2016年7月4日

超解析超音波影像

作者/林宮玄(任職中央研究院物理研究所。 )

受2014 年諾貝爾化學獎「超解析度螢光顯微鏡」的啟發,超音波影像的解析度也突破繞射極限而變高,成為醫學診斷上的利器!

什麼是繞射極限?
只要是波,就會有所謂的繞射極限(diffraction limit),其成像系統的解析度約為波長的二分之一。譬如可見光波長在400奈米(10-9公尺)到700奈米左右,因此200奈米是一般光學顯微鏡解析度無法突破的瓶頸。而電子顯微鏡,利用電子來成像。電子的物質波可由電子的動量來得到(λ =h/p),動能或動量愈高則波長愈短。在2伏特電壓之下,電子的動能相對應的波長就已經小於1奈米,一般利用動能在1000電子伏特以上電子成像的顯微鏡,繞射極限小於0.001奈米,所以電子顯微鏡影像解析度是系統設計好不好的工程問題,而不是物理本質上的先天限制。

 以音波所形成的影像因此也有繞射極限。人類耳朵可聽到的聲波頻率介於20Hz ~20kHz
(20000赫茲)之間,因此頻率大於20kHz 的聲波稱為「超音波(ultrasound)」。超音波可以安全的穿透到人體裡面,因此利用超音波影像技術,醫生可以不需要開刀,而診斷病人的肝臟、腎臟等器官,也可以看到孕婦子宮內的胎兒是否發展健全。醫用超音波影像的聲波頻率,在2MHz(2000000赫茲)到15MHz 之間。人體內的組成主要是水,水的聲速約1500公尺/秒,根據「聲速」等於「頻率」乘以「波長」,2MHz 及15MHz 所對應到的繞射極限約為375微米及50微米左右,頻率愈高,則解析度愈高。

光學顯微鏡解析度可以比1微米還小,難道不能用光學顯微鏡來診斷嗎?其實光能穿透人體的深度很淺,圖一顯示了目前常用在醫學影像的技術,大致上影像解析度愈好,能看到人體內的深度就愈淺。由於技術上的先天限制,我們必須選擇不同技術來診斷不同問題。頻率愈高、波長愈短的超音波,進到人體內的深度也愈低。所以看皮膚的超音波影像,可用較高頻的超音波,得到高解析度。但是要取得深入體內幾公分的超音波影像,譬如檢查乳房是否有惡性腫瘤,就必須犧牲解析度,使用比較低頻的超音波。......【更詳細的內容請見科學月刊第559期】

圖一:目前常用在醫學影像的技術,大致上影像解析度愈好,
能看到人體內的深度就愈淺。

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