如上图所示:年,英国电子工程师戈弗雷·亨斯菲尔德站在他发明的CT扫描仪旁。
密室里藏着珍贵物品的可能性真的能激发人们的想象力。在20世纪60年代中期,英国电子工程师戈弗雷·亨斯菲尔德(GodfreyHounsfield)考虑是否可以通过捕捉穿过看不见的空隙的宇宙射线,来探测埃及金字塔的隐藏区域。
多年来,他一直坚持这个想法,这可以解释为“不打开盒子就能看到里面的情况”。最终,亨斯菲尔德发现了如何利用高能射线揭示肉眼看不见的东西。他发明了一种方法,可以看到硬脑壳内部,并得到软脑壳内部的图像。
人类大脑的第一张计算机断层扫描图像(CT扫描)是在50年前的年10月1日拍摄的。亨斯菲尔德没能到达埃及,但他的发明却把他带到了瑞典的首都斯德哥尔摩和英国的白金汉宫。
一个电子工程师的创新
如上图所示:世界上第一台CT扫描仪。
亨斯菲尔德的早年生活表明他不会有什么成就。他不是一个特别好的学生。当他还是个小男孩的时候,他的老师总说他“笨”。
他在第二次世界大战开始时加入了英国皇家空军,但他并不是一位优秀的士兵。然而,他是电气设备方面的巫师,尤其是新发明的雷达,他可以应急装备这种雷达,帮助飞行员在阴暗多云的夜晚更好地找到回家的路。
战后,亨斯菲尔德听从了指挥官的建议,获得了工程学学位。他在EMI公司(电子与音乐工业公司)工作,后来这家公司名称改为“百代唱片公司”,因销售披头士(Beatles)的专辑而更出名,但最初是作为电子和音乐产业起步,专注于电子和电气工程。
亨斯菲尔德的天赋促使他带领团队建造了英国最先进的大型计算机。但到了60年代,EMI公司想要退出竞争激烈的计算机市场,不知道该拿这位才华横溢、古怪的工程师怎么办。
在被迫休假期间,亨斯菲尔德考虑自己的未来以及他可能为公司做些什么时,他遇到了一位医生,这位医生抱怨大脑的X光片质量很差。普通的X光片显示了骨骼的奇妙细节,但大脑是一个无定形的组织团,在X光片上它看起来就像雾一样。这让亨斯菲尔德想起了他以前的想法:不用打开盒子就能看到内部隐藏的结构。
一种新的方法揭示了以前未见过的情况
如上图所示:这张图显示了X射线是如何在半圆范围内,以1到度的角度,切割大脑的各个层面。
亨斯菲尔德提出了一种新的方法来解决成像颅骨内部的问题。
首先,他会概念性地将大脑分成连续的薄片,就像一片面包。然后,他计划通过每一层发射一系列的X射线,对每一个半圆的角度重复这一过程。每个光束的强度会在大脑的另一边被捕捉到,更强的光束表明它们穿过了密度更低的物质。
最后,可能是亨斯菲尔德最具独创性的发明,他创造了一种算法,可以基于所有这些层来重建大脑图像。通过逆向工作,并使用当时最快的新计算机之一,他可以计算出每个大脑层的价值。
但有一个问题:EMI公司并未涉足医疗市场,也无意愿涉足。公司允许亨斯菲尔德开发他的产品,但资金不足。他不得不在研究设施的废箱里翻来翻去,拼凑出一台小到可以放在餐桌上的原始扫描机器。
如上图所示:计算每条X射线穿过物体后的强度,然后用一种令人印象深刻的算法反向计算,就有可能构建出一张图像。
即使成功地扫描了无生命的物体,后来又成功扫描了真正牛的大脑,EMI公司的高管们仍然不为所动。如果亨斯菲尔德想要继续人体扫描仪的研发,他就需要寻求外部资金。
亨斯菲尔德是一位才华横溢、直觉敏锐的发明家,但却不是一位有效的沟通者。幸运的是,他有一位富有同情心的老板比尔·英厄姆(BillIngham),他看到了亨斯菲尔德提议的价值,并与EMI公司努力维持这个项目。
他知道不可能很快获得拨款,但他认为英国卫生和医院购买设备。神奇的是,英厄姆在扫描仪还没造出来之前就卖给了他们4台。所以,亨斯菲尔德组织了一个小组,他们争先恐后地建造一个安全有效的人体扫描仪。
与此同时,亨斯菲尔德需要病人来他的机器。他找到了一位有点勉强的神经科医生,他同意帮忙。该团队在伦敦的阿特金森·医院(AtkinsonMorleyHospital)安装了一台全尺寸扫描仪,并在年10月1日扫描了他们的第一个病人:一名显示出脑瘤迹象的41岁中年妇女。
如上图所示:年10月1日,人类第一次进行CT脑部扫描,地址选在英国温布尔登的阿特金森·医院。
这不是一个快速的过程,扫描需要30分钟,带着设备开车穿过城镇,在EMI主机上处理数据,并用相机拍摄图像,医院。
在这位女性患者的左额叶,有一个李子大小的囊性肿块。有了这台CT扫描仪,所有其他的大脑成像方法都过时了。
每年进行数百万次CT扫描
如上图所示:与年亨斯菲尔德的原始扫描相比,现代CT扫描提供了更高分辨率的大脑“切片”图像。
在医疗市场毫无经验的EMI公司,突然垄断了一种需求量很大的机器。它开始生产,并在最初非常成功地销售出扫描仪。但在5年内,美国通用电气公司和西门子等规模更大、经验更丰富、研究能力更强的公司生产出了更好扫描仪,吞噬了销售市场。EMI公司最终退出了医疗市场,并成为一个研究案例,说明为什么与大公司合作比单干更好。
亨斯菲尔德的创新改变了医学。年,他获得了诺贝尔生理学或医学奖,年被英国女王伊丽莎白二世封为爵士。直到年8月12日去世,享年84岁,他的生命才结束。
年,美国人罗伯特·莱德利(RobertLedley)发明了一种全身扫描仪,可以对其他器官、血管,当然还有骨骼进行成像。现代扫描仪更快,分辨率更高,最重要的是,辐射暴露更少。甚至还有移动扫描仪。
如上图所示:第一次临床CT扫描显示,在患者的左额叶可见一个李子大小的脑瘤。它在扫描上显示为一个黑色的斑点。
到年,技术人员每年在美国进行超过万次扫描。一些医生认为这个数字过高,可能三分之一是不必要的。虽然这可能是真的,但CT扫描已经使世界各地的许多患者的健康受益,有助于识别肿瘤,并确定是否需要手术。它们在急诊室里特别有用,可以快速查找事故后的内伤。
还记得亨斯菲尔德关于金字塔的想法吗?年,科学家们在埃及哈夫拉金字塔最低的房间里放置了宇宙射线探测器。他们得出结论,金字塔内没有隐藏的房间。年,另一个团队在胡夫金字塔放置了宇宙射线探测器,发现了一个隐藏的、但无法进入的房间。它不太可能在短期内被探索。