X射线断层照相
利用X射线穿透后物质的性能与被穿透的物质种类有关的特性,创立了X射线影像诊断技术。例如,当X射线穿透人体时,骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的要多,通过后的X射线量不一样,携带了人体各部密度分布的信息,在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱不同,因而显示出不同密度的阴影。医生可根据阴影浓淡的对比,结合临床表现、化验结果和病理诊断,判断人体某一部分是否正常。X射线诊断技术是世界上最早应用的人体非创伤性内脏检查技术。但这种X射线照相无法解决前后物体的图像重叠问题。
1917年,奥地利数学家雷唐提出过用高度准直、极细笔状X射线束,环绕人体某一部分作断层扫描。未被吸收的光子穿透人体后被检测器接收,这些模拟信号经过数据处理和运算后可重建图像,这就是断层照相的基本思想。可惜他的论文在发表后的50多年里被湮没了,直至20世纪70年代初才发 现。此后,在数学家们提出的各种对断面扫描数据处理的运算方法中,贡献最大的是美国理论物理学家科马克(Alan MacLeod Cormack,1924-1998)(上图)。1955年,在开普敦大学物理系教理论物理学的科马克对癌的放射治疗和诊断产生了兴趣。他发现医生在计算放射剂量时,把非均质的人体当作均质看待。他认为应把人体构造和组成特征用一系列前后相继的切面图像表现出来。经过近10年的努力,他终于解决了计算机断层扫描技术的理论问题。1963年,他首先建议用X射线扫描进行图像重建,并提出了精确的数学推算方法。 20世纪70年代,英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德(N.Hounsfield,1919-2004)(下图)在参考科马克发表的应用数学重建图像理论的基础上, 把电子计算机断层照相技术引入医学,使电子计算机技术与X射线机相结合,完成图像重建过程。
1971年,豪斯菲尔德研制成功的世界上第一台X射线计算机断层扫描机(Computerized Tomography,简称CT)在伦敦一家医院正式安装使用。X射线管在置在患者上方, 绕检查部位旋转, 患者下方的计数器也同时旋转。由于人体器官和组织对X射线的吸收程度不同,病变组织和正常组织对X射线的吸收程度也不同,这些差别反映在计数器上, 经电子计算机处理,便构成了探测对象各个部位的横断图像呈现在荧光屏上,它解决了X射线照相的前后物体图像重叠问题,大大提高了医学诊断的可靠性和准确性,使医学成像技术向前跨了一大步。豪斯菲尔德与神经放射学家阿姆勃劳斯合作,成功地为一名英国妇女诊断出脑部的肿瘤,获得了第一例脑肿瘤的照片。他们在英国放射学会上发表了第一篇论文,1973年英国放射学杂志对此作了正式报道,这篇论文受到了医学界的高度重视,被誉为“放射诊断学史上又一个里程碑”,从此,放射诊断学进人了CT时代。1979年的诺贝尔生理.医学 奖破例地授给了豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家[16]。
最早的CT 机使用单束X 射线,配有1~2 个检测器,扫描时X 射线管每次仅转动1°,完成一次扫描需4~5 分钟。第二代CT 机采用两束X射线构成10°~20°的扇形束, 配有20~30 个检测器, 每次扫描只需30~120秒。第三代CT 机由多个X 射线管组成30°的扇形束, 用250~350个检测器,每次扫描只需2.5秒。第四代CT机用多个X射线管组成50°的扇形束, 用600~2400个检测器排列成环状,扫描时间仅1秒(右图为第四代CT机扫描结构)。CT机正向第五代过渡,只要1/100 秒就可捕捉到人体生理活动的动态信息。 |