【番外篇】X光、超声、CT、MRI——通俗讲解医学成像原理

孟想成真

你是否在面对超声、CT、MRI、PET这些名词时感到不明觉厉？为什么会需要这么多种不同的成像技术？
看到“核磁”这种名词时，是否觉得有种要被辐射的恐惧感？
当你发现病还没开始治就已经花了一千多的时候，是否困惑做个检查为什么这么贵？
这篇文章将用最通俗易懂的语言为你科普医学成像技术的基本知识，解答你心中的疑惑。


一、常见医学影像技术的原理
本质上，各种医学影像技术的目的就是一点——看到人体内部的样子。没有透视眼的我们靠肉眼观察肯定做不到，这是因为可见光的穿透力太小。因此，我们需要找到一些能够穿透人体的东西。于是，科学家和工程师们使出了浑身解数，发明了各种“奇技淫巧”：
1. X射线成像
我们知道，光子的波长越短，光子能量越高，通常穿透力也越强。既然波长几百纳米的可见光穿透性不够，我们就来点强悍的——波长几纳米的X射线。
X射线的发现纯属意外。话说兴趣广泛又不缺经费还有妻子陪着做实验的人赢科学家伦琴于1895年意外发现了一种能使黑屋中的胶片感光的未知射线，不知道这是什么的他把它命名为“X射线”。这东西会有什么用呢？好奇的伦琴作死地用X射线照了妻子的手。震惊！他居然看到了她的骨骼：

伦琴妻子的X光片，据称是世界上第一张X光片原来，X光能够穿过人体组织，但是穿过不同组织的时候，射线会受到不同程度的吸收。比如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，通过不同人体组织后的X射线量也就不一样，于是胶片上的亮暗就反映了人体密度分布的信息。
因此X光成像原理非常简单，X射线从一端发出，穿过人体后，在另一端被探测器接收，接收到的直接就是一张二维图像，因此快捷又便宜。我们去医院拍X平片的时候，图像都是瞬间采集完成的。

X射线成像原理

一张典型（大雾）的X光图像

2. CT
准确讲，我们常见的CT其实应该被称为X ray-CT，它使用的还是X光，只是多个一个“Computed Tomography（CT，计算断层成像）”，也就是用了一种新的成像方式而已。
我们看上边那位潮男，会发现他本应立体的鼻子在这张二维图像上完全叠在了一起，因为这是一张投影图，X光信号全部累加在了一张图上。这时候如果某处有个病灶，我们根本看不出来它的深浅位置。
如果我们想看像切西瓜那样的一层一层的断面图呢？
仅从那一张图显然是不可能的。但是如果我们获取很多很多不一样的图，理论上便有了复原出断层图的可能。
CT的方式就是从不同角度去拍摄图像。我们每旋转一个角度就拍摄一次，然后利用大量不同角度拍到的投影图，用数学算法反计算出一个断层面图像，从而可以看到每一个断面的图像。这便是计算断层成像。

上图是一台CT扫描仪和它的内心世界。实际扫描如果旋转患者就太折腾了，于是攻城狮们选择让CT仪的发射和接收器自己绕着病人转起来。

头颅CT的各个断层重点来了，X光的一大缺陷在于，它是有辐射的！尤其是CT，它在每一个角度都要拍摄一次，一次扫描下来吃的剂量也不算少了。因此，对于X光片、CT可不是扫扫更健康，电离辐射接受多了是有癌变的风险的。但也不必过于恐慌，X光和CT的剂量都是经过论证、控制在可接受范围以内的。能不能扫、该不该扫，如果拿捏不准，记住四个字：谨遵医嘱。


3. 超声
超声波是除了X射线之外的另一种有穿透力的东西。超声成像就是通过发射和接收超声波来实现成像的。由于不同人体组织对于声波的阻抗不同，在不同组织之间的交界处会发生不同程度的透射与反射。通过分析反射信号，我们也能够获得体内的组织结构信息。
超声仪要比其他几种机器小巧不少，扫描时技师手握一个探头，想看哪里扫哪里。相比于X射线和CT，超声波对人体没有损伤，因此常用于产检。超声的穿透力不如X光等， 因此更适合浅表组织的扫描。超声成像虽然图像看起来略渣渣（信噪比低），但是它时间分辨率高，也就是说，可以实时地拍视频，而不是半天才扫出几张照片，因此可以扫跳动的心脏。另一个厉害之处是，超声能够测出血流流速等功能参数，对于一些血管疾病的诊断意义重大。

超声扫描仪和典型的血管超声图像（颜色代表流速和流向）

4. MRI
终于来到了我最爱的MRI。MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）图像质量好，能够成三维断面像，且没！有！辐！射！更神奇的是，MRI非常灵活，通过设计不同序列，可以成出各种不同类型的图像。它既可成各种不同对比度的结构像（长什么样呈现什么样），也可成出功能像（看血流、灌注情况甚至氧摄取率等功能参数），可谓功能强大。有的病变在一种图像中看不清，换另一种模式看可能就会非常清晰。仅有的缺点大概就是——贵、慢、吵。还有要注意的是，MRI有一个超级强的磁场，因此不能带非钛质金属进入。所以如果病人体内植入了某种上古时期的含铁钢板或者非兼容的起搏器，就只能和MRI无缘了。
吹完了一波MRI，简单说一下它的原理。MRI的原理较其他技术更为复杂，它基于原子核的核磁共振现象。以氢原子核为例，当它们被置于强磁场当中时，会分裂成高能态和低能态两个态。这时候如果我们打一个射频脉冲，许多原子核会从低能态跃迁到高能态，而脉冲结束后，原子核们又会逐渐恢复到原本的低能态，并释放出电磁信号。而关键就在于，有的原子核（水中的氢原子）恢复得很慢，有的原子核（如脂肪中的氢原子）恢复得很快，因此就产生了可以用于成像的有对比的信号。
打个更通俗的比方，你可以把各种原子核理解成班里的孩子们。为了区分出他们，你这位残忍的老师选择抽他们一鞭子（温柔点骂他们几句也可以），这时候孩子们哭着倒在了地上，但慢慢地他们又爬了起来。你会发现，坚强的孩子率先站了起来，脆弱的孩子却只能缓慢爬起，于是你只需挑选一个他们站立程度差异最大的时候，拍一张照，就可以获得一张具有对比的图像了。
MRI同样是断层成像，重建原理和CT稍类似，因此它也长成了类似于CT的大筒筒模样，不仔细看会傻傻分不清。更多MRI相关的有趣话题我会在下一部分介绍。这里直接抛出一张新鲜出炉的MRI图像吧：

MRI扫描仪和胸部血管成像图

5. 小结：
以上的解释如果还觉得复杂，这里引用一下丁香医生曾经的吃瓜版解释：

X光检查，就是给瓜拍个透视照挑瓜；
CT检查就是把瓜切成一片一片看瓤挑瓜；
B超检查，就是拿手拍一拍瓜，听个回声挑瓜；
磁共振检查，就是拿起瓜摇一摇，再观察挑瓜。

（https://www.zhihu.com/question/53315862）





二、MRI的相关问答
这一章中，我将选择其中最为酷炫的MRI，回答几个大家最常见的问题。
Q1：核磁共振。。这玩意儿有辐射吗？对身体有没有伤害？
每当我介绍到自己是在Radiology系（放射系）搬砖时，对方脸上总会流露出或疑惑或惊恐的表情，仿佛对面是一个站在磁暴线圈下的辐射工兵。这个“核磁共振”和核辐射有关系吗？
当然没有！MRI主要依赖的是强磁场和射频脉冲，只是利用了原子核的磁共振现象，并没有任何与核辐射相关的东西。事实上，医学MRI领域为了摆脱这一误解已经做出了很多努力。最初MRI叫NMRI（Nuclear），即核磁共振成像。而如今，为了照顾人们谈核色变的情绪，突出这一检查技术不产生电离辐射的优点，放射学家和设备制造商决定把“核磁共振成像术（NMRI）”删减为“磁共振成像（MRI）”。
至于强磁场和射频脉冲对人体有没有潜在的伤害，领域内有很多专门针对MRI安全性科研组研究这一课题。迄今可以负责任地下的结论是——no evidence of harm（没有证据表明有害）。当然，这并不意味着evidence of no harm（有证据表明无害）。不过要知道，逻辑上是没有途径能够证明一个事物是evidence of no harm的。所以目前大可放心，MRI比CT和X光要安全得多。
然而，不得不提的是，虽然MRI本身对身体没有伤害，但是MRI的相关的安全事故却是时有发生，有些甚至致死。原因就在于，MRI扫描仪有一个1.5~3特斯拉的超强磁场。这是个什么概念呢？要知道，1特斯拉=1万高斯（1工程师=1万数学家？），而我们熟悉的地磁场通常在0.5-0.6高斯左右。因此，这是一个强大到你从未见识过的磁场，它强大到这种程度：

把轮椅推进MRI扫描间的后果（直接飞向扫描仪，根本拔不下来）因此，千万不要携带任何金属物品进入MRI扫描室，否则轻则物品报废，重则会变身凶器，造成安全隐患。我的一些粗心带了手表手机进了扫描间然后不能使用了的同学就深深体会过这种被强磁场支配的恐惧。
具体的安全细则医生都会耐心嘱咐你，你所需要做的还是那句话：不要调皮，谨遵医嘱。

Q2：成本：
对于MRI的收费，总能看到这样的问题：

对此我曾经回复过这么一个段子：

花几百元让一位理发师和一位经过几个月训练的理发店技师用某种成分明确的化学药剂和一些你学你也会的技术烫个头发不觉得贵。
花几百元让一位医学博士毕业的影像科医生和一位既要懂医学又要懂物理原理的影像科技师用价值几千万元每天维护成本就要上千元凝聚了5个诺贝尔奖和无数人智慧结晶的高科技仪器为你的健康做一次MRI扫描觉得贵。
不禁想起了“拿手术刀的不如拿理发刀的”那句话。。

虽是玩笑，也是事实。针对MRI高昂的成本来说，国内几百上千元的收费真的不贵了，和美国$2000起的收费来说更算得上是良心价了。而这样的低价是以医学工作者低回报的辛苦付出为代价的，所以还希望大家对医学工作者多一分敬重，为了自己的健康，花这个钱很值啦。
Q3：有什么科技含量？
一次MRI检查其实可以算作是一次亲身接近现代尖端科技的体验。一台MRI扫描仪上的每个环节都可以说来自于各自领域的顶尖科技。在文章的最后，请允许我稍带学术气息地科普一下MRI的相关黑科技：
之前提到，仅和MRI直接相关的诺贝尔奖就有5个，它们是：
第1次，美国科学家Rabi发明了研究气态原子核磁性的共振方法，获1944年诺贝尔物理学奖。
第2次，美国科学家Bloch（用感应法）和Purcell（用吸收法）各自独立地发现宏观核磁共振现象，因此而获1952年诺贝尔物理学奖。
第3次，瑞士科学家Ernst因对NMR波谱方法、傅里叶变换、二维谱技术的杰出贡献，而获1991年诺贝尔化学奖。
第4次，瑞士核磁共振波谱学家Kurt Wüthrich，由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究，而获2002年诺贝尔化学奖。同获此奖的还有一名美国科学家和一名日本科学家。
第5次，美国科学家Paul Lauterbur于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，从而可以得到物体的二维图像；英国科学家Peter Mansfield进一步发展了使用梯度场的方法，指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。他俩因在磁共振成像技术方面的突破性成就，获2003年诺贝尔生理学和医学奖。


而除了最基本的核磁共振物理理论上的突破之外，MRI的实现有赖于多个不同领域的科技进步。比如能够制造出这么强的磁场，依赖于低温超导技术，其背后又蕴含了理论物理、材料科学、电气工程等多领域的尖端科技；冷却超导线圈需要的液氦，依赖于液氦的开采和提炼技术，其生产一直被美国垄断；而MRI所使用的编码成像技术、图像的采集和重建算法，都来自于数学上的理论突破。剩下的则是大量工程上的研发，比如，MRI之所以能成出各种不同对比的图像，有赖于工程师在脉冲序列上的各种精妙设计；主磁体和各种不同类型的发射接收线圈都需要硬件工程师精心的设计和调试；最近火热的人工智能领域也给图像的后处理技术注入了很多新的活力。MRI的各个环节汇聚了大量不同领域科研工作者的心血。它并非一项单独的技术，而是多个学科融合后的结晶。
因此，高端医学成像仪器的研发难度相当大，至今全球能真正玩转MRI的公司，主要也就GE，Philips，Siemens三家，俗称GPS。如今中国也在奋起直追，已经有数家厂商能够生产MRI扫描仪，并且得益于国家的大力扶植，发展非常迅速。

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/181835442
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