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2016-07-01超解析超音波影像
559 期
Author 作者
林宮玄／任職中央研究院物理研究所。
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。
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。
螢光影像如何突破繞射極限？
是否有方法，可以取得人體深處的超音波影像，又可以得到高解析度？愈高頻的音波，進到人體內的深度愈淺，這個自然界法則，目前還無解。但是較低頻的音波影像，卻有可能可以突破繞射極限，得到解析度比「二分之一波長」 還小的超解析影像。......【更多內容請閱讀科學月刊第559期】