會損害細胞的高能量輻射。這裡的主角就是超聲波和內窺鏡。

超聲波掃描：用聲音看世界

你大概在電影裡看過，超聲波是用來檢查孕婦的。但它究竟是如何運作的呢？這一切都與迴聲有關！

超聲波背後的物理原理

• 甚麼是超聲波？ 它其實就是一種頻率非常高的聲音（醫學上通常大於2兆赫），高到人類耳朵根本聽不到。
• 如何產生（與偵測）： 超聲波利用一種特殊的裝置，稱為壓電換能器。
  類比：你可以把它想像成一種特殊的晶體。當你施加電壓時，它會振動並發出超聲波脈衝。當一個迴聲（回來的超聲波脈衝）擊中它時，晶體會被擠壓並產生電壓。這是一種雙向運作的裝置！
• 聲阻抗 (Z)： 這是一個非常重要的概念！它基本上衡量了一種材料對聲波通過的阻力有多大。你身體裡的每一種組織（皮膚、脂肪、肌肉、骨骼）都有不同的聲阻抗。
  公式是：$$Z = \rho c$$ 其中：
  Z = 聲阻抗
  ρ (rho) = 組織的密度
  c = 聲音在組織中的速度
• 反射與透射： 當超聲波從一種組織傳播到另一種組織時（例如，從脂肪到肌肉），一部分會被反射回來，一部分則會穿透過去。被反射的量取決於兩種組織的聲阻抗 (Z) 的差異。
  Z的差異越大，表示反射越強（迴聲越強）。
  Z的差異越小，表示反射越弱。

快速溫習：聲阻抗

高Z值差異（例如：從組織到骨骼，或從組織到空氣）= 強迴聲。這就是為什麼超聲波難以看清骨骼或肺部的原因。
低Z值差異（例如：從肝臟到腎臟）= 弱迴聲。這讓我們能夠看清不同軟組織之間的邊界。

計算迴聲強度

我們可以利用強度反射係數 (α) 來計算有多少超聲波強度被反射回來。

$$ \alpha = \frac{I_r}{I_o} = \left( \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} \right)^2 $$

其中：
I_r 是反射強度
I_o 是原始強度
Z₁ 和 Z₂ 是兩種組織的聲阻抗。

如果這個公式看起來有點複雜，不用擔心！關鍵思想是，Z₁ 和 Z₂ 之間的差異越大，α 的值就越接近1，這意味著更多的反射。

衰減：為何信號會減弱

當超聲波深入體內時，它會變得越來越弱。這種現象稱為衰減。這是由於能量被組織吸收或散射所致。
重要提示： 衰減對於高頻超聲波更為明顯。這導致了一個取捨：

• 高頻超聲波： 產生更清晰、更詳細的圖像（更高的解像度），但無法穿透很深。（用於身體表面附近，如眼睛的檢查）。
• 低頻超聲波： 能穿透身體更深處，但圖像細節較少（較低的解像度）。（用於體內深處的器官，如肝臟或發育中的胎兒）。

超聲波掃描的類型

1. A型掃描（幅度掃描）

• 工作原理： 發射單個超聲波脈衝，並測量迴聲返回所需的時間。迴聲的強度以圖表上波峰的高度（幅度）顯示。
• 用途： 它基本上是一個測距儀。它用於測量不同邊界的深度。例如，在白內障手術前，它可用於測量眼球的長度。
• A型掃描顯示的解讀： 你會看到一系列的尖峰。尖峰在橫軸上的位置告訴你組織邊界的深度，而尖峰的高度則告訴你超聲波被反射的強度。

2. B型掃描（亮度掃描）

• 工作原理： B型掃描本質上是由多個A型掃描組合而成。換能器在皮膚表面掃過。它不顯示尖峰，而是以光點的亮度來表示迴聲的強度。強迴聲是亮點，弱迴聲是暗點。
• 用途： 這會生成身體「切片」的2D圖像。這就是你在電影中看到的，用於懷孕檢查的那種！
• 估計尺寸： 醫生可以利用B型掃描圖像上的比例尺來測量器官或胎兒的尺寸。

超聲波的優點與限制

優點：

• 非電離： 非常安全，沒有有害輻射。
• 實時： 你可以看到實時的動態（就像嬰兒踢腿一樣！）。
• 便攜且相對便宜。

限制：

• 無法穿透骨骼或空氣： 聲阻抗不匹配程度太高，因此不適用於腦部（被顱骨阻擋）或肺部（充滿空氣）的造影。
• 解像度可能有限： 圖像質量不如其他一些方法高。

超聲波重點歸納

- 使用高頻聲波迴聲。
- 壓電換能器發送並接收脈衝。
- 圖像是由具有不同聲阻抗 (Z) 的組織邊界處的反射形成。
- A型掃描測量深度；B型掃描創建2D圖像。
- 它安全且實時，但無法穿透骨骼或空氣。

光纖內窺鏡：光線隧道

內窺鏡就像一個微型、柔軟的攝像機，醫生可以將其通過自然開口（如口腔）引導進入體內，以觀察胃部或腸道等內部器官。

內窺鏡背後的物理原理

• 光纖： 關鍵技術是光纖，這是一種非常細、柔軟的玻璃或塑料線。
• 全內反射 (TIR)： 這就是神奇的原理！光線會沿著一束光纖傳播。當光線沿著光纖傳播時，它會以大角度（大於臨界角）不斷撞擊內壁，並完全反射回內部。這就像一個完美的鏡面隧道，所以光線可以繞過彎角而不會逸出。
• 內窺鏡的結構： 內窺鏡有兩束主要的光纖：
  1. 一束非相干光纖束，用於將光線引入體內以照亮器官。（這束光纖中的纖維是隨機排列的）。
  2. 一束相干光纖束，用於將圖像（反射的光線）傳出體外到攝像機/目鏡。在相干光纖束中，纖維在兩端排列的位置完全相同，因此圖像不會混亂。
• 額外通道： 內窺鏡還有額外通道，用於泵入空氣或水，或插入微型工具以進行採樣（活組織檢查）或進行小型手術。

內窺鏡的優點與限制

優點：

• 直接觀察： 醫生可以全彩觀察器官的實際表面。
• 微創： 無需進行大型手術。
• 可採集樣本（活組織檢查）： 對於診斷癌症等疾病非常有用。

限制：

• 侵入性： 儘管不是大型手術，但對病人來說可能不舒服。
• 到達範圍有限： 只能用於檢查從外部可觸及的區域（例如，消化道）。

內窺鏡重點歸納

- 使用帶有光纖的柔性管來觀察體內。
- 其工作原理是全內反射 (TIR)。
- 相干光纖束在圖像傳輸過程中保持圖像完整。
- 可直接進行彩色觀察並採集組織樣本。

第二部分：電離輻射造影

現在，我們將轉向使用高能量輻射的技術，例如X光和伽馬射線。這種輻射被稱為電離輻射，因為它有足夠的能量將電子從原子中「敲」出來，這可能會損害活細胞。因此，在使用這些方法時，安全是超級重要的！

X光射線造影：經典的骨骼影像

這是最古老、最常見的醫學造影類型。非常適合發現骨折！

X光背後的物理原理

• X光的產生： 高速移動的電子撞擊重金屬靶。電子的快速減速會產生X光。（這部分內容來自放射性一章的課程大綱）。
• 差異衰減： 這是形成圖像的關鍵。當X光束穿過身體時，不同的組織會以不同程度吸收（衰減）X光。
  • 像骨骼一樣的密度較高的物質會吸收大量X光。
  • 像軟組織和肌肉一樣的密度較低的物質會讓大部分X光穿透。
• 圖像： 穿過身體的X光會擊中探測器（如攝影膠片或數碼感應器）。
  • 許多X光穿過的區域（軟組織）在圖像上顯示為深色/黑色。
  • 很少X光穿過的區域（骨骼）顯示為白色。
  因此，X光圖像本質上是X光衰減的陰影圖。

計算衰減

X光束穿過材料時，其強度會呈指數級衰減。公式為：

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

其中：
I = 穿過材料後的最終強度
I_o = 初始強度
μ (mu) = 線性衰減係數（一個取決於材料和X光能量的值）
x = 材料的厚度

半值厚度 (HVT 或 x_1/2)： 這是將X光強度降低到其原始值一半所需的材料厚度。它與 μ 的關係如下：

$$ x_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\mu} \approx \frac{0.693}{\mu} $$

改善圖像：顯影劑

有時候，醫生需要觀察衰減係數非常相似的軟組織（例如胃和腸道）。為了使它們可見，他們會使用顯影劑。這是一種能強烈吸收X光的物質。
例子：病人可能會飲用鋇餐。鋇非常緻密，會填充胃和腸道，使它們在X光片上清晰地顯示為白色。

X光的優點與缺點

優點：

• 非常適合對骨骼等緻密結構進行造影。
• 快速、無痛且廣泛可用。

缺點：

• 使用電離輻射： 存在小幅健康風險，特別是重複暴露時。
• 不善於軟組織造影： 在標準X光片上，不同的軟組織看起來非常相似。
• 2D圖像： 3D結構被「扁平化」為2D圖像，因此重疊的器官可能會造成混淆。

電腦斷層掃描 (CT掃描)：3D X光

想像一下，從身體周圍的許多不同角度拍攝X光圖像，然後利用電腦將它們組合成詳細的3D圖像。這就是CT掃描！

CT掃描儀的工作原理

1. X光源和一圈探測器安裝在一個旋轉的掃描架上。
2. 掃描架圍繞病人旋轉，從各個角度拍攝數百張X光「切片」圖像。
3. 然後，一台強大的電腦會處理所有這些數據，並進行影像重構。它會計算體內數千個微小立方體（稱為體素）的衰減係數。
4. 最終的CT圖像就是這些衰減係數的橫截面圖，以不同的灰色深淺顯示。

CT圖像與X光射線造影的比較

• X光： 2D陰影圖。重疊結構是個問題。軟組織細節差。
• CT掃描： 詳細的2D切片或完整的3D模型。沒有重疊結構。非常擅長區分不同類型的軟組織，因為它對衰減的微小差異更敏感。

醫學放射性核素：由內而外的造影

這項技術，又稱核醫學，非常獨特。我們不是將輻射「穿過」身體，而是將少量安全的放射性物質置於身體「內部」，然後探測它發出的輻射！

放射性追蹤劑的物理原理

• 放射性同位素作為追蹤劑： 將放射性同位素（放射性核素）附著到身體自然利用的生物分子（如葡萄糖）上。這種組合稱為放射性追蹤劑。它會被注射到病人體內。
• 靶向器官： 追蹤劑在體內移動，並聚集在我們想要研究的特定器官或組織中。例如，使用碘的追蹤劑會聚集在甲狀腺中。
• 伽馬發射： 放射性核素衰變並發出伽馬射線，這些射線可以很容易地穿出體外。
• 伽馬攝影機： 一種稱為伽馬攝影機的特殊探測器用於探測這些伽馬射線，並構建圖像，顯示追蹤劑積聚的位置。
• 圖像： 最終圖像是一個放射性同位素分佈圖。「熱點」（明亮區域）表示高積聚，而「冷點」（黑暗區域）表示低積聚。這告訴我們器官的功能，而不僅僅是其結構。例如，腫瘤可能代謝非常活躍，並顯示為熱點。

良好醫用放射性核素的特性

課程大綱中重點介紹了鎝-99m (Tc-99m) 作為一個完美的例子。原因如下：

• 物理半衰期短（6小時）： 足夠進行掃描，但衰變迅速，因此病人不會長時間保持放射性。
• 只發射伽馬射線： 不會發射阿爾法或貝塔粒子，因為這些粒子會被身體吸收並造成不必要的細胞損害。
• 理想的伽馬能量（約140千電子伏）： 強度足以穿出體外，但又足夠弱以便高效安全地被探測到。

生物半衰期

身體會通過生物過程（如排尿）不斷清除物質。生物半衰期是指身體清除一半物質所需的時間。放射性追蹤劑的整體清除率取決於其物理衰變和生物清除兩者。

放射性核素圖像與X光的比較

• X光： 顯示解剖結構。基於來自外部源的衰減。
• 放射性核素圖像： 顯示生理功能。基於來自內部源發出的輻射。圖像解像度通常比X光低得多。

電離輻射造影重點歸納

- X光射線造影： 基於差異衰減的2D陰影圖。非常適合檢查骨骼。
- CT掃描： 由多張X光圖像構建的3D圖像。具有出色的軟組織細節。
- 放射性核素造影： 使用內部放射性追蹤劑（如Tc-99m）和伽馬攝影機來創建器官功能的分佈圖。

第三部分：安全與比較

健康風險與安全預防措施

電離輻射是危險的，所以我們必須始終將劑量降到最低！對於每位病人，都必須權衡風險與益處。

• 健康風險： 高劑量的輻射會導致細胞死亡（輻射病）。較低劑量則會增加長期患癌的風險，因為可能導致DNA突變。
• 有效劑量： 這是一種用於比較不同檢查風險的量度。它的單位是希沃特 (Sv)。例如，胸部CT掃描的有效劑量比簡單的胸部X光片高得多。
• 安全預防措施（ALARA原則——合理可行地盡量降低）：
  • 正當理由： 僅在醫療益處大於風險時才進行掃描。
  • 縮短暴露時間： 使用盡可能短的掃描時間。
  • 屏蔽： 醫生和放射技師使用鉛圍裙和鉛屏蔽，並站在保護屏後面。
  • 使用半衰期短的追蹤劑： 對於放射性核素造影，這確保了病人暴露的輻射劑量是有限的。

你知道嗎？

一次胸部X光檢查的有效劑量，大約等同於你約10天內所接受的天然背景輻射量。而一次胸部CT掃描的劑量，則更像是2年份的背景輻射量！

最終總結：哪個工具適合哪項工作？

沒有任何一種單一造影技術是「最好」的——它們都是具有特定用途的工具。

• 檢查是否骨折？ -> X光（快速、便宜，非常適合骨骼）。
• 檢查發育中的胎兒？ -> 超聲波（安全、非電離、實時）。
• 尋找胃潰瘍？ -> 內窺鏡（直接觀察，可進行活組織檢查）。
• 調查嚴重頭部受傷？ -> CT掃描（快速、提供骨骼和軟組織如腦出血的詳細3D視圖）。
• 檢查你的甲狀腺是否正常運作？ -> 放射性核素掃描（顯示功能，而不僅僅是結構）。