［坡仔跟你一起阅读好书·第十二期］《爆炸医学史》第十二章 医学影像学

       身处风暴中，要看清它的模样和去向。

       一部有趣、有料、有用的极简医学通识书

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［英］罗伯特·斯奈登◎著

       ——英国著名作家、出版人，拥有30多年的出版从业经验，科普创作奇才，以将复杂难懂的科学问题展现得有趣且令人发省见长，他的作品深受各年龄段读者的喜爱，无论成人还是孩童，均从中受益。

［中］芦东昕 李力 李青峰◎译

第十二章 医学影像学

一、医学影像学发展时间线

      1895 年：威廉·伦琴(WilhemRontgen)发现了X射线，并在照相 版上显示出他的妻子手部的骨骼结构。

       1914年：玛丽·居里(MarieCurie)发明了第一辆放射性汽车，绰 号“小居里”，用于为在战场上给士兵做手术的外科医生提供X射线。

       1916 年：法国皮肤科医生安德烈·博卡奇(Andre Bocage)发明 了一种方法，可以从不同角度拍摄X射线以拍出效果更好的照片。

       20世纪20年代：虽然越来越多的证据表明X射线机会带来危害，但它在美 国各地的医院和美容店中却经常被使用。许多X射线机的操作者都会被烧伤并患上皮肤癌。

       1937 年：伊西多·L拉比(IsidorIRabi)观察到一种被称为核磁共振(NMR)的量子现象，其中，氢核在强磁场的作用下会吸收或发射无线电波。

       1942年：卡尔·杜西克(Kar Dussik)将超声波用于医学诊断。 

       1956 年：伊恩·唐纳德(Ian Donald)、汤姆·布朗(TomBrown) 和约翰·麦克维卡(JohnMcvicar)成功研发了超声波诊断扫描仪。

       1970 年：雷蒙德·达马迪安(Rayond Damadian)使用INMRU器观察老鼠的肝癌样本。

       1971 年：第一次计算机断层扫描(CI)是由戈弗富·金思斯电尔钱(Godfrey Hounsficld)及其团队在伦教进行的。他们从不同角度拍摄x射线图像，从而形成骨熟、血饭、五管和软组织的横截面图像。

       1973 年：豪恩斯弗尔德与詹姆斯·安布罗斯(amesAmbtose)共同研发了用于英国和美国各地医院的头部扫猫Cr机。同时，保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)意识到，他可以拍摄一系列二维图像并将它们叠加在一起形成三维视围。而彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)找到了一种用几分钟就能完成扫描的方法。

       1974 年：爱德华·霍夫曼(Edward Hoffman)、米歇尔·泰波哥西(Michel Ter-Pogossian)和迈克尔·菲尔普斯(Michal Phelps)在华盛顿大学研发了第一批正电子发射计算机断层扫描(PET)扫描仪。它使用一种放射性示踪剂，人们可以在进行扫描之前将示踪剂吞咽、吸入或注射进身体。

       1977 年：雷蒙德·达马迪安进行了首次人体磁共振成像(MRI)扫描，揭示了受检者心脏和肺部的二维图像。

       2003 年：彼得·曼斯菲尔德和保罗·劳特布尔被授予诺贝尔生理学或医学奖。

       医学成像已经改变了医学，它使医生能够透过活体皮肤观察到人体的内部结构。这一切都始于在黑暗的实验室中的偶然发现。

二、X射线的发现

       1895年12月，威廉·伦琴在他的实验室里研究阴极射线管，当时他发现附近涂有荧光材料的屏幕开始发光。他得出的结论是，一种新型的射线在从灯管中发射出来，并与屏幕上的磷光晶体发生反应。他证实了新射线可以穿透大多数物质，包括人类的软组织，但不能穿透骨骼和金属物体。射线在照相版上形成图像，伦琴拍摄的第一批图像是他妻子贝莎手部的骨骼结构。为了表彰他的研究成果，伦琴于1901年被授予首届诺贝尔物理学奖。

       伦琴发现的X射线，引起了科学界和全世界公众的关注。当时各国的报纸和杂志都竞相转载看不见的光线，这种光线可以用来揭露人体的秘密。其他科学家开始模拟伦琴的实验，这为发明者和企业家找出X射线的用途开辟了道路。

       人们对在医学诊断中使用X射线的可能性抱有极大的期望。不久之后，欧洲和美国的外科医生就开始使用医用X射线片了。

       早在1896年1月，一家德国医学杂志就展示了一张放射线照片，照片显示了一名4岁的患者手上有一块玻璃碎片。

       1896年3月，柏林的吉列尔莫凯撒学院配备了军用放射设备。在X射线被发现的几个月后，战场上的医生就开始使用X射线来定位受伤士兵身上的子弹了。在第一次世界大战中，X射线成为外科医生的宝贵工具，使他们能够诊断骨折，精确定位嵌入肉里的子弹的位置，而不需要漫长而危险的探查手术。

       在伦琴发现X射线后，赫伯特·杰克逊(Herbert Jackson)设计出了X射线真空管。物理学家迈克尔·浦品(Michael Pupin)发明了荧光屏，以缩短曝光时间并改善图像质量。

三、过度暴露的危险

       X射线成像的先驱对这一突破性的发现所涉及的危险十分了解。操作人员会露出他们的手来测试他们使用的X射线管的穿透能力，辐射、烧伤对操作人员和患者来说都很常见。

      1896年7月，威廉·利维(WilliamLevy)为了确定一颗射入他头部的子弹的位置，在X射线下暴露了14个小时。没过几天，他就遭受了可怕的后果:他的嘴唇又肿又出血，头上满是疮，头发开始脱落。当克拉伦斯·戴利(Clarence Dally)在托马斯·爱迪生(Thomas Edison)的实验室工作时，他经常接触x射线，在患皮肤癌后，他面临着双臂截肢的危险。戴利被认为是第一个死于x射线辐射的人，他死于转移性癌年仅39岁。约翰·霍尔-爱德华(John Hal-Edward)因在手术中拍摄了第一张x射线片而出名，后来他因皮肤癌失去了左臂。1899年，沃尔弗拉姆·C.富克斯(Wolfram C.Fuchs)拍摄了一张脑瘤的X射线片。1907年，他死于癌症。

       尽管有越来越多的证据表明X射线的危险性，但射线照相设备仍被广泛使用，而且不仅仅用于医疗。

       20世纪20年代，X射线机在美国各地的美容店随处可见，它们被吹捧为减少多余面部毛发的工具。在多达20次的治疗过程中，X射线直接射向人的脸颊和上唇。1929年，美国医学协会警告了美容店使用X射线机的潜在后果，包括皮肤萎缩、溃疡、癌症和死亡。20 世纪 40 年代至 20世纪50年代初，X射线机在鞋店风靡一时，销售人员可以让顾客看着自己的脚趾在透视镜上扭动。在X射线机最受欢迎的时候，大约有10000个这样的设备在美国各地的鞋店里被使用。20世纪70年代X射线机在非医疗领域已经被禁止使用了。

四、断层扫描

       射线照片并不总是能呈现清晰的图像。1916年，法国皮肤科医生安德烈·博卡奇发明了一种方法，可以从不同角度拍摄X射线以拍出效果更好的照片。他的方法被称为断层扫描(来自希腊语“Tomos”，意思是切片或部分)，成了射线照相的标准方法，并为20世纪60 年代 CT扫描仪的研发奠定了基础。博卡奇在1921年为他的发明申请了专利。

五、计算机断层扫描

      计算机断层扫描(CT)的应用是医学成像领域的一大进步。1971年10月1日，伦敦阿特金森·莫利医院的患者因被怀疑患有额叶肿瘤进行了首次临床CT扫描，使用了由戈弗雷·豪恩斯弗尔德(1919-2004年)和他的团队研发的原型CT扫描仪。

       戈弗雷·豪恩斯弗尔德认为自己是一个修补匠，十几岁的时候，他就会拆解电子设备、工具，以及父母的农场里的各种设备。他在第二次世界大战之前加入了皇家空军，研究无线电和雷达，并于1951年加入了 EMT 公司。他在 EMI 公司研究武器系统和雷达。1960年，他从研究武器系统和雷达转向了研究影像技术。豪恩斯弗尔德和他的团队预算很少，不得不克服故障，最终在车床上制造出了CT扫描仪。

       他们的第一台CT扫描仪用了9天时间来捕获完整的3D图像，并使用伽马射线作为光源，一次绕一个对象旋转1度以进行160次遍历。他们用当时最好的计算机花了两个半小时来处理图像。后来，豪恩斯弗尔德使用了X射线，将扫描时间大大缩短了。

       1969年，豪恩斯弗尔德给阿特金森·莫利医院的神经放射学家詹姆斯·安布罗斯博士打电话。豪恩斯弗尔德告诉安布罗斯，他的设备可以产生远远优于X射线的模糊二维图片的图像。起初，安布罗斯不屑于理会豪恩斯弗尔德的话。

       在此期间，安布罗斯同意将人脑图像发送到EMI 公司。五周后，安布罗斯收到了CT扫 戈弗雷·豪恩斯弗尔德描仪产生的第一张大脑图像，这是诊断医学发生变革的开始。

       1971年，首次用于临床的CT扫描仪产生的图像的像素为6400像素，每次扫描花费大约5分钟，处理图像数据所需的时间也差不多为5分钟。如今的CT扫描仪可以产生100万像素以上的图像，并在不到一秒的时间内获取图像数据。豪恩斯弗尔德和安布罗斯共同研发了一种用于临床的头部扫描CT机。

       从1973年开始，头部扫描CT机被送到英国和美国的医院。如今，全世界有3 万多台 CT 扫描仪在被使用。1979 年，豪恩斯弗尔德因其研究获得了诺贝尔生理学或医学奖，他与马萨诸塞州塔夫茨大学的阿兰·科马克(Allan Cormack)共享了这一奖项。

六、正电子发射计算机断层扫描

       与CT扫描仪和MRI扫描仪不同，正电子发射计算机断层扫描(PET)扫描仪可以构建人体的三维图像，它最初用于研究脑功能。PET扫描被用于检测阿尔茨海默病和研究中风、癫痫的影响，以及定位大脑中的肿瘤。大多数PET扫描都是将一种称为氟脱氧葡萄糖的放射性示踪剂注射进患者体内，之后扫描仪收集的数据就会被转换成三维图像。

       1974 年，爱德华·霍夫曼、米歇尔·泰·波哥西和迈克尔·菲尔普斯在华盛顿大学研发了第一批PET 扫描仪。泰·波哥西和华盛顿大学的团队在20世纪70年代率先在医学中实际使用 PET扫描仪。第一台全身 PET 扫描仪于 1977 年问世。

       如今，全球超过400台PET扫描仪在被使用，但PET不像其他扫描技术那样经常被使用。因为它既复杂又昂贵，需要使用巨大的回旋加速器来生产所需的放射性示踪剂。

七、磁共振

       磁共振成像(MRI)扫描仪利用强大的磁场来影响人体内原子的变化。磁共振成像的核心是一个管状的超导磁体，它会产生一个强大的电器场，电磁场会将水分子内部的一些氢质子重新排列起来。磁场越强，重新排列的质子越多，MRI产生的图像分辨率就越高。一旦这些质子排列好，扫描仪中的接收线圈就会发射出短时间的无战电波，导致质子在磁场摆动。当射电爆发停止时，接收线圈会探测到质子释放的能量，并给出大脑和其他组织的解剖图。

       与CT扫描仪不同的是，MRI扫描仪不会产生辐射，基本上对患者无害。如今，全世界每年会进行6000多万次MRI扫描。

       哥伦比亚大学的伊西多·L.拉比于1937年率先观察到了被称为核磁共振(NMR)的量子现象。他发现，当暴露于足够强的磁场中时，氢核会吸收或发射无线电波。几年之后，化学家和物理学家就将NMR 用作标准的分析工具，但是在30年后，人们才考虑了将NMR用于医学的可能性。 

       1969年，雷蒙德·达马迪安利用核磁共振来研究人体带电粒子。1970年，达马迪安用核磁共振仪器检测了老鼠的肝癌样本。他认为来自癌组织的MR信号与来自健康组织的MR 信号不同，因为肿瘤含有更多的水分。更多的水分意味着更多的氢原子，核磁共振应该能够捕捉到这种差异。 

       达马迪安在1971年3月的《科学》杂志上发表了他的研究成果。癌组织不需要借助辐射就可以在人类身上被检测到。达马迪安要做的就是发明一个足够大的人体扫描仪。

       大约在同一时期，纽约州立大学的化学家保罗·劳特布尔找到了一种利用核磁共振技术生成图像的方法。他改变了磁场的强度，从而改变了来自不同原子的MR信号，并利用这一点拍摄了一幅图像。他是第一个意识到可以拍摄一系列二维图像并将它们叠加在一起形成三维视图的人。当他了解到达马迪安1971 年的研究成果时，他意识到达马迪安的研究或许可以应用于医学领域。  

       1973 年，劳特布尔制作了第一张关于试管中少量水的核磁共振图像。不久之后，他将测试应用于活体实验对象：一只小蛤。

       与此同时，英国物理学家彼得·曼斯菲尔德找到了一种用几分钟就能完成扫描的方法。他采用了一种名为线扫描成像的新技术，成功地捕捉到一名学生的手指的图像。曼斯菲尔德使 MRI 成为一种有效的快速成像技术，2003 年，他和劳特布尔共同被授予诺贝尔生理学或医学奖。

       达马迪安继续努力制造人体扫描仪，并研究了一种超导磁体。这种超导磁体由长约48 千米、直径近1.5米的镍钛金属丝缠绕而成，其大小足以容纳一个人。

       1977年7月3日，在经历了最初的失败后，该超导磁体在5个小时的测试后完成了第一次人体扫描。一张粗糙图像显示了受检者胸部的二维图像，包括他的心脏和肺部。达马迪安的这一突破被许多人视为“技术上的死胡同”，因速度太慢无法用于临床。因此，劳特布尔和曼斯菲尔德的方法被广泛采用了。

       如今，MRI技术已经发展到可以探索大脑功能而不仅仅是大脑结构的程度，它可以显示当人说话或移动肢体时人脑的哪些部分在起作用。该技术对减少神经外科医生在手术中对大脑重要区域的损伤具有重要作用。

八、超声波

      诊断医学超声波(也就是通常所说的超声波)与其他成像技术的不同之处在于，它不是利用电磁波，而是利用高频超声波来揭示人体内部的。超声波诊断扫描仪使用一种叫作换能器的手持设备来扫描人体，换能器中的晶体将高频超声波送入体内，并检测返回的回声。典型的超声波诊断扫描仪的工作频率为2~18 兆赫，是人类听力极限20千赫的数千倍。声音的频率越高，被探测到的物体就越小。计算机会处理这些信息，并生成人体内部的实时图像。

       卡尔·杜西克是奥地利维也纳大学的神经学家和精神病学家，被大多数人认为是第一个将超声波用于医学诊断的医生。1942年，杜西克和他的兄弟弗里德里希测量了超声波通过头骨的透射率。其他的超声波先驱包括乔治·路德维格(George Ludwig)，他于20世纪40年代末利用超声波检测胆结石，以及科罗拉多大学的放射学家道格拉斯·豪瑞(Douglas Howry)，他于1949年在家里的地下室制造了一个脉冲回声超声波扫描仪。

       超声波在产科中的首次使用是由格拉斯哥大学的伊恩·唐纳德进行的。在第二次世界大战期间，唐纳德使用声呐进行了医学诊断的研究。    

       1956 年，唐纳德与工程师汤姆·布朗、产科医生约翰·麦克维卡共同成功研发了基于工业技术的超声波诊断扫描仪。他们在1958年的《柳叶刀》杂志上发表了研究结果，题目为《通过脉冲超声波检查腹部肿块》。

       20世纪50年代的研究表明，在怀孕期间进行X射线检查对胎儿造成了危害，借助超声波，医生可以更安全地获得子宫中正在生长的胎儿的信息。超声波的使用迅速普及，检测畸形胎儿更加方便，妊娠和分娩也更加安全了。

       20世纪70年代，超声波扫描已成为产前检查的常规项目。20世纪60年代，计算机和其他领域的技术快速进步。为超声波设备带来了进一步的改进——更清晰的分辨率和实时运动图像，而不只是静止图像。这些进步使超声波的应用领域增加，例如，医生可以借助超声波了解血液循环和器官的血液供应情况。

［本章附上的小故事与小知识］​

居里夫人的移动X射线机

       两次获得诺贝尔奖的物理学家玛丽·居里发明了第一辆放射性汽车，这是一种配备X射线机和照相暗室的汽车。汽车的引擎为发电机供电，发电机产生X射线所需的电能。这些号为“小居里”的汽车可以被驾驶到战场上，军方外科医生可以使用X射线指导他们的挽救生命的工作。第一辆“小居里”在1914年的马恩河战役中被使用。  

       居里夫人利用自己的影响力说服了一些巴黎妇女捐赠车辆，并很快配备了20辆“小居里”。在女儿艾琳的帮助下，她还培训了女性志愿者担任X射线操作员，共有150名妇女接受了居里夫人的培训。居里夫人不满足于把工作交给别人，她学会了开车，并把自己的“小居里”带到了前线。据估计，在战争期间，超过一百万名士兵用过X射线来检查身体状况。