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最近一期國際權威的科學期刊《自然》(Nature)上有一篇簡短的報導,
標題是「What a contrast!」, 可直譯為「多麼強烈的對比!」,
該文所報導的不是事物的矛盾現象或對比,
而是關於最近幾年科學界對X光的使用所達到的嶄新境界。
這個X光成像的革命,最重要的部分是影像對比機制的更新,
也就是所謂的相對比(phase contrast)的使用。
從X光,到相對比X光
世界上大多數的物質,幾乎都是不透明的。因此,對人的視覺而言,我們所看到的世界,多半只是事物的表面或表象,也就是二度空間的。但是其實生命構成的基本結構如胺基酸、蛋白質,直到細胞、組織及器官,都是三度空間的。如果我們不能透視進去,那麼我們對生命現象的了解,就只能得到片面的訊息。
觀察深藏於生命內部結構的透視方法,目前為止最被普遍使用的探測源仍非X光莫屬。X光自一百多年前由Rontgen發現以來,就被用來探索人類肉眼見不到的神祕內部世界。醫生用來檢查動物體內組織結構的正常與否,保安人員用來檢查包裝內部是否有危險物品,都是常見的例子。這些應用共通的特點,就是既要能透視內部,又不損傷物體,這也是X光有別於其他大多數「內視」觀測技術之處。但以傳統方式利用X光透視,其解析度相當有限。例如在用X光照相做乳癌篩選時,其所能檢視出的腫瘤大小尺寸越小(越早發現),可治癒的機率越高。新的X光成像技術,已較目前醫院用的設備提高數十倍以上,只不過要使用較佳的X光光源以及較精密的顯微成像設備。」
傳統X光成像一直是以物質吸收係數的不同,作為成像的對比基礎。而相對比X光成像(phase
contrast radiology)顯微術,則進一步利用物體對X光的折射率差異,針對物體的邊緣來加強成像的對比。過去這種成像方式之所以未受重視,最主要的原因是缺乏合適的高品質光源。一般傳統的X光源缺乏造成干涉現象所需的光源相干性,但新世代同步輻射光源的發展,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夠相干性的X光光源,進行相對比成像的分析與應用。
利用基本光學原理,我們發現絕大部分的邊緣對比強化現象,其成因不是繞射,卻可以由光束穿過不同折射率物質邊界時的折射現象來解釋。而且由邊緣折射現象所產生的對比強化,其所需的光源條件比繞射更低——幾乎所有同步輻射光源皆「合格」而可進行此項應用。
此外,因為對相干性的低度要求,相對比X光成像可使用多色光觀察。這個特性對使用同步輻射光源特別有利,因為同步輻射光源本身就是屬於多色光。由於用分光器來選取單色光會大幅降低X光的亮度約一百至一千倍,因此使用多色光的X光成像技術,遂直接帶來了百倍以上的效益。
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