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CT风云50年:改变人类历史的医学检查,竟来源于传奇乐队甲壳虫?

作者:小D|2021年07月30日| 浏览:1194
在50年前的1971年,位于英国小镇温布尔顿的阿特金森莫理医院中,一位疑似患有额叶肿瘤的女性患者被James Ambrose医生带到了一台奇怪的机器前,医生要用这台机器给她做一种全新的检查。

负责这台新机器的工程师Godfrey Hounsfield给她的头带上了一个充满水的橡胶帽,然后让她把头伸进了机器上的一个洞中。经过一番操作,Hounsfield获得了她大脑的一张图像。几天后,患者的手术完成,为她做手术的医生称,患者大脑里的肿瘤,跟图像上的一模一样。

第一台CT原型机及其制造者Hounstfield(左)和第一位患者的CT图像(右)

 

这其实就是历史上第一次CT检查。随后Ambrose和Hounsfield又在10位患者身上进行了测试,他们的CT机显示出了每一位患者的脑部病变,Ambrose还发现,通过注射碘造影剂,可以更好的显示肿瘤。


在1972年4月20日的英国放射学研究所第32届大会上,Hounsfield和Ambrose一起报告了他们的CT扫描结果,引爆了会场。CT这一无创显示人体内部3维结构的检查方法,也随后在医学中广泛的使用开来。而这一切据传还要感谢著名的甲壳虫乐队。

甲壳虫乐队

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从平面到立体

1895年圣诞节前夕,物理学家伦琴为他妻子的左手拍下了第一张x光片,作为给妻子的圣诞礼物,也开启了人类使用x光透视人体内部的历史。据传,李鸿章在访问欧洲期间,也通过x光片看到了他在马关谈判期间遇刺时,留在他左脸内的子弹。

第一张x光片

不过x光片毕竟是个二维图像,人体中不同层次的结构会在x光片上叠在一起,互相干扰,观察困难。尤其是脑部,外面有颅骨包绕,很难通过x光片观察大脑中的病变。该怎么显示人体内部的三维结构呢?

1917年,数学家Radon给出了答案。他提出了Radon变换及其反演公式,简单来说就是利用一个二维图形内部不同位置不同方向的线段长度,把二维图形原本的形状还原出来。

理论上,通过Radon变换,就可以用不同方向的多张x光片,绘制出人体内每一个断面的图像,进而构建出人体内部的三维结构。这不过,这一过程的计算量十分庞大,单凭人力实在难以完成。可以说,此时距离CT的诞生,差的就是一台计算机和一位工程师。

Radon变换

2
时势造英雄

20世纪60年代中期,正值计算机革命的风口浪尖,Hounsfield来到了百代唱片公司的中央实验室工作,开始研究自动模式识别。在这里,他将Radon变换从一个数学模型,转化成了第一台CT机。

Hounsfield最初的试验在一台旧车床上完成。最早的一台CT原型机使用了镅95γ射线源,用光子计数器接受数据。样品每转1度扫描一次,一共转了180度扫描了160次,整个扫描过程用时9天。

之后Hounsfield使用一台ICL1905大型计算机处理扫描获得的数据,耗时2.5小时最终获得了正确的图像。后来,Hounsfield又将扫描用的射线源从γ源改为了x射线源,把扫描时间减少到了9小时以内。

1969年时,Hounsfield被介绍给Ambrose医生,这才有了1971年的第一张临床CT图像。此时,CT扫描的用时已经减少到了5分钟左右,计算机图像重建的耗时也缩短到了20分钟,只是机器中间的孔洞还比较小,只能拍摄头部。

后来,Hounsfield又制造了孔径更大,可以容纳人体躯干的CT机,并在1974年12月20日亲自拍摄了第一张躯干CT图像。


相传,Hounsfield的研究经费来自百代唱片公司销售旗下甲壳虫乐队唱片的销售收入。如果没有二战后计算机技术的飞速发展,没有甲壳虫乐队的火爆,或许就不会有CT的诞生。

3
火爆全球和辐射隐忧

最初,百代唱片公司预计全球一共需要25台CT扫描仪。而CT的实际普及速度显然大大超过了百代公司的预计,1980年时全球已经记录了300万次CT检查,到2018年时,仅美国一国一年就要进行7500万次的CT检查。CT已经成为了医院中使用最多的影像学检查方法之一。

伴随而来的则是CT检查成为现在人类辐射暴露的一个主要来源。受检查原理的限制,CT的辐射剂量天然就比x光片高很多。就拿最常见的胸部检查为例,一次胸部x光片检查的有效辐射剂量为0.1mSv,而一次普通胸部CT的剂量有6.1mSv,相当于61张胸片,用于肺癌筛查的低剂量螺旋CT的辐射剂量也有1.5mSv,相当于15张胸片。

减少CT的辐射危害,一方面需要CT的生产厂家努力,制造辐射剂量更低的CT仪。另一方面也需要医生更准确的判断哪些患者需要做CT,哪些只拍胸片就行。



参考文献:
[1]. Howell J D. TheCT Scan after 50 years—Continuity and Change[J]. New England Journal ofMedicine, 2021.
[2]. Beckmann E C. CTscanning the early days[J]. The British journal of radiology, 2006, 79(937):5-8.
[3]. https://idataresearch.com/over-75-million-ct-scans-are-performed-each-year-and-growing-despite-radiation-concerns/

 

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