柳橙的启发

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  1955年,当CT技术的先锋欧登道夫刚完成明尼苏达大学附设医院的神经科住院医生训练时,电脑的能力还很有限,也不普遍。欧登道夫生长在纽约州的斯克内塔第,受到邻近的奇异公司实验室的影响,求知方面非常早熟,高中毕业前3年,也就是12岁那年,就已经自制了一台望远镜。后来他进入联合学院攻读天文学,一边在当地广播电台担任播音员,也因此而发展出宏亮清越的嗓音,日后成为著名的讲演者。他又和奇异公司实验室签约,帮忙架设两台口径12英寸半的抛物面镜,以便测试新型喷射引擎的气流。医学院毕业后,欧登道夫先后成为合格的精神科医生以及神经科医生,学会血管摄影以及充气脑X射线摄影,而后者的进展仍然和1920年代丹第时相去不远——把空气经由腰部注射进脑部。看到脑部摄影如此不方便,病人痛苦,而医生也只能看到极有限的区域,欧登道夫决定要另寻一个更理想的办法。后来他搬到洛杉矶,心里还是挂念着这件事。
  欧登道夫深信一定能找到更好的脑部摄影方法。后来,他募得一只人头,把脑部移出颅骨,照射一般的X射线。结果证明,即使没有头骨做为障碍,X射线能揭露的脑部细节还是有限。1958年,和一名工程师谈过话后,欧登道夫有了灵感。原来,有一家大型柳橙栽植公司要求这名工程师设计一种仪器,能够用来区分受过霜害的柳橙与健康的柳橙。这名工程师描述他所面对的问题:坏柳橙外表看起来好好的,但是里头藏着干巴巴的橘瓣。这些干巴巴的橘瓣,令欧登道夫想起,人类的颅骨也会遮蔽住它的“坏橘瓣”,例如肿瘤。
  这名工程师本想设计某种特殊X射线机来解决这个问题,但是太昂贵了,一直没做成。然而,欧登道夫却很喜欢这个点子。他认为,把X射线束或是伽马射线射入一个内部不均质的物体,并让穿越出来的射线击打安装在另一边的侦测器上,便可以测量出该物体某一点所吸收的辐射密度。如果光源和侦测器绕着某平面上的同一个轴旋转,让X射线从许多不同角度穿透物体,集中在一个点上。这时,若也将物体沿着一条直线移动,最后便可以测出该不均质物体在某条直线上的辐射密度,并重建出密度关系与位置。
  思想是行为之父,欧登道夫用41支规格相同的铁钉、一支铝钉以及一只布满小孔的塑料块,在他家中自娱用的电子实验室,把塑料块架设在儿子的玩具火车上,自个儿做了一个小模型。这个模型利用旋转动作(针对某一点)以及平移动作(顺着直线,移动到下一点),扫描平面上每一点。放在每分钟16转的唱片转盘上,机器使得轴的切面点移动,射线束以每小时80公里的速度穿过。欧登道夫实验时用的是伽马射线而非X射线,因为前者比较好操控。只见一束带有高能量粒子、非常集中的射线,穿透模型的头部。实验目的在于找出摆在模型中央的一根铁钉和一根铝钉,至于其他40根铁钉则以线性排列在四周。当粒子出现,撞上光子侦测器,便会被计算进来,因此显示出二维空间的影像。欧登道夫利用电子滤波器,把他所瞄准需要的信息和他不需要的周边信息分离开。为了解释自制的这台机器(以及后来的CT扫描仪)是如何运作的,他说:“假使有一个观察者静立在树林中,他可能无法清楚看到远处的另一个人,因为两者中间的树木会妨碍到他的视线。但这名观察者如果开始穿过树林,同时也朝向远方那个人看去,那么前景中的树就仿佛朝后移动般,而远方那人却显得静止不动。”对于这样的比喻,欧登道夫解释道:“远方那个人就代表模型中央的钉子,树林则是阻在其中的钉子。观察者的视线则好比持续穿越周边钉子的伽马射线。当伽马射线源旋转时,中央铁钉前后的钉子,会短暂吸收伽马射线,把它们从光束中消除,就像林中的树木仿佛被模糊化了。但是位于伽马射线源运动中心的钉子,则会持续吸收伽马射线。”
  虽然原理看起来浅显明白,但是欧登道夫的模型却涵盖了日后所有电脑化断层摄影扫描仪的基础概念——只除了现代数字化电脑例外。当时欧登道夫没有能诠释如此大量数据所需的计算工具。但是他已经证明,如果要测量某一点上的辐射密度(也就是该点吸收辐射的能力),必须先把平面上其他点的效应给分离出去。他已经做出后方投射技术,以重建显示二度空间影像,以及他所设计的机器雏型。随意凑合的模型能获得如此成功,欧登道夫大受激励,觉得只要“逐步增大此一粗略模型的维数与灵敏度,将来扫描头部就不成问题了。”
  带着这个想法,而且也知道如果把伽马射线换成X射线,就可以应用在病患身上,于是,欧登道夫便在1960年申请了专利,1961年,在《生医电子学》期刊上发表论文。1963年,他拿到专利权,开始和各地X射线机制造商接触,但是都被一口回绝了。其中一家大厂的反应是:“就算它真的能如你所说的运作起来,我们也想不出,这种只能拍摄头部断层照片的昂贵仪器,会有多大的市场。”
  一生具有过人精力的欧登道夫,也就蛮不在乎地把他的CT专利搁下,转而研究并发现了可穿越脑血管障壁的桥梁。
  摘自《露骨—医学造影档案》
  作者:凯维勒斯
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