如上圖所示:1972年,英國電子工程師戈弗雷·亨斯菲爾德站在他發明的CT掃描器旁。
密室裡藏著珍貴物品的可能性真的能激發人們的想象力。在20世紀60年代中期,英國電子工程師戈弗雷·亨斯菲爾德(Godfrey Hounsfield)考慮是否可以透過捕捉穿過看不見的空隙的宇宙射線,來探測埃及金字塔的隱藏區域。
多年來,他一直堅持這個想法,這可以解釋為“不開啟盒子就能看到裡面的情況”。最終,亨斯菲爾德發現瞭如何利用高能射線揭示肉眼看不見的東西。他發明了一種方法,可以看到硬腦殼內部,並得到軟腦殼內部的影象。
人類大腦的第一張計算機斷層掃描影象(CT掃描)是在50年前的1971年10月1日拍攝的。亨斯菲爾德沒能到達埃及,但他的發明卻把他帶到了瑞典的首都斯德哥爾摩和英國的白金漢宮。
一個電子工程師的創新
如上圖所示:世界上第一臺CT掃描器。
亨斯菲爾德的早年生活表明他不會有什麼成就。他不是一個特別好的學生。當他還是個小男孩的時候,他的老師總說他“笨”。
他在第二次世界大戰開始時加入了英國皇家空軍,但他並不是一位優秀計程車兵。然而,他是電氣裝置方面的巫師,尤其是新發明的雷達,他可以應急裝備這種雷達,幫助飛行員在陰暗多雲的夜晚更好地找到回家的路。
戰後,亨斯菲爾德聽從了指揮官的建議,獲得了工程學學位。他在EMI公司(電子與音樂工業公司)工作,後來這家公司名稱改為“百代唱片公司”,因銷售披頭士(Beatles)的專輯而更出名,但最初是作為電子和音樂產業起步,專注於電子和電氣工程。
亨斯菲爾德的天賦促使他帶領團隊建造了英國最先進的大型計算機。但到了60年代,EMI公司想要退出競爭激烈的計算機市場,不知道該拿這位才華橫溢、古怪的工程師怎麼辦。
在被迫休假期間,亨斯菲爾德考慮自己的未來以及他可能為公司做些什麼時,他遇到了一位醫生,這位醫生抱怨大腦的X光片質量很差。普通的X光片顯示了骨骼的奇妙細節,但大腦是一個無定形的組織團,在X光片上它看起來就像霧一樣。這讓亨斯菲爾德想起了他以前的想法:不用開啟盒子就能看到內部隱藏的結構。
一種新的方法揭示了以前未見過的情況
如上圖所示:這張圖顯示了X射線是如何在半圓範圍內,以1到180度的角度,切割大腦的各個層面。
亨斯菲爾德提出了一種新的方法來解決成像顱骨內部的問題。
首先,他會概念性地將大腦分成連續的薄片,就像一片面包。然後,他計劃透過每一層發射一系列的X射線,對每一個半圓的角度重複這一過程。每個光束的強度會在大腦的另一邊被捕捉到,更強的光束表明它們穿過了密度更低的物質。
最後,可能是亨斯菲爾德最具獨創性的發明,他創造了一種演算法,可以基於所有這些層來重建大腦影象。透過逆向工作,並使用當時最快的新計算機之一,他可以計算出每個大腦層的價值。
但有一個問題:EMI公司並未涉足醫療市場,也無意願涉足。公司允許亨斯菲爾德開發他的產品,但資金不足。他不得不在研究設施的廢箱裡翻來翻去,拼湊出一臺小到可以放在餐桌上的原始掃描機器。
如上圖所示:計算每條X射線穿過物體後的強度,然後用一種令人印象深刻的演算法反向計算,就有可能構建出一張影象。
即使成功地掃描了無生命的物體,後來又成功掃描了真正牛的大腦,EMI公司的高管們仍然不為所動。如果亨斯菲爾德想要繼續人體掃描器的研發,他就需要尋求外部資金。
亨斯菲爾德是一位才華橫溢、直覺敏銳的發明家,但卻不是一位有效的溝通者。幸運的是,他有一位富有同情心的老闆比爾·英厄姆(Bill Ingham),他看到了亨斯菲爾德提議的價值,並與EMI公司努力維持這個專案。
他知道不可能很快獲得撥款,但他認為英國衛生和社會保障部可以為醫院購買裝置。神奇的是,英厄姆在掃描器還沒造出來之前就賣給了他們4臺。所以,亨斯菲爾德組織了一個小組,他們爭先恐後地建造一個安全有效的人體掃描器。
與此同時,亨斯菲爾德需要病人來試用他的機器。他找到了一位有點勉強的神經科醫生,他同意幫忙。該團隊在倫敦的阿特金森·莫雷醫院(Atkinson Morley Hospital)安裝了一臺全尺寸掃描器,並在1971年10月1日掃描了他們的第一個病人:一名顯示出腦瘤跡象的41歲中年婦女。
如上圖所示:1971年10月1日,人類第一次進行CT腦部掃描,地址選在英國溫布林登的阿特金森·莫雷醫院。
這不是一個快速的過程,掃描需要30分鐘,帶著裝置開車穿過城鎮,在EMI主機上處理資料,並用相機拍攝影象,然後趕回醫院。
在這位女性患者的左額葉,有一個李子大小的囊性腫塊。有了這臺CT掃描器,所有其他的大腦成像方法都過時了。
每年進行數百萬次CT掃描
如上圖所示:與1971年亨斯菲爾德的原始掃描相比,現代CT掃描提供了更高解析度的大腦“切片”影象。
在醫療市場毫無經驗的EMI公司,突然壟斷了一種需求量很大的機器。它開始生產,並在最初非常成功地銷售出掃描器。但在5年內,美國通用電氣公司和西門子等規模更大、經驗更豐富、研究能力更強的公司生產出了更好的掃描器,吞噬了銷售市場。EMI公司最終退出了醫療市場,併成為一個研究案例,說明為什麼與大公司合作比單幹更好。
亨斯菲爾德的創新改變了醫學。1979年,他獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,1981年被英國女王伊麗莎白二世封為爵士。直到2004年8月12日去世,享年84歲,他的生命才結束。
1973年,美國人羅伯特·萊德利(Robert Ledley)發明了一種全身掃描器,可以對其他器官、血管,當然還有骨骼進行成像。現代掃描器更快,解析度更高,最重要的是,輻射暴露更少。甚至還有移動掃描器。
如上圖所示:第一次臨床CT掃描顯示,在患者的左額葉可見一個李子大小的腦瘤。它在掃描上顯示為一個黑色的斑點。
到2020年,技術人員每年在美國進行超過8000萬次掃描。一些醫生認為這個數字過高,可能三分之一是不必要的。雖然這可能是真的,但CT掃描已經使世界各地的許多患者的健康受益,有助於識別腫瘤,並確定是否需要手術。它們在急診室裡特別有用,可以快速查詢事故後的內傷。
還記得亨斯菲爾德關於金字塔的想法嗎?1970年,科學家們在埃及哈夫拉金字塔最低的房間裡放置了宇宙射線探測器。他們得出結論,金字塔內沒有隱藏的房間。2017年,另一個團隊在胡夫金字塔放置了宇宙射線探測器,發現了一個隱藏的、但無法進入的房間。它不太可能在短期內被探索。