醫學成像｜第1章 人體概論 1.7《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2022年08月11日

原文傳送門：<1> An Introduction to the Human Body — 1.7 Medical Imaging
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前言

幾千年來，對死者的恐懼和法律制裁限制了解剖學家和醫生研究人體內部結構的能力。 由於無法控制出血、感染和疼痛，手術很少進行，而那些進行的手術——例如傷口縫合、截肢、牙齒和腫瘤切除、顱骨鑽鑿和剖腹產——並沒有極大地提高內部解剖學的知識。 因此，關於身體功能和疾病的理論主要基於外部觀察和想像。

然而，在 14 和 15 世紀，意大利藝術家和解剖學家萊昂納多·達芬奇〔Leonardo da Vinci〕和弗拉芒〔Flemish〕解剖學家安德烈亞斯·維薩利烏斯〔Andreas Vesalius〕的詳細解剖圖出版，人們對人體解剖學的興趣開始增加。醫學院開始使用人體解剖〔human dissection〕教授解剖學；儘管有些人採取了盜墓的方式來獲得屍體。

最終通過了法律，使學生能夠解剖罪犯的屍體和那些為研究捐獻屍體的人。儘管如此，直到 19 世紀後期，醫學研究人員才發現了觀察活體內部的非手術方法。

X 射線〔X-Rays〕

德國物理學家威廉·倫琴（Wilhelm Röntgen，1845-1923 年）在試驗電流時發現，一種神秘且不可見的「射線」會穿過他的肉體〔flesh〕，但會在塗有金屬化合物的屏幕上留下他骨骼的輪廓。 1895 年，倫琴首次對活人的內部部位進行了持久記錄〔durable record〕：他妻子手的「X 射線」圖像（後來被稱為）。 世界各地的科學家很快就開始了自己的 X 射線實驗，到 1900 年，X 射線被廣泛用於檢測各種損傷和疾病。 1901 年，倫琴因其在這一領域的工作而獲得了首屆諾貝爾物理學獎。

X 射線是一種高能電磁輻射〔electromagnetic radiation〕，具有短波長，能夠穿透固體和電離氣體〔ionizing gases〕。 當它們用於醫學時，X 射線從 X 射線機發出，並且直接射向〈放置在患者身體後面的〉經過特殊處理的金屬板。 輻射束〔beam of radiation〕導致 X 射線板變暗。 X 射線受到軟組織的輕微阻礙，在 X 射線板上顯示為灰色，而硬組織（如骨骼）在很大程度上阻擋了射線，產生淺色調的「陰影〔shadow〕」。 因此，X 射線最適合用於可視化堅硬的身體結構，例如牙齒和骨骼（圖 1.18）。 然而，與許多形式的高能輻射一樣，X 射線能夠破壞細胞並引發可能導致癌症的變化。 這種過度暴露於 X 射線的危險，在廣泛使用後的許多年裡都沒有得到充分的認識。

圖 1.18 手的 X 射線
高能電磁輻射允許(如這樣的 X 射線中)身體的內部結構被看見，例如骨骼。
(credit: Trace Meek/flickr)

X 射線技術的求精和改進在整個 20 世紀和 21 世紀一直在持續。 儘管經常被更複雜的成像技術所取代，但 X 射線仍然是醫學成像中的「主力〔workhorse〕」，尤其是用於觀察骨折和牙科。 現在通過適當的屏蔽和限制暴露，來減輕對患者和操作者進行輻照〔irradiation〕的缺點。

現代醫學成像〔Modern Medical Imaging〕

X 射線可以描繪身體區域的二維圖像，並且只能來自一個角度。 相比之下，最近的醫學成像技術產生的數據由電腦集成和分析，以產生三維圖像或揭示身體功能方面的圖像。

電腦斷層掃描（CT檢查）〔Computed Tomography〕

斷層攝影〔Tomography〕是指按部分〔sections〕成像。 電腦斷層掃描 (CT) 是一種非侵入性成像技術，它使用電腦分析多個橫截面 X 射線〔several cross-sectional X-rays〕，以揭示身體結構的微小細節（圖 1.19a）。 該技術是在 1970 年代發明的，其原理是當 X 射線穿過人體時，它們會在不同的水平上被吸收或反射。 在該技術中，患者躺在電動平台〔motorized platform〕上，同時電腦軸向斷層掃描〔computerized axial tomography〕(CAT) 掃描儀圍繞患者旋轉 360 度，拍攝 X 射線圖像。 電腦將這些圖像組合成掃描區域或「切片〔slice〕」的二維視圖。

圖 1.19 醫學成像技術
(a) 頭部 CT 掃描結果顯示為連續橫斷面〔successive transverse sections〕。
(b) MRI 機器在患者周圍產生磁場〔magnetic field〕。
(c) PET 掃描使用放射性藥物〔radiopharmaceuticals〕來創建目標器官〔organ or organs〕的活躍血流和生理活動的圖像。
(d) 超聲技術用於監測懷孕，因為它是成像技術中侵入性最小的，並且不使用電磁輻射。
(credit a: Akira Ohgaki/flickr; credit b: “Digital Cate”/flickr; credit c: “Raziel”/Wikimedia Commons; credit d: “Isis”/Wikimedia Commons)

自 1970 年以來，功能更強大的電腦和更複雜的軟體的開發，使 CT 掃描成為多種診斷評估的常規方法。 它對軟組織掃描特別有用——例如腦部以及胸部和腹部內臟的掃描。 它的詳細程度非常精確，可以讓醫生測量小到一毫米〔millimeter〕的質量。 CT掃描的主要缺點是它使患者暴露於比 X 射線高許多倍的輻射劑量。 事實上，接受 CT 掃描的兒童患癌症的風險增加，接受多次 CT 掃描的成年人也是如此。

磁振造影（磁共振成像）〔Magnetic Resonance Imaging〕

磁共振成像 (MRI) 是一種基於 1930 年代發現的核物理現象〔phenomenon of nuclear physics〕的非侵入性醫學成像技術，其中發現暴露於磁場〔magnetic fields〕和無線電波〔radio waves〕的物質會發射無線電信號〔radio signals〕。 1970 年，一位名叫雷蒙德·達馬迪安〔Raymond Damadian〕的醫生和研究人員注意到惡性〔malignant〕（癌性〔cancerous〕）組織發出〔gave off〕的信號與正常身體組織不同。 他為第一台 MRI 掃描設備申請了專利，該設備於 1980 年代初在臨床上使用。 早期的 MRI 掃描儀很粗糙，但數位計算〔digital computing〕和電子技術的進步導致它們在精確成像方面超越了任何其他技術，尤其是在發現腫瘤方面。 MRI 還具有不使患者暴露於輻射的主要優點。

MRI 掃描的缺點包括成本高得多，以及患者對該過程感到不適。 MRI 掃描儀使患者受到如此強大的電磁體〔electromagnets〕的影響，以至於掃描室必須被屏蔽。 在掃描期間，患者必須被封閉在金屬管狀裝置〔metal tube-like device〕中（見圖 1.19b），有時長達 30 分鐘，這對於生病的患者來說可能會感到不舒服和不切實際。 該設備的噪音也很大，即使戴上耳塞，患者也會變得焦慮甚至恐懼。 隨著「開放式」MRI 掃描的發展，這些問題在一定程度上得到了克服，它不需要將患者完全封閉在金屬管中。 帶有含鐵金屬植入物〔iron-containing metallic implants〕（內部縫合線〔internal sutures〕、一些假體裝置〔prosthetic devices〕等）的患者不能進行 MRI 掃描，因為它可以位移〔dislodge〕這些植入物。

功能性核磁共振成像 (fMRIs) 可檢測身體某些部位的血流濃度，越來越多地用於研究各種身體活動期間大腦部分的活動。 這有助於科學家更多地了解不同大腦功能的位置，以及更多關於大腦的異常和疾病。

正電子發射斷層掃描（正子斷層造影）〔Positron Emission Tomography〕

正電子發射斷層掃描 (PET) 是一種醫學成像技術，涉及使用所謂的放射性藥物〔radiopharmaceuticals〕，即發射短壽命的輻射物質，因此施用於身體相對安全。 儘管第一台 PET 掃描儀是在 1961 年推出的，但在放射性藥物與該技術結合併且徹底改變其潛力之前，又花了 15 年的時間。 主要優點是 PET（參見圖 1.19c）可以顯示目標器官〔organ or organs〕的生理活動（包括營養代謝和血流），而 CT 和 MRI 掃描只能顯示靜態圖像。 PET 廣泛用於診斷多種情況——例如心臟病、癌症擴散、某些形式的感染、腦部異常、骨骼疾病和甲狀腺疾病。

超聲檢查（超音波掃描檢查）〔Ultrasonography〕

超音波檢查〔Ultrasonography〕是一種成像技術，它利用高頻聲波傳輸到體內產生回波信號〔echo signal〕，該回波信號由電腦轉換為解剖和生理的實時圖像〔real-time image〕（見圖 1.19d）。 超音波檢查是所有成像技術中侵入性最小的，因此在敏感情況下——如懷孕——使用更自由。 該技術最初是在 1940 年代和 1950 年代開發的。 超音波檢查用於研究心臟功能、頸部或四肢的血流、如膽囊疾病等某些情況，以及胎兒的生長發育。 超音波檢查的主要缺點是圖像質量嚴重依賴於操作者，並且無法穿透骨骼和氣體。

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2022/08/11 發佈本文