話題有點偏了,倫琴在 1895 年注意到的不是陰極射線本身,而是他意外發現即使用厚紙板包住克魯斯克管,似乎還有種看不見的未知射線跑出來讓管外的鉑氰化鋇(Ba[Pt(CN)4])跟著發出螢光。而且倫琴後續做了許多詳細的測試,確定了導致這個現象的不是陰極射線(例如這未知射線不會被磁場改變方向,但陰極射線會)而是一種新的未知的射線,並把它叫做 X 射線。
在倫琴之前其實已經有很多物理學家對於克魯斯克管的研究紀錄中都有 X 射線造成的現象,但他們都沒對它深究,錯過了這項世紀大發現。
現在我們知道 X 射線的產生是因為陰極的高能電子撞到陽極後,電子被迫緊急煞車,能量繼續傳遞下去但有多餘的動能以電磁波的形式釋放出來,這個現象稱為「制動輻射(bremsstrahlung)」,或是被翻譯成「煞車輻射」。而且至今也沿用倫琴取的 X 射線這個稱呼,想了解更多倫琴發現 X 射線的故事,可以看看這篇《物理雙月刊》的文章。
當時倫琴做了許多測試,其中他還用 X 射線拍了一張他老婆的手的照片,成了人類史上第一張 X 光照。由於 X 光是波長非常短的高能量電磁波,具有非常強的穿透力,但隨著我們體內結構的密度不同,吸收的 X 光強度就不同,因此含有大量的鈣和磷等元素的骨骼會阻擋 X 光,讓照出的影像出現「影子」,這就是 X 光造影的原理。
細心的讀者可能會發現,倫琴的這張照片是正片,因為既然骨頭會遮擋 X 光,應該是由沒有骨頭的部分讓底片上感光的溴化銀還原成黑色的奈米銀,可見倫琴還將它特別洗成正片。但我們平常看到的 X 光照是保持負片的狀態,不會特地再洗成正片,不只是為了看久眼睛比較不會疲勞,白色的影像也更容易凸顯病灶,讓醫師比較容易一眼看出問題。
X 光可以穿過皮膚讓骨頭成像的特性實在是一個革命性的發現,在當時馬上就被應用在醫療上,甚至還有被引進清朝,被人們稱為「照骨術」。倫琴也在 1901 年因為這個發現獲得了第一屆諾貝爾物理學獎。
基本上 X 光現在主要用來看骨頭或腫瘤等等這種非常緻密的結構,但要看到其他內臟也是可以只是相對沒那麼清晰,除非額外施加壓力來提升組織的緻密程度,例如乳房造影(mammography)就得夾胸才能照,但會讓病人感受到一定程度的痛楚。
為了更清楚地看見除了骨頭以外的其他內部構造,後來陸續有了各種改良技術,像是在底片塗上螢光染料來間接成像的「螢光透視攝影(fluoroscopy)」,X 光會打在螢光染料上轉換成可見光,再對它的訊號放大,就可以大幅降低 X 光的照射量,也就可以讓病人照更久,拍攝實時的動態影像;還可以利用注射或直接喝下顯影劑來觀測消化道內顯影劑的流動情形,因為顯影劑會含有原子序大的元素(例如碘和鋇)讓 X 光不易穿透,因此增強影像的對比。
經過了一百多年的改良,儘管 X 光的輻射的確有造成細胞病變的風險,但現在的儀器讓你暴露的輻射量已經非常低,平常太陽對地球本來就有一定的輻射,你坐飛機到高空時受到的輻射都比照一次 X 光還來得高,所以除非你天天照 X 光(醫院當然不可能讓你這樣做),不然其實是不用太擔心它的輻射量的(身為讀醫學科學的我還想補充一下:就算真的不小心造成幾顆細胞的基因突變,人體也有修復突變序列的機制,甚至是讓受損細胞自行凋亡)。
現今的超音波診斷主要用在腹部,畢竟腹部不像頭部有顱骨的阻擋,或是肋骨之前的乳房。超音波和 X 射線的差異在於它是頻率較高的聲波,不像 X 射線是容易穿透組織的電磁波,所以我們不是看超音波的影子,而是像聲納一樣去偵測他的回音。也因為他是聲波需要仰賴介質傳遞,我們要極力避免因為介質不同而造成嚴重的反射,所以現在的超音波診斷儀器會在皮膚上塗凝膠並在探頭表面包橡膠,來降低交接面的阻抗差異。偵測到的回音大小取決於碰到的物質,吸收的超音波越少反射的超音波越強,在電腦就顯示越白的畫面。
超音波的優勢在於他的成像在固體和液體之前的辨識相當明顯,不像 X 光在軟組織或內臟也會很容易穿透。還有它幾乎對人體不會有任何危害,所以才被廣泛運用在胎兒的成像。但缺點在於超音波在空氣中會嚴重散射,在骨頭又幾乎全被反射回來,所以充滿空氣的肺部,或是幾乎被骨頭完全包覆的大腦和脊髓,裡面的影像會看不清楚。想清楚看見顱骨底下的大腦,還是得另闢蹊徑。