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• 醫用超音波的頻率範圍集中在1 ～ 20 百萬赫，能輕易到達深層組織，但影像解析度差，臨床上難以觀察到細緻的組織結構。
• 光學影像利用光的穿透、反射、散射、折射、吸收進行成像。由於光的波長比超音波短，因此能看見較清晰的影像，但可見深度較淺。
• 光聲效應是指當光線週期性的照射物質時會發出聲音，且聲音的頻率和強度會受到發射光影響，目前多應用於活體血管成像。

光學和聲學是大家日常生活中常見的兩大物理量，在人類早期的歷史中就被發現和應用，然而一直到近代這兩項技術才漸漸被引入醫學領域作為重要的診斷和治療工具。技術發展成熟後，科學家們開始觸及這兩大學門的先天物理極限。為了突破這些限制，兩大物理量間的協作和交互作用也開始被探索和研究，並嘗試導入醫學領域中。以下就來簡介一些常見於生物醫學領域中的光學與聲學應用。

醫用超音波

超音波（ultrasound），泛指頻率高於人耳能聽到的頻率範圍（20 ～ 20000 赫茲，Hz）的聲波。自然界中許多動物如海豚、鯨魚、蝙蝠等，都能夠發射超音波到周圍的空間，藉由接收回波訊號重建自己與周圍空間中的障礙物和獵物相對位置，如此一來就能夠在缺乏光線的深海或洞穴中移動和捕食。

20 世紀中葉，科學家開始研究超音波的機制，將超音波運用到空間成像和治療上，並在1970 年後發展成醫學診斷和治療中不可或缺的工具。醫用超音波的頻率範圍大多集中在1 ～ 20 百萬赫（MHz），由於超音波的波長在組織中不易發生散射和衰減，因此能夠輕易到達深層組織，使醫用超音波影像擁有良好的使用深度（可探測深度約10 公分）。然而也因為波長較長，超音波的影像解析度通常較差，因此在臨床上難以觀察到細緻的組織結構。常見的醫用超音波影像有用來觀察胎兒的胎兒超音波，以及用來觀察血流流速的都普勒超音波（Doppler ultrasound）。

另外，超音波產生的機械效應和熱效應也能被用在臨床治療上。例如利用高強度聚焦超音波（highintensity focused ultrasound, HIFU）進行腫瘤熱燒灼治療、超音波碎石機進行結石清除，甚至是牙科醫師使用的洗牙器也是借助超音波的力量來清除牙結石。

醫用光學

光學影像是利用光的基本物理特性，如穿透、反射、散射、折射、吸收等進行成像。像是血液會在影像中呈現紅色是因為白光中紅色光的波段會被反射，但其他的波段會被吸收，使我們能觀察到紅色；又例如我們能用顯微鏡觀察到水中的微生物，是因為水體本身能被光穿透，但微生物會阻擋光，所以牠在影像中就會呈現黑色。

利用光的這些特性，許多光學成像技術如顯微成像、內視鏡（endoscope）、眼部光學同調斷層掃描（optical coherence tomography, OCT）等開始被應用於醫學診斷中。由於光的波長相較於超音波來說更短，能夠讓影像擁有更高的解析度。然而也因為波長較短，組織中的蛋白質和脂質會使入射光產生強散射，使重建後的影像模糊不清，因此光學影像的適用深度通常僅約一毫米（mm）。另外，光學系統同樣也能夠用於治療，例如以雷射手術治療近視、光熱療法（photothermal therapy）切除腫瘤等；但同樣會受到光散射的影響，基本上仍無法應用在深層組織。

前面提到超音波擁有優秀的組織穿透能力，但影像解析度受限；而光學影像則是擁有卓越的影像解析度，但卻因為組織中的強散射現象，應用被侷限在組織表層。如果將超音波與光學影像結合呢？這些先天的物理極限很難在各自的領域中有顯著性突破，為了獲取雙方的優勢並降低各自的劣勢，光學和聲學間的跨領域研究，例如將光聲效應（photoacoustic effect）應用於醫學影像的技術開始被提出，試圖敲開各自領域中的物理限制。

什麼是光聲效應？

光聲效應最早於1880 年被蘇格蘭出生的美國籍加拿大發明家貝爾（Alexander Bell）發現，他在實驗中發現當光線週期性的照射吸光物質時會發出聲音，而且聲音的頻率和強度會受到發射光影響。……【更多內容請閱讀科學月刊第635期】