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自从冠状病毒 Covid-19 流行以来，我们经常要量体温。量体温用的是红外线技术。有时候测量的是脸上或身上的某一点，有时候测量的是整个面部，那就是红外成像。红外成像是医学影像技术中的一种。
如图 1 所示，红外线（infrared）的波长比可见光要长，比红外线波长更长的有太赫兹（Terehertz）、微波（microwave）和射频电波（radio）。这些波段里的电磁波都有加热的效果（heating effect），我们日常用的微波炉就是一例。本文介绍几个利用这些波段的医学成像技术：红外线成像、功能性近红外光谱成像，超声波成像、以及核磁共振。
图1，利用不同波长中各种技术
一、红外线成像
红外线最早是由威廉·赫歇尔（Frederick William Herschel， 1738—1822）发现的。威廉·赫歇尔出生在德国，19 岁时移居英国。他生长在一个音乐世家，本人也是个音乐家，移居英国后以教授音乐为生。后来他读到一本制作望远镜的书，对此产生了浓厚的兴趣，并开始自己动手制作望远镜。经过几年的努力，他制造出了当时世界上最好的天文望远镜，并渐渐地在科学界里出了名。英国是岛国，终年多有阴雨，观测天文实在不易。他抓紧一切机会观测，甚至整夜不眠。经过多年的努力，他发现了天王星。在太阳系中，人类肉眼可见只有金木水火土五个行星，从来没人想到还有别的行星。天王星的发现震动了全世界。他还提出要把天王星命名为乔治之星，让刚刚失去美国的英王乔治三世（King George III, 1738—1820,1760—1820 在位）大为高兴。英王特意给他授勋，并任命他为*用御**天文学家（图 2）。但由于科学家们的反对，天王星最后按古希腊神话中的神祗定了名。赫歇尔勤奋工作数十年，今天我们所说的星系与星云都是他提出来的。他使天文学从服务于历法变为寻找宇宙起源，对现代科学做出了巨大贡献。
赫歇尔透过不同颜色的玻璃片来观察太阳，他发现有些玻璃片透过的光很少，但有些玻璃片透过的光很多，以至于几秒钟内就会灼伤眼睛。他用三角棱镜分出太阳光谱时发现在红光外的地方温度更高，因此他断定红光外还有看不见的光线。他把这个光线叫做“发热的射线（Calorific Rays）”，这就是红外线了。今天我们知道在太阳的光中，紫外线占 6.8%，可见光占 38.9%，红外线最多，占 54.3%。
威廉·赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔（John Herschel,1792—1871）也是著名天文学家。他在剑桥大学毕业后不久就写出了简化微积分方法的文章，并入选为英国皇家学会院士。他曾远赴南非观测南半球的星象，记录了 6 万 8 千多个星星。他注意到油膜在热的影响下会生成图像，他把这种图像叫做“热像（Thermograph）”。这个名词一直沿用至今。
图 2，威廉·赫歇尔（左）与约翰·赫歇尔（右）父子
红外成像技术是在朝鲜战争（1950—1953）期间开发出来的。开始时是为了夜视。1956 年开始应用于医学影像。1960 年，美国发明了冷却前视红外照相机（cooled Forward Looking InfraRed cameras，FLIR）。其中有两个关键技术。一是镜头，二是红外探测器。镜头要将红外线聚焦到红外传感器上。常用的镜片材料包括锗(Ge)、硅(Si)和硒化锌(ZnSe)、及汞碲镉（HgCdTe）。这些材料对红外线非常敏感。另外，不同用途的镜头会 有不同的焦距。红外探测器或探测器阵列在很大程度上决定了红外成像的热分辨率和空间分辨率。目前有两种类型的红外探测器：热探测器和光子探测器。热探测器依靠红外辐射的热量触发探测器。光子或量子探测器直接探测热辐射在镜头上产生的光子。光子是电子从一个量子能级迁跃到另一个量子能级时产生的。为了确保探测器的敏感度，探测器还需要用氦气来冷却。目前，红外成像探测器的热分辨率可达 0.015℃，探测器阵列可达 1080 x 720，采样频率可达 120 赫兹。
红外线可细分为近红外线（波长在 780~2,526 纳米之间）和远红外线（3~100 微米）。近红外线常用于医学成像，远红外线主要用于物理治疗。
红外线成像技术在医学领域中具有广泛的应用（图 3），包括心脏功能检查（心脏血流情况分析）、中风风险分析（颈部动脉血流情况分析）、糖尿病早期诊断（手与脚末端血液循环情况分析）、肝脏检查等（图 4）。此外还有乳腺癌筛查，目前已开始逐渐代替基于 X 光检查的技术（mammogram）。
图 3，医用红外成像系统
图 4，利用红外成像进行医学诊断
二、功能性近红外光谱分析
功能性近红外光谱分析（functional Near Infrared Spectroscopy, fNIRS）。不同的物质吸收光的能力有所不同。这是约翰·赫歇尔首先发现的。他用实验证明，乙醇在红外光下的蒸发速率比在可见光下的蒸发速率要快。开创光谱分析的是瑞典科学家安德斯·安格斯特罗姆（Andres Jonas Angstrom, 1814⎯1874）和克努特·安格斯特罗姆（Knut Johan Angstrom，1857⎯1910）父子。两人都曾任瑞典名校乌普萨拉大学（Uppsala University）的物理学教授。安德斯·安格斯特罗姆首先为太阳光的光谱做了标定，克努特·安格斯特罗姆则证明不同的气体有不同的光谱。一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）都是由碳原子和氧原子组成，但却具有不同的红外光谱。这表明红外吸收光谱产生是由分子，而不是原子所确定。分子光谱学就是建立在这个基础上的。
近红外光谱分析仪是美国科学家卡尔·诺里斯（Karl Norris，1921—2019）发明的。读者也许还记得买鸡蛋的时候会对着灯光照照，检查的就是鸡蛋的吸收光谱。诺里斯在美国农业部研究所工作，他把一台紫外线光谱仪改装成了红外光谱仪，用来检查鸡蛋。这个工作还得到了时任美国总统艾森豪威尔（Dwight David Eisenhower，1890—1969）的支持（图 5）。接着他对各种水果、肉食进行光谱分析。为了提高效率，他还自己设计了一台高效的红外频谱仪。他的工作引领了红外吸收光谱的理论研究与实际应用，所以人称他是红外光谱分析之父。
图 5，艾森豪威尔（左起第 2 人）在观看诺里斯（右起第 3 人）的鸡蛋检测机
生物的构成非常复杂，因此光谱分析依赖于实验与建模。随着计算机技术的发展，专业的硬件与软件也越来越多。上世纪末，科学家们发现近红外线能够穿过人的头盖骨（skull），因此用近红外线可以测量大脑皮层的含氧状况与血液流动状况（图 6）。根据这一原理，多家欧美及日本的公司很快就开发出功能性红外线光谱仪（图 6（b））。这一技术具有安全、简单的特点，对神经系统疾病的诊断很有效。
图 6，功能性近红外光谱分析
三、超声波成像
声波与电磁波不同。电磁波是横向波（图 7（a）），横波的特点是光波振动的方向与波的传播方向相互垂直。拿着一条绳子上下抖动，波就沿着绳子向前运动。电磁波在真空中以光速（299792.458 千米/秒(km/s)）传播，在空气中传播会稍微慢些。声波是纵向波（图 7（b）），纵波的振动方向与传播方向相同。推拉一个打气筒的活塞，波就随着活塞一波一波地向前运动。声波在真空中无法传播，在空气中的速度为 340 米/每秒（m/s）。
图 7，横向波（transversal wave）与纵向波（longitudinal wave）
我们都熟悉声波（图 8）。人类能听到频率为 20 ~ 20,000 赫兹（Hz）（在空气中的波长为 0.017~17 米）的声音。比这个频率低的叫做次声（infrasound），比这个频率高的就是超声波了。
图 8，声波的分类，从低频（左）到高频（右）依次为次声（如地震）、可听声、超声（如无伤检测及声学显微）
最先发现超声波的是意大利博物学家拉扎罗·斯帕拉捷（Lazzaro Spallanzani，1729—1799）。斯帕拉捷对数学、逻辑学、文学、历史、地理都有贡献，对生物学的成就最大（图 9）。他研究蚯蚓和蝾螈断体再生，青蛙的体外受精。他还为一只狗做了人工授精，这是有史以来第一次。他做了一个著名的蝙蝠实验：他把几只蝙蝠的眼睛包了起来，发现这些蝙蝠可以在他拉上绳索的房间里自由飞翔，基本不受影响。接着，他把蝙蝠的耳朵包了起来，这时蝙蝠丧失了定向的能力，并经常会撞到障碍物上。他由此断定蝙蝠是用声音来定位的。今天，我们知道蝙蝠定位用的是频率为 20~80 千赫的超声波。
图 9，拉扎罗·斯帕拉捷
最先把超声技术用于医学诊断的是奥地利医生卡尔·西奥·达斯克（Karl Dussik, 1908—1968）。1948 年，他和同事们做出了第一台超声波医学影像装置。1951 年他移民去了美国，因为医院的工作十分繁忙，超声医学影像的研究又困难重重，他的研究就停顿了下来。但是他的工作带动了美国和日本多个团队的研发。经过十多年的努力，超声波影像仪终于获得成功。如图 10 所示，超声波影像系统发出一系列超声波脉冲（Txpulse），这些脉冲经过压电陶瓷传感器（piezoelectric transducer）发出超声波（ultrasound Tx wave），碰到*体器人官**形成回波（ultrasound Rx wave），回波由传感器接受（Rx pulse），再经过信号处理（signal process），最后显示在荧光屏上。由于传感器扫出的是一个扇形，所以在做超声波检查时，医生要拿着超声波探头在不同的位置、不同的角度多次扫描。近年来，计算机技术进步极快，3D(立体）的超声波影像与4D（3D+动态）的超声波影像也越来越多（图 11）。
图 10，超声波医学影像的工作原理
图 11，2 维（2D）、3 维（3D）与 4 维（4D）超声波图像
有一个问题：我们的手机用的频率包括 2G（890~954 兆赫，1710~1820 兆赫），3G（1880~1900 兆赫，2120~2025 兆赫），4G（1880~1900 兆赫，2320~2370 兆赫，2575~2635兆赫）或 5G（3300~3400 兆赫（室内使用），3400~3600 兆赫，4800~5000 兆赫）。这些频率都在超声的频率之中（图 1），我们能用手机来做超声波医学影像吗？
答案是不行的，手机通讯用的电磁波，不是超声波，所以不能用于医学影像。
四、核磁共振
核磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）成像用的是 64 兆赫 (MHz)的电磁场, 其相应的波长为 4.7 米。所谓核磁共振是使用强大的磁场，迫使人体内的质子与磁场对齐。当射频电场的脉冲穿过人体时，质子摆脱磁场的引力，自旋脱离平衡。当射频电场关断时，质子又重新按磁场的引力排列。这一过程所需要的时间及释放的能量取决于环境和分子的化学性质。据此可以区分出不同类型的人体组织。核磁共振技术是三代科学家工作的成果。首先是犹太裔美国物理学家伊西多·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi，1898—1988），他发现在磁场中的质子会沿磁场方向有序地平行排列，施加射频电波之后，质子会自旋翻转。这是对磁场与射频电场相互作用的最早认识。因此，他获得了 1944年的诺贝尔物理奖（图 12）。
图 12，伊西多·艾萨克·拉比
接着是美国科学家爱德华·米尔斯·珀塞耳（Edward Mills Purcell，1912 年—1997 年 3 月 7 日）。珀塞耳的母亲是一位物理学教师，后来转做电话公司的部门经理。所以珀塞耳从小就接触到了最新的电子设备。他从哈佛大学博士毕业后不久，第二次世界大战爆发，他加入了美国的“曼哈顿计划”。当时拉比在那里担任一个专项的主管。因 此珀塞耳因此结识拉比，有机会深入了解拉比的理论与技术。战后珀塞耳回到哈佛大学任教，并继续这方面的研究。不久他发现用一个磁场和一个交变的电场可以使一些物体产生共振。1952 年珀塞耳与瑞士裔美国科学家费利克斯·布洛赫（Felix Bloch，1905—1983）分享了诺贝尔物理学奖。布洛赫在斯坦福大学工作，他和珀塞耳几乎是同时做出了同样的发现。
最先做出核磁共振影像仪的有三人：雷蒙德·达马迪安（Raymond Damadian，1936⎯）、保罗·劳特伯（Paul C. Lauterbur，1929—2007）和彼得·曼斯菲尔德（PeterMansfield,1933—2017）。伊朗裔的美国人达马迪安自幼多才多艺，曾考入著名的茱莉亚音乐学校（Juilliard School of Music）学小提琴。后来转学医学，毕业后在在纽约州立大学工作。1971 年，他最先提出了利用不同细胞核磁共振特征不同的方法来诊断癌症，并且在《科学》杂志上发表文章宣称在小白鼠上做的实验已经获得成功。他的同事劳特伯看到了达马迪安的实验，认为实验精度太差，从而开始研究新的方法。1973 年，劳特伯在《自然》杂志上发表了他的梯度方法和实验结果。后来英国科学家曼斯菲尔德也提出了新的改进算法。曼斯菲尔德出生于一个平民家庭，小时候读书成绩并不出色。他立志要做一名工程师，他的中学老师却建议他去当工人。他在第二次世界大战后退役时，得到政府的资助上了大学，一直读到博士毕业。他在诺丁汉大学（University of Nottingham）找到一个教职。他工作勤奋，最终于做出获得了突破。
1978 年，达马迪安离开了纽约州立大学校自己创业。1985 年，他的公司推出了第一台核磁共振仪并在加州大学洛杉矶分校的医学中心开始使用，不过用的方法倒是劳特伯的方法。1988 年他与劳特伯同获美国国家科学技术奖。2003 年，劳特伯和曼斯菲尔德分享了诺贝尔医学奖，达马迪安却榜上无名。达马迪安公开向诺贝尔奖评选委员会申诉，但没有结果。此时核磁共振仪已经在全球推广应用（图 13），每年拍摄的核磁共振图像不下 7 千万张。
图 13，核磁共振仪，梯度线圈是根据劳特伯的方法设计，它生成一个具有梯度的空间磁场，分辨*体器人官**空间结构
下表是核磁共振与 CT 两者特点的比较。图 14 展示的是一张核磁共振图像及相应的CT 图像。你能分辨出哪一张是核磁共振图像吗？
随着科学技术的进步，医学影像也会越来越好。
图 14，左边是核磁共振图像，右边是 CT 图像
撰文：杜如虚
排版&编辑 | Mosh魔时
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广东科学中心「院士说」| 解密医学影像技术（一）
广东科学中心「院士说」| 解密医学影像技术（二）