『大开眼界』史上最跨界的发明公司之——从"CD"到"CT"

『大开眼界』 是我们全新的频道，这里会有很多新奇的医疗器械相关的视频，等着你看。保证你以前没有看过。

在音乐圈，提起"EMI"唱片，几乎无人不知（不明白的童鞋们可以去请教一下高晓松老师）......但是在医疗圈，几乎缺鲜有人知这个EMI music的母集团成员（当年旗下的EMI medical）却是医用CT的创始发明机构——这可是4x年前的“医疗&媒体”跨界组合！！！够超前吧？

关于EMI集团

电气和音乐产业有限公司（Electric and Musical Industries Ltd）成立于1931年3月，由哥伦比亚留声机公司和留声机公司旗下的“”唱片公司合并而成，最早的历史可延伸追溯到记录声音的起源......当年的垂直综合性公司主要生产录音及录音播放设备。

1958EMI电气工程师海因斯戈弗雷菲尔德的领导下， 英国的第一个商用的全晶体管计算机emidec 1100在EMI诞生。

在上世纪70年代早期，由卫生和社会保障部英国的财政支持以及EMI的研究投资，霍斯菲尔德先生成功开发了CT扫描仪（计算机断层扫描成像系统）。1973年EMI这个创造发明获得了当时著名的女王奖，1979年，霍斯菲尔德先生因此获得了诺贝尔奖，但是最终CT制造业务被转售给了某公司（就像现在科技创新公司被谷歌收购一样！）

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*视频解说：

大家好， 欢迎来到现代医学,我是你们的主持人Scott Klioze。今天的节目是一项设备，它完全改变了医学的历史。计算机断层扫描（CT）的正式名称是计算机化X射线轴向分层造影或CAT scanning，它能让我们一瞥人类身体的构造，这在之前的标准射线技术下是不可能的。本期节目，我们将回顾一下计算机断层扫描（CT）的历史和技术，以及它对现代医学的影响。

为了了解CT扫描的重要性，了解标准射线照相技术的缺陷是非常重要的。射线照片主要由一个X射线源构成， 这些射线发射到身体，然后会被患者另一面的一张胶片记录下来。问题当然是我们把一个3维的物体除去所有，然后把他们投射到一个2维的胶片上，所以胸腔内这些三维的体积度量结构将会被表现在一张平面的胶片上，这当然也包括它们阴影的叠加等等。

另一个缺陷是胶片本质上是记录X射线衰减变化很差的媒介。我所指的X射线衰减是，射线照片吸收射线的方式。当射线通过人体时，它们会被人体的不同组织所吸收。骨骼的密度是非常非常大的，它将吸收许多射线，所以在胶片上，骨骼显示的是白色的。肺部充满了气体，阻挡很少一部分射线， 大部分射线将通过肺部到达胶片，所以肺部显示在胶片上是非常非常黑的。骨骼和空气之间的对比会在胶片上给我们一个图像。如果所有的射线都通过人体的话，一切看起来都是非常黑的，我们就不能分清哪个结构是哪个了。

标准射线照相术另一个缺陷是对比分辨力。胶片本质上是记录不同值放射线衰减（X射线衰减）很差的媒介。在一个标准胶片上，我们基本可以看到5种密度，从密度低的开始， 我们可以看到空气，空气显示在胶片上是非常黑的；第二个是脂肪，脂肪有点深灰色；之后是水，软组织，把它们列在了一起时因为水和软组织在标准射线照片技术上有同样的衰减，在CT扫描中很容易就把这两个分开了，但是在标准射线照片上就没有那么容易了；再之后，是骨骼；最后是金属，它显示出亮白色，因为它阻挡了通过身体的所有射线。

19世纪末，Roentgen（伦琴）教授发现了X射线，为该技术应用于医学诊断和治疗奠定坚实基础。然而，公众仍然呼吁用X射线图像来描述身体的其他部位。例如这只脚的图像在近世纪之交还需要一些时间。在一场世界范围的官方比赛中，最后的惊喜是第一张人体活大脑放射摄影影像。现在我们知道了，因为标准射线照相术的缺陷，摄影比赛中这张不太精确的大脑图片在近1900年的技术下是可能的。大脑被装在一个固定的头骨中，头骨会阻挡大部分X射线。除此之外，大脑漂浮在CSF（脑脊液）中，它为大脑提供营养并且为这个脆弱物质本身缓冲压力。因为水和大脑在一张平片图像上的显示是相似的，在一张标准头骨X图像上，头骨构造显示的是均匀的灰色。19世纪末，这张图片在一个著名的媒体上报道过，是第一张活体大脑X射线图像，最终被证实是一场聪明的骗局。实际上，代表的是猫肠，填充了化合物和大脑伴随矩阵的射线照片。

1900年代初期，伟大的科学家和发明家Thomas Edison（托马斯·爱迪生） 宣布了他想成为第一个发现大脑射线照片的打算。因为爱迪生在当时的知名度和声誉，记者和好奇的公众在他的实验室外面等了9天，近两周的时间，来等待这个好消息。但是， 最后甚至是伟大的门洛帕克的奇才也遇到了挑战， 世人不得不等60到70年才看到第一个大脑的放射摄影影像。

对CT扫描发展负主要责任的是一位叫Godfrey Hounsfield的英国电气工程师，你可以在我的右肩处看到他的照片。Hounsfield先生最初为英国空军的雷达部门工作，在1950年代末加入了一个叫EMI实验室的公司，他是负责英国第一台商用电脑的总工程师。这种商用电脑成功研发后，他被给予了调查该计算机技术可能的新应用的任务。对医学领域来说，幸运的是，他关注的领域之一是放射学和放射摄影影像。对熟悉甲壳虫乐队的人来说，EMI是他们以及他们唱片的第一个标签。1960年代末，甲壳虫乐队取得了一系列的成功。公司称他们的成功资助了Hounsfield先生研究电脑技术和CT扫描。所以，你可以说甲壳虫乐队间接为计算机化X射线轴向分层造影和现代社会做出了一大贡献。

正如我之前所说，标准射线影像是有缺陷的，你有一个三维的图像，然后出去所有额外的物体，投射到一张二维的胶片上，然后它们就一个一个堆在一起。Hounsfield意识到了这些缺陷，他觉得通过计算机化的技术，在物体周围拍摄多张射线照片来重构图像，他可能会影响这个特定的领域。 他的假设是基于一位德国数学家1917发现的变换原理。60年前，Johann Radon描述了该技术， 你可以照多张投影。无论是一维投影通过一个二维物体，还是二维投影通过一个三维物体，你照了多张投影后，你完全可以在太空中重建那个物体。我把这个等同于任何三维物体的多重视图，例如这个计算机生成的汽车，从前面看，我们可以说这是一款红色的跑车，当旋转到侧面时，我们可以看到更多的信息，并且注意到这是一辆双门轿车，后面显示出红色和黄色的车灯，最后旋转到另一个侧面时， 我们看到了整个物体相对完整的图片。所以， 我们在汽车周围照的投影越多，我们能确定该辆车本身的信息就越多。CT扫描也同样如此。你在身体周围照的投影越多，你所得到的进行投影物体的信息就越多。该过程的优势是，这些射线实际上通过身体，你不仅可以得到表面信息， 你还可以得到身体本身的构成。

虽然CT 扫描的可实施性很小，但是Hounsfield在1960年代末构建了这个原型。它主要由出线盒，前面有个针孔，盒子里面是放射物质镅，这提供了低能级的持续X射线放射源。因为针孔，放射出来的X射线或放射线呈现出平行笔形射束轮廓。该笔形射束轮廓将会通过中心穿透物体，衰减的信息将会被该物体另一侧的一个探测器记录。这些物体将会通过针孔探测器，一旦他们全部穿过后，将会旋转1°，然后继续通过，该过程会一直持续， 直到你得到周围180°的信息，完全反映出该物体。

该原型连续操作了9天，来获得静态单一影像，因为放射源能级比较低，也因为获得技术还没有完全掌握。连续9天，你屏住呼吸几秒钟都很困难，你可以想象连续屏住呼吸九天吗？这完全是不可能的。那时，超级计算机需要花费2.5个小时来处理那些信息，重构该单一图像，这就是那个图像。那时，计算机用FORTRAN算法语言编制，不得不解决28，000个同时发生的等式来复制那个单一的图像。虽然在临床上不可行， 但是它的确显示了CT技术在技术上是可行的。

考虑到这一点，Hounsfield继续生产它的第二个原型，这是它的图片。在这个图形中，我们可以看到放射源从放射物质变为了X射线源。这种可获得放射束的增多实际上产生了一个图像。Hounsfield同样将整个底座放在了一张车床床身扫描仪上，这是他在一间办公室找到的。他让要扫描的物体立在车床床身扫描仪上，功能和第一代机器是一样的。扫描仪前面有一个针孔瞄准，它通过物体，然后被物体远一侧的探测器捕捉到。物体将会通过那个针孔，X射线源旋转1°C，再次通过X射线源，然后一直做到180°，这样你就会得到一个图像的完全扫描。这叫做旋转平移。这是第二个原型所产生的图像，因为X射线源，图像的获取比第一个原型更快，并且提供了更详细的信息。

Godfrey Hounsfield ：“在实验室中发生的情况总是更好，通过使用丢弃的设备，同样也能在周围找到，我能够构建这个实验室测试机器，它能够表明该系统的原理。”

CT扫描的第二个原型，“这于构建在一台老机器上的残骸开始， X射线数据被输入电脑，通过显示密度来处理动物组织是第一个固定模型所做的事情，Hounsfield探索了我们可以发现它们的方式。“我不得不出去需找牛的不同器官例如大脑， 但是不幸的是， 它们被宰杀的方法破坏了。因此我们在伦敦和犹太区寻找，这些动物都是流血而死，把它们全部运回来，放在机器上需要大量的工作。但是脑室表现的非常好，是构建一台临床机器的时候了。”

几乎与构建第二台原型机器同时，致力于CT扫描的设计团队想出了另一种重新构建这些图像的方法。正如我之前所说，最初的构建等同于同时解决28，000个等式，因为用FORTRAN算法语言编制的计算机花费很长的时间。他们研发了一个叫做滤波反投影的系统。你主要需要做的是物体每通过一次，你就会得到所创建的图像，然后你就会得到一系列的灰度图像。如果你把那些灰度图像传递回成像机器，通过电脑，你就可以很自然的重构那个图像。通过的图像越多，你得到最初扫面物体的图像也就越清晰，直到你旋转180°。或许你会问， 为什么要旋转180°呢？请记得我们是在使用X射线。如果你从这个角度开始，通过物体，然后在这里记录信息。基本上，和你从这个角度开始，以这种方式通过物体，X射线通过人体所得到的信息是一样的。所以你只需要180°来得到身体内部构成的完整信息。这里是非自动图像滤波反投影的一个例子，使用无生命的物体。你可以看到， 当你在该艺术品周围180°通过越来越多的信息时，你得到的图像信息也越来越清晰，到180°时图像最清晰。

现在，滤波反投影技术仍然在现代扫描仪中使用。第一个和第二个原型显示了CT扫描在技术上的可行性，Hounsfield继续研发他的第一台临床扫描仪。你一定还记得第一台扫描仪如此之慢，它几乎不能反映胸腔，腹部等等的任何构成。它们主要是为大脑设计的。

这是第一台临床扫描仪，整个系统相对较小，因为中心的空间只需要放得下人体的头部就足够了。请注意患者底部的吊索，他们帮助患者的头部牢固的固定在扫描仪中心。如果你在整个测验中仍然不能控制自己，保持固定不动，该设备可以在机器的框架中放置牙垫。底部吊索和牙垫的组合完全确保了患者的合作，甚至在最困难的情况下。

如果你看我左侧肩膀处的图片，我们有一个固定的头骨，玻璃包裹住了整个大脑。如果我们的头骨是玻璃做的就好了，这样我们一眼就可以看透它，实际上看到大脑本身。但实际情况却不是这样，头骨是非常紧密的，并且不透射线，从表面上你看不到头骨内部的构造，所以我们用间接技术来实际查看大脑。

技术之一是标准血管造影术。血管造影术本质上是这样一种技术，我们在腹股沟放一根导管，随着导管向上流入大脑，你注入造影剂，是实际上可以查看大脑自己的血管。你可以寻找轴，有时候你还可以发现恶性血管瘤，它有很多血液供应，并且可以间接假定大脑内部正在发生什么。

另一项技术叫做充气造影术，这种技术通过背部放置一根针，空气被引进这根针，患者被垂直放着，空气将会往上冒到脊柱，然后进入大脑脑室的中央部位，这些脑室将充满空气，现在你就有了造影剂，你可以看到大脑内部现在充满了空气，与水和软组织的背景形成了对比。这个的问题是大脑不喜欢被空气包围，所以病人被固定在一把软椅上，在不同的方向进行翻转，把脑室中的空气放出来，放射摄影影像被照了下来，因为该过程上下左右颠倒患者的位置如此痛苦，如此嘈杂，所以患者通常吐的到处都是。因此仅就替代充气造影术这一点来说，CT扫描仪也是医疗护理的一大飞跃。但是现在我们可以做全身的影像，从头直到脚趾。

第一代扫描仪严格来说是大脑成像单元，如我之前所说，他们太慢了以至于不能成像任何运动的物体，像胸腔和腹部。第一代扫描仪花费大概20分钟来产生一个单一的图像，它使用同样的旋转平移机制，这我们在第一台原型图像中已经见到了。扫描仪有一个笔形射束轮廓，该射束轮廓将通过大脑，然后旋转1°，然后再次通过大脑，旋转1°，你将持续这样做，直到你得到了180°旋转。从扫描仪获得的信息然后被传送到对面的一台计算机上。那时的计算机更像我们现在的机器，现在每个人手机上都有一台这种机器。这些在当时是很昂贵的装置，这些机器将会设置在远处，信息通过电话线传过去，通过图像重建它们。因为是一台远处的机器，并且用FORTRAN算法语言编制，处理一张图像需要20分钟，并不是大脑的全部图像，而是大脑的一小部分。计算机被移到一侧后，并且用计算机语言编程，重新获得和再现图像的时间被缩短到了近5分钟。这是第一代扫描仪图像中的一张，虽然从现代的标准来看有点简单粗糙，但是图像清楚显示了人体活体大脑的信息，足够进行医学诊断。

CT扫描仪第一次被引入美国是在1972年5月纽约布朗克斯（Bronx, New York） Manishefter博士的神经系放射学回顾课程中。

FORREST CLORE博士: “这是给出的好的综合课程之一，作为神经系放射学的回顾，是纽约布朗克斯阿尔伯特爱因斯坦医学院医疗中心的一门课程，参加的人很多，实际上有400多位出席者，还有大概50多位会员，我们决定有自由活动，周日晚上的自由活动， 在曼哈顿到处看看，然后喝几杯等。我那时20多岁，不像现在这么有自制力。我们在纽约玩得很高兴。第二天早晨的演讲开始的有点晚了， 所以早晨的安排减少了一场演讲。上午大概11点钟左右的时候，他们宣布有一位事先未安排的伦敦客人，这位客人想做报告。所以，他们出去休息吃午饭的时候，绝大多数人离开了，他们想出去吃午饭，因为他们到那不是为了听某人的研究项目，而是准备董事会的事情。所以在400多位出席者中，390多位推开门，走开了。因为前一天晚上我玩有点过了，那时这次会议还没有开始。那天晚上我玩得很愉快，所以我有点松垮感，我不想吃午饭，所以我想我最好坐在这里的舒适椅子上不动，然后听听讲的是什么。他呈现了这些。他很有趣，到他展示了一些生成的图像，就不仅是有趣了，而是令人兴奋。”

第二代扫描仪和第一代扫描仪在操作方面很相似，你仍然有一个平移旋转。整个扫描仪来回移动，然后旋转1°。X射线源的结构从笔形射束改为扇形射束结构，扩大了患者的扫描范围。之前另一侧只有一个探测器，现在安装了多个探测器，不是整个阵列，但是另一侧可能是2,3或4个。因为扇形结构探测器数目的增多，你可以将扫描时间缩短到几分钟。

下一代的扫描仪被称为第三代扫描仪，这在CT技术中是很重要的。基本上，你仍然有X射线源的扇形结构，现在的另一侧探测器不是1个、2个、3个或4个，而是一个阵列，运动的转换部分完全没有受到限制，这完全是一个旋转系统。将要发生的是：开始时，头部处在一个位置，你实际上可以旋转180°，然后桶架就会停止。停止旋转，身体向前挪一点，然后是反方向的180°。你一个方向旋转180°，停止，然后反方向旋转的原因是所有设备连着一大堆电线和电源。如果你一直朝一个方向旋转，你会把电线从扫描仪上扯断，你最多可以使用一次。

再下一代的扫描仪叫做螺旋扫描仪，和第三代扫描仪的结构是一样的：X射线的扇形结构光束，另一侧有多个探测器。但是不用在旋转180°了，所有的电源都可以使用，电子设备和一个轨道相连，可以朝一个方向连续转动。现在扫描仪桶架在患者身体通过X射线源时可以朝一个方向运动，所以不需要停下来移动患者通过扫描仪了这个步骤了。基本上，图像的获得就好像一个旋转片，你知道那些薄片绕了一圈又一圈，并且这是一个连续的过程，自始至终都在那个骨骼上做完。 或者说这是现代CT扫描仪工作的原理：扫描仪一圈又一圈转动时，你不断地将患者放入扫描仪。开始时只有一个探测器，现在探测器的数量扩大到了4个，16个，64个，到128个，有的系统甚至模仿512个同步探测器，所以在一次旋转中，就可以获得一批图像。最突出的在于我们可以做整个身体的图像，从头一直到脚趾，时间基本上只需要不到1分钟，35秒到40秒即可。它也可以给我们运动结构的静态图片，例如心脏。

现在屏幕上的视频显示了一个除去盖子的现代扫描仪。即使螺旋运转的机器也以循环模式连续工作，仍然需要180°旋转，或半转，来获得一组图像。在这种特殊的情况下，每旋转半圈，就可以获得64 层图像。

现代CT扫描仪提供的人体细节在20或30年前是难以想像的，同样的信息可以用于恰当的病患分流，以此来充分利用医疗护理，并排除了不必要的但通常属于基本步骤中的检查，例如探查术。虽然CT扫描仪对人们的实际影响很有限，但Hounsfield仍由于他的发明获得了一系列世界大奖，包括1979年的诺贝尔生理学或医学奖。Sir Godfrey于1981年被英国女王授予爵士爵位。

这就是CT扫描仪的历史，一位英国工程师的创新，加上一些可能来自甲壳虫乐队朋友的资助，使一切成为可能。很好的发明！祝大家永远保持健康，快乐！

Hounsfield：“我觉得我非常幸运有这个想法，我在乡村想了很多很多，它们就像掉在地上的拼图，人们不得不仔细考虑许多字母，进行人工操作。非常感谢你——计算机断层扫描，在征服疾病方面我能帮上一点小忙，这令我非常满足。”

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