CT X光与计算机的美好结合

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CT X光与计算机的美好结合

信息来自：科普中国 · 作者：魏德勇 · 日期：21-02-2017

2015-11-16

1895年，德国菲试堡物理研究所所长兼物理学教授威廉•孔拉德•伦琴在探索阴极射线本性的研究中，意外发现了一种穿透性很强的电磁波射线。他把这种新发现的电磁波命名为X光，又叫X射线，“X”是无法了解的意思。

伦琴在一次在暗房里洗照片时，把一个光导管放在了旁边。结果，在没有太阳光照射下，照片竟被过度曝光了。这是只有在洗照片时经阳光直射才可能发生的。难道在可见光之外还有别的光存在？伦琴对这一现象作了仔细研究。经过反复试验，他发现是光导管中无意产生的一种不可见光。伦琴进一步证实，X光是一种高能量光波粒子，一般物体都挡不住。X射线要被阻挡，关键由射线强度、频率、阻挡物质与射线作用程度、阻挡物质厚度、阻挡物质大小共同决定。

X光的发现，不但为后来发现红、紫外线等不可见光奠定了基础，也给医疗保健事业带来了新的希望。

如果没有更高明的现代化的科技，X光很可能只限于物理学研究。但计算机的诞生，让X光发挥了令人意想不到的作用。计算机俗称电脑，诞生于1946年2月14日，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备，由硬件系统和软件系统所组成。计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步，由此引发了深刻的社会变革。

计算机与X光结合，最终产生了一种最实用的医学人体检查方式——CT。CT是电子计算机断层扫描的简称，医学原理就是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描。CT与X光的区别，可以用一个比方来解释：把胡萝卜放在X光线下直接透视看是X线技术，把胡萝卜切成片观察每片的结构是CT技术。

CT的诞生，是两位医学家的不懈努力。他们就是科马克和豪斯菲尔德。由于发明CT扫描仪，他们共同获得1979年度的诺贝尔生理学和医学奖。

科马克是美国人，他从小立志当一名天文学家，并为此在南非联邦开普敦大学攻读了硕士学位。后来，他回到美国，在坎布里奇大学学习了两年，然后再来到开普敦，搞起了医用物理学。科马克遇到了这样一个问题：对于象头骨等基本上呈圆形的器官，用一般方法拍得的X光片子效果不好。片子上是二维图像，不具备三维空间的分辨能力，因此须从不同角度拍摄若干张片；但即使是这样，效果也并不理想。科马克设计了一种“CAT扫描器”即“计算机控X射线层析扫描器”。当该扫描器上的发射器绕病人的头部（或其他部位）转动时，会发出一系列短脉冲辐射，不是落到照相底片上，而是为同时一道转动的电子探头接收。计算机对接收来的信号进行分析后，便可给出检查部位有关情况的三维图像。这种CAT扫描器自1973年进入临床应用后，极大地改进了对大脑和其他组织病变的确诊能力。它的唯一缺点是制造成本和使用费用都极为高昂。

科马克认为，要改进放射治疗的程序设计，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。他运用多种材料、多种形状的物体直至人体模型作实验，同时进行理论计算。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，于1963 年首先建议用X射线扫描进行图像重建，并提出了精确的数学推算方法。科马克虽然没有最终发明CT扫描仪，但他为这项技术的诞生奠定了基础。

1967年，英国电子工程师豪斯菲尔德在并不知道科马克研究成果的情况下，也开始了研制一种新技术的工作。他首先研究了模式的识别，然后制作了一台能加强X射线放射源的简单的扫描装置，即后来的CT，用于对人的头部进行实验性扫描测量。后来，他又用这种装置去测量全身，获得了同样的效果。1971年9月，豪斯菲尔德又与一位神经放射学家合作，在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的这种装置，开始了头部检查。10月4日，医院用它检查了第一个病人。患者在完全清醒的情况下朝天仰卧，X线管装在患者的上方，绕检查部位转动，同时在患者下方装一计数器，使人体各部位对X线吸收的多少反映在计数器上，再经过电子计算机的处理，使人体各部位的图像从荧屏上显示出来。这次试验非常成功。1972年4月，豪斯菲尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果，正式宣告了CT的诞生。

科马克和豪斯菲尔德研究的CT物理原理就是，X光穿过人体被IP吸收形成潜影，通过激光激发，IP释放出光子，通过光电倍增管转换成电信号；通过数模转换把图像存储于计算机中，或打印成胶片。由于存储于光激励荧光粉中的能量在激光读取过程中不会全部释放，所以成像板需要用高强度荧光灯照射刷除，以用于下一次成像。X光比传统胶片成像有更高的成像宽容度，因此X光可用于曝光条件差的环境比如床边造影。并且由于CR有数字图像处理技术的支撑，所以在曝光不足和过曝光的情况下，可通过图像处理技术进行修正而无需重新成像。X光照射剂量并不是天然的比传统胶片X光成像低，只是因为X光的曝光宽容度比较高，所以对曝光不足或者过曝光有很好的容忍度。数字化，更高的曝光容忍度，比胶片成像低的分辨率可以被更高的对比度所弥补。

经过多年实践验证，CT的发明，给人类医学、电子扫描、测速导航等科技领域带来了极大的便利。随着科学技术的日益发达，这个由X光与计算机美好结合的产物，必将有着更广阔的前景。

[责任编辑: 张莉明]

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