第七十章新颖的医疗诊断仪
CT机的发明
1972年，世界上第一台CT机在英国的EMI公司问世。这是继伦琴发现X射线以来，在医学诊断
域的又一次重大的突破。二十多年来，CT机经过了一代代的技术革新，其分辨能力日益提高
，成为当代医学诊断技术的一个重要标志。
伟大发现革命之源
19世纪末，气体放电现象成为众多物理学家们所热衷于研究的问题。
气体在通常情况下是绝缘体，但在高电压下，它们有可能被击穿，例如雷击时天空中的闪电
通过研究，英国物理学
家克鲁克斯发现，在稀薄气体中，电荷很容易通过，并能产生美丽的光辉，而且不同的气体
可以产生不同的颜色。日常人们所见的霓虹灯就是采用了这个原理。放电管是一根两端分别
装有正负电极的密封的玻璃管，里面充有稀薄气体，或者抽成真空。为表彰克鲁克斯的成就
，物理学家们将这种放电管称为“克鲁克斯管”，学名叫“阴极射线管”。
穿过气体的电荷从加有高压的阴极发出来，射向阳极，并在阳极的玻璃壁上打出绿光。物理
学家将这种射线命名为“阴极射线”，但阴极射线究竟是什么呢?这在当时的物理学界掀起
了一场激烈的讨论，后来发现阴极射线就是电子流。德国物理学家伦琴也参加到这场讨论中
来，并进行了一系列实验。
1895年11月8日，伦琴在一次阴极射线的实验中，偶然发现了一种可以穿透某些不透明物质
的射线，他称其为X射线。
人们直到16年以后才搞清楚X射线的来龙去脉，但此时伦琴却早已确定了它的大部分特性。
他将研究成果分成17小节，写成论文《关于一类新的射线——初步报告》，并于1895年12月
28日提交给维尔茨堡物理医学协会，宣布他发现了X射线，而且这种射线具有直线传播、穿
透力强、不随磁场偏转等性质。
伦琴的发现使全世界的物理学家为之震惊和激动，许多人赶忙重复伦琴的实验。报纸也为X
射线的发现而欢呼，同时报告了一些围绕X射线所产生的谣传、想像和无稽之谈。X射线作为
纪之交的三大发现之一(另外两大发现分别是放射性和电子)，引起了物理学界极大的研究热
情，并导致了20世纪的物理学革命。伦琴因此而获得1901年诺贝尔物理学奖，成为第一个获
得诺贝尔物理学奖的人。
伦琴的这一发现很快被用于医学。在此以前，医生只能凭病人的体表反映，检查和诊断一些
明显的症状，而X射线的利用，就能使人体内部的病变反映到荧光屏上。医生第一次可以不
用外科手术就能够看见人体内病变和受损伤的情况。不过，利用X射线诊断也存在不足。X射
穿透机体组织，在荧光屏上见到的是体内组织的重叠影像，医生就不易准确地从重影中判定
病变
的真实情况，即使进行两个三个甚至更多方位的拍摄，还是不能对体内器官准确地透视，尤
其是对软器官、软组织，X射线透视实际上没有什么实效。
健康组织与病变组织在密度上并无太大的变化，所以对软组织的病变，包括肿瘤很难探测出
来。人们对这个课题的研究，又延续了近80年。到1971年，英国的霍斯菲尔德终于成功地推
出了带有计算机的X断层的扫描诊断机——X-CT，或称计算机层析X射线扫描仪(CT)。
CT扫描诊断之“臂”
20世纪中期，电子计算机异军突起，成为最令人类骄傲的伟大发明。电子计算机问世以后，
迅速向其他产业渗透扩散，成为推动各行各业发展的强大动力。
早在1936年，奥地利数学家雷当就提出：“任何物体的断层图像，都可以经过数学的方式重
建”。这一提法为CT机的出现奠定了理论基础。然而，由于当时计算机技术还无法满足大规
模运算的需要，使这一提法只能停留在理论阶段。
直到1971年，高性能计算机的出现，使计算机技术发生历史性转变后，这一状况才得以改观
。果然到了下一年，世界上第一台CT机就应运而生。
1972年，世界上第一台CT机在英国的EMI公司问世。它的发明者是英国的工程师豪斯费尔德
，他与创立影像重建理论的美国物理学家科马克共同获得了1979年的诺贝尔医学生理学奖金
。这是继伦琴发现X射线以来，在医学诊断领域的又一次重大的突破。
CT的全称是“计算机断层摄影系统”，这是集计算机、精密机械、电子控制、X线原理、医
学工程等技术于一体的典型高科技产品。它与传统的X线机相比，有本质的不同。
CT机是采取很细的X射线束高度准直以后，围绕身体某一部位，从多个方向做横断层扫描，
用灵敏的探测器接收和吸收透过的X射线，利用计算机计算出该层面各点的X射线吸收系数值
，再由图像显示器，将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，从而为疾病诊断提供可资参
考的重要依据。这些数字符号，能转化成胶片图像，就是医生和病人都能看到的CT片。
医用CT扫描机的基本结构包括：
(1)扫描系统。其中主要有能发射X射线的X线管和接受通过人体组织的X线量的探测器。
(2)计算机装置。对扫描收集到的信息数据进行存储、运算并重建图像。
(3)显示装置。显示装置用黑白电视显示装置，也可以用彩色电视显示装置。长期贮存可用
磁带和磁盘，或用胶片直接记录。各个吸收系数的实际数值也可由打印机打印出来，与正常
数值进行比较。
用CT机诊断的特点是安全快捷，检查方便，易为患者所接受。例如，脑部所有的组织均匀地
颅骨所覆盖，常规的X射线摄影不能显示其细节。CT扫描首先用于脑部，对脑瘤的诊断与定
位迅速准确；对脑出血、脑梗塞、颅内出血、脑挫伤等疾病，是一种准确可靠的无损伤检查
方法，几乎可以代替过去的脑血流图、气脑摄影和血管造影等检查。
现在的CT诊断技术，发展日益先进。它的灵敏度远高于X线胶片，所得的断层图像分辨率高
，图像清楚，解剖关系明确，病变显示良好，大大提高了诊断水平。
CT机发明至今的20年时间里，就已经更新换代了好几次。1972年豪斯菲尔德和科马克向世界
展示的CT机，是第一代产品，完成一次扫描需用4～5分钟。而用两个X射线管组成的第
二代CT机产品，每次扫描仅需用30～120秒钟。第三代CT机产品用多个X射线管组成，能
够用2.5秒完成一次扫描。到了第四代CT机，扫描时间减少到只需1秒钟。最近科学家正在
研制超高速的第五代CT机，按设计仅需用1%秒的时间就能完成扫描，还可以捕捉到人体生理
活动的动态变化。
这样的CT扫描仪，虽然已经能正确地反映软组织，但有时也会遗漏一些如肿瘤块的发现。尤
其是做脑肿瘤的诊断时，这时由于受制于病人与桥形台的方向的限制，只有与脊柱垂直的平
面内进行轴向扫描，才产生最佳成像效果。
核磁共振医学创新
为了解决CT扫描存在的这类弊端，1977年，代表20世纪90年代国际科技水平的新的诊断技术
——核磁共振成像系统NMR又诞生了。
核磁共振CT的发明得从拉比的工作说起。
拉比是美国著名的核物理学家，自幼聪颖过人，爱好数学和物理，大学毕业后，对核物理情
有独钟，下定决心要干一番事业出来。
自从美国物理学家柯特恩等发现质子磁矩后，核的磁奥秘就进一步被揭开了。原来，原子核
也像电子那样具有自旋特性，这就形成了核磁矩，它就像一条极小的微型磁铁那样，放在原
子当中。当原子核被置于一个十分强大的磁场中时，除了核自旋外，便绕外磁场的轴做拉摩
振动，其振动速率与外磁场成正比，即外磁场越大，振动速率也越大，反之则越小。如果此
时垂直于外磁场再加一个频率等于该核振动频率的适当电磁波，核便会共振吸收这一无线电
波的能量，这在物理学上称核磁共振。
经过10多年的研究，拉比根据核磁共振现象，终于巧妙地发明了核磁共振成像法，利用它除
可以分析大量化合物外，还可成功地应用到医学上。它与电子计算机联用，就成为一种新
型的诊断仪，即NMR-CT。
那么，拉比又是怎样发明核磁共振成像法的呢?原来，原子核的共振频率与核所处的磁场强
度有关，信号的强弱又跟参与共振的核间自旋密度有关。利用特别设计的梯度磁场，迭加在
核磁共振频谱仪的主磁场上，就可对被测对象进行立体扫描，再用合适的射频脉冲照射，所
到的时间核磁共振信号，经电子计算机处理、变换和图像重建，即可得到被测物质的质子自
旋密度或弛豫时间的分布图。这种图像有点像常见的平行光对物体的投影图，这便是核磁共
振成像。拉比也因发明了核磁共振法而荣获1944年诺贝尔物理奖。
自从20世纪70年代，第一台核磁共振仪问世以来，就以飞快速度发展，很快发明了NMR-CT
，它在检查中可以任意断面化学成像，特别是对人体的柔软组织，对比度好，不需要造影剂
，无害，安全性强，因此它一问世，立即受到人们的欢迎。核磁共振法发明后，很快被应用
到医学上。目前，已应用于对心脏、肝、胆、胰、脾、肾、脑等器官的显影。
核磁共振扫描仪有和CT扫描仪相似的外形。但病人被推进去的那个圆环上装的不是X射线设
备，而是一个强有力的电磁铁，一个无线电波发射器和一个无线电波接收器。当电磁铁通电
时，产生一个很强的磁场，而在人体组织分子中最多的氢原子，在强磁场作用下，能迫使病
人体内的氢原子核的自旋轴在同一个方向上排列，然后，开启无线电发射器，让它发射出低
频的无线电波，氢原子核就从这种无线电波中吸收能量。当发射器关闭时，氢原子核就以信
号的形式释放出所吸收的能量。利用健康机体组织中氢原子发射的无线电信号，与有病变的
组织相比，它们的发射频率和强度不一样，再通过计算机把来自氢原子核的不同信号变成图
像，就可作出诊断。
需要特别提一下，利用核磁共振不仅能更好地探测到肿瘤，而且能早期发现、早期诊断患者
并没感觉到的疾病。这是因为核磁共振成像的过程，是由稳定的强磁场与被成像部位各机体
组织的原子核的相互作用，不同的机体组织密度所得到的核磁共振图像不相同，不同的生理
条件也会在图像上得到反映。这样，即使患者的疾病还处在生化阶段，处在病理、生理、生
化失调而症状未出现时，从图像上也能被反映出来。
核磁共振NMR与CT相比还有一个优点，即没有明显的副作用，且骨骼对射线的干扰明显降低
，成了检验和诊断脑、肝、肾、心脏、神经系统疾病的最新、最安全的方法。
诚然，NMR-CT也有不足之处，那就是对骨组织显像很差，成像速度慢，所以检查骨组织病变
不宜用NMR-CT。
核磁共振成像技术使医学革命更向前推进了一步。虽然CT机和核磁
共振扫描仪这些高技术的医疗设备制造成本十分昂贵，但它们的确使人类对疾病诊断的准确
性程度大大提高了，因而被誉为20世纪医学诊断领域所取得的最重大的突破之一。
