科普:X光、CT和核磁共振的工作原理是什麼?

無論對球迷還是球員來說，最怕聽到的就是「傷病」二字了。但職業足球乃至於職業運動員的運動強度又決定了，他們的職業生涯幾乎不可能避免傷病。在足球比賽當中經常出現這樣的畫面，球員倒地不起，擔架進場——這意味著球員的傷相對較重。這時候去到醫院第一件事情，就是要先檢查運動員傷到了哪，才好對症下藥。

那麼問題來了，什麼醫療檢查設備最適合檢查自己的傷情呢？目前，用於職業球員檢查傷病最多的三個設備分別是X光、CT和核磁共振。這三個醫療檢查設備的名字普通民眾也不陌生，但大多數人對它們的了解也僅僅局限於「名字」。X光、CT和核磁共振的工作原理是什麼？他們有什麼區別、檢查的側重點有何不同？讓我們來一起了解一下。

【X光：將人體骨骼投射到同一個平面上進行成像】

世界科學發展歷史有一個慣例，誰發現一個全新的「東西」，他自然而然就成為那個「東西」的命名者，後人也有直接用科學家的名字命名新發現的慣例。例如牛頓發現了「牛頓定律」，後人直接用他的名字命名這一定律。「X光」這個名字來源同樣如此，它是發現者、德國物理學家W.K.倫琴發現並命名的，後人又把這一射線成為稱為倫琴射線。

倫琴為什麼主觀上把這一射線命名為X射線？其中「X」的意思，和東野奎吾小說《嫌疑人X的獻身》中X是一樣的意思，就是「很神秘、無法了解、不為人知」的意思。物理學家倫琴就是因為自己發現的射線不為人知且神秘，因此有了這個命名靈感。

在《聊齋志異》中有一個神話，一個嶗山道士擁有穿牆而過的本領。這其實和X光診斷人體疾病的原理一樣。太陽照在我們身上，身後會有影子是因為陽光沒法射穿人體；而X光由於它天生的物理特性，真的能夠「穿牆而過」，自然而然，它也可以穿透人體。放射科的醫生正是派X光這個特使，從這一端進那一端出，「看看」人體究竟發生了什麼病變？

這個所謂的「看看」，又涉及到了X光的物理特性。醫院當中X光檢查的過程當中，主要用到了它的穿透作用、差別吸收、感光作用和螢光作用。其中，穿透作用和差別吸收主要用在檢查這個環節，而感光作用和螢光作用主要用在檢查結果的成像環節。

所謂「穿透作用」，就是X光能夠穿人而過的本領。X光能夠穿人而過，是因為它本身自帶的能量很大，照在人體上時，僅有部分被人體吸收，大部分沒被吸引就從人體的原子間隙穿過。「吸收差別」也是X光醫學檢查的重要因素，人體骨骼、肌肉在X光穿過時，對X光的吸收量有顯著差別，這樣當醫療設備射出的X光是衡量時，另一端感應器接收到的X光射線量就出現相對差別。

我們日常看到的X光片子，就是黑白一片。「一片黑白」當中隱藏的奧秘，正是來自於X光的感光作用和螢光作用。當X光照射到如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅鎘等物質時，這些特定物質就會散發出螢光。螢光的強度與X光射線量成正比。醫院中的X光檢查設備用於感應檢查結果的設置，正是用X光照到會發散螢光的特定物質做成。

這樣一來，衡量的X光穿透過人體射線量已經出現差異，另一端結果感應器上的螢光強度也出現對應的差異。這種螢光強度的差異，再根據相關影像技術的轉換，最終就呈現出片子上黑白顏色的差異。

骨骼對於X光射線量的吸收較大，所以片子當中骨骼的顏色幾乎是白色，而肌肉的吸收量較小，所以呈現為黑色。

舉兩個例子說明一下醫生怎麼通過「黑白色差」判斷病情：

一、比方說某患者小腿出現明顯骨折，那他骨折處對X光的吸收量就與周邊骨幹呈現出明顯對比，骨折處就會出現一條明顯的黑色裂痕。再者，醫生也會通過白色「畫成」的骨幹是否有異常變形做判斷。

二、部分患者並非因為骨折去拍片，而是因為骨頭裡進了異物。要想通過手術取出來，首先得準確判斷異物在骨幹精確到毫米的位置。醫生怎麼判斷呢？異物在骨頭內對X光的吸收量不同，那個點就會與周邊骨幹呈現出明顯色差，一般是白色的骨幹當中出現明顯的黑點。通過這一異常醫生就可以鎖定異物位置。

萬事萬物都有它的兩面性，X光有便於人類檢查身體的物理特性，同樣，它也有著可能對人體造成無法估量的損傷的物理特性。一提到X光檢查，部分患者會下意識產生抵抗心理，隨後可能脫口而出以下幾個詞：輻射、癌症。

長期接受X光的電離輻射，確實可能對人體造成自主神經功能紊亂、造血功能低下、晶狀體渾濁、精子生成障礙、甚至誘發腫瘤等重大疾病，但是，萬事萬物都有一個量和度的問題。

進行一次普通的X光檢查會給人造成多大的輻射？接受一次普通X光檢查的輻射量不超過0.1豪西弗（衡量輻射量的單位）；一個自然人在自己的生活環境當中，一年下來受到太陽、地球、手機等等的總輻射量約為2.4個豪西弗。

對比下來，一次X光檢查根本不會對人體健康造成明顯影響。

【CT：掃描更具立體感，解析度更高】

在X光機被廣泛用於醫療領域前，醫生要想仔細洞察人體內的病變幾乎只有一種方法——用手術刀切開人體。這種檢查和治療為一體的醫療方式，成本和風險都極高。X光機給醫生檢查多種疾病帶來了便利，但很快新的困惑就到來：由於人體內有些器官對X線的吸收差別極小，因此X射線對那些前後重疊的組織的病變就難以發現。

CT正是在這樣的醫學背景下被研發。CT根本的檢查和成像原理與X光相同，但二者最根本的區別在於，X光是將人體的一個或者多個器官投射到同一個平面上進行成像；CT是將人體的一個器官或者多個器官進行一層一層的掃描。

要解釋這一點首先還是讓我們從「CT」這個名稱入手。「CT」的中文全稱為「電子計算機斷層掃描」。這個所謂的「斷層掃描」可以這樣理解，在人體的患病部位截取一個長方體，然後再把這個長方體依據不同的層厚與層距分為若干個小長方體進行分別掃描。

這項技術相比X光的突破在哪裡呢？X光把前後重疊的肌肉、骨骼、器官全部投射到同一個平面上成像，這就涉及到相互遮擋等問題。這就像你要看一個人的背影，可只有一張正面的照片一樣。所以X光的拍攝當中，有患者經常碰到醫生要求從不同角度拍攝。

（圖）腦部CT片

從X光到CT的突破和進步，我們可以廣義的理解為：醫生從一個長方形到從一個長方體看病變區域的突破。

除了維度的差別之外，CT另一個重要的進步和突破，在於對病變區域解析度的差別。舉例說明，人體相當的軟組織對於X光的吸收量，與水對X光的吸收量很接近。成年人人體體重水佔比高達70%，這樣一來X光就很難在軟組織和人體水分上最終呈現出「黑白色差」——軟組織的病變就很容易被忽略。

攝影機要想發現狹小區域內更多的細節，通過什麼手段解決呢？增加相機的像素。CT為了發現人體狹小區域的病變，也是增加了CT機器的「像素」。第一代CT機只有1-2個探測器，第二代30個探測器，第三代300-800個，第四代1000-2400個。這就像相機的像素越來越高一樣，CT機的更新換代，意味著新一代CT機對於螢光細微的差別更加敏感，呈現效果更加清晰——狹小區域的病變細節也就更容易被看到。

由於CT的密度解析度高，所以軟組織、骨與關節都能顯得很清楚。除了解析度更高之外，CT機的又一項重大突破，是可以將各個部位對於X光吸收的差異直接量化。所謂的CT值就是對差異的量化，醫生對於病變的判斷因此更加準確。

但是，CT相比X光也有它的劣勢。檢查的過程由平面到立體，局部解析度要求更高，這就要求患者接受機器掃描的時間更長，身體接受X射線的輻射量也就更大。一般的X光片檢查只需要零點零幾秒，CT掃描一般要經過5分鐘左右，快的也要2分鐘，人體曝光在X射線中的時間更長，電離輻射量也更大。一次普通胸部CT的輻射量大約為6.9豪西弗，這已經大大超過人一年的自然輻射量2.4豪西弗。短期內做多個位置、同一位置反覆做CT輻射量更大。

【核磁共振：功能強悍，無輻射】

1946年,美國科學家珀賽爾和布洛赫同時獨立地發現了核磁共振現象。因此,他們兩人共同榮獲了1952年諾貝爾物理學獎。這是核磁共振現象用於醫療領域的前提。

怎麼通俗易懂的解釋核磁共振現象呢？大家可以想像在一塊場地上有若干個鐵陀螺在旋轉，它們旋轉的方向、速度各不相同。並且這些陀螺可以準確設定旋轉方向和速度，這兩個因素可以保持恆定。這時候突然在場地兩邊加上一個磁場，鐵陀螺原本恆定的旋轉方向和速度，會因為磁場的強度和方向而改變。並且在改變旋轉速度和方向的同時，鐵陀螺會吸收和自己頻率相同的電磁波，吸收的電磁波可以逐漸使每一個鐵陀螺的能量相同，這時候所有的鐵陀螺旋轉的方向和速度就會呈現出一致性——這就是所謂的核磁共振現象。

但一旦取消給場地施加的磁場，場地上所有的鐵陀螺又會恢復到他們被設置的旋轉方向和速度，這個過程當中他們會將在磁場當中吸收的能量釋放出來。

為什麼我在解釋核磁共振現象時，要設置「每一個鐵陀螺自身的旋轉速度、方向不同並且可以保持恆定」這個前提條件，因為我們人體就是由很多個這樣的「陀螺」組成的：肺細胞的原子核有自己特定的旋轉方向、速度（並且恆定），心臟細胞、肝臟細胞、腎臟細胞同樣如此。

（圖）核磁共振機機構圖

成年人體體重水佔比達到70%，這意味幾乎每一個人體器官當中都有水這個元素。1個水分子由2個氫原子和1個氧原子組成——人體內含有大量的氫原子，每個氫原子都有自己的氫核。

上文所述的「小陀螺」，精確到人體內的就是氫核。心臟、肝臟、腎等等每一個器官內氫核的旋轉速度、方向都不一樣。把人體放置在均勻磁場內，這些氫核會吸收電磁波的能量，最終能量達到一致而發生共振——這就是人體內的核磁共振。

當均勻磁場撤離後，每一個器官釋放出的能量各不相同，核磁共振的成像原理，正是通過感應器官釋放出的能量不同而得出結果的。

醫生怎麼根據所謂「釋放的能量不同」而診斷病變呢？

（圖）膝蓋核磁共振片子

健康的每一個相同器官，經過核磁共振後釋放出的能量是相同的。每個器官都有一個核定健康的「能量值」。當患者完成核磁共振之後，醫生正是通過比對患者的「能量值」與標準能量值的差異來判斷病變與否。

還是舉兩個例子說明：

一、醫學上有器官水腫或者器官積水這兩種說法，怎樣通過核磁共振判斷是否水腫或者積水呢？一旦某個器官積水或者水腫，器官內的水分子肯定會增多。它共振時吸收的能量越多，釋放並且被感知到的能量也越多——成像上可以通過能量異常，判斷器官的水分子數量明顯增多，從而確定該器官積水或者水腫。

二、器官發生病變一般意味著水分子周圍環境狀態和在整個器官結構當中的位置發生變化，這也會引起核磁發生共振所吸收的能量發生量變。這也是醫生判斷器官內部環境是否發生病變的標準之一。

（圖）一張腦部核磁共振成像，它為醫生提供了更多角度

「橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同」，蘇軾用來描寫廬山的名句，其實很多時候也可以用來形容病變區域。對病變區域的觀察，橫看、側看、上看、下看對結果都有著不同影響。醫生要想全面、細緻的了解病變區域的「全貌」，就要求檢查手段能夠提供不同方向的成像。

核磁共振的一個巨大技術突破，就是可以對人體進行橫斷面、矢狀面、冠狀面三維任意角度切層，這就保證了醫生只要有需要，可以從任何角度觀察病變區域。除此之外，沒有電離輻射也是核磁共振的一大優勢。

【檢查側重點不同，都各有優劣】

其實大多人更關心的問題是，我到底應該拍什麼？事實上，三個檢查設備的側重點各有不同，也都各有優劣。

X光一般是初篩，對體內異物的直觀診斷。對於有移位骨折、有骨質改變的骨病、關節部位骨性病變、不透光異物存留、心肺器質性疾病、消化系統梗阻等疾病有很好的診斷價值。X光的優點是對於骨幹病變的診斷，但對於體內的軟組織檢查沒有太多效果。

醫院裡一般都是這個程序，X光沒拍出來的，醫生會建議再拍CT。最適於CT檢查的病是腦部疾病，其中對腫瘤、出血及梗塞等病檢查效果最好，其次是腹部實質臟器的佔位病變，如肝、脾、胰、腎、前列腺等部位的腫瘤，對乳腺、甲狀腺等部位的腫塊也能顯示並做出診斷；再次則是對胸腔、肺、心腔內的腫塊，脊柱、脊髓、盆腔、膽囊、子宮等部位的腫塊檢查。

（圖）拜仁隊醫沃爾法特表示，通過核磁共振檢查出來的結果一半都不準確，往往會誇大病情。

核磁共振檢查的範圍、準確率都比X光、CT強大，這也是為什麼核磁共振很貴的原因。核磁共振在骨骼、肌肉和器官的檢查上都有相當的價值，並且核磁共振的核心優勢是對軟組織的檢查更準確——這也是足球運動員肌肉拉傷、韌帶損傷等疾病都拍核磁共振的原因。此外，核磁共振對顱腦、脊柱和脊髓等的解剖和病變的顯示，也比CT更好。

至於具體到什麼病例適合拍什麼，還得具體案例具體分析。說白了，還是老老實實聽醫生的話。