生物醫學成像入門：一個百花齊放的年代

作者：由海若ICE 發表于攝影時間：2021-09-10

分類：

X-ray Radiography/ X-ray Computed Tomography （CT） X線攝影/ X線計算機斷層掃描

Ultrasound Imaging （US）超聲成像

Magnetic Resonance Imaging （MRI）磁共振成像

Positron Emission Tomography （PET）正電子發射斷層掃描

Single Photon Emission Tomography （SPET）單光子發射斷層掃描

Optical Imaging （OI）光學成像

1、X-ray Radiography/ X-ray Computed Tomography （CT） X線攝影/ X線計算機斷層掃描

波長：10-10-3 nm，介於紫外線與γ射線之間能量：0。124kev-124kev

成像原理：透過物體的x射線束因吸收和散射而衰減（失去能量）【光電效應+康普頓效應+電子對效應】。組織的吸收度與質量密度成正比，X射線的衰減程度不同，從而形成不同的組織或器官的不同的灰階影像對比分佈圖。

缺點是沒有深度資訊

CT值單位：又稱亨氏單位，是由其發明者SirGreoffreyHounsfield的名字來命名的，簡稱Hu，用來表示CT影象上組織結構的相對密度。某一組織的CT值，是其μ值與水的μ值相比得出的。其中μw為水的吸收係數或衰減係數，μm為材料的吸收係數或衰減係數。

$CT值(Hu)=\frac{\mu m-\mu w}{\mu w}\times1000$

一般來說，骨（1000）>軟組織（20~50）>水（0）>脂肪（-70~-90）>空氣（-1000）

2、Ultrasound Imaging （US）超聲成像

超聲波被定義為頻率大於20kHz的聲波。

原理：聲波反射在身體不同組織和器官之間的邊界上，波的返回時間告訴我們反射面的深度。

聲源振動產生聲波，聲波有縱波、橫波和表面波三種形式。而縱波是一種疏密波，就像一根彈簧上產生的波。用於人體診斷的超聲波是聲源振動在彈性介質中產生的縱波。超聲波具有束射性。這一點與一般聲波不同，而與光的性質相似，即可集中向一個方向傳播，有較強的方向性。

聲波在媒介中傳播，其傳播速度與媒質密度有關。在密度較大介質中的聲速比密度較小介質中的聲速要快。在彈性較大的介質中聲速比彈性較小的介質中要快。這就引出了聲阻抗的定義，聲阻抗為介質密度（ρ）和聲速（C）的乘積。用字母Z表示，Z=ρ·C。

$\begin{array}{|l|l|l|l|l|} \hline \text { 介質 } & \begin{array}{l} \text { 密度 } \\ (\mathrm{g} / \mathrm{cm} 3) \end{array} & \begin{array}{l} \text { 超聲縱波速 } \\ \text { 度 }(\mathrm{m} / \mathrm{s}) \end{array} & \begin{array}{l} \text { 特徵阻抗 } \\ \left(105 \mathrm{R}^{*}\right) \end{array} & \begin{array}{l} \text { 測試頻率 } \\ (\mathrm{MH} \mathbf{z}) \end{array} \\ \hline \text { 空氣 } & 0.001293 & 332 & 0.000429 & 2.9 \\ \hline \text { 水 } & 0.9934 & 1523 & 1.513 & 2.9 \\ \hline \text { 血液 } & 1.055 & 1570 & 1.656 & 1.0 \\ \hline \text { 軟組織 } & 1.016 & 1500 & 1.524 & 1.0 \\ \hline \text { 肌肉 } & 1.074 & 1568 & 1.684 & 1.0 \\ \hline \text { 骨 } & 1.658 & 3860 & 5.571 & 1.0 \\ \hline \text { 脂肪 } & 0.955 & 1476 & 1.410 & 1.0 \\ \hline \text { 肝 } & 1.050 & 1570 & 1.648 & 1.0 \\ \hline \end{array}$

3、Magnetic Resonance Imaging （MRI）磁共振成像

原理：

磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因為人體大約70%是由水組成的，MRI即依賴水中氫原子。

當把物體放置在磁場中，用適當的電磁波照射它，以改變氫原子的旋轉排列方向，使之共振，然後分析它釋放的電磁波，由於不同的組織會產生不同的電磁波訊號，經電腦處理，就可以得知構成這一物體的原子核的位置和種類，據此可以繪製成物體內部的精確立體影象。

原子核在進動中，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈衝，即外加交變磁場的頻率等於拉莫頻率，原子核就發生共振吸收，去掉射頻脈衝之後，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發射出來，稱為共振發射。共振吸收和共振發射的過程叫做“核磁共振”。

外來射頻脈衝來激發，透過

不同組織弛豫時間不同

來形成對比度（腦白質、腦灰質）：

優點：

CT 利用X光輻射來進行掃描診斷，MRI使用磁場進行掃描。與CT相比，磁共振成像的最大優點是它是目前少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。

不足：

由於強磁場的原因，MRI對諸如體內有磁金屬或起搏器的特殊病人不能適用。重建方法略複雜。

4、Positron Emission Tomography （PET）正電子發射斷層掃描

PET技術是目前唯一的用解剖形態方式進行功能、代謝和受體顯像的技術，具有無創傷性的特點並能提供全身三維和功能運作的影象。正電子發射計算機斷層掃描既是醫學也是研究的工具。在腫瘤學臨床醫學影像和癌擴散方面的研究方面有著大量的應用。

準備工作：

進行掃描前，人們使用半衰期較短的放射性示蹤劑同位素（或稱為

顯影劑

，如氟化脫氧葡萄糖，其放射性同位素為氟-18，常用於腫瘤成像），其衰變過程會放射出正電子，將其透過化學反應置換到生物體容易代謝的分子裡，然後把它注射入生物體內（通常進入血液迴圈）。人們需要等待一段時間，使該分子進入生物體的代謝系統中（常用的氟化脫氧葡萄糖，糖類的一種，一般等待時間在一個小時左右）並集中於需確認的器官，然後將實驗物件或患者安置在影像掃描器上。

原理：

當注射到人體內的放射性同位素經歷

正電子放射

衰變時（又稱為正電子的β衰變），它釋放出一個正電子（即一個電子相對應的反粒子），在經歷了幾個毫米的旅行後，正電子將會與生物體中的一個電子遭遇併產生電子對湮滅，產生一對湮滅光子，以兩個511keV的伽馬射線的形式發射能量，被光敏感的光電倍增管或雪崩光電二極體捕捉到。

$\begin{gathered} { }_{9}^{18} \mathrm{~F} \rightarrow{ }_{8}^{18} \mathrm{O}+{ }_{1}^{0} \mathrm{e}+\mathrm{\nu} \\ { }_{1}^{0} \mathrm{e}+{ }_{-1}^{0} \mathrm{e} \rightarrow 2 \gamma \end{gathered}$

應用：

PET可用於腫瘤學診斷。在進行這種檢查前，會先為受試者注射顯影劑氟化脫氧葡萄糖（18F-FDG）。氟化脫氧葡萄糖是一種葡萄糖的類似物。相比普通的葡萄糖分子，氟化脫氧葡萄糖的一個羥基基團被氟的放射性同位素氟-18取代，因此具有放射性，會持續向外放出正電子。因為二碳位上的羥基被氟原子取代，氟化脫氧葡萄糖進入細胞被磷酸化後，不能被進一步代謝；又因帶有電荷，也不能透過細胞膜上的通道蛋白運出細胞。因此，一旦氟化脫氧葡萄糖進入細胞，在氟-18衰變前，較長時間內都會以磷酸化形式留在細胞內。癌細胞對葡萄糖的消耗量較高，因此，如果受試者體記憶體在癌細胞，在注射氟化脫氧葡萄糖後，癌細胞會攝入相對多的氟化脫氧葡萄糖。由此，利用PET檢測出訊號強（放射性強）的部位就可能存在癌細胞。根據得到的檢測結果，就可以達成對惡性腫瘤的診斷。

5、Single Photon Emission Tomography （SPET）單光子發射斷層掃描

單光子發射層析成像是一種與PET非常相似的技術。同位素比PET同位素有更長的半衰期（約為小時的量級），而且它們不需要回旋加速器。使用的示蹤劑發射直接測量的伽馬輻射。

原理：

將放射性核素顯影與CT的三維成象技術結合在一起，可以顯示不同層面內放射性同位素的分佈圖象。SPECT是以普通γ射線為探測物件，所使用的放射性同位素能放出單光子，這些核素由原子反應堆產生，在衰變過程中發射出單方向的γ光子。

6、Optical Imaging （OI）光學成像

特點

：

微觀：解析度高，成像深度和視場範圍有限。只能區域性觀察。

宏觀：成像深度深、視場範圍廣，非侵入原位觀察。解析度較低。

光學成像發展史

總結：各個成像方式的對比

$\begin{array}{ccccccc} \hline \text { Property } & \begin{array}{c} \text { Soft tissue } \\ \text { Contrast } \end{array} & \begin{array}{c} \text { Imaging } \\ \text { depth } \end{array} & \begin{array}{c} \text { Spatial } \\ \text { Resolution } \end{array} & \begin{array}{c} \text { Nonionizing } \\ \text { radiation } \end{array} & \text { Function } & \text { Cost } \\ \hline \text { X-ray } & \text { Poor } & \text { Excellent } & \text { Excellent } & \text { No } & \text { None } & \text { Low } \\ \text { MRI } & \text { Good } & \text { Excellent } & \text { Good } & \text { Yes } & \text { Excellent } & \text { High } \\ \text { PET } & \text { Poor } & \text { Excellent } & \text { Poor } & \text { No } & \text { Good } & \text { High } \\ \text { US } & \text { Poor } & \text { Scalable } & \text { Scalable } & \text { Yes } & \text { Good } & \text { Low } \\ \text { OI } & \text { Excellent } & \text { Good } & \text { Mixed } & \text { Yes } & \text { Good } & \text { Low } \\ \hline \end{array}$