光電的應用：透視人體的奧祕
94/02/05
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廖元麟｜
成功大學資訊工程系
孫永年｜
成功大學資訊工程系
二○○三年諾貝爾生醫獎由美國伊利諾大學香檳分校化學教授羅特博（Paul C. Lauterbur）與英國諾丁罕大學物理教授曼斯菲德（Peter Mansfield）兩人，因在一九七○年代發展的磁振造影（magnetic resonance imaging, MRI）相關研究而共同獲得。而一九七九年的同一獎項，也是頒給電腦斷層掃描（computed tomography, CT）的發明人。
這兩種醫學成像系統的發明，打破了諾貝爾生醫獎一向頒發給生物或醫學研究者的傳統，而頒給工程及物理研究者因醫學成像技術所作的貢獻。由此可見生醫影像對醫療診斷及生醫研究的重要性，已為世人所公認。而生醫影像蓬勃發展下帶來醫療照護品質的提升，以及延續人類生命與健康福祉的貢獻，也是科學發展造福人類的最佳範例。
事實上，生醫影像的種類相當多，因其成像原理各不相同，能取得的資訊也不一樣。又因為解析影像能力的不同，我們可以從巨視到微觀，從整個人體、器官、組織到細胞，甚至更微細的分子、基因也能一覽無遺。以下針對醫院放射部及核醫部經常見到的Ｘ光造影、電腦斷層掃描、超音波、磁振造影、正子放射斷層、單光子放射電腦斷層等醫學成像技術依序介紹，並簡述其相關應用。
Ⅹ光造影
在診療過程中，醫師往往需要知道人體內部病灶區域究竟出了什麼問題，但是礙於這類侵入性的檢查會造成病患的不適，或者因考量動手術的不便而無法達成。直到一八九五年德國物理學家侖琴（W. K. Roentgen）在陰極射線研究中意外發現一種新的射線，取名為X射線，於是影像醫學技術自此開始發展，進而開拓出一個嶄新的領域。
Ｘ光是肉眼看不到的，它對物體的穿透力很強，人體構造中密度較高的部分，如骨骼，能吸收較多的Ｘ光，所以會在感光底片上留下陰影，也就是說，人體組織密度的不同，會在感光底片上留下深淺不一的陰影。
常見的Ｘ光攝影有胸部Ｘ光檢查，以觀察病人的肺部是否有異常陰影，還有用在骨折病患的骨骼攝影，以找出骨折的位置，並觀察他們每一根骨骼及骨頭相連的關節部位。另外，近年來女性罹患乳癌的比率逐年增加，Ｘ光乳房攝影也益顯其重要性，由多個角度攝影的結果來判別微小鈣化群或是其他細部乳腺組織的變化，對婦女乳癌篩檢的助益很大。
然而，Ｘ光檢查無法看到腸胃、泌尿、肝膽系統以及血管，因此後續發展出多種顯影劑，把它們注入人體中，藉其有效吸收Ｘ光的特性，可把上述器官呈現出來。許多特別檢查，如上消化道攝影、大腸鋇劑灌腸攝影、靜脈注射腎盂攝影、子宮輸卵管攝影、脊髓造影等等都是藉這方法達成。另外，經由腹股溝或手肘穿刺動脈放入導管，把導管逆行操控到特定的血管內，再注入含碘水溶性顯影劑，就可觀察這條血管所灌注的某個器官，如大腦、心臟、肝、腎等的即時血流影像，這就是所謂的血管攝影術。
電腦斷層掃描
另一方面，我們希望能看到人體一層層的斷面影像，以避免在同一位置可能有多個器官交互重疊而擋住了醫師所要觀察的目標。一九七一年結合Ｘ光攝影和電腦組成二度空間影像的電腦斷層掃描（以下簡稱CT）在英國問世。這項重大科技成就也讓發明人杭斯菲爾德（G. N. Hounsfield）及科馬克（A. M. Cormack）在一九七九年獲頒諾貝爾生醫獎。
早期第一代CT僅能進行頭部切面的掃描，之後發展至全身斷層掃描。整個CT的發展歷史，都是以如何利用最少的時間得到更好的影像為出發點。隨著電腦速度的增進，處理的運算也就越複雜。目前螺旋式CT可作連續切面的掃描，取得的已經是具有體積特性的資料，再利用電腦進行三維空間重組而得到三維立體影像。這樣經由電腦處理的影像訊號，不但清晰、準確、靈敏，使病患的呼吸、器官蠕動等干擾因素大幅減低，還能配合診斷需求放大、強化影像，讓醫師對病情的判斷更有把握。
CT由於檢查速度快，以及全身各處都適用的優點，即使在其他非Ｘ光檢查儀器如超音波、磁振造影等陸續發明的同時，依然無法完全被取代。尤其在急診室，CT更是僅次於Ｘ光最主要的診斷工具。
另一方面，由於CT快速成像以及非侵入性檢查方法的快速發展，心血管疾病的病患不再像過去一樣需要以穿刺方式作Ｘ光血管造影檢查，而可透過快速十六探頭CT的立體成像，配合影像處理技術，醫師可以從冠狀動脈影像中的任意切面觀察血管組織，甚至血管內壁，藉以進一步判斷該部位是否因病變而產生血管堵塞或鈣化。
超音波成像
Ｘ光攝影固然簡單且操作容易，但其放射性以及使用顯影劑卻讓人造成疑慮。另一方面，超音波掃描儀利用聲波頻率造出影像，其探頭內的晶片具有壓電效應，可把機械能（音波）與電能相互轉換。超音波探頭的晶片受電擊時，發射出音波在介質中行進，當音波經過兩個不同阻抗物質形成的界面時，部分音波會反射回探頭。這反射波或回音經收訊晶片轉換成電子訊號，再經儀器數位化處理後形成影像。
和現有臨床常用的其他醫學影像系統相較，超音波成像儀更具有低價格、非侵入式、無輻射性危險、即時影像、釐米級的空間影像解析度、可攜性並可量測血流等諸多優點。
事實上，超音波儀器在醫學上的應用比CT還要早，適用於一些實質性的器官，如膽囊或腎臟結石，在婦產科，尤其能避免胎兒的輻射危險。而現代國人因生活習性與忙碌壓力所造成的肝臟病變，更可以由肝臟超音波及早發現。因為超音波可用以觀察肝臟的質地和表面，由超音波影像與紋理的明亮度、細緻度和質地的均勻度，就可判讀正常肝、肝炎、肝硬化及肝癌等病變狀態，是國人健檢中的重要項目之一。另外它的可攜帶性很適合作為病房床邊檢查、輔助穿刺引流之用，但礙於超音波不能穿越頭骨及肺臟，使其在這兩個領域的應用受到限制。
從超音波的進展史來看，最先從一維線條超音波、二維平面超音波開始，之後的二維即時超音波在影像品質上才有顯著的改善。接著出現能評估血管血流等生理資訊的都卜勒超音波，近幾年三維立體超音波技術快速發展，更有即時立體超音波，即所謂4D超音波的出現，提供醫師與使用者很好的診斷依據。另外，在生醫科技領域上，使用高頻超音波的顯微影像技術來進行小動物胚胎及腫瘤血流的評估，預期可在未來對癌症治療、基因研究、藥物開發及發展生物學等重要的研究課題中做出貢獻。
磁振造影
談到這裡，讓我們回到本文一開頭所提及的磁振造影（以下簡稱MRI）。當八○年代第一部MRI掃描儀用於臨床醫學檢驗時，影像醫學再度展開新頁。
磁振造影是利用磁場原理，把人體置於強大且均勻的靜磁場中，再利用特定的射頻無線電波脈衝，激發人體組織內的氫原子核。由於人體內的許多分子都含有氫原子核，這些氫原子核本身又具有磁場特性，如同一個小小的磁鐵。若使儀器改變體內氫原子核的旋轉排列方向，原子核就會釋放吸收的能量，能量激發後放出電磁波信號，再經由電腦分析組合成影像，這就是一般所看到的 MRI 影像。
進行MRI時，先把病人放在一個像隧道的大磁鐵裏，利用電磁波刺激病人，再以偵測器收集病人所釋出的回波。在經過多次複雜的「刺激—回波」手續後，便可以根據這些龐大的資料重組出具有高解析度的影像。由於不同的組織受到刺激後，釋出不同的回波，因此在影像上便會產生非常良好的對比。
同樣能做全身掃描，過去CT只能提供軸狀斷面影像，但MRI可以進一步提供矢狀面和冠狀面的影像，甚至看到CT可能遺漏的小病灶，幫助醫師做多方面的診斷。同時，MRI同樣不具侵入性，而且它不產生游離輻射，做多少次都不會造成傷害，因此在某些應用上有逐漸取代CT的趨勢。
MRI操作的時候，病人只需靜躺在掃描儀裏，配合閉氣的指示，很快便能完成檢查，不需繁複的事前準備。唯一要注意的是，因為MRI會釋放磁波，干擾體內醫療器械的運作，所以病人若裝有心律調整器、接受過腦血管動脈瘤結紮、腦部留有血管夾及體內裝置各類電擊傳導器，即不適合MRI造影診斷。
MR成像技術的進展一日千里，例如MR標記化影像（MR tagging image）可以幫助我們檢視心肌運動的功能。藉著MR成像在心肌組織上加入網格線，並經由影像處理技術，可即時分析心臟肌肉的收縮與舒張，並藉由網格點每個時間的位置變化，觀察其變形的模式及心肌部位的應變圖，可方便醫師對病患進行最佳的即時診斷與比較。
MRI不僅可以透視人體，對於農產品、畜產的篩檢、改良，也是極為重要的工具。自九○年代後，MRI慢慢由靜態進入動態，由解剖進入功能，成像不斷加速化，內容不斷功能化，不僅可針對生理及物質的靜態解剖進行偵測，對於大腦作用等動態功能的研究，也扮演重要角色。
功能性磁振造影（functional MRI，fMRI）把相關研究從傳統解剖醫學帶入認知醫學的領域，例如以MRI進行人類大腦辨識符號的研究，給予受測者不同的光亮等動、靜態的刺激，再以MRI掃描觀察在不同刺激時，腦部各區域反應的差別，以研究腦部區域各控制著哪些功能。
另一方面，結合核磁共振分析光譜與MRI成像於一體的光譜MRI（spectroscopic MRI），也大幅提升MRI的功能面，使我們得以在人體上直接觀察到特定組織的生化反應及異常組織的範圍。其他如三維流場量測、溫度分布圖、化學分子濃度分布圖、彈性係數、壓力場、應力分布圖等都正在發展中。即時監測的手術用影像系統（MR intervention）也開始使用，其影像本身不但使用在手術前的計畫，更直接應用在手術中，以得到即時的反饋。
隨著基因體的發展，生醫分子影像得以在活體上直接觀測到特定的基因表現與蛋白質表現，其對空間解析度、時間解析度及信號雜訊比的需求，預期將使MRI在可見的未來，產生劃時代的改變。除了醫用MRI系統不斷成長外，配合生技製藥使用的微型磁振造影系統也不斷推陳出新，朝微米級、微機電及可攜帶式的MRI發展。
核子醫學影像
核醫科使用的正子放射斷層（以下簡稱PET）和放射科常見的CT與MRI基本上並不相同，它必須依賴放射性同位素藥物在衰變過程中放出帶正電荷的正子得到影像。正子在人體組織中運行不到一毫米的距離，即會與帶負電荷的電子撞擊而相互抵銷毀滅，過程中質量不見了，於是以能量的形式放出來，而放出來的能量是以兩道方向相反的加馬射線呈現。正子放射斷層造影儀可同時偵測這些成對的加馬射線，並利用電腦重組正子同位素在組織或器官內分布的圖像。
主要的正子放射同位素有氧－15（15O）、氮－13（13N）、 碳－11（11C）及氟－18（18F），這些同位素可合成體內存在或需要的代謝分子，如葡萄糖、胺基酸等，適合於研究人體正常或病態的代謝功能。上述四種短半衰期的正子同位素是經由迴旋加速器製造出來的，因半衰期短，因此正子斷層掃描設備通常都設置在迴旋加速器附近，以方便取得檢查用藥。目前在臨床上最常使用的正子同位素藥物是[18F]去氧葡萄糖（[18F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose，簡稱FDG）。
PET是目前醫界診斷癌症、心臟病及神經精神疾病最具有突破性意義的診斷工具，它的最大貢獻是讓癌症無所遁形，而它在基因治療等尖端醫學上也扮演著重要角色。另外，PET基本上可視為分子影像的一環，分子影像最重要的目標在探索活體內生物學與生物化學的處理過程，以期得到與疾病診斷或治療上相關的資料，而PET可提供包括葡萄糖代謝影像、細胞增生影像、氧代謝影像、接受體分布影像及報導基因影像等重要的分子影像。
同屬核醫影像的單光子放射電腦斷層（以下簡稱SPECT）的原理，則是利用放射性同位素衰變放出的加馬射線，經過準直儀（collimator）以消除散射加馬光子，然後由偵測儀獲取影像。常用的加馬射線同位素有鎝－99m（99mTc）、碘－123（123I）、銦－111（111In）、鎵－67（67Ga）等。SPECT可多角度偵測目標器官，再經影像的重組，形成三度空間影像後，更能發現病灶的相關位置。
例如臨床上我們會用鎝－99m HMPAO當作顯跡物（tracer）觀察腦血流，評估病患腦功能。但由於取像時的時間長短、輻射藥劑施打劑量、能量衰減及病患頭部位置等些微變化，需要借助影像處理技術來作資料的比對分析。原影像經過亮度調整與空間對位後，可以藉由牛眼圖展示法作半定量分析，比較腦皮層各區域的功能性反應。同時依靠統計分析的方式找出兩筆影像資料有顯著性差異的位置，以提供醫師作臨床上的可靠驗證。
醫學影像處理
在今日各種造影術蓬勃發展的同時，我們可以利用各種不同的醫學成像方法獲得所需的影像資訊。但影像是死的，一些重要資訊往往埋藏其中而不被肉眼輕易得到，於是醫學影像處理分析變成一項熱門的研究領域，透過演算法來賦予影像新的詮釋，才能給予影像生命力，也告訴我們究竟得到了什麼。
影像重建、影像分割、影像增強、影像對位、以及影像視覺化等千百種演算法由此孕育而生，成為臨床醫師診斷上強而有力的幫手，同時借助統計與數學理論，我們對影像有了新的體會。一張影像不再只是簡單如同我們所見，背後龐大的故事才是真正病灶判讀的關鍵所在。
然而，影像處理分析的強大能力往往需仰賴良好的影像品質，為使醫師獲得精確的資訊，醫事檢驗師、臨床醫師、影像處理人員三方面需要有良好的溝通。在每個環節都能滿足各自需求的條件下，才能對病患做出及時、迅速的診斷，採取最適當的醫療照顧，為病患擺脫疾病的困擾，這也才是醫學影像領域帶給人類最大的福祉之處！
