|
1895年11月8日的德国，一个留着大胡子的中年男人在实验室里无意中发现了一种神秘的"荧光"，这种"荧光"可以穿透人的表皮，看到内部结构。当时他的夫人手持荧光板由近向远移动，帮助他测试射线的投射距离。就在这个过程中，奇迹骤然出现，荧光板的后面，清晰地显现出他的夫人手指骨骼的影子。他百思不得其解个中道理，就用数学中代表未知的"X"符号来表示，这就是"X线"的由来。大胡子中年男人就是德国物理学家伦琴(Roenthen)。后来人们为了纪念伦琴这一伟大的发现，又把它叫做伦琴射线。自伦琴发现X 线后，X射线被广泛应用于医学诊断，开启了医学影像的大幕。在此后的100多年的发展史中，医学影像经历了数次里程碑式的飞跃，走到今天，已经成为医学领域重要的组成部分。 1930年～1970年，大型X线机开始出现，断层摄影和特殊造影、影像增强器、介入放射学开始兴起。1957年，出现儿童X线机，为使孩子配合还特意加装了小木马。20 世纪70 年代初期电子计算机断层扫描(computed tomography, CT) 和80 年代磁共振 (magneticresonance, MR) 的发明及数字化技术和移动通信技术的迅速发展，逐步替代和革新了传统的X 线摄片技术及图像处理模式，形成医学影像学近30 多年发展的基础。 X 线的发现为探测人体疾病发挥了重要作用，但对于那些前后重叠的组织的病变，X 线就束手无策了。于是，科学家们开始寻找一种新的东西来弥补 X 线技术的不足。CT 和MRI 两项技术的发明为现代医学影像学的发展奠定了坚实的基础。第一，多平面断层成像打破了传统X 线平片解剖结构重叠、单平面成像的局限，使影像解析获得从未有过的清晰与准确。第二， CT 和MRI图像均属数字化图像，可以运用现代的数字化技术进行全面的图像处理，包括窗位、窗宽的调节，三维的重建，血管重构（VR），重建模拟各种腔镜， 更重要的是数字化后图像的保存和传输变得非常简单，可以节省大量的空间和时间，为图像广泛便捷的传送打下了基础。通过血流灌注的测定可以了解器官组织的血流动力学变化，通过测定水分子的流速和方向可以获得组织间水分子活动的状况和显示神经纤维的存在。通过波谱分析，可以知道参与代谢的物质基础及其变化情况，对于疾病的定性帮助极大。 世界上第1 台CT 机由英国EMI 公司工程师亨斯菲尔德(Godfrey Hounsfield) 研制成功， 1971 年在伦敦一家医院正式安装使用。CT 虽然是亨斯菲尔德发明的，但CT 的基本思想则可以追溯到1917 年奥地利数学家雷唐(Johan Radon ) 所作出的贡献。可惜他的论文在发表后50 多年里一直被埋没，直至20 世纪70 年代初才得以重视。除雷唐外，还有其他一些数学家提出了各自对CT 数字处理的运算方法，其中贡献最大的是美国物理学家科马克(Allan MacLeod Cormack) 。科马克于1955 年受聘于南非开普敦市一家医院从事放射科工作。因为按照南非的法律，医生在应用放射性元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，虽然他教的是理论物理学，但他很快对肿瘤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的看待，这样确定放射剂量是不适当的。科马克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做实验，同时进行理论计算。经过近10 年的努力，他终于解决了CT 技术的理论问题，于1963 年首先建议用X 线扫描进行图像重建，并提出了精确的数学推算方法。1969 年，亨斯菲尔德首次设计成功了一种可用于临床的断层摄影装置，并于1971 年9 月正式安装在伦敦的一家医院里。这一年他与神经放射学家阿姆勃劳斯(J. Ambrose) 合作，首次成功地为一名英国妇女诊断出脑部肿瘤，获得了第1 张脑肿瘤的照片。同年，他们在《英国放射学杂志》上发表了第1 篇相关论文。1973年，((英国放射学杂志》对此做了正式报道。这篇论文受到了医学界的高度重视，被誉为"放射诊断学史上又一个里程碑"。从此，放射诊断学进入了CT时代。1979年的诺贝尔生理学或医学奖破例地授予亨斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学背景的科学家。 如今，CT 技术已经经历了多代的发展和更新：第一代 CT 机多属于头颅专用机，而且每个断层扫描 1 次要 3～5 分钟，再传输成影像总计需要约 7 分钟。由于这些扫描设备有很大的声音和振动，早期病患对 CT 检查均有不愉快的记忆。第二代CT与第一代不同的是扫描器有多枚探测器，约 3～30 个，且 X 光由线束状转换成 5°～20°的小扇形束状；机械性运动仍属于平移-旋转式，旋转角度亦从 1° 变为 5°～20°，因而扫描时间大大缩减，只需20～90 秒便可得到一个断面影像。第三代 CT采用 30°～45° 宽扇形 X 光射线配合对侧一排数百个探测器做同步 360° 旋转，即旋转-旋转式。速度更快，只要 2～9 秒甚至更短时间内便能完成一个横断面的影像，可对全身进行扫描，而且机器的声音和振动也大幅减少，患者友好性增加。这也是临床应用最广的一代 CT。第四代 CT：其特点是探测器固定排列 360°，球管可以绕着受检体连续作 360 度旋转，即旋转-静止式，扫描时间更可以缩短到单一断面 1 秒或少于 1 秒。第五代 CT又称为超高速 CT、电子束 CT（EBT），出现于 1983 年，采用电子束扫描方式（传统CT 机采用机械扫描方式），扫描时间非常短，约 50～100 ms。EBT 的特点是除了用于传统 CT 成像外，还可用于对血流速度的测定。 螺旋 CT 出现于 1989 年，属于第三代 CT，即旋转-旋转模式。其采用滑环技术，能连续旋转进行容积扫描，通过图像重建可以获得任意方向的剖面图像，同时可以减小部分容积效应的伪影。螺旋 CT 扫描速度快，特别是对心脏等不停运动的器官，例如 Philips Core 128 极速之心 128 层 CT 的心脏成像时间分辨率达到 30 ms，极大的减少了心脏搏动等产生的伪影。CT 技术发展到今天，从最初的一个部位成像需要几分钟，到现在的几秒、亚秒，甚至可以对不断跳动的心脏进行「冻结」成像，可谓突飞猛进。不仅如此，随着探测器数目的增加及 MPR、MIP 等后处理技术的发展，CT 的功能越来越全面，人体全身上下无所不能，还出现了双源、能谱 CT 等具有特色的 CT 设备，甚至还能与最先进的 3D 打印技术结合。总之，CT 作为传统 X 线检查的改进和延续，已经成为医学影像学的中流砥柱。 MRI 的发明同样经历了漫长的时期。19 世纪30年代，物理学家伊西多· 艾萨克· 拉比（Isidor Isaac Rabi） 发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944 年获得了诺贝尔物理学奖。1946年，美国哈佛大学的柏塞尔（Purcell）和斯坦福大学的布洛赫（Bloch）发现，将具有奇数核子(包括质子和中子)的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振（nuclear magnetic resonance) 现象的认识。为此他们两人获得了1952 年的诺贝尔物理学奖。从20 世纪40 年代起核磁共振作为一种物理现象就用于物理、化学和医学领域。1969 年，纽约州立大学南部医学中心的医学博士达马迪安（Damadian）用核磁共振波谱仪对正常组织和癌变组织样品进行分析时发现癌变组织样品中的氢原子核的T 1 时间明显变长。据此， 他提出了利用核磁共振现象诊断肿瘤的可能性。纽约州立大学石溪分校的物理学家劳特伯尔（Lauterbur） 等于1973 年报道了利用核磁共振原理成像的技术，并且应用其设备成功地绘制出了一个活体蛤刷的内部结构图像。在此基础上，第1 台医用核磁共振成像仪于20 世纪80 年代初问世。 现在患者去医院只能看到"磁共振室"，而没有前面那个"核"字，据传原因在于：1983年末，美苏核危机愈演愈烈，着眼于这一历史背景，美国放射学会推荐将核磁共振（NMR）改为磁共振（MR），以此缓解民众尤其是患者对于核医学的担忧，磁共振成像的术语也便沿用至今。就在改名的这一年，飞利浦生产出全球第一台超导磁共振Gyroscan S5，这是世界上第一台医用全身磁共振成像系统。同年，荷兰莱顿大学利用飞利浦电子部门提出的"穹窿"设计，在磁体周围加入多个电缆，诞生第一个具有主动屏蔽功能的磁体。一年之后的1984年，飞利浦公司革命性推出世界上首个表面线圈，所获图像可以显示非常小的细节，再次引起放射学界的轰动。此后，MR 新技术层出不穷。从机器外观改进、体积和重量减小、孔径增大，到不同部位线圈和不同序列的开发，再到磁场强度不断的提高以及多种功能性成像如 DWI、SWI 等的出现，甚至与 PET 相结合形成 PET-MR，磁共振技术越来越全面和可靠，其应用也将越来越广。2012 年，Philips 推出全球首台全数字磁共振。采用第三代射频发射技术——为磁共振精确定量成像提供强大支撑。而此前的 3.0T 磁共振，由于场强提高、主磁场和射频场不均匀等问题，导致脂肪无法完全抑制、化学位移伪影和 ghost 伪影严重，第三代射频发射技术可以很好的解决这些问题。此外，第三代射频发射技术还可以克服磁共振的天敌——金属植入物（比如假牙等）造成的金属伪影，这种伪影常常导致 DWI 图像变形，使得图像难以用来诊断。 CT 、MRI为现代医学影像学打下了坚实的物质基础。今天的医学影像学已经走到了整个临床医学的前沿， 是临床医学发展不可或缺的"雷达"和"灯塔" 。21世纪，PET-CT的出现是医学影像学的又一次革命，受到了医学界的广泛关注和认可，被冠以"现代医学高科技之冠"。此后，分子影像学的出现是医学影像学发展史上的又一个里程碑。 至此，影像医学发展逐渐形成了3个主要的阵营：经典医学影像学：以X线、CT、MR、超声成像等为主，显示人体解剖结构和生理功能；以介入放射学为主体的治疗学阵营；分子影像学：以MR、PET、光学成像及小动物成像设备等为主，可用于分子水平成像。三者是紧密联系的一个整体，相互印证，相互协作，以介入放射学为依托，使目的基因能更准确到达靶位，通过分子成像设备又可直接显示治疗效果和基因表达。 医学影像学发展至今，X 线、CT 和 MR 三者互相补充、取长补短，为医学的发展和进步做出了重要的贡献。互联网时代的来临使我们得以借助「云」计算技术将各种影像检查设备进行互联互通，从而提供更为高效、精准的影像诊断。随着科技的进步和发展，更多的未知和惊喜正在不远的未来等待着我们的发掘，医学影像学也必将一如既往的大踏步前行。让我们一起大胆地迈向不确定的未来！ |
|
|
