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講到醫(yī)學(xué)影像，我們都會想到X光。X光是我們無法看見的電磁波。它的波長比可見光的波長要短很多。比可見光波長短的首先是紫外線，接著是X光，然后還有伽馬射線（圖1）。
圖1，可見光、紫外線、X光與伽馬射線
一、紫外線
紫外線是德國科學(xué)家約翰·里特爾（Johann Ritter，1776—1810）發(fā)現(xiàn)的。里特爾出生在薩米茲（zamienice，現(xiàn)屬波蘭）。他的父親是位牧師，家境小康。他19歲時，父親去世，留下了一份微薄的遺產(chǎn)。他靠著這筆錢上了大學(xué)。在大學(xué)時他結(jié)識許多的學(xué)者，包括歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832）,洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）和奧斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851），因此對科學(xué)著迷。他曾經(jīng)用自己的身體做實驗，把電壓加在眼睛、鼻子、耳朵和舌頭上，測試電對人體的影響。當(dāng)時流行所謂“兩極論”：有熱就有冷，有長就有短，有快就有慢等等。當(dāng)他聽說發(fā)熱的紅外光后（在下一篇文章中將會講到），馬上去鉆研“發(fā)冷”的光。他用棱鏡把太陽光分開，用的溫度計在紅光旁邊測量到了會發(fā)熱的紅外線（參見圖1）。但是在紫光旁邊卻測量不到會“發(fā)冷”的紫外線。事實上，光是粒子流，不可能“發(fā)冷”。里特爾想到了溴化銀在光的作用下會變色（這就是第一代照相技術(shù)），他把溴化銀放在紫光及其周邊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紫光旁邊的變色更深。據(jù)此，他斷定紫光之外還有光。這就是紫外線了。1804年，里特爾入選為巴伐利亞科學(xué)院院士（當(dāng)時還沒有德國，沒有德國科學(xué)院）。同年，他與心愛的女友結(jié)婚并很快就有了4個孩子?？茖W(xué)院院士只是榮譽，沒有工資。另外，他喜歡和人爭辯，所以一直都沒能找到工作。不久家中就負(fù)債累累，無以為生了。1810年，里特爾在貧病之中去世，年僅34歲。
目前紫外線在醫(yī)學(xué)影像中沒有什么用處。但人體需要紫外線來合成維生素D。不過過度的紫外線照射則會導(dǎo)致皮膚灼傷。
圖 2，約翰·里特爾
二、X光
X光是德國科學(xué)家威廉·倫琴（Wilhelm Konrad R?ntgen,1845—1923）發(fā)現(xiàn)的。倫琴出生于一個平民家庭，他上學(xué)時發(fā)生的一件事幾乎改變了他的一生。一天，老師發(fā)現(xiàn)他手里有一張對老師不敬的漫畫，校方追問他是誰畫，他不愿供出他的鄰桌，緘口不語，終被學(xué)校開除，大學(xué)也不能去考了。他聽說蘇黎世理工大學(xué)（Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich，ETH）可以通過考試入學(xué)，就去了瑞士參加考試并以高分被錄取。博士畢業(yè)后，他回德國找到了教職，并有機會結(jié)識了赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）及洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928）等人。他勤奮工作，很快就發(fā)表了幾篇文章。1871年，他與他的太太邂逅相遇。兩人一見鐘情，第二年就成親了。
1895年11月8日， 倫琴在實驗室用一個陰極射線管做實驗（圖3）。當(dāng)時那個陰極射線管還包著黑紙，但在1米外的熒光板上卻顯示出微弱的綠光。他在驚訝之余仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)這個陰極射線管發(fā)射出的電子束遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的波長范圍。在接下來的幾周內(nèi)，他在實驗室里搭了個行軍床，日以繼夜做了大量實驗，后發(fā)現(xiàn)是陰極射線管內(nèi)部的接觸點產(chǎn)生了射線。這種射線不受磁場的偏轉(zhuǎn)控制，可以穿透多種物質(zhì)，但鉛板可以擋住射線。到了12月22日，他把妻子請到實驗室，讓妻子在陰極射線管前伸開手，自己在后面拿著一張底片，拍了第一張X射線的照片，照片清楚地顯示出她手上的骨骼和結(jié)婚戒指（圖3）?？吹竭@張照片，他的妻子驚叫起來，說是見到了自己死后的樣子。倫琴也感到震驚，從此小心，接觸X光時總是穿上防護(hù)鉛板。
幾天后，1895年12月25日，倫琴在一個會議上宣讀了自己的論文《論一種新的射線》，并公布了這張照片。倫琴把這種射線叫做“X射線”（X代表未知）。倫琴清楚地知道這一發(fā)現(xiàn)會帶來巨大的財富，但堅持不申請專利，把這個技術(shù)奉獻(xiàn)給了全世界。
倫琴的X光照片不但在科學(xué)界而且在社會上都激起了人們的巨大興趣和熱情。僅僅14天后，一位牙醫(yī)就為自己的牙齒拍下X照片。12周后，的發(fā)明家愛迪生（Thomas Alva Edison，1847—1931）做出了顯示X光的屏幕。這次他也沒有申請專利，要讓X光技術(shù)盡快為普羅大眾服務(wù)。他還做了一套X光設(shè)備配上他的留聲機向公眾展示，一時間門庭若市。
1901年，倫琴榮獲諾貝爾物理獎。這也是歷史上第一個諾貝爾物理獎。他把獎金全部捐贈給了學(xué)校。1914年，美國哥倫比亞大學(xué)邀請他去當(dāng)系主任。他買好了船票準(zhǔn)備舉家移民美國。不幸第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。他只能滯留歐洲。戰(zhàn)后，德國陷入經(jīng)濟危機，倫琴也幾乎破產(chǎn)，只好住在阿爾卑斯山下一個避暑的小屋中。后病逝，終年77歲。
圖 3，倫琴（坐者）的X光實驗及第一張X光照片
倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線后就沒有繼續(xù)研究了下去了。X光為什么能夠穿透人體？德國科學(xué)家馬克思·馮·勞厄（Max von Laue，1879—1960）提出了X光衍射理論：他認(rèn)為X射線是極短的電磁波，而晶體是原子有規(guī)則的三維排列。如果X射線的波長和晶體中原子的間距具有相同的數(shù)量級，那么當(dāng)用X射線照射晶體時就應(yīng)能觀察到干涉現(xiàn)象（圖4）。接著他和他的學(xué)生用實驗證明了這個理論。他因此而獲得了1914年的諾貝爾物理獎。勞厄是一位正直的物理學(xué)家。他生逢兩次世界大戰(zhàn)。在希特勒納粹橫行的日子里，愛因斯坦因為是猶太人而受到排擠。勞厄公開反對，并堅決不參加任何納粹活動，是科學(xué)家們的表率。
圖 4，馬克思·馮·勞厄和X射線干涉
X光的波長極短，能夠穿透人體。人體中不同的組織對X射線的吸收率不同。骨骼的吸收率高，所以在X光照片上呈白色；肺里的空氣吸收率低，所以呈黑色。其他的組織呈現(xiàn)現(xiàn)出不同程度的灰色。
X光技術(shù)很快就發(fā)展了起來。由于沒有專利的障礙，從1896年開始，西歐和美國到處都在研發(fā)X光機。1903年美國工程師威廉·柯立芝（William David Coolidge,1873—1975）發(fā)明了X射線管（圖5）。他把鎢研磨成粉末，然后加溫加壓燒結(jié)成細(xì)棒（這也是粉末冶金的開始）。然后把鎢棒一步一步地拉成細(xì)絲。這個細(xì)絲在真空下加熱就會發(fā)射出X射線。直到今天，所有的醫(yī)用X光機用的還是這個“柯立芝管”。我們在機場和車站常見的檢查機用的也是它。
圖 5，威廉·柯立芝與他的X射線發(fā)生器“柯立芝管”
1927年，葡萄牙醫(yī)生安東尼奧·伊加斯·莫尼茲（Antonio Egas Moniz，1874—1955）發(fā)明了用X射線觀測腦血管的血管造影技術(shù)。莫尼茲是個特殊人物。1902年，他獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位后不但行醫(yī)，而且從政，曾任葡萄牙的外交部長。1926年，他離開了政界，到里斯本大學(xué)任神經(jīng)科教授。翌年，他開發(fā)出了血管造影的技術(shù)（圖6）。這一技術(shù)的關(guān)鍵是在動脈注入顯影劑，當(dāng)顯影劑隨血液流過大腦時用X光進(jìn)行分析。1936年，他又發(fā)明了用前額葉皮層切除術(shù)（Prefrontal leucotomy）調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)的病變，卻導(dǎo)致了一些病人終身不能自理。其中的是約翰·肯尼迪（John F. Kennedy, 1917—1963）的妹妹Rosemary Kennedy。1949年，莫尼茲獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。同年他被他的一個病人開槍打傷，只能坐在輪椅上。過了幾年就逝世了。莫尼茲還是作家，寫過好幾本關(guān)于葡萄牙歷史人物的書籍，流傳至今。
圖6，安東尼奧·伊加斯·莫尼茲及他的血管造影術(shù)
三、CT
用X光做醫(yī)學(xué)診斷的另一個里程碑是“CT”。CT英文全文是“computerized axial tomography scanner”，簡稱為“CAT-scan”，或“CT”。中文的意思是計算機斷層掃描。CT的基本思想是用一系列X光照片疊起來生成身體的3維圖像。這個想法是由英國電機工程師戈弗雷·亨斯菲爾德（Godfrey Hounsfield，1919—2004）與他的朋友，放射科醫(yī)生 James Ambrose首先提出并實現(xiàn)的。當(dāng)時亨斯菲爾德在一個制造雷達(dá)的公司工作，他說服了他的老板拿出一些錢來研發(fā)這個技術(shù)，經(jīng)過近十年的努力在1971年獲得成功（圖7）。1972年，西門子公司投入重金研發(fā)，兩年后開發(fā)出旋轉(zhuǎn)式CT機（圖8）。旋轉(zhuǎn)式的CT機在不同的角度環(huán)繞拍攝身體的X光照片，這些照片之間的距離大不超過3~5毫米（mm）。然后通過計算把這些照片中的人體組織重構(gòu)成3維模型（圖9）。1979年，亨斯菲爾德獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。
與X光機相比，CT能夠生成3維圖像，精度也更高些。由于X光是放射性射線，會對人體造成損傷，CT使用較低強度的X光來拍攝多個照片。相比之下，X光片只照一張，可以用較高的強度。因此對人體組織的質(zhì)地（如骨質(zhì)疏松）會敏感些，價格也便宜得多。
圖 7，亨斯菲爾德及他發(fā)明的CT機
圖8，旋轉(zhuǎn)式CT機的工作原理
圖9，旋轉(zhuǎn)式CT機的工作原理
四、伽馬射線
CT圖像和X光照片都是靜態(tài)的。能不能錄下人體器官動態(tài)的狀況，如大腦神經(jīng)元的激發(fā)或器官的血流？這就是正電子斷層掃描技術(shù)，“Positron emission tomography”，簡稱為“PET scan”或“PET”。
PET通常是與CT一起使用的。使用的過程分四步：
●用原子能回旋加速器生成各種“核種”，如F-18（氟-18），O-13（氧-13），C-11（碳-11）等；
●合成各種放射藥物，如F-18FDG（F-18脫氧葡萄糖），C-11methionine（C-11蛋氨酸）等；
●讓檢查者經(jīng)注射或呼吸將示蹤藥物吸收到體內(nèi)，特別是要檢查的部位。藥物隨著血液流動、氧氣消耗和身體特定部位的其他代謝活動而移動，同時發(fā)射出正電子(positron)。此時使用CT記錄下檢查者體內(nèi)部發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)過程（圖10）。
●將記錄下來的圖像重組成3維圖像并加以分析。
正電子的波長在伽馬射線的波段中。用于示蹤的放射性元素劑量低，衰減快，對人體影響不大。
圖10，PET scan
PET技術(shù)是世界各地多個團(tuán)隊共同努力的結(jié)果。1974年，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）首先制作出一個樣機，經(jīng)過20多年的努力，1997獲得相關(guān)機構(gòu)的批準(zhǔn)，開始商業(yè)生產(chǎn)并在推廣應(yīng)用。
目前，PET是能檢測出人體器官動態(tài)的醫(yī)學(xué)影像方法，應(yīng)用的范圍很廣，包括：
●腫瘤診斷，如腫瘤局部血流、耗氧量、氨基酸代謝、葡萄糖代謝、酸堿值、腫瘤轉(zhuǎn)移示蹤、用藥果等等；
●心血管疾病診斷，如心肌存活狀況、冠狀動脈狀況等等；
●腦神經(jīng)疾病診斷，如腦中風(fēng)、癲癇癥、失智癥（Alzheimer’s disease）、巴金森氏癥、憂郁癥（depression）、癡呆癥（dementia）、精神分裂病、情感型精神病癥（躁癥或郁癥）、飲食障礙（厭食或暴食）、強迫癥、恐慌癥、社交畏懼癥、及藥物濫用等等。
紫外線、X光與伽馬射線都是射線。射線的強度是用“西韋特”或“西弗”（Sievert，簡稱Sv）來量度的。這個名字來源于瑞典的羅爾夫·西韋特教授（Rolf Maximilian Sievert，1896—1966）。他創(chuàng)建了國際輻射防護(hù)協(xié)會（International Radiation Protection Association，IRPA），1西韋特（Sv）= 1焦耳/千克（J/kg），即重量為1千克的人體所承受1焦耳的輻射能量。這個單位很大，因此常用的是毫西沃特（mSv），即千分之一西韋特。
圖11是紫外線、X射線及伽馬射線的穿透能力圖。我們平均每年會吸收2.2 mSv的紫外線。紫外線不是放射性射線，不能穿透人體；但是會灼傷皮膚，所以需要防護(hù)。紫外線防護(hù)可使用特別的布料（防紫外線雨傘就是一例）或防曬霜。防護(hù)是按日光防護(hù)系數(shù)（Sun Protection Factors，SPF）來分檔的，SPF = 15-24為良好，25-39為很好，50以上為。
圖11，紫外線、X射線和伽馬射線的穿透力
X射線與伽馬射線都是放射性射線。X射線可以穿過人體，但是不能穿過鉛板。所以經(jīng)常接觸X光的人（如放射科醫(yī)生）要穿上鉛板防護(hù)衣。
人體能承受的大的輻射劑量為100 mSv。照一張X光胸片的輻射量是0.02 mSv，照一張牙科X光片為0.004 mSv，照一張關(guān)節(jié)X光片為0.06 mSv。做一次頭部CT檢查約為2.0 mSv，做一次胸部CT檢查為8.0 mSv，做一次骨盆CT檢查為10 mSv。伽馬射線比X射線更具有穿透性。PET的輻射也更大。做一次PET檢查為25 mSv。
通過X光、CT和PET，人體的每一個器官都清晰可見。
撰文：杜如虛
排版&編輯 | Mosh魔時
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