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故事之五医疗诊断仪器 人类智力的延伸 科学仪器发明 1 1 X射线透视机的发明 为人类带来了福音 但是 人们渐渐发现它也有许多缺点 例如 X射线透视在诊断肿瘤的时候 就常常力不从心了 这是因为 人体是立体的 照在一张平面的底片上 影像互相重叠 前面的影子挡住后面的影子 没有立体感 分不清楚毛病到底出在哪里 为什么会这样呢 原来 不同器官 组织的密度不同 体内发生了某些病变后 如炎症和肿瘤 它们的密度和正常的组织不同 X射线透过这些密度不同的组织后 强度就会变化 反映在荧光屏或胶片上会出现不同的阴影 从而帮助医生诊断 但问题是这些阴影相互重叠一起 三 CT机问世 2 短片欣赏 下面我们观看一段有关CT机原理及其应用的短片可以帮助大家对CT机有更进一步的认识 3 2 怎样才能区别出重叠的影子呢 这件事引起了许多医生的关注 1917年 奥地利的数学家雷杜提出过一种方法 道理很简单 对一个立体物只要从前后 上下 左右 深浅几个角度表现 就可以充分地表现出它的立体特征 例如 有一棵树 树后面站着一个人 从前面看 看不见这个人 但是转一个方向看 就可以看到他 三 CT机问世 4 3 美国物理学家科马克根据这个道理 决定改进X射线透视机 他想 过去的X射线透射两个重叠的器官时 影子重合在一起就分不开 如果转一个方向看 两个影子不就会分开了吗 所以利用X射线源 从不同角度来照射 就可以解决影子重叠的问题 可以看到不同器官的影子 这就是科马克发明载射线断层扫描仪 简称CT 的基本原理 这个道理任何人都能明白 但是在实际操作中并不是那么容易就实现的 1956年 科马克首先研究各种物质对于X射线吸收量的数学公式 以便从X射线照射时留下的影像 反过来推断物质的性质 他开始用铅和木头制成圆柱体做实验 然后逐渐过渡到人体模型 经过十几年的研究 他初步形成了一套理论体系 三 CT机问世 5 4 遗憾的是科马克并没有实现他的设想 因为在计算机技术不甚发达的当时 把这个思想付诸实施有一定的困难 根据科马克的理论体系 最后制成CT扫描仪的人 是英国发明家豪斯菲尔德 豪斯菲尔德是一名计算机专家 他从小就喜欢动手搞制作 13岁时就用一些零件制成一台电唱机 15岁时制成一台收音机 1951年 他在法拉第 豪斯电气工程学院毕业后不久 就主持研究英国第一台晶体管电子计算机 他曾经研制出一台能识别印刷字体的计算机 三 CT机问世 6 5 1969年底 豪斯菲尔德开始着手研制第一台CT样机 他把接受器得到的信号输入到计算机中 存贮起来 然后进行分析和计算 最后显示出一张张清晰可见的反映人体内部各个断层的图象 比一般的X光照片的分辨能力要高100倍 就是直径只有几毫米的肿瘤也可以看见 样机于1970年10月完成 由于当时计算机很不完善 这台样机处理第一个断层整整用了两天的时间 这也太慢了 应用到医院恐怕还不行 后来 人们改用更好的计算机系统 这个问题才得到解决 这说明 一种技术设想的实现需要有相关的一系列技术来保证 有时缺一个也难以完成 1972年 科马克制成了第一台实用的CT机 引起了广泛的注意 从此 CT扫描技术很快得到世界的公认 三 CT机问世 7 6 现在几乎每个大医院都有CT机 在一间大房间里 你会看到一台乳白色的大型机器 中间有一个舒适的检查床 当病人躺在床上后 检查床会自动把病人送进一个圆洞里 如果需要检查头部 X射线管就在患者的头部旋转 在头的下方放置接收器 一束束X射线 横切地射向人体 射进人体后 一部分X射线被人体吸收 另一部分透过人体被人体下面的接收器接收 由于人体的正常组织和器官与病变的组织和器官对X射线的吸收和透射的程度不同 接收器接到的信息就有变化 当受检者的身体旋转时 X射线就从各个角度 各个方向来进行投影 投影的角度越多 关于人体的信息就得到的越多 通过计算机计算 最后就会摄出一张或数张X射线底片 从各个角度或不同层面清晰地呈现出人体的组织 就是隐藏在某个组织后面的一个极小的肿瘤也可以看到 三 CT机问世 8 7 1979年 豪斯菲尔德和科马克共同获得诺贝尔生理学和医学奖 其实他们两个人都不是学医学的 而且在学历上也没有读到博士 他们都没有想到自己会获得诺贝尔奖 因为他们不是为获奖而工作 而研究 而发明的 但是他们的功绩 人们是不会忘记的 有人说 没有CT扫描仪 现代的神经内科和神经外科根本无法工作 CT发明至今 仅仅几十年时间 但是已更新换代了好几次 三 CT机问世 9 四 核磁共振仪显神威 心电图机 1 提到核磁共振仪 首先要提到医生对人体或动物身体中电 磁 声现象的认识和利用 19世纪时 科学家已发现青蛙的心脏可以产生电流 于是很多人研究人类心脏的电活动 一位名叫爱因索文的医生发现 通过把电极置于一个病人的手臂和脚上的方法 能探测到心脏向全身泵送血液时通过心肌的电脉冲 经过几年的研制 他想出一种记录下这种电脉冲的方法 发明了心电图仪 他使弦线电流计的弦在偏移时挡住一束光 在纸上留下阴影 用一条长长的感光纸 并让其不断地移动 他就能够画出心电图 为此 爱因索文获得了1924年的诺贝尔生理学和医学奖 10 四 核磁共振仪显神威 心电图机 2 现在的心电图测量仪器已经不使用埃因托芬所发明的装置 但是人们仍然继续使用他所发明的心电图解读与分析方式 现代心电图机的工作原理 心脏在收缩之前 首先要发生电位变化并通过体液传播到人体的表面 经体表电极引导 放大 处理而形成波形 心电图 心电图反映了心脏兴奋活动的综合性电位变化的发生 传导和消失过程 目前 人体心电图检查已经成为常规的临床无创性检测方法之一 11 3 医学家发明了各种超声诊断仪器 它主要是应用反射原理 医生就是手握一个探头在病人所需要检查的部位来回探测 由于人体正常组织的密度 声阻抗及吸收系数不尽相同 尤其当抗体组织发生炎症 积液 肿瘤 钙化和气体时从器官组织内部反射而来的回声也各不相同 这时 探头能将反射回来的超声信号转换成电信号 再经一系列复杂而精细的处理 转换成该组织器官的断面图像即声图像 在屏幕上显示出来 目前应用最多的是利用脉冲 回声原理构成的扇扫成像仪 又称 B超 四 核磁共振仪显神威 B超机 B超机 12 4 而新一代产品 彩超 D超 和 超声CT 也在逐渐普及 彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒成像仪 即彩超既具有二维超声结构图像的优点 又同时提供了血流动力学的丰富信息 在临床上被誉为 非创伤性血管造影 超声CT 当CT应用的能量波为超声波时 就称为超声层析成像 UCT 由于超声波具有无电离辐射 对人体无害 设备价格便宜等优点 这一技术也广泛应用于医学工程及治疗中 以上是人们对人体电现象和声学现象的利用 四 核磁共振仪显神威 B超机 13 5 而对磁现象的利用又导致了一项具有重要意义的医学诊断技术 核磁共振成像技术的发明 什么是核磁共振现象呢 科学家们发现 原子核里的带正电的质子存在着一种自旋现象 像一个电陀螺 俗话说 有电就有磁 有磁就有电 电和磁密不可分 电荷的旋转会产生磁性 也就是说 原子核的自身运动会有一个 磁信号 如果我们给这个原子核加一个外来的磁场 使这个外来的磁场的 磁信号 频率与原子核的 磁信号 频率相同 这时就产生了核磁共振 1946年 美国斯坦福大学的布洛赫和哈佛大学的珀塞尔分别发现了核磁共振现象 为此两人共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖 四 核磁共振仪显神威 核磁共振现象 核磁共振现象示意图 14 6 在共振时 发出的信号是非常强的 非常明显的 通过仪器把这个共振信号接收 再输送到计算机系统 进行处理 分析 得出结论 结论可以通过荧光屏显示 也可以通过摄像系统拍出像来 这就是核磁共振成像术 本来 这种仪器是研究物质的分子结构的 但从20世纪80年代起 医学科学家巧妙地把这一技术移植到医疗诊断中 因为人体也是由原子组成的 原子核内带正电的质子的运动会产生磁场 四 核磁共振仪显神威 15 5 核磁共振成像术方式是 第一步 把被受检查的人体放入一个强磁场中 使人体磁化 磁化后 人体内的无数微小的磁场就产生有规律的运动 在这种情况下便能吸收从外面发来的电磁波而产生共振 第二步 向人体发射合适频率的无线电波 使人体内磁化的质子产生共振 第三步 关闭无线电波 此时人体每一个原子都会向外发射电磁波 用天线接收采集这些电波 再用计算机进行计算 分析 四 核磁共振仪显神威 16 6 由于人体中发生病变组织的氢质子含量与正常组织不同 因此它在核磁共振时发出的信息也与正常组织发出的信息不同 计算机可以从产生的不同信号精确地绘出相应的图像 对骨骼 肌肉 关节 纵隔 肝 脾 胰 肾及腹膜等病变的检查有其独到之处 很快就显示出它的优越性 它可以给出人体任意部位 任意方向的断层图像 它不像X光机那样有较强的电离辐射 对人体没有危害 另外在图像质量上 特别是在脑 胸 四肢及肝 胆等部位的成像清晰度上 远远超过了CT机 四 核磁共振仪显神威 17 7 2003年度诺贝尔医学奖授予劳特布尔 美围 和曼斯菲尔德 英国 以表彰他们在核磁共振成像技术领域取得的突破性成就 卡罗林斯卡学院诺贝尔奖大会在在声明中称 他们关于使用磁共振的重要发现 代表了医学诊断和研究领域的一大突破 劳特布尔与曼斯菲尔德的发现导致了现代磁共振成像技术的产生 通过这一方法可以获取人体内部器官的三维图像 磁共振成像技术代替穿刺检查获取到了病人体内的图像 给数百万需要进行手术前体检的患者减轻了危险和痛苦 这种技术对脑病和脊髓病患者来说意义尤为重大 另外 癌症的诊断 治疗和病情跟踪也将越来越多的使用到磁共振成像技术 四 核磁共振仪显神威 18 短片欣赏 下面我们观看一段有关核磁共振仪器有关知识的短片可以帮助大家对医疗诊断仪器有更进一步的认识 19 课堂问题及研讨 1 填空题 举例说出你所知道两种医疗检查设备 心电图机 B超 CT 20 课堂问题及研讨 2 单项选择题 按测量原理分类