那幅大脑黑白马赛克图如何永远改变了医学？

半个多世纪前，在伦敦郊区一家小医院里，人类历史上第一张人脑CT图像揭开了遮盖人体内部的隐形面纱，为科学家提供了一扇前所未有的观察我们内脏的窗口。这幅充满颗粒的大脑黑白图像永远改变了医学和其他科学。（参加：回望：CT五十年（1968-2018））

如今，仅美国每年就要进行8000多万次扫描。X射线计算机断层扫描（CT），通常是最快解释病因的方式。CT扫描可以发现心脏病、肿瘤、血栓、骨折、内出血等。这项技术可以让外科医生了解他们在患者体内会遇到什么，并指导癌症和其他疾病的治疗。

CT 扫描仪（Polanki Children's Hospital in Gdansk）

CT扫描包括从多个角度进行的数千次X射线测量。它的工作原理如下：X射线源绕着身体旋转，通过骨骼、血液和组织发送一束辐射，而旋转探测器测量使其通过的光束。

人体内不同的物质吸收X射线的方式不同。例如，骨骼中的钙会强烈吸收X射线，而软组织吸收较少。因此，当探测器收集的数据被计算机拼接在一起时，它可以根据X射线或多或少被吸收的位置，形成内部的横截面图。移动固定患者的检查床，使X射线束和探测器沿着身体移动，可以对器官和其他部位进行三维重建。

多年来，科学家们不断改进这项技术，使其更快、分辨率更高，并减少了患者接受的辐射剂量。这些改进的CT扫描描绘出了更加详细的人体景观。人们很难不惊叹于扫描显示出的内心世界之美。

01

CT诞生

1971年，伦敦阿特金森-莫利医院的放射科医生詹姆斯・安布罗斯（James Ambrose）与该技术的发明者、工程师戈弗雷・豪斯菲尔德（Godfrey Hounsfield）合作，对一名患者进行了第一次CT扫描。豪斯菲尔德曾为EMI工作，该公司以披头士乐队的唱片公司而闻名（参见：理查德辍学、高弗雷参军、披头士狂热与CT的发明）。

第一张患者大脑CT图像（1971）

虽然这次扫描的图像只有80x80个像素，没有提供太多细节。但它展示了这项技术的潜力，揭示了女性患者大脑中的肿瘤。据说，后来为这位肿瘤患者做手术的外科医生感叹，“它看起来和照片一模一样！”

以前，如果医生想寻找脑瘤，他们会向脊柱内注入空气。然后他们旋转患者，让空气进入大脑周围区域，以增加标准X射线图像的对比度。这个过程非常痛苦，病人经常呕吐。通过CT扫描，这种痛苦很快就成为了过去式。

02

任意断层

起初，CT扫描仪被设计成只对大脑成像。但研究人员很快将这项技术应用于在身体各个部位拍摄横断面图像。然后，在20世纪90年代初，德国科学家Willie A. Kalender发明了新的扫描仪，X射线源在人体周围以连续的螺旋（Spiral）扫描，而不是单独拍摄横截面。这一进步使整个器官，如肺，可以一次性成像。（更多内容参见：CT近三十年发展史（上）：螺旋CT、多层CT、宽锥CT与双源CT）

左侧为黑白色二维肺部重建，右侧是三维渲染

带有多排探测器的CT扫描仪可以同时对身体的多个横断面成像，从而提高图像分辨率。这些肺气肿的肺部图像是用128层CT扫描仪采集的，显示为二维图像（左）和彩色三维重建（右）。

但沿着身体长轴方向的图像分辨率仍然很低。带有多排探测器的CT扫描仪通过沿螺旋路径同时对身体的多个切片成像解决了这个问题。

CT扫描仪制造商不断增加探测器的数量，使扫描仪能够一次捕获更多的切片。当探测器在21世纪初增加到64个切片时，真正的“哇”发生了。扫描可以在高分辨率下快速完成，并且可以同时覆盖相当长的范围。如今，扫描仪更加复杂，最多可以达到320个切片。

最后，隐藏在人体内的脆弱的复杂性――从错综复杂的血管网到优雅分支的肺部气道，再到精致而坚固的骨骼结构――有目共睹。

03

合二为一

当麦科洛的岳父因为手腕疼痛住进急诊室时，已经痛苦了好几个小时，医生们试图找出问题所在。最后，有医生问道，“我们不能把他送到CT室吗？”

多亏了一种叫做双能量CT（DECT）的技术，医生们才能够准确地找出问题所在。2006年随着第一代双源CT（SOMATOM Definition）推出的双能CT使用两束不同能量的X射线，而不是一束。通过这种方式拍摄图像，扫描仪可以准确地计算出其中包含哪些材料。不同的材料吸收X射线的量不同，但为了关注特定类型的材料，你需要知道随着X射线能量的变化，这种吸收是如何变化的。

例如，双能CT可以区分关节中导致关节炎的不同类型的晶体。尿酸盐晶体提示痛风，含有钙的晶体提示假性痛风。对麦科洛的岳父来说，扫描很快发现了他疼痛的原因：假性痛风（关于痛风的更多知识，参见：双能量痛风分析：基本原理，准确性与常见伪影）。通过这种方式，CT扫描可以揭示人体最基本的层面，即构成人体的物质。

关于双能量成像的更多知识，参见：CT能量成像五十年（1971-2021）：从双能量到多能量的探索。

手CT扫描显示手腕和手指关节周围有绿色的尿酸盐晶体

双能CT扫描显示痛风的迹象，即手部骨骼（白色和紫色）之间的关节中存在尿酸盐晶体（伪彩3D图中显示为绿色）。

04

放心计数

CT扫描仪中的X射线探测器是这项技术的“秘密酱汁”，因为探测器是机器首先测量X射线的方式。大多数CT扫描仪间接测量辐射，首先将X射线转换为可见光，然后将该光转换为电信号。CT技术的新时代正在切断这些中间过程。2021年9月，美国食品和药物管理局批准了第一台光子计数CT扫描仪（参见：什么是光子计数CT？）。

X射线是一种高能光，和所有的光一样，它们由被称为光子的粒子组成。光子计数CT扫描仪测量单个X射线光子。这项技术还可以获得更清晰、更详细的图像，并提供光子能量的测量，与双能量CT一样，光子可以识别人体内的不同物质。

常规CT扫描和光子计数CT扫描中手腕骨折的图像

光子计数CT扫描因其高分辨率图像而备受推崇。在传统的腕部骨折CT扫描中（左，骨折用箭头表示），与腕部光子计数CT扫描相比，骨骼结构模糊（右）。

05

超越人体

CT扫描可能是为医学而发明的，但这并没有阻止其他研究人员认识到这项技术的有用性。考古学、生物学和物理学等领域的科学家利用这项技术更好地了解一切，从木乃伊化遗骸（参见：CT解密埃及法老之死），到混凝土裂缝的形成，再到无耳巨蜥（Lanthanotus borneensis）等动物的解剖结构。

一只蜷缩的无耳巨蜥的CT扫描显示其骨架为白色，鳞片为绿色

通过CT扫描，这只无耳巨蜥的彩色三维重建显示了它的骨架（灰白色）和鳞片（绿色）。

这张无耳巨蜥的照片来自佛罗里达自然历史博物馆。那里的研究人员制作了超过20000个保存标本的CT数据集，这些标本代表了美国自然史收藏中的每个脊椎动物属，以揭示这些动物的内部解剖结构。

使用光子计数CT采集的狮子头部CT图像（瑞典林雪平大学医学图像科学与可视化中心）

06

未来50年

尽管取得了所有这些进步，但一些研究人员警告说，医生对CT的喜爱已经走得太远，至少在美国是如此。

David Cutler绘图（2011）

不必要的CT扫描可能有缺点：它们可能会发现看似令人担忧但可能是良性的无关发现，这可能会导致昂贵的额外检查，并引发焦虑。但拒绝CT扫描也可能产生负面影响，可能会减慢那些及时治疗可以缓解的疾病的诊断速度。

使用光子计数CT采集的图像扫描显示肺部被新冠病毒破坏的区域为绿色，未受损区域为蓝色

在COVID-19患者中，CT扫描可以显示肺部受损区域，在胸部横断面的彩色图像中显示为绿色。

不可否认，在必要时，CT扫描是医疗工具中至关重要的救命工具。最近，COVID-19疾病的扫描已经成为焦点，揭示了COVID-19对肺部的损害。

赵喜同学

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在未来几十年里，这项技术似乎仍将是医学和科学的支柱，并将继续扫描到我们的心脏、肺、大脑和其他任何部位。

来源：XI区

参考文献：

oone J M , Mccollough C H . Computed tomography turns 50. Physics Today, 2021, 74(9):34-40.

Jiang H , Flohr T . Computed tomography recent history and future perspectives. Journal of Medical Imaging, 2021, 8(5):052109.

Schulz R A , Stein J A , Pelc N J . How CT happened: the early development of medical computed tomography[J]. Journal of Medical Imaging, 2021, 8(5).

编译整理自：https://www.sciencenews.org/article/ct-scan-50-years-anniversary-first-image-medicine-physics ，原文作者《科学新闻》物理学作家Emily Conover。物理学博士，毕业于芝加哥大学。曾为《科学》杂志和美国物理学会撰稿。本文不用于商业用途。

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