射線應用的里程碑——ＣＴ

射線應用的里程碑——ＣＴ

傳統的X射線攝片與CT成像

如今人們去醫院看病，特別是患腦部疾病，醫生常常會讓病人做一個CT檢查一下。對此，病家也常常十分樂意。的確CT檢查以它方便、直觀、準確的特點為人們所接受和喜愛。CT究竟是什么呢？它和傳統的X射線攝片有何不同？CT又是誰發明的呢？

我們通常所說的CT實際上是指X射線CT，中文全稱是“X射線電子計算機掃描術”，CT是它的英文縮寫。世界上第一臺CT機是由英國EMI公司工程師豪斯菲爾德研制成功，1971年在倫敦一家醫院正式安裝使用的。

CT的問世在醫學放射界引起了爆炸性的轟動，被認為是繼倫琴發現X射線后，工程界對放射學診斷的又一劃時代貢獻。CT的誕生為何會引起如此的轟動，我們來簡要地回顧一下影像技術的發展史就不難理解了。

影像技術一直是診斷疾病的重要手段，其歷史遠比心電圖診斷疾病的技術要早。1895年，德國人倫琴在試驗陰極射線管時發現了X射線。3天以后，倫琴的夫人偶然看到了手的X射線造影，從此就開創了用X射線進行醫學診斷的放射學——X射線攝影術，也開創了工程技術與醫學相結合的紀元。傳統的X射線裝置盡管在形態學診斷方面起了劃時代的作用，但其缺點也是相當明顯的。首先X射線裝置是將人體的立體形象即三維景物顯示在二維的膠片或熒光屏上不同深度方向上的信息重疊在一起，引起混淆；其次，傳統X射線攝影裝置只能區分密度差別大的臟器，如充氣的肺等，而對肝、胰等軟組織內的差異則無法辨別；此外還存在著X射線線所用的劑量較大等問題。而CT能有效地克服傳統X射線裝置的這幾個缺點，如CT可對人體進行三維空間的觀察，包括進行橫斷面的攝像；同時CT又具有很高的密度分辨率和空間分辨率，提高了圖像的清晰度；它還能使人體各種內臟器官的橫斷圖像在幾秒鐘內便顯示在熒光屏上，一目了然，從能夠準確地診斷許多疾病，這是普通的X射線檢查做不了的；并且CT 檢查屬于無損傷檢查法。正因為如此，CT 以它無可比擬的優越性而廣泛應用于臨床，并受到患者的普遍歡迎。

科馬克的貢獻

CT是豪斯菲爾德發明的，但CT的基本思想則可以追溯到1917年奧地利數學家雷唐所作出的貢獻。可惜他的論文在發表后50多年里一直被湮沒，直至20世紀70年代初才發現。CT的基本思想（或稱原理）是取一高度準直的、極細筆狀X射線束，環繞人體某一部分作斷面掃描，未被吸收光子穿透人體后被檢測器接收，作為模擬信號輸人，經過數處理和運算后重建圖像。

除雷唐外，還有其他一些數學家提出了各自對CＴ數處理的運算方法，其中貢獻最大的當數美國理論物理學家馬克。科馬克于1955年受聘到南非開普敦市一家醫院照放射科工作。因為按照南非的法律，醫生在應用放射性同素和其他物理治療時，必須有物理學家在場監督。科馬克當時在開普敦大學物理系任講師，雖然他當時教的是理論物理學，但他很快對癌的放射治療和診斷產生了興趣。他發現當時的醫生在計算放射劑量時，是把非均質的人體當作均質看待的。他想，這怎么能確定適當的放射劑量呢？

科馬克認為要改進放射治療的程序設計，應把人體構造和組成特征用一系列前后相繼的切面圖像表現出來。他運用多種材料、多種形狀的物體直至人體模型作實驗，同時進行理論計算。經過近10年的努力，他終于解決了計算機斷層掃描技術的理論問題，于1963年首先建議用X射線掃描進行圖像重建，并提出了精確的數學推算方法。科馬克雖然沒有最終發明這項技術，但他為這項技術的誕生奠定了基礎。

CT的發明過程

豪斯菲爾德（N．Housfield），1919年生于英國紐瓦克，他曾就讀于吉爾德學院。1939年至1946年，也就是第二次世界大戰時期，他在皇家空軍雷達學校任教。戰后，豪斯菲爾德進入倫敦法拉第·豪斯電氣工程學院學習。195且年應聘到電器樂器工業有限公司從事研究工作。1975年，他成為皇家學會會員。1981年被授勛為爵士。由于發明了CT掃描儀，豪斯菲爾德和科馬克共同獲得了1979年度的諾貝爾生理學和醫學獎。他于1975年和1976年還分別獲得巴塞爾大學、倫敦大學等校授予的名譽醫學博士學位、名譽理科博士學位和名譽工程學博士學位。1976年，他成為英國皇家內科醫師學會和外科醫師學會的榮譽會員。

與科馬克不同，豪斯菲爾德一直從事工程技術的研究工作。他從倫敦法拉第·豪斯電氣工程學院畢業后，于1951年應聘到電器樂器工業有限公司從事研究工作，嘗試將雷達技術應用于工業生產、氣象觀察等方面。不久他又轉向從事電子計算機的設計工作。當時，這項新技術還剛剛發明，他以自己特有的創造力、動手能力和組織能力，組成了一個設計小組，白手起家，研制出英國第一臺晶體管電子計算機。雖然這是一個不小的進展，但由于元器件、制造技術等條件的限制，這種計算機體積龐大，十分笨重，與今日的微機相比，也是不可同日而語，尤其在信息貯存方面存在著不少問題。豪斯菲爾德將這作為自己的主攻方向，轉入薄膜貯存的研究。經過多年的努力，他研制出一種能識別印刷字體的計算機．這在當時也是一個了不起的成就。

當時豪斯菲爾德任職的電器樂器工業有限公司生產各種電子儀器，除計算機外，還有探測器、掃描儀等。他的目標是要綜合運用這些技術，生產出具有更大實用價值的新儀器。科馬克的研究成果給了他很大的啟迪和信心。在科馬克等人研究的基礎上．豪斯菲爾德選擇了CT機作為研究的課題，開始了多年的艱苦攻關。好在他對計算機技術的原理和運用輕就熟，CT圖像重建的數學處理方法可以恰當地與他熟悉的計算機技術結合起來，故研制中的一個個難題都迎刃而解了。

終于在1969年，豪斯菲爾德首次設計成功了一種可用于臨床的斷層攝影裝置，并于１９７１年9月正式安裝在倫敦的一家醫院里。這年他與神經放射學家阿姆勃勞斯合作，首次成功地為一名英國婦女診斷出腦部的腫瘤，獲得了第一例腦腫瘤的照片。同年，他們在英國放射學會上發表了第一篇論文。1973年英國放射學雜志對此作了正式報道，這篇論文受到了醫學界的高度重視，被譽為“放射診斷學史上又一個里程碑”。從此．放射診斷學進人了CT時代。1979年的諾貝爾生理學和醫學獎亦破例地授給了豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒有專門醫學經歷的科學家。

CT的發展和應用前景

豪斯菲爾德最初研制的CT掃描儀只能用于人腦的檢查，時間約需1分鐘至4分鐘。此后20多年來，CT裝置很快得到推廣，并獲得了極大的發展。從第一臺 CT機問世至今，CT設備已從第1代發展至第5代，其各項性能和速度都有了很大提高。掃描時間從4分鐘到5分鐘縮短到1秒鐘甚至更短，最新式的CT機掃描速度可達每秒24層（橫斷面圖像），可以跟上血液在器官和組織中的流動，因而可以對心臟作動態檢查。后來，萊德利設計成功全身CT裝置，進一步擴大了CT的檢查范圍，取得了更大的效益。

除X射線CT外，其他型號的CT也相繼問世，如單光子發射CT、核磁共振CT等均已付諸臨床應用。超聲CT、微波CT的研究也取得了極大的進展。毫無疑問，CT已成為影像診斷學領域中不可缺少的檢查手段。計算機斷層成像術作為一種高性能的無創傷診斷技術，顯然已在醫學成像領域確定了其不可動搖的地位。

不僅如此，CT作為一種技術，既有堅實的數學理論為依托，又有現代微電子與計算技術相支撐，必然在其他領域也會得到廣泛應用。事實上，CT在工業生產上，在地球物理研究上，甚至在農業、林業和環境保護方面都已取得了令人矚目的成果并展示了美好的前景，如用于反應堆組件的無損評估，火箭發動機、導彈等部件及鋼板焊縫的無損檢測，以及水泥制品的質量檢查等，ＣＴ掃描儀均能明察秋毫；而常規的無損探傷技術對此則往往不能勝任。