※ [本文转录自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 标题: 转贴文章--多麽强烈的对比! 时间: Fri Mar 19 10:36:16 2004 多麽强烈的对比! 近年来科学界对X光所达到的崭新境界 2004.3.14　中国时报 胡宇光（中研院物理所研究员） 最近一期国际权威的科学期刊《自然》（Nature）上有一篇简短的报导， 标题是「What a contrast!」， 可直译为「多麽强烈的对比!」， 该文所报导的不是事物的矛盾现象或对比， 而是关於最近几年科学界对X光的使用所达到的崭新境界。 这个X光成像的革命，最重要的部分是影像对比机制的更新， 也就是所谓的相对比(phase contrast)的使用。 从X光，到相对比X光 世界上大多数的物质，几乎都是不透明的。因此，对人的视觉而言，我们 所看到的世界，多半只是事物的表面或表象，也就是二度空间的。但是其实生 命构成的基本结构如胺基酸、蛋白质，直到细胞、组织及器官，都是三度空间 的。如果我们不能透视进去，那麽我们对生命现象的了解，就只能得到片面的 讯息。 观察深藏於生命内部结构的透视方法，目前为止最被普遍使用的探测源仍 非X光莫属。X光自一百多年前由Rontgen发现以来，就被用来探索人类肉眼见 不到的神秘内部世界。医生用来检查动物体内组织结构的正常与否，保安人员 用来检查包装内部是否有危险物品，都是常见的例子。这些应用共通的特点， 就是既要能透视内部，又不损伤物体，这也是X光有别於其他大多数「内视」 观测技术之处。但以传统方式利用X光透视，其解析度相当有限。例如在用X光 照相做乳癌筛选时，其所能检视出的肿瘤大小尺寸越小(越早发现)，可治癒的 机率越高。新的X光成像技术，已较目前医院用的设备提高数十倍以上，只不过 要使用较佳的X光光源以及较精密的显微成像设备。 传统X光成像一直是以物质吸收系数的不同，作为成像的对比基础。而相对 比X光成像(phase contrast radiology)显微术，则进一步利用物体对X光的折 射率差异，针对物体的边缘来加强成像的对比。过去这种成像方式之所以未受 重视，最主要的原因是缺乏合适的高品质光源。一般传统的X光源缺乏造成干涉 现象所需的光源相干性，但新世代同步辐射光源的发展，已能大幅提高光源亮 度及相干性。於是，研究者乃能使用具有足够相干性的X光光源，进行相对比成 像的分析与应用。 利用基本光学原理，我们发现绝大部分的边缘对比强化现象，其成因不是 绕射，却可以由光束穿过不同折射率物质边界时的折射现象来解释。而且由边 缘折射现象所产生的对比强化，其所需的光源条件比绕射更低--几乎所有同步 辐射光源皆「合格」而可进行此项应用。 此外，因为对相干性的低度要求，相对比X光成像可使用多色光观察。这个 特性对使用同步辐射光源特别有利，因为同步辐射光源本身就是属於多色光。 由於用分光器来选取单色光会大幅降低X光的亮度约一百至一千倍，因此使用多 色光的X光成像技术，遂直接带来了百倍以上的效益。 台湾、韩国、瑞士团队建功 前述相对比显微技术的发展，可归功於台湾、韩国以及瑞士三地所组成的 研究团队。这个团队一方面快速将此显微技术发展至简易可行的境界，同时也 与中钢公司、大同工学院等其他国内外研究单位合作，进一步拓展应用此项技 术於不同的研究领域。相关的研究成果，除已在2002年5月於《自然》杂志上发 表研究成果外，上星期出版的《自然》杂志也再度对此项技术在血管造影方面 的贡献，主动作了相当的报导。 应用优点1.：直接观察物体内部微小的深层结构 应用简化的成像机制，再配合同步辐射X光源，除了可大幅提昇X光照相的 解析度外，同时并缩短了取像所需的曝光时间。撷取速度的提升不只是单纯的 节省了实验的时间而已，更重要的是它开启了许多前所未见、匪夷所思的研究 可能性。由於相对比X光成像可以在极短的曝光时间下(千分之ㄧ秒内)，取得 解析度远比传统X光照相高出数千倍的动态影像，故可用以直接观察物体内部 微小的深层结构。 例如，我们目前成功取得活体细胞三度空间的活动影像、以及几近即时显 微断层重建等，这些都是熟悉X光功能的专家所无法想像的应用。此外，利用 显微技术透视电镀槽，也可直接观察电镀时镀膜中微小缺陷的形成过程，发现 针状的金属锌竟然可以在看似不导电的氢气气泡表面上成长，而形成镀层微观 缺陷。 应用优点2.：高诊疗准确度、大幅降低辐射剂量 除了提供材料科学研究一个高速、高解析度非破坏性的显微工具外，相对 比X光显微技术还有更广泛的用途。譬如在医疗上，高解析度和高成像对比可以 提前检测出初期肿瘤及其伴随的组织变化，以达到高诊疗准确度及时效性。同 时，这个技术也可大幅降低X光照相和断层扫描的辐射剂量，这点也是使用同步 辐射光源进行医疗用乳房诊断摄影的主要依据。 应用优点3.：不需注射显像剂 利用相对比的即时高解析度X光显微成像技术，我们也证实了优越的相对比 可以直接观察到动物体内的血管及微血管，而创造了不需显像剂(contrast agent) 的血管造影术。显像剂的注射是心脏血管造影术造成病患死亡的最主要原因， 如能避免使用，将可有效降低致命率及病患接受手术时的痛苦。对细微血管的 直接观察，也对肿瘤诊断、阻截(其形成时会伴随大量微血管滋生)等医学研究， 有相当的助益。 在未来几年间，预期此项研究的重点将在於继续提高显微影像的解析度、及 取像的速度。利用尖端的微结构制造方式，制造出具有高解析度以及聚焦放大等 功能的X光透镜，而可望将X光显微技术的解析度，再提高十倍以上，达到可直接 观察奈米结构的程度。将来，配合高速的取像及X光优异的透视功能，可使X光显 微术进入奈米科技及微观动态的世界。 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

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