醫學影像之原理與發展簡史（上）
所謂「醫學影像（medical imaging）」是指那些取得人體內的影像的技術，而且不需要將你的身體剖開，就可以看到裡面的器官和組織的樣貌，像是大家應該很常聽見的 CT 和 MRI 等等。那麼你是否曾經好奇過這些技術是怎麼來的呢？或是它們的原理又是什麼？
其實醫學影像是近代才有的技術，大約在 20 世紀之後才陸續出現，在那之前的人們除非是直接剖開人體，不然就只能透過間接的方式去了解體內的情況，例如把脈。現今的醫學影像技術已經有非常多種，我將以幾篇文章逐一介紹幾個最常聽見的、或是有突破性進展的例子，並連貫成大概的發展史。
這一切得從 19 世紀末開始說起⋯⋯。
X 射線的發現
1895 年，德國物理學家威廉・倫琴（Wilhelm Röntgen）研究了當時許多物理學家也在研究的「克魯斯克管（Crookes tube）」，這是數十年前由英國物理學家威廉・克魯克斯（William Crookes) 所發明的裝置，管內裝有微量的氣體，兩邊有接上高壓電源的陰極和陽極，並發現陰極會放出特殊的射線讓陽極那一端的管壁發光（管內氣體要在特定氣壓下）。一開始大家暫稱它為「陰極射線（cathode ray）」，後來在 1897 年由另一位英國物理學家約瑟夫・湯姆森（J.J. Thomson）證實為一種帶負電的粒子，也就是「電子（electron）」。
話題有點偏了，倫琴在 1895 年注意到的不是陰極射線本身，而是他意外發現即使用厚紙板包住克魯斯克管，似乎還有種看不見的未知射線跑出來讓管外的鉑氰化鋇（Ba[Pt(CN)4]）跟著發出螢光。而且倫琴後續做了許多詳細的測試，確定了導致這個現象的不是陰極射線（例如這未知射線不會被磁場改變方向，但陰極射線會）而是一種新的未知的射線，並把它叫做 X 射線（X-ray）。
在倫琴之前其實已經有很多物理學家對於克魯斯克管的研究紀錄中都有 X 射線造成的現象，但他們都沒對它深究，錯過了這項世紀大發現。
現在我們知道 X 射線的產生是因為陰極的高能電子撞到陽極後，電子被迫緊急煞車，能量繼續傳遞下去但有多餘的動能以電磁波的形式釋放出來，這個現象稱為「制動輻射（bremsstrahlung）」，或是被翻譯成「煞車輻射」。而且至今也沿用倫琴取的 X 射線這個稱呼，想了解更多倫琴發現 X 射線的故事，可以看看這篇《物理雙月刊》的文章。
當時倫琴做了許多測試，其中他還用 X 射線拍了一張他老婆的手的照片，成了人類史上第一張 X 光照。由於 X 光是波長非常短的高能量電磁波，具有非常強的穿透力，但隨著我們體內結構的密度不同，吸收的 X 光強度就不同，因此含有大量的鈣和磷等元素的骨骼會阻擋 X 光，讓照出的影像出現「影子」，這就是 X 光造影的原理。
細心的讀者可能會發現，倫琴的這張照片是正片，因為既然骨頭會遮擋 X 光，應該是由沒有骨頭的部分讓底片上感光的溴化銀還原成黑色的奈米銀，可見倫琴還將它特別洗成正片。但我們平常看到的 X 光照是保持負片的狀態，不會特地再洗成正片，不只是為了看久眼睛比較不會疲勞，白色的影像也更容易凸顯病灶，讓醫師比較容易一眼看出問題。
X 光可以穿過皮膚讓骨頭成像的特性實在是一個革命性的發現，在當時馬上就被應用在醫療上，甚至還有被引進清朝，被人們稱為「照骨術」。倫琴也在 1901 年因為這個發現獲得了第一屆諾貝爾物理學獎。
基本上 X 光現在主要用來看骨頭或腫瘤等等這種非常緻密的結構，但要看到其他內臟也是可以只是相對沒那麼清晰，除非額外施加壓力來提升組織的緻密程度，例如乳房造影（mammography）就得夾胸才能照，但會讓病人感受到一定程度的痛楚。
為了更清楚地看見除了骨頭以外的其他內部構造，後來陸續有了各種改良技術，像是在底片塗上螢光染料來間接成像的「螢光透視攝影（fluoroscopy）」，X 光會打在螢光染料上轉換成可見光，再對它的訊號放大，就可以大幅降低 X 光的照射量，也就可以讓病人照更久，拍攝實時的動態影像；還可以利用注射或直接喝下顯影劑來觀測消化道內顯影劑的流動情形，因為顯影劑會含有原子序大的元素（例如碘和鋇）讓 X 光不易穿透，因此增強影像的對比。
如果將顯影劑注射到血管內，特別加強血管的對比，就可以凸顯血管的影像，稱為「血管攝影（angiography）」，照完之後醫師會請你多喝水來協助身體將體內殘留的顯影劑排出。
經過了一百多年的改良，儘管 X 光的輻射的確有造成細胞病變的風險，但現在的儀器讓你暴露的輻射量已經非常低，平常太陽對地球本來就有一定的輻射，你坐飛機到高空時受到的輻射都比照一次 X 光還來得高，所以除非你天天照 X 光（醫院當然不可能讓你這樣做），不然其實是不用太擔心它的輻射量的（身為讀醫學科學的我還想補充一下：就算真的不小心造成幾顆細胞的基因突變，人體也有修復突變序列的機制，甚至是讓受損細胞自行凋亡）。
超音波的應用
早在 18 世紀，義大利生物學家拉扎羅・斯帕蘭札尼（Lazzaro Spallanzani）就發現蝙蝠會利用人耳聽不見的聲音來進行回聲定位，後續也有其他科學家對高頻率的聲波，也就是超音波（ultrasound）進行研究，但超音波的應用是到 20 世紀才陸續出現。
1880 年，法國物理學家皮埃爾・居禮（Pierre Curie）和他的哥哥雅克・居禮（Jacques Curie）發現對酒石酸鉀鈉等石英相關的晶體施加壓力會產生電動勢，而且這個現象是可逆的，反過來施加電壓後會造成形變而產生震動，如此一來就可以將電能和力學能彼此轉換，這個現象稱為「壓電效應（piezoelectric effect）」。
它的應用非常廣，我們可以透過調整施加的電壓來產生週期性的震動，也就得到不同頻率的聲波，因為聲波就是震動空氣而產生的疏密波。現在的耳機和喇叭、3C 產品的觸覺回饋，都是利用壓電效應，當然也包括現在在談的超音波。話說居禮和他的妻子居禮夫人在 1903 年拿到諾貝爾物理學獎，不過不是因為這項研究而是另一項關於放射性物質的研究。
有了這個產生超音波的方法，讓許多人跟著研究相關的應用，尤其是為了戰爭所需。一戰之前 1912 年鐵達尼號撞冰山的沉沒事件，讓當時的人們深刻了解到開發偵測水下地形的重要性，於是開始有各種裝置的構想並申請專利。第一台聲納探測裝置是由一位加拿大發明家雷賈納德・范信達（Reginald Fessenden）在 1914 年製造出來（他也是 AM 廣播技術的發明者），不過當時缺乏整流器的技術，他的裝置適用範圍不大，而且難以確定訊號方向。直到後來二極管技術成熟後，在 1917 年身為法國物理學家的居禮的一位博士生保羅・朗之萬（Paul Langévin）和他身為俄國的工程師的同事康斯坦丁・奇洛夫斯基（Constantin Chilowsky）才成功研發出高頻的聲納，稱之為「水聽器（hydrophone）」，只是那時一戰已經快打完，研發成功之後戰爭也差不多結束了，所以實際被大量運用是在二戰的時候。
而超音波一開始嘗試運用在醫學上的用途不是為了診斷，而是治療。當時朗之萬注意到了他的聲納裝置對海中魚群的傷害，而且把手放進通有高頻超音波的水中會引起疼痛感，因此開始有醫生（尤其是神經外科）研究將超音波用來對病患體內有害的組織進行破壞。當時超音波的治療一度成為了一種萬能的治療手段，不過後來人們當然也注意到他對正常組織的破壞也會是相當嚴重問題。
所以大家退而求其次，不要使用那麼強的超音波，將他用於定位就好而不是去破壞，於是有了許多用於診斷的設計構想，其中第一個做出成品的是一位奧地利的神經內科的醫師卡爾・杜希克（Karl Dussik）。大約在 1937 年，他想將超音波探測的技術應用在腦瘤的診斷上，於是他和身為物理學家的弟弟弗里德里希・杜希克（Friedrich Dussik）開始設計用來觀測大腦的超音波裝置，不過幾年後二戰開打，奧地利被德國併吞，時逢戰亂的他一直到二戰結束後 1947 年才取得了成果，雖然相當模糊，但他認為這就是大腦側腦室的影像。
日後他也不斷改良他的裝置，影像也有更加清晰，像是下圖是 1952 年他發表的另一張側腦室影像，他指出那黑色區域的邊界和側腦室的形狀相對應，不過還是相當模糊，並沒有實際運用在臨床診斷上的價值，而且當時也有許多人認為用超音波照大腦會因為顱骨對聲波的吸收和反射等效應而讓影像失真，並不看好用超音波觀測腦部的這項技術，話雖如此，杜希克依然是這項技術的先驅，因而被尊稱為「超音波診斷之父」。
在那之後，超音波用於醫學的研究越來越多，各國都有許多「先驅」們將超音波用於醫療的研究，其中最著名大概是的瑞典的心臟科醫師英格・埃德勒（Inge Edler）和德國物理學家卡爾・赫茲（Carl Hertz），同樣又是一組醫師與物理學家的跨界合作！順帶一提後者是 1925 年諾貝爾物理學獎得主古斯塔夫・赫茲（Gustav Hertz）的兒子。
在 1940 年代末，埃德勒在探討關於二尖瓣狹窄（mitral stenosis）的術前診斷問題，當時的心導管影像技術品質欠佳，他身為心血管實驗室的主任想要尋找更好的非侵入式的方法來評估二尖瓣狹窄的程度，甚至偵測是否有二尖瓣回流（mitral regurgitation，即二尖瓣閉鎖不全）的情況。最初他主要在嘗試利用紀錄心動週期的電阻抗（electrical impedance）變化的方式來評估心輸出量的異常，這個技術稱為 “rheocardiography”，不過成效並沒有很好，現在也基本上已經淘汰，但他在這個失敗的過程中發現了一項細節：二尖瓣回流會導致左心房稍微擴大！當時他也正好有讀到二戰期間雷達工程相關的書籍，這讓他開始思考是否可以用夠高的頻率來測量這個小範圍的結構變化。
這個想法經過他的一位護士的物理學家丈夫傳到了年輕的卡爾・赫茲的耳中，這位才 20 餘歲的德國物理學家原先在納粹德國的陸軍服役，1943 年在北非戰場中被美軍俘虜並帶到美國本土直到 1946 年，後來在尼爾斯・波耳（Niels Bohr）和與他父親共享 1925 年諾貝爾獎的物理學家詹姆斯・法蘭克（James Franck）的協助下獲得瑞典的隆德大學的研究生獎學金，因此和埃德勒搭上了線，並和他試著使用當時學界不太看好的超音波尋找突破口。
中間的故事我就不再介紹了，有興趣了解更多的人可以去尋找參考資料中附上的文獻來閱讀。總之，這兩位學者所開創的技術，就是現在我們所熟知的「超音波心動圖（Echocardiography）」，即俗稱的「心臟超音波」。他們也在 1977 年獲頒拉斯克獎（Lasker Award）。
現今的超音波診斷主要用在腹部，畢竟腹部不像頭部有顱骨的阻擋，或是肋骨之前的乳房。超音波和 X 射線的差異在於它是頻率較高的聲波，不像 X 射線是容易穿透組織的電磁波，所以我們不是看超音波的影子，而是像聲納一樣去偵測他的回音。也因為他是聲波需要仰賴介質傳遞，我們要極力避免因為介質不同而造成嚴重的反射（也就是杜希克當時成效不彰的主因），所以現在的超音波診斷儀器會在皮膚上塗凝膠並在探頭表面包橡膠，來降低交接面的阻抗差異。偵測到的回音大小取決於碰到的物質，吸收的超音波越少反射的超音波越強，在電腦就顯示越白的畫面。
我們常見到的胎兒超音波圖會是一個扇形，因為聲波就是那樣擴散出去。不過也不見得會是固定形狀的影像，要看使用的探頭形狀是如何發出聲波的，如果是照心臟超音波的話就會使用較小的探頭，讓超音波穿過肋骨之間。
超音波的優勢在於他的成像在固體和液體之前的辨識相當明顯，不像 X 光在軟組織或內臟也會很容易穿透。還有它幾乎對人體不會有任何危害，所以才被廣泛運用在胎兒的成像。但缺點在於超音波在空氣中會嚴重散射，在骨頭又幾乎全被反射回來，所以充滿空氣的肺部，或是幾乎被骨頭完全包覆的大腦和脊髓，裡面的影像會看不清楚。想清楚看見顱骨底下的大腦，還是得另闢蹊徑。
參考資料＆圖片來源
- 為何是倫琴發現了X射線？
林志忠｜2022｜《物理雙月刊》網路專欄
網址：https://pb.ps-taiwan.org/modules/news/article.php?storyid=658 - 1901年諾貝爾物理獎：威廉・倫琴
余海峯｜2016｜《物理雙月刊》網路專欄
網址：https://pb.ps-taiwan.org/modules/news/article.php?storyid=527 - 【探索23-3】歪打正著看透你：從X射線與放射性物質的研究看物理研究的意外發現
葉珊瑀｜2020｜《CASE 報科學》探索系列講座
網址：https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=35353 - The Origin of Echocardiography: A Tribute to Inge Edler.
Siddharth Singh, Abha Goyal｜2007｜Tex. Heart Inst. J. 34(4), 431-438.
PMCID: PMC2170493
圖七亦取自這篇論文。 - The History of Echocardiography.
Inge Edler, Kjell Lindström｜2004｜Ultrasound Med. Biol. 30(12), 1565-1644.
DOI: 10.1016/S0301-5629(99)00056-3 - Weitere Ergebnisse der Ultraschalluntersuchung bei Gehirnerkrankungen.
Karl Theo Dussik｜1952｜Acta Neurochir., 2(3-4), 379-401.
DOI: 10.1007/BF01405828
圖五及圖六取自這篇卡爾・杜希克的德文論文。 - A Short History of the Development of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology.
Joseph Woo｜N/A｜網路文章
網址：https://www.ob-ultrasound.net/history1.html（檢索日期：2022/12/2） - Crookes tube two views（圖一）
D-Kuru｜2007｜Wikimedia Commons（維基共享資源）
授權：CC BY-SA 2.0 Austria - First medical X-ray by Wilhelm Röntgen of his wife Anna Bertha Ludwig’s hand（圖二）
授權：Public Domain - Human intestinal tract, as imaged via double-contrast barium enema（圖三）
授權：Public Domain - Angiome annulaire（圖四）
User:Royonx｜2010｜Wikimedia Commons（維基共享資源）
授權：CC BY-SA 3.0 Unported - CRL Crown rump length 12 weeks ecografia Dr. Wolfgang Moroder（圖八）
Wolfgang Moroder｜2012｜Wikimedia Commons（維基共享資源）
授權：CC BY-SA 3.0 Unported
