不只是“看到”病变，CT问世50年：不变的医学探索和新的挑战

▎药明康德内容团队编辑

提到英国小镇温布尔登（Wimbledon），很多人会想到知名网球赛事。但时钟回拨50年，这座小镇上的一名医生和搭档的举动，即将改变后续几十年医学诊疗的方式。

那是1971年的秋天，温布尔登镇阿特金森莫利医院（Atkinson Morley Hostpital）里，放射科医生James Ambrose和工程师Godfrey Hounsfield高兴得跳了起来。他们手中拿着的，是一种全新类型医学影像——断层扫描图像（tomogram），这幅图像以前所未有的质量描绘了人类大脑。

“比期待的看得更清楚！”这是一名41岁女性患者的大脑扫描，James Ambrose医生看着这幅图像，可以清楚地辨认出大脑皮层，这些空间充满了脑脊液和白质，图像也显示出了这名患者的额叶肿瘤。

工程师 Godfrey Hounsfield凭借他的“三维（3D）X光机”原型，开创了医学成像领域最重要的技术之一：计算机断层扫描（CT）。X射线束从不同角度穿过身体，通过对测量数据的计算机计算，可以得到身体不同横截面的图像。在1971年秋天测试的这台临床模型，只是还没包含生成图像的计算机，需要借助额外的仪器来分析。

▲第一台CT扫描仪的原型（图片来源：参考资料[2]，Science Museum/Science and Society Picture Library）

Hounsfield的原型源自他的一个“疯狂”的念头：希望分层描绘出物体内部的情况，“就像将物体放入培根切片机一样。”有意思的是，当时，Hounsfield在知名的百代（EMI）唱片公司就职，而这台原型也是由百代唱片支持制造的。正如百代公司发行的诸多音乐作品那样，这台CT扫描仪的原型也一炮而红，Hounsfield和Ambrose在次年（1972年4月20日）公布首个扫描结果，引起了医学界的轰动。

不到10年（1979年），Godfrey Hounsfield及其合作的另一位CT研发先驱Allan Cormack就因其对医学界的贡献而共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

▲Godfrey Hounsfield开创了CT技术（图片来源：参考资料[3]，Nobel Foundation archive）

随着工业界的加入与合作，很快有批量生产的CT扫描仪投入应用。早期的CT扫描仪运行缓慢而且仅限于头部扫描，到1975年，扫描仪已经可以创建整个身体的影像，在随后的几十年里，CT运行速度变得越来越快、功能越来越强大。

整整半个世纪后，CT扫描仪已经成为一种常规医疗手段，每年为数百万患者提供准确的诊断、指导有效的治疗。

图片来源： 123RF

CT的发明和应用无疑是医学影像技术发展历史的一个重要里程碑。在CT问世50年之际，密西根大学（University of Michigan）内科学、医学史教授Joel D. Howell博士也在《新英格兰医学杂志》（NEJM）分享了CT所反映的医学发展的“变”与“不变”。

“不变”的是，CT发明是长期以来医学观念持续不断革新的其中一步——医生认为疾病是由身体病变引起的，并且不断尝试更精确、更直观地了解人体病变。

在此前的几个世纪中，人们都认为大多数疾病都与一组体液失衡有关，尽管这种体液失衡难以明确形容。渐渐地，观点发生了转变，认为疾病不是体液失衡，而是存在实际的身体损伤，并且这些损伤可以在人体中被识别。

1816年，RenéLaennec医生发明听诊器，这不仅仅是创造了一款实用工具，更是重塑了疾病的概念——疾病不仅可以表现为患者描述的症状，还可以表现为医生确定的身体结构变化。另一个突破发生在1895年，X光仪器的发明震惊了世界，带来了一种可以观察人体内部的新技术。但其局限也很快显而易见，有辐射，而且身体不同部分之间会相互遮挡。尤其是头部的骨骼，使得X射线几乎不可能用于大脑影像检查。

CT的出现解决了后一个问题。CT可以创建三维图像，避免了结构重叠，还可以测量组织密度的变化。从这个意义上说，CT反映了数百年来可视化人体病变的医疗技术发展。

图片来源： 123RF

在Joel D. Howell博士看来，CT的发明还标志着一个根本性的变化：数字计算机第一次成为获取和分析医疗信息不可或缺的一部分。CT通过二维投影来创建三维图像，这个过程基于一个数学模型，需要大量的数学计算，而这项发明恰逢计算机革命的风口。

第一款通用的微处理器芯片发明于1971年——正是James Ambrose医生和Godfrey Hounsfield工程师得到首张断层扫描图像的那年。在接下来的几年里，临床病理实验室出现了高速、计算机分析仪，第一台便携式计算器问世（尽管重达2磅还只能进行基本的算术计算，但在当时堪称“神奇”）。这些创新很快被大量的、更新的计算机驱动设备所迭代。

这种不断强化的计算机能力让CT得以实现三维图像。为了制作第一张CT图像，人们花了9天收集数据，2.5小时重建图像。第一台临床CT扫描仪需要4.5分钟收集数据，20分钟重建图像。而现在，典型的CT扫描只需耗时几秒钟，CT扫描也已经从包含数十张图像发展到包含数千张图像。

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当然，这也提出了新的挑战：

我们是否真的需要那么多额外的信息量？如何筛选、甄别这些信息？

另外，扫描获取更多的图像也意味着额外的辐射，CT扫描是目前人类辐射暴露的主要来源之一，我们如何减少这些CT扫描相关的辐射？

在提供更准确诊疗的同时，人们也开始担心CT扫描带来的过度诊断。

如今，现代CT扫描仪仍然按照Godfrey Hounsfield提出的基本原理运行，不过技术早已不可同日而语，螺旋CT、双源CT等不断刷新医学影像技术的高度。但不变的是，借助技术，医生始终希望找到病变，无论是约200年前的听诊器，还是到后来的X光、CT、MRI扫描、PET扫描等等。

未来，我们仍将期许医学影像技术新的突破。但在技术发展之外，Joel D. Howell博士看得更远，“我们将分辨何时发现病变可以帮助患者缓解症状、挽救生命，而哪些时候找到病变对改善患者的健康几乎没有帮助。”

点击文末“阅读原文/Read more”，即可阅读NEJM刊发的Joel D. Howell观点文章原文。

参考资料

[1] Joel D. Howell, et al., (2021). The CT Scan after 50 years — Continuity and Change. The N Engl J Med, DOI: 10.1056/NEJMp2033374

[2] The history of computed tomography. Retrieved July 1, 2021, from https://www.medmuseum.siemens-healthineers.com/en/stories-from-the-museum/history-of-ct

[3] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979. Retrieved July 1, 2021, from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1979/hounsfield/facts/

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