日报标题：我们从医院拿到的各种医学成像结果，都有哪些意义呢？
谢钧，尼古拉谢·奥斯特洛夫斯钧
长文慎入！多图杀猫！
前言
在知乎混迹许久，一直想写写自己的老本行。奈何一直找不到合适的机会。直接原因有很多，例如各种上课、考试、实验，etc.，根本原因么，其实就是懒……所以即使最近仍然比较忙，还是决定开始动笔写写医学成像方面的内容，毕竟不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海（虽然好像也算不上什么江海……算一瓶 1.5L 的可乐吧……）。
说到现代医学成像，相信许多知友都不陌生。胸片、B 超、CT 甚至是 MRI，在国内的各大医院都已经较为普及。那么，问一个最简单的问题，我们为什么需要医学成像呢？以及，我们从医院拿到的各种医学成像结果，都有哪些意义呢？
对于一个患者而言，医生需要清楚地了解病人体内到底出了什么状况（当然浅层的皮外伤不算）。中医有望闻问切，西医发展了自己的解剖学及各种生理参数的检查。但是，仅凭简单的皮外探查与患者自述，对于许多疾病仍然难以确诊，因此各大中医院也都相继引入了现代医学诊断技术。西医方面虽然以外科手术见长，辅以各类检查如活检、血常规、尿检等，然而手术对人体伤害较大，且各类检查难以确定病变的具体部位。因此，我们需要能够在对病患伤害较小或无伤害的前提下，了解他们体内的生理结构与病变部位的方式。
可是，我们的肉眼是看不到体内的结构与病变的，因为可见光的穿透力太小，在人体组织内衰减极快。一层薄薄的眼睑就能让你轻松面对太阳而不被亮瞎，要利用可见光范围内的电磁波去探查数十毫米乃至数十厘米深度的人体内部组织结构，几乎是不太可能的。但是科学家与工程师们发明了各种奇技淫巧来解决这个问题：
1. 内镜
内镜的原理最为简单：既然从外面看不到，那咱就从里面看。
将一根能够传递光路的导管通过各种人体孔道，我们就能够从体外直接观测到体内的组织结构与病变。听起来很简单，然而内镜技术已经整整发展了近两个世纪，直至今日仍然不是一件让患者及医护人员那么舒心的检查。即使是胃镜，患者的也时常会因为本能的口腔反射，想要试图将进入食道的外来异物呕出，导致检查过程十分痛苦。更别说会对许多患者造成心理阴影的肠镜与阴道镜。目前前沿的研究正在尝试胶囊内镜，具有不错的潜力，能够大大降低患者的痛苦。但是目前并不实用，并且在成像清晰度、具体成像部位及分辨率与传统内镜相比有着较大的限制。例如，对于肝脏、肾脏等实质性器官（就是人家是实心的不是空心的），内镜就完全无能为力了。
上图即为肠镜的简单示意图（来源：肠镜检查_benxu_新浪博客）。不知道你们看了觉得怎么样，我反正看的都疼。
2. X 射线成像
既然可见光的穿透性不强，那咱就来点强的咯……
可见光是波长在 400~760nm 之间的电磁波。根据公式，光子能量 ，其中 c 为光速，h 为普朗克常数，
为波长，
为频率。简而言之，就是波长越短，光子的能量越高，大致上而言穿透性也越强。既然几百纳米的波长太长，那就来点几纳米的：X 射线。下图是电磁波光谱的一个简单示意图（来源：百度百科）。
X 射线最初由威廉·伦琴于 1895 年发现的。传言是伦琴意外发现了在黑屋中的胶片感光了。在排除阴极射线的可能性后，他认为这是一个“未知”的射线，于是命名为 X 射线。并且在强烈的好奇心驱使下，他作死地用 X 射线照了照自己的手，发现能神奇地看到骨骼……因此 X 光成像便被广泛用于观察骨骼直到现在。传说这张就是伦琴给自己老婆拍的第一张 X 射线照片：
为什么我要说“作死”二字，我将会后面 X 光与 CT 章节详细描述 X 射线的危害。
至于 CT，其全称是 Computed Tomography，即计算断层成像。目前医院当中主要以 X 射线为主，所以这里将以 X-CT 为例来介绍 CT 技术。
我们已经知道，X 射线可以穿透人体，看到不同的组织。医院当中的 X 光机，就如下图：
X 射线从一端发出，穿过人体后，在另一端被探测器接收，如同照相一样。但是这样我们只能获取二维的信息。至于结果当中各个组织在人体内的深度就无从得知了。那么，当我们需要获取三维的信息，就必须要从不同的角度去看。就比如帅帅的霍建华，既要有完美的正脸，也要有无瑕的侧颜，这样看起来才有立体感：
但是在检查的时候，让患者保持固定速率稳定旋转还是不太靠谱的。于是，攻城狮们想出了这样一个主意，叫“大风车吱呀吱悠悠地转……”CT 机呢，也就长成了这个模样，左边是其外观，一个巨大的圆圈环绕着床位；右边是将其外壳打开之后的内部结构，都是可以转的哟。
在整个转子当中，包括了 X 射线发射器与接收器。在转子旋转的过程中，从不同的角度拍下患者的照片，最终通过算法处理获得病人体内的 3 维结构信息。超声 CT、γ射线 CT 的本质没有太大的不同，不过是将成像的方式由 X 射线成像换成了超声与γ射线，其用于重建图像的具体算法都是相似的，我们将会在下一章节进行展开。
3. 超声
X 射线成像的方式，是将射线从人体的一端射入，在人体的另一端接收透射信号，以此来探测人体内部的信息。但是信号在物质表面，不仅存在着透射，还存在着反射（以及散射，由于散射角度不可控，不方便探测接收，因此一般不予以考虑）。
由于不同人体组织对于声波的阻抗不同，因此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。超声成像就是利用这个特性，进而实现对人体内部的探查。超声波从探头发出，在人体内部发生反射之后，沿原路返回探头。通过分析返回信号的强度与延迟，就能分析出不同深度的组织分布。
相较于其他成像方式而言，超声最为明显的优势就在于对人体没有损伤。因此多用于产检，最大限度降低对孕妇及胎儿的伤害。当然，超声的缺点也比较突出。首先超声在人体内衰减较快，检测范围有限；另外，超声需要避开骨骼、肺部（具体原因见之后的超声章节），适用区域也有限；而且声波波长远大于 X 射线，容易发生衍射，成像分辨率较差。
可能会有童鞋问：既然声波有这么多缺点，那能不能用电磁波来实现呢？答案是肯定的，其中典型的例子就是 OCT（Optical Coherence Tomography，相干光断层成像），正好是鄙人目前的主攻方向。该部分内容将在之后的医学成像未来发展的章节中具体介绍。
4. MRI
MRI （Magnetic Resonance Imaging）核磁共振成像，目前是医学成像中一个非常火热的话题，无论是在临床应用还是科研方面都是相当的炙手可热。相较于内镜，它的检测范围大，不痛苦，成像质量高；相较于 X 光与 CT，它没有辐射，可以做功能成像（fMRI），软组织对比度高；相较于超声，它分辨率高，无死角，可以获取三维信息。MRI 几乎是完美的代名词。非得要说几个缺点，可能就是贵、慢、跟吵了，或者不适于某些存在幽闭恐惧症的患者。
核磁共振现象最早于 40 年代由 Bloch 跟 Purcell 各自发现，并因此获得了 52 年的炸药奖。核磁共振指的是对于一些磁矩非零的原子核，例如 1H、13C、15N 等，我们能够通过对它们施加磁场，使得它们能够吸收特定频率的电磁辐射跃迁到高能态。其具体成像技术将会在后面的 MRI 章节中详细讲述。需要提醒的是，MRI 部分的理论与其他部分相比稍微有点复杂，大家最好要掌握基本的大物电磁学部分的姿势才能在这一章节谈笑风生。
另外，MRI 可能还是唯一一个需要“安检”的医学成像检查。因为在 MRI 的检测过程中，患者周围的磁场强度是以特斯拉（T）为单位的。要知道 1 个特斯拉等于 1 万高斯（看上去特斯拉好像比高斯厉害很多的样子(*/ω╲*)）；而自然界中，地磁场在两级最高也不过 1 高斯，太阳黑子也不过 0.4 特斯拉。而目前 1.5T、3T 等等的 MRI 已经较为常见。在如此强的磁场下，任何金属物品都不能进入 MRI 的磁场屏蔽间，否则很容易就会出现下面的场景：
5. 未来发展
长江后浪推前浪，技术永远是要面临革新的。目前在科研领域，已经有许多新兴的技术尝试着为我们提供更清晰、更高效、更全面的医学成像服务，例如 OCT、多光子、共聚焦等等。然而，从发明一项技术，到真正应用于临床，却是一个极为漫长的过程。从多期动物实验，到临床实验等等，几乎所有我接触过的与医疗设备研发相关的人员都曾吐槽过这些繁琐而严苛的审查机制。然而正是因为严格的把关，我们普通民众才能安心地躺在病床上，任由那些奇奇怪怪的装置扫来扫去（说的有点迷之尴尬呃）。
在这第一篇当中，我以自己个人的理解对现代医学成像做了一个粗浅的概括。欢迎大家继续关注接下来的一系列文章。在后面的文章当中，我将会深入介绍各种成像技术的物理基础、图像重建等具体细节。我将会尽力将内容讲的通俗易懂，但是某些章节如 MRI，将不可避免地需要大家掌握一些基本的数理基础。请感兴趣的童鞋做好预习工作及心理准备。
参考文献
[1] Macovski, Albert. Medical imaging systems. Prentice Hall, 1983.
[2] Cho, Zang-Hee. Foundations of medical imaging. Wiley-Interscience, 1993.
[3] Beutel, Jacob, Harold L. Kundel, and Richard L. Van Metter. "Handbook of Medical Imaging, volume 1: Physics and Psychophysics." (2000).
[4] Bushberg, Jerrold T., and John M. Boone. The essential physics of medical imaging. Lippincott Williams & Wilkins, 2011.
[5] Sprawls, Perry. Physical principles of medical imaging. Aspen Publishers, 1987.
[6] 高上凯. 《医学成像系统》.（第 2 版）清华大学出版社 2010 年.
[7] 张泽宝. "医学影像物理学." 北京: 人民卫生出版社 (2000).