前沿拓展：伦琴防晒霜是哪里的品牌
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讲到医学影像，我们都会想到X光。X光是我们无法看见的电磁波。它的波长比可见光的波长要短很多。比可见光波长短的首先是紫外线，接着是X光，然后还有伽马射线（图1）。
图1，可见光、紫外线、X光与伽马射线
一、紫外线
紫外线是德国科学家约翰·里特尔（Johann Ritter，1776—1810）发现的。里特尔出生在萨米兹（zamienice，现属波兰）。他的父亲是位牧师，家境小康。他19岁时，父亲去世，留下了一份微薄的遗产。他靠着这笔钱上了大学。在大学时他结识许多的学者，包括歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832）,洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）和奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851），因此对科学着迷。他曾经用自己的身体做实验，把电压加在眼睛、鼻子、耳朵和舌头上，测试电对人体的影响。当时流行所谓“两极论”：有热就有冷，有长就有短，有快就有慢等等。当他听说发热的红外光后（在下一篇文章中将会讲到），马上去钻研“发冷”的光。他用棱镜把太阳光分开，用的温度计在红光旁边测量到了会发热的红外线（参见图1）。但是在紫光旁边却测量不到会“发冷”的紫外线。事实上，光是粒子流，不可能“发冷”。里特尔想到了溴化银在光的作用下会变色（这就是第一代照相技术），他把溴化银放在紫光及其周边，结果发现在紫光旁边的变色更深。据此，他断定紫光之外还有光。这就是紫外线了。1804年，里特尔入选为巴伐利亚科学院院士（当时还没有德国，没有德国科学院）。同年，他与心爱的女友结婚并很快就有了4个孩子。科学院院士只是荣誉，没有工资。另外，他喜欢和人争辩，所以一直都没能找到工作。不久家中就负债累累，无以为生了。1810年，里特尔在贫病之中去世，年仅34岁。
目前紫外线在医学影像中没有什么用处。但人体需要紫外线来合成维生素D。不过过度的紫外线照射则会导致皮肤灼伤。
图 2，约翰·里特尔
二、X光
X光是德国科学家威廉·伦琴（Wilhelm Konrad Röntgen,1845—1923）发现的。伦琴出生于一个平民家庭，他上学时发生的一件事几乎改变了他的一生。一天，老师发现他手里有一张对老师不敬的漫画，校方追问他是谁画，他不愿供出他的邻桌，缄口不语，终被学校开除，大学也不能去考了。他听说苏黎世理工大学（Eidgenössische Technische Hochschule Zürich，ETH）可以通过考试入学，就去了瑞士参加考试并以高分被录取。博士毕业后，他回德国找到了教职，并有机会结识了赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）及洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928）等人。他勤奋工作，很快就发表了几篇文章。1871年，他与他的太太邂逅相遇。两人一见钟情，第二年就成亲了。
1895年11月8日， 伦琴在实验室用一个阴极射线管做实验（图3）。当时那个阴极射线管还包着黑纸，但在1米外的荧光板上却显示出微弱的绿光。他在惊讶之余仔细检查，发现这个阴极射线管发射出的电子束远远超出了正常的波长范围。在接下来的几周内，他在实验室里搭了个行军床，日以继夜做了大量实验，后发现是阴极射线管内部的接触点产生了射线。这种射线不受磁场的偏转控制，可以穿透多种物质，但铅板可以挡住射线。到了12月22日，他把妻子请到实验室，让妻子在阴极射线管前伸开手，自己在后面拿着一张底片，拍了第一张X射线的照片，照片清楚地显示出她手上的骨骼和结婚戒指（图3）。看到这张照片，他的妻子惊叫起来，说是见到了自己死后的样子。伦琴也感到震惊，从此小心，接触X光时总是穿上防护铅板。
几天后，1895年12月25日，伦琴在一个会议上宣读了自己的论文《论一种新的射线》，并公布了这张照片。伦琴把这种射线叫做“X射线”（X代表未知）。伦琴清楚地知道这一发现会带来巨大的财富，但坚持不申请专利，把这个技术奉献给了全世界。
伦琴的X光照片不但在科学界而且在社会上都激起了人们的巨大兴趣和热情。仅仅14天后，一位牙医就为自己的牙齿拍下X照片。12周后，的发明家爱迪生（Thomas Alva Edison，1847—1931）做出了显示X光的屏幕。这次他也没有申请专利，要让X光技术尽快为普罗大众服务。他还做了一套X光设备配上他的留声机向公众展示，一时间门庭若市。
1901年，伦琴荣获诺贝尔物理奖。这也是历史上第一个诺贝尔物理奖。他把奖金全部捐赠给了学校。1914年，美国哥伦比亚大学邀请他去当系主任。他买好了船票准备举家移民美国。不幸第一次世界大战爆发。他只能滞留欧洲。战后，德国陷入经济危机，伦琴也几乎破产，只好住在阿尔卑斯山下一个避暑的小屋中。后病逝，终年77岁。
图 3，伦琴（坐者）的X光实验及第一张X光照片
伦琴发现了X射线后就没有继续研究了下去了。X光为什么能够穿透人体？德国科学家马克思·冯·劳厄（Max von Laue，1879—1960）提出了X光衍射理论：他认为X射线是极短的电磁波，而晶体是原子有规则的三维排列。如果X射线的波长和晶体中原子的间距具有相同的数量级，那么当用X射线照射晶体时就应能观察到干涉现象（图4）。接着他和他的学生用实验证明了这个理论。他因此而获得了1914年的诺贝尔物理奖。劳厄是一位正直的物理学家。他生逢两次世界大战。在希特勒纳粹横行的日子里，爱因斯坦因为是犹太人而受到排挤。劳厄公开反对，并坚决不参加任何纳粹活动，是科学家们的表率。
图 4，马克思·冯·劳厄和X射线干涉
X光的波长极短，能够穿透人体。人体中不同的组织对X射线的吸收率不同。骨骼的吸收率高，所以在X光照片上呈白色；肺里的空气吸收率低，所以呈黑色。其他的组织呈现现出不同程度的灰色。
X光技术很快就发展了起来。由于没有专利的障碍，从1896年开始，西欧和美国到处都在研发X光机。1903年美国工程师威廉·柯立芝（William David Coolidge,1873—1975）发明了X射线管（图5）。他把钨研磨成粉末，然后加温加压烧结成细棒（这也是粉末冶金的开始）。然后把钨棒一步一步地拉成细丝。这个细丝在真空下加热就会发射出X射线。直到今天，所有的医用X光机用的还是这个“柯立芝管”。我们在机场和车站常见的检查机用的也是它。
图 5，威廉·柯立芝与他的X射线发生器“柯立芝管”
1927年，葡萄牙医生安东尼奥·伊加斯·莫尼兹（Antonio Egas Moniz，1874—1955）发明了用X射线观测脑血管的血管造影技术。莫尼兹是个特殊人物。1902年，他获得医学博士学位后不但行医，而且从政，曾任葡萄牙的外交部长。1926年，他离开了政界，到里斯本大学任神经科教授。翌年，他开发出了血管造影的技术（图6）。这一技术的关键是在动脉注入显影剂，当显影剂随血液流过大脑时用X光进行分析。1936年，他又发明了用前额叶皮层切除术（Prefrontal leucotomy）调节大脑神经的病变，却导致了一些病人终身不能自理。其中的是约翰·肯尼迪（John F. Kennedy, 1917—1963）的妹妹Rosemary Kennedy。1949年，莫尼兹获得了诺贝尔医学奖。同年他被他的一个病人开枪打伤，只能坐在轮椅上。过了几年就逝世了。莫尼兹还是作家，写过好几本关于葡萄牙历史人物的书籍，流传至今。
图6，安东尼奥·伊加斯·莫尼兹及他的血管造影术
三、CT
用X光做医学诊断的另一个里程碑是“CT”。CT英文全文是“computerized axial tomography scanner”，简称为“CAT-scan”，或“CT”。中文的意思是计算机断层扫描。CT的基本思想是用一系列X光照片叠起来生成身体的3维图像。这个想法是由英国电机工程师戈弗雷·亨斯菲尔德（Godfrey Hounsfield，1919—2004）与他的朋友，放射科医生 James Ambrose首先提出并实现的。当时亨斯菲尔德在一个制造雷达的公司工作，他说服了他的老板拿出一些钱来研发这个技术，经过近十年的努力在1971年获得成功（图7）。1972年，西门子公司投入重金研发，两年后开发出旋转式CT机（图8）。旋转式的CT机在不同的角度环绕拍摄身体的X光照片，这些照片之间的距离大不超过3~5毫米（mm）。然后通过计算把这些照片中的人体组织重构成3维模型（图9）。1979年，亨斯菲尔德获得了诺贝尔医学奖。
与X光机相比，CT能够生成3维图像，精度也更高些。由于X光是放射性射线，会对人体造成损伤，CT使用较低强度的X光来拍摄多个照片。相比之下，X光片只照一张，可以用较高的强度。因此对人体组织的质地（如骨质疏松）会敏感些，价格也便宜得多。
图 7，亨斯菲尔德及他发明的CT机
图8，旋转式CT机的工作原理
图9，旋转式CT机的工作原理
四、伽马射线
CT图像和X光照片都是静态的。能不能录下人体器官动态的状况，如大脑神经元的激发或器官的血流？这就是正电子断层扫描技术，“Positron emission tomography”，简称为“PET scan”或“PET”。
PET通常是与CT一起使用的。使用的过程分四步：
●用原子能回旋加速器生成各种“核种”，如F-18（氟-18），O-13（氧-13），C-11（碳-11）等；
●合成各种放射药物，如F-18FDG（F-18脱氧葡萄糖），C-11methionine（C-11蛋氨酸）等；
●让检查者经注射或呼吸将示踪药物吸收到体内，特别是要检查的部位。药物随着血液流动、氧气消耗和身体特定部位的其他代谢活动而移动，同时发射出正电子(positron)。此时使用CT记录下检查者体内部发生的生物化学反应过程（图10）。
●将记录下来的图像重组成3维图像并加以分析。
正电子的波长在伽马射线的波段中。用于示踪的放射性元素剂量低，衰减快，对人体影响不大。
图10，PET scan
PET技术是世界各地多个团队共同努力的结果。1974年，加州大学洛杉矶分校（UCLA）首先制作出一个样机，经过20多年的努力，1997获得相关机构的批准，开始商业生产并在推广应用。
目前，PET是能检测出人体器官动态的医学影像方法，应用的范围很广，包括：
●肿瘤诊断，如肿瘤局部血流、耗氧量、氨基酸代谢、葡萄糖代谢、酸碱值、肿瘤转移示踪、用药果等等；
●心血管疾病诊断，如心肌存活状况、冠状动脉状况等等；
●脑神经疾病诊断，如脑中风、癫痫症、失智症（Alzheimer’s disease）、巴金森氏症、忧郁症（depression）、痴呆症（dementia）、精神分裂病、情感型精神病症（躁症或郁症）、饮食障碍（厌食或暴食）、强迫症、恐慌症、社交畏惧症、及药物滥用等等。
紫外线、X光与伽马射线都是射线。射线的强度是用“西韦特”或“西弗”（Sievert，简称Sv）来量度的。这个名字来源于瑞典的罗尔夫·西韦特教授（Rolf Maximilian Sievert，1896—1966）。他创建了国际辐射防护协会（International Radiation Protection Association，IRPA），1西韦特（Sv）= 1焦耳/千克（J/kg），即重量为1千克的人体所承受1焦耳的辐射能量。这个单位很大，因此常用的是毫西沃特（mSv），即千分之一西韦特。
图11是紫外线、X射线及伽马射线的穿透能力图。我们平均每年会吸收2.2 mSv的紫外线。紫外线不是放射性射线，不能穿透人体；但是会灼伤皮肤，所以需要防护。紫外线防护可使用特别的布料（防紫外线雨伞就是一例）或防晒霜。防护是按日光防护系数（Sun Protection Factors，SPF）来分档的，SPF = 15-24为良好，25-39为很好，50以上为。
图11，紫外线、X射线和伽马射线的穿透力
X射线与伽马射线都是放射性射线。X射线可以穿过人体，但是不能穿过铅板。所以经常接触X光的人（如放射科医生）要穿上铅板防护衣。
人体能承受的大的辐射剂量为100 mSv。照一张X光胸片的辐射量是0.02 mSv，照一张牙科X光片为0.004 mSv，照一张关节X光片为0.06 mSv。做一次头部CT检查约为2.0 mSv，做一次胸部CT检查为8.0 mSv，做一次骨盆CT检查为10 mSv。伽马射线比X射线更具有穿透性。PET的辐射也更大。做一次PET检查为25 mSv。
通过X光、CT和PET，人体的每一个器官都清晰可见。
撰文：杜如虚
排版&编辑 | Mosh魔时
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