放射学诊断史上的里程碑--电子计算机X射线断层成像(CT).doc

放射诊断学史上新的里程碑电子计算机X射线断层成像 (CT)摘要：本文通过对电子计算机X射线断层成像(CT)技术的发明过程的描述，展现了科学发明在交叉学科取得重大成就的典型范例，对我们的科研将产生有益的启示。关键词：像素重建图像数-模转换器电子计算机X射线断层成像1895年年底，德国物理学家伦琴在做阴极射线管实验时发现了X射线；几天以后，伦琴的夫人偶然看到了手的X射线造影，从此就开创了用X射线进行医学诊断的历史。传统的X射线装置尽管在形态学诊断方面起了划时代的作用，但有其明显的缺点；1914年，有人曾设想出采用X射线管与胶片作同步反向运动的方法得到断层照片；1917年奥地利的雷唐在数学上给出证明：从物体投影的无限集合中可以重建出物体的图像；44年后，美国理论物理学家科马克为将图像重建原理应用于医学解决了技术上的理论问题；1967年，英国电气工程师豪恩斯菲尔德按照科马克的设想，成功地设计发明了CT的基本组成部分，并于1971年将第一台CT安装于英国阿特金森莫利医院；1972年4月豪恩斯菲尔德和神经放射学家阿姆勃劳斯在英国放射学会年会上公布了临床试验的第一例脑肿瘤照片，从而宣告了CT的诞生。1979年的诺贝尔奖基金会打破惯例，将该年度的生理学或医学奖授予豪恩斯菲尔德和科马克这两位没有任何专业医学经历的科学家。1传统的X射线摄片原理及其缺陷X射线的发现，使人们立即意识到它的医学价值，并很快用于医学临床方面的透视、摄片和造影。传统的X射线摄片，是将病人受检查部位置于X射线管球与胶片之间固定不动。当X射线穿过人体时，由于人体的密度高低不同，吸收射线的多少也不同，从而造成感光胶片呈现颜色的黑白程度不同；依此来对病变组织状况作出判断。（如图1）设强度为I。的X射线，穿过厚度为d的物体后，由于物体对X射线的吸收或衰减作用，X射线强度变为I，其衰减符合下列公式： （1）其中为吸收系数或衰减系数。可见其强度变化决定于d乘积，即从I的变化不能同时定出和d的大小，只能定出两者的乘积来而无法了解病变组织的厚度和质地。由于传统的X射线摄片的影像是身体各层组织前后重叠的复合影像，被遮掩、重叠的病灶有时显示不清，从而人们又发明了断层摄影装置；断层摄影装置可选定身体某一层面的组织结构作为显示对象，进行多方位摄影，使该层面显示清晰，而使前后与之重叠的组织阴影模糊（如图2）。图中X射线管球与X射线胶片在曝射时呈相反方向移动，A点为选定层面中的一点，在曝射过程中固定在A，而B点（选定层面上方的一点）则在胶片上移动而影像模糊（B）。把欲观察的身体层面高度作为轴心，在摄片时X射线管球与胶片呈相反方向移动，则选定层面的某一点A在移动过程始终固定在一点上；而上下层面的各点（如B点），则因在曝射过程中不断移动而成模糊阴影。但不管是普通X射线摄片还是断层摄影，都是将人体的立体形象（即三维景物）显示在二维的胶片或荧光屏上，不同深度方向上的信息重叠在一起，引起混淆；而且传统的X射线摄影装置只能区分密度差别大的脏器，如充气的肺，而对肝、胰等软组织内的差异则无法辨别；还存在着X射线所用的剂量较大等问题。为了克服影像重叠的缺点，人们力求寻找更新的思路，CT就是在这样的背景下诞生的。2 CT的诞生早在1917年奥地利数学家雷唐就曾从数学上奠定了CT的基本原理，可惜他的论文发表后的多年里一直没被重视，直至20世纪70年代初才重见天日。美国理论物理学家科马克（AMCormark）曾于1955年受聘到南非开普敦市一家医院照管放射科工作。因为按照南非的法律，医生在应用放射性同位素和其他物理治疗时，必须有物理学家在场监督。科马克当时在开普敦大学物理系任讲师，虽然他当时教的是理论物理学，但他很快对癌的放射治疗和诊断产生了兴趣。他发现当时的医生在计算放射剂量时，是把非均质的人体当作均质看待的。这是不能确定适当的放射剂量的。他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。在雷唐成就的基础上经过近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。CT英文意思是X-ray Computed Tomography，中文全称是“X射钱电子计算机扫描术”；CT的基本原理是：取一高度准直的、极细的笔状X射线束，环绕人体某一部分作断面扫描，未被吸收的光子穿透人体后被检测器接收，作为模拟信号输入，经过数学处理和运算后重建图像。 由前面(1)式可知，当X射线穿过物体后将发生衰减，衰减符合下列公式： ， 其中为吸收系数或衰减系数；人体组织的是不均匀的，但如果将人体均匀分解成许多足够小的方块，每个小块组织（称为体素）的可以看作是均匀的。如果能测定每个体素的吸收系数，则可重建出人体某一断面的X射线吸收系数分布图，即CT图像。图像上对应体素的小单元，称为像素。CT设备是以测定人体组织对X射线的吸收系数为基础的，目的是将待测组织中各断层上各小单元的吸收系数全部求出，并用图像表达出来。图(3)中，给出了一个沿Z方向切出来的待测体的断层面（设在O-xy平面上），此断层面的厚度为t。在这面上再按面积划分成许多小方块，每个小方块作为一个单元，则设每个单元的吸收系数i正是待求量。现假定在x方向和y方向上都被分成了100等分，即一共分成了 100100个单元（称为像素），则有104个未知量i要测量。现让一窄束X射线穿过待测体（见图4），测量被物体吸收后的强度I，可得到如下方程： (2)其中 (3)按以上假定，n=100，即（3）式中包含了100个未知量。为了得到断面上全部i值，必须将X射线源（连同探测器）沿着与X射线束垂直的y方向逐步平行移动，逐次测量，每次移动步长为t，一次扫描可得100个方程。这样还远远不够，还必须将X射线源和探测器系统绕圆心转动，每转过一个角度，类似上面，再沿着与X射线束垂直的方向移动，逐次测量，步长仍为t，则一次扫描又可得100个方程。根据要求要转动 99次，最后可得100100个代数方程。通过计算机可解出所有 104个像素的 i值。利用计算机屏幕上的不同颜色或不同灰度（对单显屏幕）来表示i大小，于是就可看到一幅待测体的“切片”图像。利用病变组织与正常组织有不同的值，即可以将病变部分显示出来。这就是 CT技术的基本原理。在完成一次断层扫描后，可在z方向再前进t距离，换到另一个新的断层面，再重复以上的测量，获得新断层面的图像。依次在z方向不断前进，最后可获得待测体的全部i（x，y，z）数据。经计算机作图像处理后，就可获得沿任何方向的切片图像，并可显示三维立体图像。 与科马克不同，英国电气工程师豪斯菲尔德(GHounsfield)一直从事工程技术的研究工作，受聘于电器乐器工业有限公司后，又转向从事电子计算机的设计工作。科马克的研究成果给了他很大的启迪和信心。在科马克等人研究的基础上，豪斯菲尔德选择了CT机作为研究的课题，开始了多年的艰苦攻关；CT图像重建的数学处理方法（模数转换、对比度增强和数模转换）与其娴熟的计算机技术结合起来，终于在1969年首次设计成功了一种可用于临床的断层摄影装置（见图5为电子计算机X射线断层成像装置示意图），并于1971年9月正式安装在伦敦的阿特金森莫利医院里。1972年他与神经放射学家阿姆勃劳斯合作，首次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。同年，他们在英国放射学会上发表了第一篇CT论文，这篇论文受到了医学界的高度重视，被誉为继X射线以后放射诊断学史上又一个里程碑，从此，放射诊断学进入了一个崭新的时代。3 CT的前景和成功的启示CT的发明，被称为影像诊断学史上具有划时代意义的一件大事，自从1972年完成首例成功的诊断后，现己发展成为全世界正规医院必备的诊断仪器，它能区分出吸收系数相差千分之五的差别，也就是说轻微的病变也能反映出来，比X光透视分辨率要高出一个数量级以上。豪斯菲尔德最初研制的CT扫描仪只能用于人脑的检查，时间约需1分钟至4分钟。此后20多年来，CT装置很快得到推广，并获得了极大的发展。从第一台CT机问世至今，CT已从第1代发展至第5代，其各项性能和速度都有了很大提高。扫描时间从4分钟到5分钟缩短到1秒钟甚至更短，最新式的CT机扫描速度可达每秒双层（横断面图像），可以跟上血液在器官和组织中的流动，对心脏作动态检查。1974年莱德利设计成功全身CT装置，进一步扩大了CT的检查范围，取得了更大的效益。不仅如此，CT作为一种技术，既有坚实的数学理论为依托，又有现代微电子与计算技术相支撑，己在工业生产，地球物理研究，农业、林业和环境保护方面都已取得了令人瞩目的成果，并展示了美好的前景。CT是医学诊断史上把电子计算机、X射线和医学诊断最成功地结合的典范，作为理论物理学家的科马克具有能够从事实中把握问题关键的直觉，他用漂亮的物理模型和精湛的数学技巧对传统的诊断模式进行彻底的理论改造，而作为电气工程师的豪斯菲尔德却用自己富有创建的技术构思和发明家的高超才能，使科马克的理论设想完美无缺地在技术上得以再現；他们的成功，为科学发明在交叉学科取得重大成就树立了最光辉的范例。参考书目：(1