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医学影像

医学影像是指为了医疗医学研究,对人体或人体某部分,以非侵入方式取得内部组织影像的技术与处理过程,是一种逆问题的推论演算,即成因(活体组织的特性)是经由结果(观测影像信号)反推而来。

作为一门科学,医学影像属于生物影像,并包含影像诊断学、放射学、内视镜、医疗用热影像技术、医学摄影和显微镜。另外,包括脑波图和脑磁造影等技术,虽然重点在于测量和记录,没有影像呈显,但因所产生的数据俱有定位特性(即含有位置信息),可被看作是另外一种形式的医学影像。

临床应用方面,又称为医学成像,或影像医学,有些医院会设有影像医学中心、影像医学部或影像医学科,设置相关的仪器设备,并编制有专门的护士放射技师以及医师,负责仪器设备的操作、影像的解释与诊断(在台湾须由医师负责),这与放射科负责放射治疗有所不同。

医学医学工程医学物理生医资讯学方面,医学影像通常是指研究影像构成、撷取储存的技术、以及仪器设备的研究开发的科学。而研究如何判读、解释与诊断医学影像的是属于放射医学科,或其他医学领域(如神经系统学科、心血管病学科...)的辅助科学。

发展历史

1895年仑琴首次成功使用X射线成像

1895年德国物理学家威廉·伦琴发现X射线(一般称X光)以来,开启了医学影像崭新的一页,在此之前,医师想要了解病患身体内部的情况时,除了直接剖开以外,就只能靠触诊,但这两种方法都有一定的风险。

1978年,放射学年会上,一位电机工程师高弗雷·豪斯费尔德公布了电脑断层摄影的结果。这是继X射线发现后,放射医学领域里最重要的突破,也是20世纪科学技术的重大成就之一。Hounsfield与阿兰·麦克莱德·科马克由于在放射医学中的划时代贡献而获得了1979年的诺贝尔生理与医学奖。

超音波成像设备的发展得益于在第二次世界大战中雷达与声纳技术的发展。在20世纪50年代中,简单的A型超音波诊断仪开始用于临床。到了70年代,能提供断面动态的B型仪器问世。80年代初问世的超音波彩色血流图(color flow mapping, CFM)是目前临床上使用的超音波诊断仪。

1945年美国学者首先发现了磁共振现象,从此产生了核磁共振谱学这门科学。70年代后期,对人体的磁共振成像获得成功。2003年,诺贝尔生理学或医学奖授予了对磁共振成像研究做出了杰出贡献的美国科学家保罗·劳特伯和英国科学家彼得·曼斯菲尔德

现代医学影像技术

医学影像发展至今,除了X射线以外,还有其他的成像技术,并发展出多种的影像技术应用。另外在生医资讯应用方面,为能所产生的数位影像档案与影像数字化档案,可以交换与查阅,发展出医疗数位影像传输协定DICOM)技术。

X射线

X光检查

六指手掌在X光下的成像影像

X射线波长范围在0.01~10 nm之间,肉眼是看不到的,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,人体组织密度的不同,会在感光底片上留下深浅不一的阴影。

产生X射线的原理是使用加速后的电子撞击金属靶,撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能会以光子形式放出,形成X光光谱的连续部分,称之为制动辐射。通过加大加速电压,电子携带的能量增大,则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成电洞,外层电子跃迁回内层填补电洞,当原子外层电子移向内层电子空轨道时,放出的能量是移动两个能阶的能量差,这个能量差所形成射线,就是X射线。

此外,高强度的X射线亦可由同步加速器或自由电子激光产生。同步辐射光源,具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉波性与偏振性,因而成为科学研究最佳之X射线光源。

计算机断层成像

人类大脑计算机断层成像影像

计算机断层成像是一种结合X光与电脑科技的诊断工具,利用电脑将资料组合成身体横切面的影像,这些横切面的影像可再进一步重组成精细的3D立体影像。电脑断层摄影对于头部、胸部、腹部与脊椎的问题是很好的工具,许多部位的肿瘤,例如:肺、肝、胰脏肿瘤能够借由这个检查来确定位置及测量大小,对周围组织的侵犯程度亦能提供重要的讯息。利用在创伤的病人身上,电脑断层可以快速诊断出大脑、肝脏、脾脏、肾脏或其他体内器官的伤害情形。

计算机断层成像虽然可将人体器官一层层扫描进电脑来观察,但因为计算机断层成像也是用X光来成像的,所以所有计算机断层成像影像都是灰阶的黑白影像。如果由静脉注射含碘显影剂,血管、肾脏、肝脏等构造会被强化变得比较白,比较容易辨认。而且大多数病灶,注射显影剂后也会较清楚,因此注射显影剂成为计算机断层成像检查的重要步骤。

计算机断层成像最常用的部位是头部、耳鼻喉、胸腔、腹部、骨盆腔、脊椎、骨关节,几乎全身各部位都可用计算机断层成像来检查。而头部外伤、骨折、脱臼不必注射显影剂,大多数脊椎检查亦不必注射显影剂。计算机断层成像检查本身除须暴露辐射线外,并不会有副作用,单一检查其辐射剂量并不会对人体造成危害。所有副作用都来自对显影剂的过敏,例如轻微过敏、恶心、皮肤痒、皮肤荨麻疹、呼吸急促等。

血管摄影

应用于手掌血管之血管造影

血管摄影是将造影剂通过导管快速注入血管,使血管腔在X线照射下显影,同时有快速摄片、电视摄影等方法,将血管腔的显影过程拍摄下来,从显影的结果可以看到含有造影剂的血液流动顺序,以及血管充盈情况,从而了解血管的生理和解剖的变化。

由于血液和周边的组织有相同的阻射率(Radiodensity),需要加入会吸收X光的显影剂,使得血管可以轻易地被看见,在血管的结构中,有显影剂的话,在血管摄影的影像中看起来是一个通道状的阴影,血管组织本身几乎是看不见的。

造影剂经心导管注入心脏大血管腔时,会迅速从心导管前端进入血液,才能在该部达到最高浓度而清楚的显影,故注射必须极为快速。由于造影剂有一定的黏稠度,导管腔又有一定阻力,故须借助高压注射器来达到快速注射的目的,一般一次药量在1.5秒左右注入,注射一定量造影剂后触发注射器上的快速摄片或电影摄影的曝光触发装置,开始摄影。如果要求在心脏动周期中某一时间注射,则须搭配病人心电图来触发注射器起动。

血管造影常应用在右心造影、左心造影、肺动脉造影、主动脉造影、冠状动脉造影及肝动脉、肾动脉、脑血管、腹腔动脉、肠系膜动脉造影等多种。

  • 萤光透视镜(Fluoroscopy
  • 乳房摄影术
  • 牙齿摄影(Dental radiography

超音波

使用超音波来观察12周胎儿情形

超音波属于一种声波,也是一种机械波,人类耳朵可听到的声波频率介于20~20,000 Hz之间,因此频率大于20,000 Hz的声波称为超音波。

超音波的研究历史,可追溯自1880年居礼兄弟Jacques Curie与Pierre Curie发现“压电效应”(piezoelectric effect)。他们发现石英(quartz)等矿物晶体受到压力时,因体积发生变化,晶体表面会出现微小的电荷,若将这种晶体放在电场内,则会出现体积变化,因此这种压电现象是可逆的变化。当晶体受到压力,造成体积变化而产生电压时,称为“正压电效应”,反之若因电压造成体积变化,则称为“逆压电效应”。这类具有压电效应的物质,则称为“压电材料”,压电材料除了天然晶体,亦可以人工合成。这种可将能量在电能与压力之间转变的性质,称为“压电特性”(piezoelectricity)。现今超音波所用的压电材料是用PZT(Lead Zirconate Titanated)为主,而传统的石英材料并不是天然的压电材料,必须先在高压及高电场之下处理才可以成为压电材料。[1]

超音波科技正式被重视与大量应用,起源于1940年代的第二次世界大战,当时以此科技制造成“声纳”(SONAR),用来进行水下探测。二次大战后,这类科技被运用至医学,在1950年代出现医疗用途的医用超音波(medical ultrasound)。

电子式线性阵列探头

超音波的扫描方式有两种,其中机械式是借由伺服马达(Servo motor)的选转来扫描人体,而电子式的是用阵列的方式来扫描。阵列的排列又分成线性与环状两种,线性的阵列是将压晶体管以直线方式排列,而环状的振列是将压晶体管以环状方式排列。

医用超音波可分为诊断与治疗两个方面,治疗用的超音波的频率较低,可应用于复健与皮肤美容等用途,而诊断用途的医用超音波(diagnostic medical ultrasound)则采用较高的频率。用于一般超音波影像的超音波频率,通常界于2-15 MHz之间,频率愈高,则分辨率愈高,但穿透深度(penetration depth)也随之降低。皮肤科学的诊断用超音波影像,需极高的分辨率以分辨细微的变化,但探测深度仅需聚焦于表浅的组织,因此多采用高频率的超音波,至少需10MHz以上,若要获得更高的分辨率,甚至可采用高达20MHz或50MHz的超音波探头。

诊断用医用超音波的基本原理,是因为超音波在不同的生物组织内前进时,会有相异的速度。若遇到不同的组织界面,会出现明显的反射,造成信号上的变化,可利用这个变化探测身体内部组织,进而描绘出组织之影像。易言之,医用超音波采用脉冲-回音原理(pulse-echo principle),由超音波探头将电气信号转变成超音波的脉冲,由体表进入组织内部,当这个脉冲遇到组织界面时,会出现回音,再由探头接收这个回音,将回音转换回电气信号,完成探测过程,再由电脑进行资料处理,形成医疗人员所见到的信号或图形。

伽马射线

磁共振

光学摄影

其他

复合应用

参见

受控医学词表

参考文献


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