現代醫學成像（1）
前言
文章轉載自知乎專欄《水木看山》 謝均
在知乎混跡許久，一直想寫寫自己的老本行。奈何一直找不到合適的機會。直接原因有很多，例如各種上課、考試、實驗，etc.，根本原因么，其實就是懶……所以即使最近仍然比較忙，還是決定開始動筆寫寫醫學成像方面的內容，畢竟不積跬步無以至千里，不積小流無以成江海（雖然好像也算不上什麼江海……算一瓶1.5L的可樂吧……）。
說到現代醫學成像，相信許多知友都不陌生。胸片、B超、CT甚至是MRI，在國內的各大醫院都已經較為普及。那麼，問一個最簡單的問題，我們為什麼需要醫學成像呢？以及，我們從醫院拿到的各種醫學成像結果，都有哪些意義呢？
對於一個患者而言，醫生需要清楚地了解病人體內到底出了什麼狀況（當然淺層的皮外傷不算）。中醫有望聞問切，西醫發展了自己的解剖學及各種生理參數的檢查。但是，僅憑簡單的皮外探查與患者自述，對於許多疾病仍然難以確診，因此各大中醫院也都相繼引入了現代醫學診斷技術。西醫方面雖然以外科手術見長，輔以各類檢查如活檢、血常規、尿檢等，然而手術對人體傷害較大，且各類檢查難以確定病變的具體部位。因此，我們需要能夠在對病患傷害較小或無傷害的前提下，了解他們體內的生理結構與病變部位的方式。
可是，我們的肉眼是看不到體內的結構與病變的，因為可見光的穿透力太小，在人體組織內衰減極快。一層薄薄的眼瞼就能讓你輕鬆面對太陽而不被亮瞎，要利用可見光範圍內的電磁波去探查數十毫米乃至數十厘米深度的人體內部組織結構，幾乎是不太可能的。但是科學家與工程師們發明了各種奇技淫巧來解決這個問題：
1. 內鏡
內鏡的原理最為簡單：既然從外面看不到，那咱就從裡面看。
將一根能夠傳遞光路的導管通過各種人體孔道，我們就能夠從體外直接觀測到體內的組織結構與病變。聽起來很簡單，然而內鏡技術已經整整發展了近兩個世紀，直至今日仍然不是一件讓患者及醫護人員那麼舒心的檢查。即使是胃鏡，患者的也時常會因為本能的口腔反射，想要試圖將進入食道的外來異物嘔出，導致檢查過程十分痛苦。更別說會對許多患者造成心理陰影的腸鏡與陰道鏡。目前前沿的研究正在嘗試膠囊內鏡，具有不錯的潛力，能夠大大降低患者的痛苦。但是目前並不實用，並且在成像清晰度、具體成像部位及解析度與傳統內鏡相比有著較大的限制。例如，對於肝臟、腎臟等實質性器官（就是人家是實心的不是空心的），內鏡就完全無能為力了。
2. X射線成像
既然可見光的穿透性不強，那咱就來點強的咯……
可見光是波長在400~760nm之間的電磁波。根據公式，光子能量，其中c為光速，h為普朗克常數，
為波長，
為頻率。簡而言之，就是波長越短，光子的能量越高，大致上而言穿透性也越強。既然幾百納米的波長太長，那就來點幾納米的：X射線。下圖是電磁波光譜的一個簡單示意圖（來源：百度百科）。
X射線最初由威廉·倫琴於1895年發現的。傳言是倫琴意外發現了在黑屋中的膠片感光了。在排除陰極射線的可能性後，他認為這是一個「未知」的射線，於是命名為X射線。並且在強烈的好奇心驅使下，他作死地用X射線照了照自己的手，發現能神奇地看到骨骼……因此X光成像便被廣泛用於觀察骨骼直到現在。傳說這張就是倫琴給自己老婆拍的第一張X射線照片：
為什麼我要說「作死」二字，我將會後面X光與CT章節詳細描述X射線的危害。
至於CT，其全稱是Computed Tomography，即計算斷層成像。目前醫院當中主要以X射線為主，所以這裡將以X-CT為例來介紹CT技術。
我們已經知道，X射線可以穿透人體，看到不同的組織。醫院當中的X光機，就如下圖：
但是在檢查的時候，讓患者保持固定速率穩定旋轉還是不太靠譜的。於是，攻城獅們想出了這樣一個主意，叫「大風車吱呀吱悠悠地轉……」CT機呢，也就長成了這個模樣，左邊是其外觀，一個巨大的圓圈環繞著床位；右邊是將其外殼打開之後的內部結構，都是可以轉的喲。
3. 超聲
X射線成像的方式，是將射線從人體的一端射入，在人體的另一端接收透射信號，以此來探測人體內部的信息。但是信號在物質表面，不僅存在著透射，還存在著反射（以及散射，由於散射角度不可控，不方便探測接收，因此一般不予以考慮）。
由於不同人體組織對於聲波的阻抗不同，因此在不同組織之間的交界處會發生不同程度的透射與反射。通過分析反射信號，我們也能夠獲得體內的組織結構信息。超聲成像就是利用這個特性，進而實現對人體內部的探查。超聲波從探頭髮出，在人體內部發生反射之後，沿原路返回探頭。通過分析返回信號的強度與延遲，就能分析出不同深度的組織分布。
相較於其他成像方式而言，超聲最為明顯的優勢就在於對人體沒有損傷。因此多用於產檢，最大限度降低對孕婦及胎兒的傷害。當然，超聲的缺點也比較突出。首先超聲在人體內衰減較快，檢測範圍有限；另外，超聲需要避開骨骼、肺部（具體原因見之後的超聲章節），適用區域也有限；而且聲波波長遠大於X射線，容易發生衍射，成像解析度較差。
可能會有童鞋問：既然聲波有這麼多缺點，那能不能用電磁波來實現呢？答案是肯定的，其中典型的例子就是OCT（Optical Coherence Tomography，相干光斷層成像），正好是鄙人目前的主攻方向。該部分內容將在之後的醫學成像未來發展的章節中具體介紹。
4. MRI
MRI （Magnetic Resonance Imaging）核磁共振成像，目前是醫學成像中一個非常火熱的話題，無論是在臨床應用還是科研方面都是相當的炙手可熱。相較於內鏡，它的檢測範圍大，不痛苦，成像質量高；相較於X光與CT，它沒有輻射，可以做功能成像（fMRI），軟組織對比度高；相較於超聲，它解析度高，無死角，可以獲取三維信息。MRI幾乎是完美的代名詞。非得要說幾個缺點，可能就是貴、慢、跟吵了，或者不適於某些存在幽閉恐懼症的患者。
核磁共振現象最早於40年代由Bloch跟Purcell各自發現，並因此獲得了52年的炸藥獎。核磁共振指的是對於一些磁矩非零的原子核，例如1H、13C、15N等，我們能夠通過對它們施加磁場，使得它們能夠吸收特定頻率的電磁輻射躍遷到高能態。其具體成像技術將會在後面的MRI章節中詳細講述。需要提醒的是，MRI部分的理論與其他部分相比稍微有點複雜，大家最好要掌握基本的大物電磁學部分的姿勢才能在這一章節談笑風生。
另外，MRI可能還是唯一一個需要「安檢」的醫學成像檢查。因為在MRI的檢測過程中，患者周圍的磁場強度是以特斯拉（T）為單位的。要知道1個特斯拉等於1萬高斯（看上去特斯拉好像比高斯厲害很多的樣子(*/ω╲*)）；而自然界中，地磁場在兩級最高也不過1高斯，太陽黑子也不過0.4特斯拉。而目前1.5T、3T等等的MRI已經較為常見。在如此強的磁場下，任何金屬物品都不能進入MRI的磁場屏蔽間，否則很容易就會出現下面的場景：
鏈接：病人家屬強行將輪椅推進核磁共振室的後果
5. 未來發展
長江後浪推前浪，技術永遠是要面臨革新的。目前在科研領域，已經有許多新興的技術嘗試著為我們提供更清晰、更高效、更全面的醫學成像服務，例如OCT、多光子、共聚焦等等。然而，從發明一項技術，到真正應用於臨床，卻是一個極為漫長的過程。從多期動物實驗，到臨床實驗等等，幾乎所有我接觸過的與醫療設備研發相關的人員都曾吐槽過這些繁瑣而嚴苛的審查機制。然而正是因為嚴格的把關，我們普通民眾才能安心地躺在病床上，任由那些奇奇怪怪的裝置掃來掃去（說的有點迷之尷尬呃）。
在這第一篇當中，我以自己個人的理解對現代醫學成像做了一個粗淺的概括。歡迎大家繼續關注接下來的一系列文章。在後面的文章當中，我將會深入介紹各種成像技術的物理基礎、圖像重建等具體細節。我將會儘力將內容講的通俗易懂，但是某些章節如MRI，將不可避免地需要大家掌握一些基本的數理基礎。請感興趣的童鞋做好預習工作及心理準備。
參考文獻
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