窥视人体内的奥秘

X光、CT、(核)磁共振……我们在医院里容易听到的名词。就是它们，在最近的一个世纪陆续向我们走来，为疾病患者带来福祉。

1895年11月8日夜，德国物理学家伦琴(1845～1923)发现了X光。第二年初，X光的穿透性就“立竿见影”：美国哥伦比亚大学的一位教授首先从一张X光照片中发现人体内的异物——猎枪误伤者体内的霰弹。1900年，X光开始用来治疗疾病——狼疮和上皮癌。从此，X光就为诊治疾病“建功立业”，直到100多年以后的今天，依然“老当益壮”，魅力不减。

1914年，爱迪生的助手威廉·戴维·库利奇(1873～？)发明了热阴极高真空管，它逐渐取代了原来的离子型X光管，使X光照相术逐渐进入了实用阶段。而美国物理学家汤姆逊(1853～1937)则是改善X光管和X光照片的先驱。

但是，人们很快就发现，用X光拍摄，只能得到平面的黑白照片。于是就千方百计加以改进。

1927年，一位医生发明了在血管中注射碘化钠(NaI)的造影法，应用于X光诊断。

借助于20世纪50年代的X光电影摄影术及视频磁带录像，科学家们开辟了二维空间X光分辨力的研究。

20世纪60年代，美国女博士洛根将加大的慢速X光管用于检查乳房肿瘤，而此前的快速X光管一直对此无能为力。

1961年，美国奥登多佛提出电子计算机X光体层术理论，最终导致XCT的诞生。

CT的全文是computed tomography，XCT就是“电子计算机X光断层成像”(装置)的外文缩写，也就是我们经常简称的“CT”。

美国图夫茨大学的美籍南非理论物理学家科马克(1924～1998)，于1955年受聘到南非开普敦市一家医院放射科工作。1964年，他在南非发明了“科马克算法”：把一个物体的许多投影重新组合成这个物体的断层图，解决了XCT的数学理论问题。他还专门做了实验。科马克解决这个问题的数学基础，是1917年奥地利数学家拉东(1887～1956)在积分几何研究中引进的一个变换。

在英国EMI公司试验中心工作的英国科学家豪斯菲尔德(1919～)，根据他于1967年设计、发明的XCT的主体部分，和神经放射学家阿姆布鲁斯等协作，在1971年9月造出第一台XCT，并在1971年10月4日首次在英国伦敦郊外的阿特金森-莫利医院用于人颅脑检查。次年4月，两人在英国放射学年会上报告了XCT的诞生和临床应用价值。1976年，这种仪器在莱德利的改进之下，已经用于全身检查。

1979年，科马克和豪斯菲尔德获得诺贝尔医学和生理学奖。此时XCT已经生产出1 000多台。据说，XCT现在已经改进到第五代。

那么，XCT的工作原理，或者说它的创新之处是什么呢？

当带电粒子穿过无机晶体(如碘化钠)、有机晶体(如奈)、有机液体(如甲苯)和一些有发光剂的塑料的时候，粒子径迹的周围就会发出荧光脉冲。这个脉冲叫“闪烁”，这些物质叫“闪烁体”。把这一脉冲引到光电倍增管的阴极，则对应的阳极就会有一个相应的电脉冲，从而可记录下这些电脉冲。

剩下的问题是：用什么带电的粒子来轰击物体，从而获知这个物体的参数，以及怎样把它“翻译”出来。

科马克首先完成了这个创新——用上面提到的科马克算法。XCT用一束X光穿过人体，在对面由闪烁体接受闪烁次数的多少、吸收情况等，从而反映出人体组织的密度。再用科马克算法由电子计算机绘制出人体断层，诊断出人体组织的情况，从而发现是否有疾病。

XCT还把X光的黑白平面图像，发展到黑白立体图像和彩色立体图像。

CT的“兄弟姐妹”中，后来还增加了“超声波CT”(ultrasonic CT)、电阻抗CT(electrical impedance CT)、单光子发射CT(sin-gle photon emission)、嘎马发射CT(即γECT或ECT)、正电子CT(即PCT)、(核)磁共振CT(magnetic resonant imaging CT)等。这些利用“闪烁技术”的、能明察秋毫的各种CT，不只是用于医学，还用于找矿、制造、农业、食品、反应堆组件的无损评估、火箭发动机和导弹等部件及钢板焊缝的无损检测、水泥制品的质量检查等领域。

核磁共振CT，又称为“核磁共振成像”即MRI(magnetic reso-nance imaging)，常被人们简称为“磁共振”。MRI和XCT相比，不是利用电离辐射成像，用于医学诊断的时候，比XCT更好：不杀伤人体细胞；不仅可以得到密度图，还可以得到密度、T1、T2三幅图；更能分辨软组织；能穿透骨骼；分辨率优于0．3毫米。当然，MRI也有局限：体内有金属或起搏器的病人不适于这种检查，患幽闭症的人也难以经受这项检查。

MRI也是许多科学家创新才制成的一个“千人糕”。

1924年，奥地利物理学家泡利(1900～1958)首先发现了某些原子核具有核磁共振的特性。1946年，哈佛大学的美国物理学家珀塞尔(1912～1997)和斯坦福大学的美籍瑞士物理学家布洛赫(1905～1983)，各自独立用实验证实了核磁共振现象。他们还解决了一些相关的问题，使之走向实际应用，从而双双荣获1952年诺贝尔物理学奖。

继1967年杰克逊首次在活体中得到核磁共振信号以后，美国科学家达马丁在1971年首先提出核磁共振可能成为诊断肿瘤的工具的设想。达马丁在1977年制成MRI样机得到自己的手腕图像以后，在1980年制成了第一台成熟的MRl。

大致在同时，美国的保罗·劳特伯(1929～)和英国皮特·曼斯菲尔德(1933～)也在进行MRI的研究。

劳特伯的发明是，在1973年把梯度引入磁场中，从而创造了一种用其他手段看不到的二维结构图像；他还发明了今天称为“平面反射波扫描”的技术——通过快速的梯度变化可以得到转瞬即逝的图像。这被称为“劳特伯算法”。但是，一家杂志的主编却不发表劳特伯的论文，于是他又把论文寄给这家杂志的一个编委。最后采取了折中方案——发表论文摘要。

曼斯菲尔德的贡献是，利用磁场中的梯度更为精确地显示核磁共振中的差异，使核磁共振技术达到实用水平。由于这两人对MRI应用于医学领域的重大贡献，他们分享了2003年的诺贝尔医学和生理学奖。

核磁共振的发现，带来的不仅是物理学“嫁接”医学的、用于诊断疾病的MRI，以及这种不同学科“联姻”的启示，还有其他许多成果。例如，瑞士的里查德·欧内斯特(1933～)，就因为发明高分辨率的、划时代的NMR分光技术，独享了1991年的诺贝尔化学奖。而他的同胞库尔特·维特里希(1938～)也因为对核磁共振技术等方面的贡献，成为2002年的三位诺贝尔化学奖得主之一。

MRI有三个方面的优势。一是对人体基本上没有伤害。二是能得到逼真的三维图像——医生看人体内部就像看“超市”中的商品。三是可以看动态(例如血流)、看功能。

但是，MRI也有三个缺点。一是有的情况不能做，例如有些安了心脏起搏器的病人。二是病人被放在狭小的空间内，容易产生幽闭恐怖感。三是目前成本高，不普及。

不过，上述第二个缺点在近年得到了一定程度的克服。2005年，德、美两国科学家成功地把庞大的MRI缩小到手提箱大小，而且不必让检测对象处在它的磁场的包围之中，这就避免了被检查的病人的幽闭恐怖感。

近年，利用X射线又有了一项新的分析技术——“X射线荧光技术”(MXRF)。“X射线荧光”，是指受X射线(“照射光”)照射激发之后发出的“次级X射线”——它与“照射光”的波长和能量都不同。由于X射线荧光的波长和强度，分别取决于物质中元素的种类和含量，所以利用这个规律，就可以检测出物质中元素的种类和含量。

利用MXRF，可以进行宇航探测——例如美国科学家进行了小行星探测；可以进行考古研究——例如中国科学家分析出秦始皇兵马俑的烧制温度在850～1 030℃之间；可以用于刑事侦破——例如利用手指和物体接触后留下的汗液蒸发之后的盐分，来重现指纹。这项技术还用于工业生产、古文物和字画真伪鉴定等许多领域。

以上探测技术，都多少要向探测对象发射出放射性物质，有的会伤害探测对象。而应用约瑟夫逊效应的干涉器件技术(SQUID)则只“探测”，不“发射”。1969年，SQUID已经首次用于检测微弱生物磁场。用SQUID得到的“脑磁图”，将广泛用于医疗临床。