透视人体的

透视人体的 透视人体的奥秘专题报导光电的应用造影术的蓬勃发展，使我们可以利用各种成像方法获得所需要的影像。但影像是死的，重要资讯往往埋藏其中不易得到，於是透过医学影像处理，赋予影像新的诠释，也告诉我们究竟得到了什麼。?廖元麟 孙永年透视人体的奥秘二??三年诺贝尔生医奖由美国伊利诺大学香槟分校化学教授罗特博(Paul C.Lauterbur)与英国诺丁罕大学物理教授曼斯菲德(Peter Mansfield)两人，因在一九七?年代发展的磁振造影(magnetic resonance imaging，MRI)相关研究而共同获得。而一九七九年的同一奖项，也是颁给电脑断层扫描(computed tomography，CT)的发明人。这两种医学成像系统的发明，打破了诺贝尔生医奖一向颁发给生物或医学研究者的传统，而颁给工程及物理研究者因医学成像技术所作的贡献。由此可见生医影像对医疗诊断及生医研究的重要性，已为世人所公认。而生医影像蓬勃发展下带来医疗照护品质的提升，以及延续人类生命与健康福祉的贡献，也是科学发展造福人类的最佳范例。事实上，生医影像的种类相当多，因其成像原理各不相同，能取得的资讯也不一样。又因为解析影像能力的不同，我们可以从巨视到微观，从整个人体、器官、组织到细胞，甚至更微细的分子、基因也能一览无遗。以下针对医院放射部及核医部经常见到的X光造影、电脑断层扫描、超音波、磁振造影、正子放射断层、单光子放射电脑断层等医学成像技术依序介绍，并简述其相关应用。?光造影在诊疗过程中，医师往往需要知道人体内部病灶区域究竟出了什麼问题，但是碍於这类侵入性的检查会造成病患的不适，或者因考量动手术的不便而无法达成。直到一八九五年德国物理学家仑琴(W. K. Roentgen)在阴极射线研究中意外发现一种新的射线，取名为X射线，於是影像医学技术自此开始发展，进而开拓出一个崭新的领域。X光是肉眼看不到的，它对物体的穿透力很强，人体构造中密度较高的部分，如骨骼，能吸收较多的X光，所以会在感光底片上留下阴影，也就是说，人体组织密度的不移动式X光造影仪生医影像的种类相当多，我们可以从巨视到微观，从整个人体、器官、组织到细胞，甚至更微细的分子、基因也能一览无遗。8科学发展2005年2月，386期影像，这就是所谓的血管摄影术。电脑断层扫描另一方面，我们希望能看到人体一层层的断面影像，以避免在同一位置可能有多个器官交互重叠而挡住了医师所要观察的目标。一九七一年结合X光摄影和电脑组成二度空间影像的电脑断层扫描(以下简称CT)在英国问世。这项重大科技成就也让发明人杭斯菲尔德(G. N. Hounsfield)及科马克(A. M. Cormack)在一九七九年获颁诺贝尔生医奖。早期第一代CT仅能进行头部切面的扫描，之后发展至全身断层扫描。整个CT的发展历史，都是以如何利用最少的时间得到更好的影像为出发点。随著电脑速度的增进，处理的运算也就越复杂。目前螺旋式CT可作连续切面的扫描，取得的已经是具有体积特性的资料，再利用电脑进行三维空间重组而得到三维立体影像。这样经由电脑处理的影同，会在感光底片上留下深浅不一的阴影。常见的X光摄影有胸部X光检查，以观察病人的肺部是否有异常阴影，还有用在骨折病患的骨骼摄影，以找出骨折的位置，并观察他们每一根骨骼及骨头相连的关节部位。另外，近年来女性罹患乳癌的比率逐年增加，X光乳房摄影也益显其重要性，由多个角度摄影的结果来判别微小钙化群或是其他细部乳腺组织的变化，对妇女乳癌筛检的助益很大。然而，X光检查无法看到肠胃、泌尿、肝胆系统以及血管，因此后续发展出多种显影剂，把它们注入人体中，藉其有效吸收X光的特性，可把上述器官呈现出来。许多特别检查，如上消化道摄影、大肠钡剂灌肠摄影、静脉注射 肾盂摄影、子宫输卵管摄影、脊髓造影等等都是藉这方法达成。另外，经由腹股沟或手肘穿刺动脉放入导管，把导管逆行操控到特定的血管内，再注入含碘水溶性显影剂，就可观察这条血管所灌注的某个器官，如大脑、心脏、肝、肾等的即时血流电脑断层扫描机X光是肉眼看不到的，它对物体的穿透力很强，人体构造中密度较高的部分，如骨骼，能吸收较多的,光，所以会在感光底片上留下阴影。像讯号，不但清晰、准确、灵敏，使病患的呼吸、器官蠕动等干扰因素大幅减低，还能配合诊断需求放大、强化影像，让医师对病情的判断更有把握。CT由於检查速度快，以及全身各处都适用的优点，即使在其他非X光检查仪器如超音波、磁振造影等陆续发明的同时，依然无法完全被取代。尤其在急诊室，CT更是仅次於X光最主要的诊断工具。另一方面，由於CT快速成像以及非侵入性检查方法的快速发展，心血管疾病的病患不再像过去一样需要以穿刺方式作X光血管造影检查，而可透过快速十六探头CT的立体成像，配合影像处理技术，医师可以从冠状动脉影像中的任意切面观察血管组织，甚至血管内壁，藉以进一步判断该部位是否因病变而产生血管堵塞或钙化。超音波成像X光摄影固然简单且操作容易，但其放射性以及使用显影剂却让人造成疑虑。另一方面，超音波扫描仪利用声波频率造出影像，其探头内的晶片具有压电效应，可把机械能(音波)与电能相互转换。超音波探头的晶片受电击时，发射出音波在介质中行进，当音波经过两个不同阻抗物质形成的界面时，部分音波会反射回探头。这反射波或回音经收讯晶片转换成电子讯号，再经仪器数位化处理后形成影像。 和现有临床常用的其他医学影像系统相较，超音波成像仪更具有低价格、非侵入式、无辐射性危险、即时影像、厘米级的空间影像解析度、可携性并可量测血流等诸多优点。事实上，超音波仪器在医学上的应用比CT还要早，适用於一些实质性的器官，如胆囊或肾脏结石，在妇产科，尤其能避免胎儿的辐射危险。而现代国人因生活习性与忙碌压力所造成的肝脏病变，更可以由肝脏超音波及早发现。因为超音波可用以观察肝脏的质地和表面，由超音波影像与纹理的明亮度、细致度和质地的均匀度，就可判9科学发展2005年2月，386期超音波影像扫描仪以电脑断层扫描的立体成像，配合影像处理技术，医师可以从冠状动脉影像中的任意切面观察血管组织，甚至血管内壁，藉以进一步判断该部位是否因病变而产生血管堵塞或钙化。由三个方向所见的电脑断层扫描心血管冠状动脉影像，图中红点标示处即是血管区域。透视人体的奥秘频超音波的显微影像技术来进行小动物胚胎及肿瘤血流的评估，预期可在未来对癌症治疗、基因研究、药物开发及发展生物学等重要的研究课题中做出贡献。磁振造影谈到这里，让我们回到本文一开头所提及的磁振造影(以下简称MRI)。当八?年代第一部MRI扫描仪用於临床医学检验时，影像医学再度展开新页。磁振造影是利用磁场原理，把人体置於强大且均匀的静磁场中，再利用特定的射频无线电波脉冲，激发人体组织内的氢原子核。由於人体内的许多分子都含有氢原子核，这些氢原子核本身又具有磁场特性，如同一个小小的磁铁。若使仪器改变体内氢原子核的旋转排列方向，原子核就会释放吸收的能量，能量激发后放出电磁波信号，再经由电脑分析组合成影像，这就是一般所看到的MRI 影像。进行MRI时，先把病人放在一个像隧道的大磁铁裏，利用电磁波刺激病人，再以侦测器收集病人所释出的回波。在经过多次复杂的「刺激—回波」手续后，便可以根据这些庞大的资料重组出具有高解析度的影像。由於不同的组织受到刺激后，释出不同的回波，因此在影像上便会产生非常良好的对比。同样能做全身扫描，过去CT 只能提供轴状断面影像，但MRI可以进一步提供矢状面和冠状面的影像，甚至看到CT可能遗漏的小病灶，帮助医师做多方面的诊断。同时，MRI同样不具侵入性，而且它不产生游离辐射，做多少次都不会造成伤害，因此在某些应用上有逐渐取代CT的趋势。MRI操作的时候，病人只需静躺在扫描仪裏，配合闭气的指示，很快便能完成检查，不10科学发展2005年2月，386期读正常肝、肝炎、肝硬化及肝癌等病变状态，是国人健检中的重要项目之一。另外它的可携带性很适合作为病房床边检查、辅助穿刺引流之用，但碍於超音波不能穿越头骨及肺脏，使其在这两个领域的应用受到限制。从超音波的进展史来看，最先从一维线条超音波、二维平面超音波开始，之后的二维即时超音波在影像品质上才有显著的改善。接著出现能评估血管血流等生理资讯的都卜勒超音波，近几年三维立体超音波技术快速发展，更有即时立体超音波，即所谓4D超音波的出现，提供医师与使用者很好的诊断依据。另外，在生医科技领域上，使用高肝脏超音波影像磁振造影仪因为超音波可用以观察肝脏的质地和表面，由超音波影像与纹理的明亮度、细致度、质地的均匀度，就可判读正常肝、肝炎、肝硬化及肝癌等病变状态。测，对於大脑作用等动态功能的研究，也扮演重要角色。功能性磁振造影(functional MRI，fMRI)把相关研究从传统解剖医学带入认知医学的领域，例如以MRI进行人类大脑辨识符号的研究，给予受测者不同的光亮等动、静态的刺激，再以MRI扫描观察在不同刺激时，脑部各区域反应的差别，以研究脑部区域各控制著哪些功能。另一方面，结合核磁共振分析光谱与MRI成像於一体的光谱MRI(spectroscopic MRI)，也大幅提升MRI的功能面，使我们得以在人体上直接观察到特定组织的生化反应及异常组织的范围。其他如三维流场量测、温度分布图、化学分子浓度分布图、弹性系数、压力场、应力分布图等都正在发展中。即时监测的手术用影像系统(MR intervention)也开始使用，其影像本身不但使用在手术前的计画，更直接应需繁复的事前准备。唯一要注意的是，因为MRI会释放磁波，干扰体内医疗器械的运作，所以病人若装有心律调整器、接受过脑血管动脉瘤结扎、脑部留有血管夹及体内装置各类电击传导器，即不适合MRI造影诊断。MR成像技术的进展一日千里，例如MR标记化影像(MR tagging image)可以帮助我们检视心肌运动的功能。藉著MR成像在心肌组织上加入网格线，并经由影像处理技术，可即时分析心脏肌肉的收缩与舒张，并藉由网格点每个时间的位置变化，观察其变形的模式及心肌部位的应变图，可方便医师对病患进行最佳的即时诊断与比较。MRI不仅可以透视人体，对於农产品、畜产的筛检、改良，也是极为重要的工具。自九?年代后，MRI慢慢由静态进入动态，由解剖进入功能，成像不断加速化，不断功能化，不仅可针对生理及物质的静态解剖进行侦11科学发展2005年2月，386期磁振标记化影像上排最左是原图，右两张是加入网格线观察心肌变化的图，下排左图以颜色表示心肌上每个点的变化方向，右图则是其应变图。透视人体的奥秘用在手术中，以得到即时的反馈。随著基因体的发展，生医分子影像得以在活体上直接观测到特定的基因表现与蛋白质表现，其对空间解析度、时间解析度及信号杂讯比的需求，预期将使MRI在可见的未来，产生划时代的改变。除了医用MRI系统不断成长外，配合生技制药使用的微型磁振造影系统也不断推陈出新，朝微米级、微机电及可携带式的MRI发展。核子医学影像核医科使用的正子放射断层(以下简称PET)和放射科常见的CT与MRI基本上并不相同，它必须依赖放射性同位素药物在衰变过程中放出带正电荷的正子得到影像。正子在人体组织中运行不到一毫米的 距离，即会与带负电荷的电子撞击而相互抵销毁灭，过程中质量不见了，於是以能量的形式放出来，而放出来的能量是以两道方向相反的加马射线呈现。正子放射断层造影仪可同时侦测这些成对的加马射线，并利用电脑重组正子同位素在组织或器官内分布的图像。主要的正子放射同位素有氧,15(15O)、氮,13(13N)、碳,11(11C)及氟,18(18F)，这些同位素可合成体内存在或需要的代谢分子，如葡萄糖、胺基酸等，适合於研究人体正常或病态的代谢功能。上述四种短半衰期的正子同位素是经由回旋加速器制造出来的，因半衰期短，因此正子断层扫描设备通常都设置在回旋加速器附近，以方便取得检查用药。目前在临床上最常使用的正子同位素药物是18F去氧葡萄糖(18F2-fluoro-2-deoxy-D-glucose，简称FDG)。PET是目前医界诊断癌症、心脏病及神经精神疾病最具有突破性意义的诊断工具，它的最大贡献是让癌症无所遁形，而它在基因治疗等尖端医学上也扮演著重要角色。另外，PET基本上可视为分子影像的一环，分子影像最重要的目标在探索活体内生物学与生物化学的处理过程，以期得到与疾病诊断或治疗上相关的资12科学发展2005年2 ET可提供包括葡萄糖代谢影像、月，386期三头单光子放射电脑断层扫描仪料，而P 细胞增生影像、氧代谢影像、接受体分布影像及报导基因影像等重要的分子影像。同属核医影像的单光子放射电脑断层(以下简称SPECT)的原理，则是利用放射性同位素衰变放出的加马射线，经过准直仪(collimator)以消除散射加马光子，然后由侦测仪获取影像。常用的加马射线同位素有鎝,99m(99mTc)、碘,123(123I)、 111In)、镓,67(67Ga)等。SPECT可多角度侦测目标器官，再经影像铟,111( 的重组，形成三度空间影像后，更能发现病灶的相关位置。例如临床上我们会用鎝,99m HMPAO当作显迹物(tracer)观察脑血流，评估病患脑功能。但由於取像时的时间长短、辐射药剂施打剂量、能量衰减及病患头部位置等些微变化，需要借助影像处理技术来作资料的比对分析。原影像经过亮度调整与空间对位后，可以藉由牛眼图展示法作半定量分析，比较脑皮层各区域的功能性反应。同时依靠统计分析的方式找出两笔影像资料有显著性差异的位置，以提供医师作临床上的可靠验证。医学影像处理在今日各种造影术蓬勃发展的同时，我们可以利用各种不同的医学成像方法获得所需的影像资讯。但影像是死的，一些重要资讯往往埋藏其中而不被肉眼轻易得到，於是医学影像处理分析变成一项热门的研究领域，透过演算法来赋予影像新的诠释，才能给予影像生命力，也告诉我们究竟得到了什麼。影像重建、影像分割、影像增强、影像对位、以及影像视觉化等千百种演算法由此孕育而生，成为临床医师诊断上强而有力的帮手，同时借助统计与数学理论，我们对影像有了新的体会。一张影像不再只是简单如同我们所见，背后庞大的故事才是真正病灶判读的关键所在。然而，影像处理分析的强大能力往往需仰赖良好的影像品质，为使医师获得精确的资讯，医事检验师、临床医师、影像处理人员三方面需要有良好的沟通。在每个环节都能满足各自需求的条件下，才能对病患做出及时、迅速的诊断，采取最适当的医疗照顾，为病患摆脱疾病的困扰，这也才是医学影像领域带给人类最大的福祉之处～廖元麟孙永年成功大学资讯工程系13科学发展2005年2月，386期正子放射断层术是目前医界诊断癌症、心脏病及神经精神疾病最具有突破性意义的诊断工具，它的最大贡献是让癌症无所遁形，而它在基因治疗等尖端医学上也扮演著重要角色。由左至右分别是，脑部鎝,99m HMPAO SPECT影像、牛眼图表示、统计图谱及对应的颜色表示图。颜色表示由红到绿到蓝，在牛眼图里表示其功能性 反应由大到小，在统计图中则是由正向差异到负向差异。?透视人体的奥秘