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临床CT发明人戈弗雷·纽博尔德·亨斯菲尔德 |
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CT控制台 |
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亨斯菲尔德研发的临床CT原型机 |
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头部和颈部CT血管造影(VR) |
□撰文/供图 硕宽 CT几乎可以检查人体的所有器官，几乎成了医院的“标配”。研究机构报告显示，中国2020年采购了大约4000台CT，目前CT保有量2万多台。根据笔者观察，许多成年人都做过CT检查，但真正了解它的人并不多，对CT检查存在的潜在风险知道得更少。 1.CT发明离不开德国物理学家伦琴 提到CT，有一个人无法越过，这个人就是德国物理学家威廉·伦琴（1845年-1923年），没有他发现X射线，就不会有CT的发明，CT是在X线的基础上发明出来的。 1895年11月8日，伦琴发现了X射线，并于当年12月22日拍摄出人类历史上第一张医学X光片，X线诊断技术成为世界上最早的非创伤性检查技术，由此，伦琴被尊称为“放射诊断学之父”。 由于人体各组织的密度不同，对X线的吸收率也不相同，这样，X线穿过人体组织时会有不同程度的衰减，在胶片上的曝光度就不同，这就出现了灰度变化，由此形成影像，根据该影像，就能诊断出哪个部位发生了病变。 为永久纪念这位推动人类文明进程的科学巨匠，欧洲放射学会、北美放射学会、美国放射学会联合决议，把伦琴发现X线的日期11月8日定为“世界放射学日”。伦琴也上了美国科学家麦克·H·哈特精心编排的“历史上最有影响力的100人排行榜”,他在该榜单上名列第71位。 2.美国医生奥尔登多夫创建CT理论 读者会问，“CT”就是两个洋文字母，它究竟是什么意思呢？ “CT”是“Computed Tomography”的缩写，是“计算机断层成像技术”的意思。正如上文所讲，CT技术的基础是X线，所以，这项技术更完整的叫法是“X线计算机断层成像技术”（X-ray CT）。 早在1959年，美国神经外科医生威廉·亨利·奥尔登多夫 (1925年-1992年)便有了用X线对人体头部进行断层扫描的想法。X线断层扫描时，接收器收到衰减了的X线后把它转变为电信号，再把电信号转变成数字信号交给计算机计算，然后逆转过来，把计算机计算后的数字信号转变成电信号，再把电信号转变成影像，这样就可以通过再建的影像检查颅脑病变。这便是CT的基本原理。 1961年，奥尔登多夫在家中研制出了一个很粗糙的CT原型机，该原型机大部分部件取自家庭废弃物，如儿子的玩具火车、留声机转盘、闹钟等，并针对该项研究发表了论文，同时向美国专利局申请了专利。1963年10月，美国专利局批准了奥尔登多夫的CT专利。 后来，美国马萨诸塞州塔夫茨大学教授阿兰·麦克劳德·科马克(1924年-1998年)对奥尔登多夫提出的CT理论产生了兴趣，并提出了新的计算机算法，因为让CT从理论变为临床应用的关键还是数学问题。 奥尔登多夫找了多家公司生产CT，但都没有人愿意投资生产它，因为生产这个机器成本太高，而且当时也被很多人认为临床用途不大。由于找不到厂家生产，奥尔登多夫也就放弃了继续推动CT商业化的想法，改行从事别的科学研究。很遗憾，奥尔登多夫距离把CT推向临床应用仅一步之遥。 为纪念奥尔登多夫为CT理论创建作出的卓越贡献，美国神经影像协会设立了“奥尔登多夫奖”，每年评选一次，奖给那些在CT临床诊断、核磁共振、光子扫描以及电子扫描领域的突出贡献者。 3.英国百代唱片公司开发临床CT 英国百代唱片公司（EMI，也制造电子产品）工程师戈弗雷·纽博尔德·亨斯菲尔德在前人理论的基础上经过反复研究试验，于1971年9月研制出世界上第一台可被应用于临床的CT，并把它安装在伦敦附近温布尔顿的阿特金森-莫利医院。当年10月1日，他与放射科的一名医生共同操作这台CT，为一名脑瘤患者进行了头部CT扫描并获得脑颅影像。 世界上第一台临床CT检查时，X线在180个角度上（间隔1度）对脑颅扫描，每次扫描用时大约5分钟，但计算机重建影像计算却要花费2.5个小时。由此可见，CT后来的快速发展得益于计算机的发展，因为它依赖于计算机的计算速度。 百代唱片公司研发的临床CT获得成功，并很快量产投放市场，第一代CT就叫“百代唱片扫描机”。1973年，百代唱片公司因研发出临床CT获“女王技术发明奖”。 有人认为，百代唱片公司能搞出CT来，这要归功于20世纪60年代披头士乐队（也叫“甲壳虫乐队”），因为百代唱片公司从发行披头士乐队唱片上收入颇丰，这才有足够的资金投入CT研发以及后期的商业化，有人说：“CT是披头士乐队唱出来的。” 亨斯菲尔德与科马克作为临床应用CT的共同发明人获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。不过，这个诺贝尔奖颇有争议，因为CT理论的创建者奥尔登多夫未能获奖，很多人撰文为他鸣不平。 4.CT不断更新换代 上文已述，初期的CT扫描很慢，基本上只用于颅脑扫描。1974年，美国华盛顿特区乔治城大学医学院教授罗伯特·史蒂文·莱德利（1926年-2012年）研发出全身CT，从此，CT可以检查人体的任何部位。 1989年，螺旋CT问世，扫描速度大大提高。1998年4层螺旋CT诞生，即X光管绕身体一周可同时获得4幅断层影像，进一步提高了扫描速度，扫描精度也随之提高。 螺旋CT是相对于常规CT而言的。常规CT的X线管在扫描架内作往复运动，即X线管旋转一周扫描完一个断层就要停下来，向前移动设定的距离扫描下一个断层，以此类推，直至把要扫描的部位扫描完，而且用电缆供电，容易缠绕，扫描速度提高遇到瓶颈。螺旋CT则不同，X线管在扫描架内不间断旋转，边旋转边前进形成螺旋运动，就像把螺丝母拧到螺丝上一样，大大提高了扫描速度，同时，螺旋CT通过滑环供电，不存在电缆缠绕问题。 2007年，日本东芝公司研发出320层螺旋CT，并于2010年升级为640层，一次CT扫描可在一秒内完成，并实现了容积扫描。螺旋CT后又出现了双源CT和能谱CT等不断更新换代的CT。 目前，世界上的主要CT生产厂家是荷兰的飞利浦、德国的西门子、美国的通用电气、日本的东芝和日立。 CT属于精密仪器，在CT设备上，看上去最简单的扫描床的定位精度误差要求不得超过0.1毫米。CT所需要的三相交流电压为380伏，正负误差不得超过38伏；频率为50赫兹，正负误差不得超过2.5赫兹。机房温度为18℃-22℃，湿度为40%到60%。 现在的CT都是高度智能化的，操作人员将基本参数输入计算机，由计算机控制自动完成扫描和图像重建，无需人为干预。即便是CT出现一般故障，计算机自检系统也会自动排除，如果自检系统无法自动排除故障，则通过互联网与维修中心连接，由维修中心对设备进行远程诊断，排除故障。 5.CT是如何扫描成像的 普通X片是人体各器官组织叠加在一起的透视照片，给某些病灶的诊断带来一定的难度。CT属于断层扫描，人体组织无重叠，影像分辨率高，便于诊断，临床应用十分广泛。 CT由三个系统组成，即扫描系统、计算机系统和图像显示存储系统。扫描系统最复杂，部件包括X线管、高压发生器、探测器、准直器、滤过器、数据采集系统、扫描架、扫描床等。 CT扫描时，要把人体某一断层分成若干个成像单元，X线围绕这个断层旋转，另一端的探测器便接收到每个成像单元上衰减后的X线，并把它们转换成电流信号，再把这些电信号转换成数字信号，供计算机计算出每个单元上X线的衰减值；然后再逆转过来，把计算机计算后数字信号转换成电信号，继而把电信号转换成光信号，这些光信号形成不同灰度的像素，这些像素按矩阵排列就构成了CT影像。CT影像可储存在硬盘、U盘、光盘等存储介质上，当然，也可激光打印出来。 矩阵越大，被分割出来的单个像素面积越小，成像越细腻，越便于诊断。 读者也许会问，X线的衰减是如何计算的呢？ X 线穿过不同物质的衰减系数是不同的，水的X线衰减系数为1，空气的X线衰减系数接近0。为了在CT扫描时便于操作，CT用的衰减系数单位是“亨氏单位”（Hu，取自临床CT发明人亨斯菲尔德的名字）,简称“CT值”。水的CT值是0亨氏单位,空气的CT值是-1000亨氏单位，致密骨的CT值是+1000亨氏单位，人体各组织的CT值在-1000亨氏单位到+1000亨氏单位之间，跨度为2000亨氏单位。 人体组织密度越高，吸收的X线越多，CT值越大，再建的图像偏白；反之，人体组织密度越低，吸收的X线越少，CT值越小，再建的图像偏黑。我们从CT影像上可以看到，骨骼组织是白色的，而中空组织是黑色的。 6.CT有多种扫描模式并可得到立体影像 CT扫描和我们用智能手机拍摄照片一样，有多种模式可供选择。如“Std”模式主要用于胸部、腹部和盆骨常规扫描；“Soft”模式主要用于密度相似器官扫描；“Lung”模式主要用于肺部扫描；“Detail”模式主要用于后部脊髓扫描；“Bone”模式主要用于骨骼细节扫描；“Edge”模式主要用于头部小骨扫描；“Bone Plus”模式主要用于头部细节扫描；“CE”模式主要用于血管造影。 CT既然是断层扫描，这就存在一个断层厚度的选择问题。断层厚度越薄，图像的纵向连续性越好，纵向空间分辨率越高。但这并不意味着扫描断层越薄越好，主要还是根据检查部位和病灶性质而定，因为如果断层太薄，探测器接收到的X线光子数就少，这会降低分辨率。断层厚度通常在零点几毫米到几毫米之间进行设置。扫描器官越小，设置的层厚越小；反之，扫描的器官越大，设置的层厚越大。 读者读到这里可以想象得到，CT虽然是断层扫描，但如果把这些断层影像依次摞起来，就可得到三维影像，这也叫“容积扫描”。有了容积扫描，便可以实现仿真成像，即不通过内窥镜，用CT便可清楚地观察到人体器官管腔内部情况。 7.CT检查存在一定的风险 CT检查对患者的伤害主要来自X线，X线致癌，而CT检查是各种影像检查中X线剂量最大的。一次标准模式CT扫描X线剂量是拍X光胸片的700倍，这个剂量相当于人在自然环境中吸收的两年X线剂量总和。CT检查越频繁，患癌可能性越大。 2013年3月，哈佛大学医学院网站发文称，美国每年有7000万次CT临床检查，其中不少是非必要的，文章建议患者尽量避免CT检查，如有可能，选择替代检查方法。 美国放射医学院建议，一个人一生接受的X线医学检查剂量不应超过100毫西弗，大致相当于25次标准模式CT检查。当诸如癌症治疗检查时，一次CT检查X线剂量就会超过100毫西弗，这就意味着，在尝试治疗已有癌症的同时，也在诱发新的癌症形成。 当然，由于被X线照射后患癌需要一定的周期，年龄越小接受CT检查患癌可能性越大。65岁以上的人接受CT检查患癌可能性极低，因为X线诱发癌症大约需要20年，如果65岁接受CT检查，再过20年才有患癌的可能，这时已经85岁了，可能在患癌前就去世了。 X线剂量与图像质量成正比，这就需要在X线剂量和图像质量之间折中，不能一味追求图像质量而加大X线剂量，给患者身体造成不必要的伤害。 CT检查时还应注意对生殖腺、甲状腺和眼睛进行保护，孕妇、婴儿不宜接受CT检查。 另外，增强CT扫描时，有的患者会对造影剂起过敏反应，同时，造影剂也会伤害肾脏。 鉴于CT检查存在一定的风险，公众应了解这些常识，医生也有责任对患者说清楚CT检查的利弊，避免滥用CT检查，减少患者经济负担和健康风险。
