50 年来,CT 扫描拯救了生命、揭示了美丽等等

一张颗粒状、灰度的大脑图像永远改变了科学和医学。

半个世纪前,第一张患者的 CT 图像揭开了人体内部的隐形面纱,为科学家们提供了一扇前所未有的观察我们内脏的窗口。

如今,仅美国的医生每年就安排超过 8000 万次扫描。X 射线计算机断层扫描 (CT) 通常是找出造成神秘灾难的最快方法。CT 扫描可以查出心脏病、肿瘤、血栓、骨折、内出血等。该技术可以让外科医生提前了解他们将在患者体内遇到的情况,并指导癌症和其他疾病的治疗。

“它很快就回答了很多问题。这就是使用它的原因,”明尼苏达州罗彻斯特梅奥诊所的医学物理学家 Cynthia McCollough 说。

CT 扫描涉及从多个角度进行的数千次 X 射线测量。它的工作原理如下:X 射线源围绕身体旋转,发射辐射束穿过骨骼、血液和组织,同时旋转探测器测量穿过的光束。

体内不同的材料对 X 射线的吸收不同。例如,骨骼中的钙会强烈吸收 X 射线,而软组织吸收较少。因此,当探测器收集的数据被计算机拼接在一起时,它可以根据 X 射线或多或少被吸收的位置形成内部的横截面视图。移动支撑患者的工作台,使 X 射线束和探测器沿着身体滑动,从而实现器官和其他部位的 3D 重建。

多年来,科学家们不断改进这项技术,使其速度更快、分辨率更高,并减少患者接受的辐射量。这些改进的 CT 扫描描绘出了更加详细的人体景观。很难不惊叹扫描所呈现的内心世界的美丽。

以下是过去 50 年来 CT 扫描的一些主要进展的回顾。

CT 扫描诞生

1971 年,伦敦阿特金森莫利医院的放射科医生 James Ambrose 与该技术的发明者工程师 Godfrey Hounsfield 合作,对患者进行了首次 CT 扫描。亨斯菲尔德曾在英国电子公司 EMI 工作,该公司因其作为披头士乐队的唱片公司而闻名。

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1971 年,第一次对患者进行 CT 扫描(如图所示),露出了大脑,发现了肿瘤(左上角的黑圈)。A. Maier 等人 / 医学成像系统:入门指南 2018(CC BY-ND 4.0)

扫描的图像只有 80 像素宽和 80 像素宽,没有提供很多细节。但它展示了该技术的潜力,揭示了女性大脑中的肿瘤。据说一位后来对肿瘤进行手术的外科医生惊讶地发现“它看起来和图片上一模一样”。

以前,如果医生想要寻找脑肿瘤,他们会向脊柱注入空气。然后他们旋转患者,让空气鼓入大脑周围区域,以增加标准 X 射线图像的对比度。麦科洛说,这个过程“非常痛苦”。“患者经常呕吐;这就像酷刑。”有了 CT 扫描,这种痛苦很快就成为过去。

不管你用什么方式切片

最初,CT 扫描仪仅设计用于对大脑进行成像。但研究人员很快就采用了该技术,在身体的各个点拍摄横截面图像或切片。然后,在 20 世纪 90 年代初,人们发明了扫描仪,其中 X 射线源以连续螺旋状围绕身体进行扫描,而不是获取单独的横截面。这一进步使得整个器官(例如肺部)能够一次性成像。

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具有多排探测器的 CT 扫描仪可以同时对身体的多个横截面或切片进行成像,从而提高图像分辨率。这些肺气肿肺部图像是使用 128 切片扫描仪拍摄的,以 2D 图像(左)和彩色 3D 重建图像(右)显示。P. Rogalla、C. Kloeters 和 P.A. 海因 /北美放射诊所 2009

但沿身体长度的图像分辨率仍然很低。具有多排 X 射线探测器的 CT 扫描仪通过沿着螺旋路径同时对身体的多个切片进行成像来解决这个问题。

CT 扫描仪制造商不断增加探测器的数量,制造出可以一次捕获更多切片的扫描仪。McCollough 说,当探测器在 2000 年代初期探测到 64 个切片时,“真正的‘哇’发生了。”扫描速度快、分辨率高,并且可以一次性覆盖身体的相当大的长度。如今,扫描仪更加先进,使用多达 320 个切片。

最后,隐藏在人体内部的脆弱复杂性——从错综复杂的血管网到肺部优雅分支的空气通道,再到精致而坚固的骨骼结构——是有目共睹的。

加倍

当麦科洛的岳父手腕疼痛被送进急诊室时,他痛苦地度过了几个小时,而医生则试图找出问题所在。麦科洛回忆道,最终她问道:“我们不能把他送去 CT 吗?”

借助双能 CT 技术,医生能够查明问题所在。双能 CT 于 2006 年推出,使用两束不同能量的 X 射线,而不是仅使用一束。通过这种方式拍摄图像,扫描仪可以准确地计算出里面有什么材料。不同的材料吸收 X 射线的量不同,但为了将特定类型的材料归零,您需要知道随着 X 射线能量的变化,吸收量如何变化。

例如,双能 CT 可以区分在关节中形成、导致关节炎的不同类型的晶体。尿酸盐晶体表明痛风,含钙晶体表明假痛风。对于麦科洛的岳父来说,扫描很快发现了他疼痛的原因:假性痛风。通过这种方式,CT 扫描可以揭示人体最基本的层面,即构成人体的材料。

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双能 CT 扫描显示出痛风的明显标志,即手骨(白色和紫色)​​之间的关节中存在尿酸盐晶体(在该假色 3D 表示中以绿色显示)。M.A. 德赛等 /射线照相技术 2011

指望它

McCollough 表示,CT 扫描仪中的 X 射线探测器是该技术的“秘密武器”,因为探测器首先是机器测量 X 射线的方式。大多数 CT 扫描仪间接测量辐射,首先将 X 射线转换为可见光,然后将该光转换为电信号。CT 技术的新时代正在消除中间商。9 月,美国食品和药物管理局批准了第一台“光子计数”CT 扫描仪。

X 射线是一种高能光,与所有光一样,它们由称为光子的粒子组成。光子计数 CT 扫描仪测量单个 X 射线光子。该技术还可以提供更清晰、更详细的图像,并提供光子能量的测量,与双能 CT 一样,可以识别体内的不同材料。

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光子计数 CT 扫描因其高分辨率图像而备受推崇。与手腕的光子计数扫描(右)相比,在对骨折手腕(左,箭头所示的骨折)进行传统 CT 扫描时,骨骼结构是模糊的。梅奥医学教育与研究基金会

超越(人类)身体

CT 扫描可能是为了医学而发明的,但这并没有阻止其他研究人员认识到该技术的有用性。考古学、生物学和物理学等领域的科学家已经利用这项技术更好地了解木乃伊遗骸中的一切(序列号:8/20/20)到混凝土裂缝如何形成到无耳巨蜥等动物的解剖结构(婆罗洲兰塔诺斯)。

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这幅无耳巨蜥的彩色 3D 重建图是使用 CT 扫描创建的,展示了它的骨骼(灰白色)和骨甲(绿色)。爱德华·斯坦利 / 佛罗里达自然历史博物馆 / 大学。佛罗里达州

这张图片的 婆罗洲乳杆菌 来自盖恩斯维尔的佛罗里达自然历史博物馆。研究人员正在制作 20,000 个保存标本的 CT 数据集,这些标本代表了美国自然历史收藏中的每个脊椎动物属,以揭示动物的内部解剖结构。世界上任何人都可以在线访问这些扫描。

未来 50 年

尽管取得了所有这些进步,一些研究人员警告说,医生对 CT 的热爱已经太过分了,至少在美国,扫描的使用率比许多其他国家更频繁。不需要的 CT 扫描可能有缺点:它们可能会发现看似令人担忧但可能是良性的无关发现,这可能导致昂贵且令人焦虑的额外检查。但上述 CT 扫描也可能产生负面影响,因为它会减慢对疾病的诊断速度,而如果快速治疗,这些疾病就能得到最好的解决。

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对于 COVID-19 患者,CT 扫描可以显示肺部受损区域,在胸部横截面彩色图像中以绿色显示。史蒂文·尼德尔 / 科学来源

不可否认,在必要时,CT 扫描是医疗工具箱中至关重要的救生部分。最近,这些扫描因揭示了 COVID-19 对肺部造成的损害而成为人们关注的焦点(序列号:4/27/20)。这项技术似乎将在未来几十年继续成为医学和科学的支柱,并继续深入我们的心脏、肺、大脑和其他部位。

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