歡迎來到非游離輻射成像！
在本章中，我們將探討醫生如何在不使用 X 射線或伽馬射線等「游離」輻射的情況下觀察人體內部。這點非常重要，因為非游離輻射方法通常安全得多，特別是對於未出生的胎兒等敏感對象。我們將會研究超聲波（Ultrasound）、內窺鏡（Endoscopy）和磁力共振掃描（MRI）。別擔心這些名字聽起來很複雜——我們會一步步為你拆解！
1. 超聲波成像
超聲波利用高頻聲波（高於人類聽覺範圍，通常在 20,000 Hz 以上）來創建影像。可以把它想像成蝙蝠利用聲納在黑暗中看東西！
聲阻抗（Acoustic Impedance，\(Z\)）
當超聲波觸碰到兩種不同組織之間的邊界（例如脂肪與肌肉之間）時，部分聲波會反射回來，部分則會穿透過去。反射的比例取決於一種稱為聲阻抗的特性。
聲阻抗的公式如下：
\(Z = \rho c\)
其中：
• \(\rho\) 是物料的密度（單位為 \(kg \: m^{-3}\)）
• \(c\) 是聲波在該物料中的傳播速度（單位為 \(m \: s^{-1}\)）
邊界反射
在邊界處反射的聲波量取決於兩種物料之間的阻抗差異。我們使用強度反射係數（Intensity Reflection Coefficient，\(\frac{I_r}{I_i}\)）：
\(\frac{I_r}{I_i} = \left( \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} \right)^2\)
類比：想像你從一片草地跑進游泳池。水的「阻抗」遠高於空氣，所以你的速度會突然減慢。在物理學中，如果兩種物料的阻抗差異很大，幾乎所有的聲波都會反射回來；如果它們的阻抗相似，大部分聲波就會穿透過去。
快速回顧：為什麼要用耦合劑（Coupling Gel）？
空氣和皮膚的阻抗差異非常大。如果沒有塗抹耦合劑，幾乎 100% 的超聲波都會在皮膚表面反射，完全無法進入身體。耦合劑的阻抗與皮膚相近，就像是聲波的「橋樑」。
壓電裝置
我們是如何產生和接收這些聲音的呢？我們使用了壓電晶體（Piezoelectric Crystal）（例如石英）。
1. 產生：當我們向晶體施加交流電壓時，它會以相同的頻率震動，從而產生超聲波。
2. 偵測：當反射回來的超聲波（回音）撞擊晶體時，會使其受壓。這種擠壓會產生一個電壓，由電腦記錄下來。
A-掃描與 B-掃描
• A-掃描（振幅掃描，Amplitude scan）：這是最簡單的類型。它產生一個顯示反射強度隨時間變化的圖表，主要用於測量距離，例如眼球的直徑。
• B-掃描（亮度掃描，Brightness scan）：這是用來創建二維影像的。螢幕上點的「亮度」代表了反射的強度。透過移動探頭，電腦可以構建出一幅完整的圖像，例如胎兒的超聲波影像。
重點總結：超聲波安全（非游離輻射）且能提供實時影像，但其解像度比 X 射線低，且難以穿透骨骼或空氣。
2. 光纖與內窺鏡
內窺鏡是一條長而靈活的管子，讓醫生無需動手術就能觀察身體內部（如胃部）。它運作的原理是全內反射（Total Internal Reflection, TIR）。
運作原理
光線沿著玻璃纖維傳輸。由於玻璃纖芯（core）的折射率高於周圍的包層（cladding），光線會在纖維的內表面不斷反射，即使纖維彎曲，光線仍會被困在纖維內部傳輸。
兩種光纖束
醫生在同一內窺鏡中使用兩種類型的光纖束：
1. 非相干光纖束（Non-coherent Bundles）：這些纖維的排列是雜亂無章的。它們製作簡單且成本低，主要功能是將光線傳入體內以照明。可以將其視為一根靈活的手電筒。
2. 相干光纖束（Coherent Bundles）：這些纖維在兩端的相對位置保持完全一致。這一點至關重要，因為它容許圖像被傳送出來。如果胃部那一端的「左上角」纖維對應到目鏡端的「左上角」，醫生就能看到清晰的影像。
你知道嗎？內窺鏡還可以配備「工作通道」，放入微型工具進行活檢（採集組織樣本）或進行激光手術！
重點總結：內窺鏡利用全內反射來傳輸光線和影像。相干光纖束是「攝錄機」（有序），而非相干光纖束是「照明燈」（無序）。
3. 磁力共振掃描（MRI）
MRI 是最先進的影像診斷工具之一。它使用強大的磁場和無線電波，非常適合檢查大腦等軟組織。
檢查過程（逐步拆解）
如果一開始覺得很困難也不用擔心！只要記住這些步驟：
1. 對齊：病人被放置在強大的超導磁鐵中。這會使體內的質子（氫原子核）的自旋方向與磁場平行對齊。
2. 進動（Precession）：質子不會靜止不動，它們會圍繞磁場線「搖擺」。這種搖擺稱為進動。
3. 激發（Excitation）：掃描儀會發送短暫的射頻（RF）脈衝。如果該頻率與質子的進動頻率吻合，質子會吸收能量並翻轉其自旋狀態。
4. 弛豫與訊號：當射頻脈衝停止後，質子會翻轉回原來的狀態。在這個過程中，它們會發出自己的射頻訊號。
5. 影像形成：這些訊號被線圈偵測並由電腦處理。由於不同的組織（如脂肪與水）所含的氫原子濃度不同，它們發出的訊號也不同，電腦藉此構建出三維圖像。
什麼是梯度線圈（Gradient Coils）？
為了知道訊號來自身體的哪個位置，掃描儀使用了梯度線圈。這些線圈會輕微改變人體各處的磁場強度。由於進動頻率取決於磁場強度，身體的每一個「切片」都會對應到略微不同的射頻頻率。這讓電腦能將訊號對應到精確的位置。
常見誤區：學生常以為 MRI 因為是大機器就使用游離輻射。事實並非如此！它使用的是無線電波，其能量極低，屬於非游離輻射。
重點總結：MRI 利用磁鐵使質子對齊，並透過無線電脈衝使其發出訊號。它在沒有輻射風險的前提下，能為軟組織提供極高清晰度的影像。
總結複習
超聲波：最適合檢查胎兒和活動中的器官。利用聲波反射與壓電晶體。
內窺鏡：最適合觀察空腔器官（胃/腸）。利用光纖束中的全內反射。
MRI：最適合檢查大腦和軟組織。利用磁鐵、旋轉的質子和無線電波。