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115年:放射治療(1)

下列影像儀器中，何影像的訊號量和電子密度相關？ ①US ②PET ③CT

A②③
B僅②
C僅③
D①③

詳細解析

本題觀念：

醫學影像儀器的成像原理各有不同，其影像中的「訊號量」或「對比度」代表著人體組織不同的物理或生理特性。本題旨在測驗放射師是否清楚各影像儀器（超音波 US、正子造影 PET、電腦斷層 CT）訊號產生的底層物理機制，特別是哪一種儀器的訊號與組織的「電子密度 (Electron density)」直接相關。

選項分析

  • ① US (Ultrasound)：錯誤。超音波影像的訊號來源是聲波在不同組織交界面上的反射與回音 (Echo)。反射強度取決於兩組織間的「聲阻抗 (Acoustic impedance)」差異。聲阻抗 ZZ 定義為組織物理密度 ρ\rho 與聲速 cc 的乘積 (Z=ρ×cZ = \rho \times c)，而聲速主要受到組織的彈性與可壓縮性 (Compressibility) 影響。因此，超音波影像反映的是組織的聲學與力學特性，而非電磁輻射交互作用下的電子密度。
  • ② PET (Positron Emission Tomography)：錯誤。PET 影像的訊號來自於人體內放射性示蹤劑（如 18^{18}F-FDG）衰變時所釋放的正子 (Positron)。正子在組織中移動極短距離後，會與組織內的電子發生互毀作用 (Annihilation)，產生一對 511 keV 的加馬射線 (Gamma rays) 被偵測器接收。影像上的訊號量 (Signal intensity) 代表的是放射性藥物在該區域的局部濃度與分佈（反映出組織的葡萄糖代謝、血流或受體結合力等生理活性）。雖然互毀作用需要電子的參與，但人體組織的電子數量遠大於正子數量，因此互毀作用的頻率完全取決於示蹤劑濃度，與組織原本的電子密度分佈無直接關聯。
  • ③ CT (Computed Tomography)：正確。CT 的影像訊號基礎是 X 射線穿透人體時的「線性衰減係數 (Linear attenuation coefficient, μ\mu)」。在診斷型 CT 的 X 光能量範圍內（約 70-140 kVp），X 光子與軟組織最主要的交互作用機制為「康普頓游離 (Compton scattering)」。康普頓游離的發生機率與物質單位體積內的電子數量成正比，亦即與「電子密度 (Electron density)」呈高度相關。因此，CT 影像上的像素值 (Hounsfield Unit, HU) 能夠直接轉換並反映組織的電子密度，這也是為何在放射治療計畫 (Radiotherapy treatment planning) 中，必須依賴 CT 影像來取得電子密度分佈矩陣，以進行精準的劑量計算 (Dose calculation)。

答案解析

綜合上述分析：

  • US 訊號與組織的聲阻抗 (Acoustic impedance) 相關。
  • PET 訊號與放射性示蹤劑攝取濃度 (Radiotracer concentration) 及代謝功能相關。
  • 只有 CT 的訊號 (HU 值) 透過 X 射線的衰減，直接反映組織的電子密度 (Electron density)。 因此，僅有 ③ 的敘述正確，最佳解答為 (C)。

核心知識點

考生在準備醫事放射師國考時，必須熟記各項主要醫學影像儀器的物理成相基礎及訊號所代表的意義：

  1. CT (Computed Tomography)：量測 X 射線的線性衰減係數，影像數值 (HU) 關聯至電子密度 (Electron density) 與原子序 (Atomic number)。
  2. MRI (Magnetic Resonance Imaging)：量測組織中氫原子的磁共振訊號，訊號強度取決於質子密度 (Proton density)、T1/T2 弛豫時間 (Relaxation time) 及水分子擴散效應等。
  3. US (Ultrasound)：量測高頻聲波的回音，影像對比來自於介面間的聲阻抗 (Acoustic impedance) 差異。
  4. PET / SPECT：量測體內放射性同位素的分布，影像訊號反映生理代謝活性 (Physiological metabolism/function) 或特定分子受體濃度。

參考資料

  1. Thomas, S. J. (1999). Relative electron density calibration of CT scanners for radiotherapy treatment planning. The British Journal of Radiology. (https://bjr.birjournals.org/doi/10.1259/bjr.72.860.10624328)
  2. Rhee, D. J., et al. (2019). Effects of the difference in tube voltage of the CT scanner on dose calculation. arXiv. (https://arxiv.org/abs/1908.06202)
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