X光、CT、B超、核磁共振、核医学到底有什么不同？
如今医学已经进入了「读图时代」。X 光、CT、核磁共振等都是医生的透视之眼，帮助医生进行病症诊断。今天我就来具体讲讲他们之间到底有啥不同？   X 射线是伦琴发现的，因此他也就成了世界上第一个诺贝尔物理学奖的得主。  人类第一次知道有这种能够穿透皮肉的射线。当时李鸿章李大人路过德国的时候，还拍了一张 X 光照片呢。他是第一个拍摄 X 光照片的中国人，你别说，这老头还挺赶时髦的。  当时伦琴是在研究阴极射线，其实就是电子束。一个玻璃管，一端是阴极，一端是阳极。两边加上高电压，阴极上就会有电子流发射出来。  当时大家不知道这是什么东西，这种射线会使得荧光粉发光。后来 J·J·汤姆逊证明这就是电子，所谓的阴极射线就是电子流。  1897 年，布朗发明了一种新的阴极射线管，也叫「布朗管」，其实就是阴极射线管的一种变形。  假如阳极是一个圆圈，不是一个金属板，那么电子冲过这个圈的时候会减速，但是仍然刹不住车，一直往前飞，最后打到荧光粉上，显示出一个亮点，这就是 CRT 显示器的雏形。  老式电视机用的那种显像管就是典型的阴极射线管。  当时研究阴极射线管是一个热门，人类就这么误打误撞的撞进了电子学的大门。伦琴发现电子束打到金属上以后，会发出一种奇特的光，这种光就是 X 射线。  这一集，需要不少物理学知识。我们这一集有点像是物理课。好在不少听众都是听着我讲的《量子力学外传》过来的。  有的还听了好多遍，对这些知识应该是不陌生的，我们不妨复习一点过去的知识。  电子打在金属板上，有两种方法产生 X 射线。一种是电子束撞进了金属板，速度大大下降，动能损失了不少，这些损失的动能就变成了一个个的光子发射出去了。  光子的频率就取决于电子的动能变化。光子的能量等于普朗克常数乘以频率。电子的能量变化非常大，因此释放的光子频率也很高，达到了 X 光波段。  还有一种情况是高能电子把金属原子里的电子打跑了，导致空出来一个坑，自然有其他电子来回填，这个回填过程里会释放出能量，高能级的电子跳到低能级，会释放出光子，还是会以 X 射线的形式释放出来。  这也是阴极射线管产生 X 射线的另一个来源。  所以，有了 X 光，对于骨折这一类的问题，可以看得比较清楚。要是有根针扎到肉里，也能看得很清晰。  所以 X 光在医疗方面是一个非常重要的突破。一战期间，居里夫人就把 X 射线透视机装到了汽车上，组织了战地流动放射车。而且她帮助组建了法国的军用放射中心。  看得出居里夫人还是很爱法国的，当时的欧洲打成一团，某个士兵中弹了，拿 X 光一照，身体里有个弹片枪子儿啥的，全都能照出来，所以说 X 光引发了一场医学上的技术革命，由此，医学大家庭里又多了一个专门的学问，那就是影像医学。  当 X 射线刚被发现的时候，美国的发明大王爱迪生也开始研究 X 射线，他发现用钨酸钙来制作荧光屏，效果比伦琴他们用的材料要强的多。  所以爱迪生开发的荧光屏后来成了放射科医生们的最爱。不过爱迪生的助手达利长时间暴露在了 X 光照射之下，没做任何防护，年纪轻轻他就得了癌症。  所以爱迪生马上放弃了对 X 射线的研究。他是最早认识到 X 射线有安全隐患的一批人之一。  当时大部分人都不知道 X 射线对身体是有一定伤害的。很多女性拿自己的 X 光骨骼照片当做是一种时尚，还拿去送人。  现在想想有点瘆得慌，一本写真集，翻开一看，全是骷髅架子，到是蛮符合《佛经》里边讲过的寓言。  美国骨科医师学会为了推广骨骼健康的概念，还搞过选最美的「脊柱小姐」。选美不看脸，看脊椎骨，我怎么总想起「羊蝎子」。  反正当时 X 射线已经到了滥用的地步。你买双鞋，只要在 X 光的台子上站一下，人家给你拍一张脚底的 X 光照片。  人家给你留档案，以后买鞋不用量脚，直接看 X 光照片了。  当时有很多准妈妈，肚子里怀了小宝宝了。她们也想看看宝宝到底长成啥样了。用 X 光一照，骨骼看的清清楚楚。当妈的开心了，然后孩子就悲剧了。  伦琴刚刚发现 X 射线不久，就有人用 X 光拍摄了胎儿的照片。但是，很快，大家发现 X 射线有可能造成胎儿的缺陷，比如说小头症和发育迟缓，严重的甚至会造成流产。  当时 X 光机的灵敏度不太行，因此需要很大的剂量。现在的 X 光机要灵敏的多了，剂量小得多，至于在现代条件下到底需不需要照 X 光，一切还听医生的吧。   X 光作为一种电离辐射，对人体是有一定伤害的。但是，毫无疑问，X 光又是一种诊断的利器。  我们当然是需要趋利避害，尽量减少 X 射线带来的伤害，没事儿就别照着玩儿了。  X 光成像其实主要是反映的密度信息。X 光穿透金属很困难，骨骼的密度比较大，因此 X 射线穿透也很难，所以这些东西都会在胶片上留下清晰的影子，皮肉基本挡不住 X 光，所以只会留下很淡的痕迹。  你想想看，皮肉的影像本来就很淡，而且还是一层一层叠在一起的，即便是你想看也没法看，这就是 X 射线的缺陷。  比如血管，X 射线就看不见，比如肠胃，X 射线也是看不见的。因此才有了血管造影剂和钡餐。  只有采取这样的办法，才能看清楚这些结构。但是，这些仍然是拍扁的图像。血管就像层层叠叠的树枝，哪个在前哪个在后？对不起，分辨不出来。  那么这个问题如何解决呢？说来也奇怪，解决这个问题的并不是医学界的人，而是来自于物理学界和设备厂商。  更让人意想不到的是 1979 年的诺贝尔生理学及医学奖就颁发给了两个标准的「圈外人」。  这二位一个叫科马克，来自于塔夫斯大学。另外一个叫豪斯费尔德，来自于英国电器与乐器工业有限公司，他是个工程师。  这家英国电器与音乐工业有限公司可了不得，英文缩写就是「EMI」，大家听着耳熟是吧。  他们生产了大量的无线电广播方面的设备，他们在二战期间还研究立体声录音，研究雷达信号处理，还研发了光电倍增管。当然他们也曾经是世界上发行音乐唱片的霸主。  不过现在 EMI 已经被收购了。  尽管这家公司是很厉害的，但是说到底也就是一家设备公司。因为这二位都不是医学界的人，所以这个消息宣布的时候，大家都一脸蒙圈，这二位是谁啊？  找来他们的英文个人简介，翻来翻去也没看到有博士字样。这二位都没拿过博士学位。这在诺奖得主里是很少见的。  颁奖词里到是把他俩的贡献写得清清楚楚。他们搞定了断层扫描技术，俗称 CT。  这是自伦琴发现 X 光以来，影像医学领域最大的一个发明。CT 可以呈现出人体的三维结构，这是过去的医生们想都不敢想的。  我们打个比方来讲，比如一片树林，你在树林的外面看过去，那就是枝枝叉叉重叠在一起的一幅图像。  你要想看出谁远谁近，以及被遮挡的部分，你只要绕着树林走一圈就行。在绕圈的过程中，你总有机会看到那些被遮挡的部分。  你的脑子也会自动去拼合这些信息，于是我们就在脑子里构建出了这片树林的立体印象。  CT 扫描也是一样的道理。身体的皮肤、组织、骨骼等等结构都压扁了变成了一张照片。  没关系，绕着圈多拍几张，就可以用数学算法把立体结构拼出来。有关的算法其实 1917 年就被提出了，但是没人往这儿想。  所谓的「CT」是个缩写，展开了就是计算机控制断层扫描，扫描出来的照片其实就是人体的一个截面上的图像，就像切黄瓜一样，一根黄瓜可以切成无数个断面，把这些断面拼起来，就能组合出一个三维的人体透视结构。  断层扫描的思路不仅仅可以用在 X 射线上，用在其他探测手段上也是好用的，毕竟算法是通用的。  科马克出生在南非，在 1957 年搞出了 X 光在人体内衰减的数学算法，算是给 CT 技术奠定了一个理论基础，但是他没钱，没办法去自己制造一台原型机。  1963 年，科马克移居到美国，在美国制造了第一台 CT 的原型机。1966 年，科马克拿到了美国的国籍，人才都往美国跑啊。  豪斯费尔德是英国人，他 1951 年进了 EMI 当工程师。他完全不知道科马克的存在。他自己研究断层扫描技术，在 1968 年，他拿到了专利。  1971 年，豪斯费尔德研发出了第一台实用的 CT 机。当时还叫 EMI 扫描机，毕竟这是 EMI 公司的产品。  产品研发出来了，你总要做测试吧。为了不泄露技术秘密。他们找了伦敦郊区的一家小医院。  10 月 1 日这一天，一位脑部患有肿瘤的女士接受了 CT 检查。这台机器只能扫描头部，最后处理出来的图像是模模糊糊的，但是这已经创造了历史了。  1972 年，豪斯费尔德在英国放射学年会上公布了这个成就，当场引起轰动。一大群公司冲进了 CT 这个领域。那么一大群聪明的脑袋在推动着 CT 技术的进步。  很快，CT 机就从只能扫描脑部到全身都能扫，前后发展了 5 代技术。空间分辨率和时间分辨率大大提高。CT 技术也存在一个摩尔定律，每 18 个月指标翻一倍。  不过这个趋势到 2007 年已经停了。技术发展进入了比较平缓的时期。   不过话说回来，尽管 CT 断层扫描技术实现了 X 光照片的 3D 化，很多过去叠在一起没法看的结构现在可以看见了，但是说到底还是 X 光拍照。  X 光的缺点，CT 仍然是有的，比如密度相差很小的一些软组织就无法分辨开，特别是人的大脑。  就在 CT 技术诞生之后的两年，另外一项非常重要的医学影像技术诞生了，这就是核磁共振技术。  核磁共振很好的解决了密度接近的物质无法分辨的问题。当然，也就造就了一大批诺贝尔奖。  核磁共振从原理上来讲，比 X 光要复杂多了，我们尽量通俗化的来讲。  一开始有关磁共振的研究还是个纯粹的物理学科目，最早研究这东西的是斯特恩，他给爱因斯坦当过助手。1919 年到了哥廷根大学玻恩手下工作。  后来因为研究质子的磁矩和分子束方法而获得了 1943 年的诺贝尔物理学奖，他发现质子是有磁性的。  他和盖拉赫两个人完成了一个著名的实验。用高温把金属银气化，变成了一束分子束，通过非均匀的强磁场。  看看会在屏幕上留下什么痕迹。按理说即便是原子核有磁性，磁性方向也的杂乱无章的，通过强磁场以后应该在屏幕上留下一大片。  但是，奇怪的是，银原子在屏幕上留下的痕迹不是一大片，而是分离成了几条线。这说明银原子的磁矩只能取几个有限的值。  这就验证了索末菲的预言，空间的磁矩也是量子化的。量子化就是不连续，一格一格的蹦。  那么斯特恩的发现和核磁共振有半毛钱关系哦，这就是说，原子是有可能在磁场的作用下整整齐齐的排好队的。  没这个特征，核磁共振也就玩儿不了了。曾经在斯特恩的实验室工作过得拉比把斯特恩的试验方法带回了美国。他发现，用强磁场可以让原子核的磁矩方向排列的整整齐齐。  然后再叠加一个快速变化的电磁场，也就是无线电波。原子核的磁矩方向会被翻转。  简而言之，拉比的发现也就意味着我们可以用强磁场和无线电波去操控原子核。  1944 年，拉比拿到了诺贝尔物理学奖。当然，当时是在二战期间，好多科学家都在为军方服务。  布洛赫和珀塞尔在麻省理工的辐射实验室认识了拉比，从拉比那里学到了有关核磁方面的很多知识。  要不说战争是高新技术的催化剂。二战期间三大技术，雷达、原子弹、青霉素，都深深的改变了人类的社会。  当然还有一些技术被低估了，比如声呐探测潜艇的技术，这个我们暂且按下不表，后边再说。  二战一结束，这二位马上就开始了核磁共振方面的研究，他们发现，在强磁场之中，原子核就像是个小磁针，排列的整整齐齐的。施加某个频率的无线电波，原子核就会吸收这些电磁波的能量，这就是所谓的「共振」。  原子核与无线电波发生共振了。1952 年这二位也拿了诺贝尔奖。跟这事儿沾边的已经有 4 个人拿了诺奖了。  当时就有商业直觉敏感的同事瓦里安把核磁共振用到了工业方面，给一家石油公司制造了一台波谱分析仪。  1965 年，开始利用核磁共振技术来测定物质的结构。1971 年，美国的雷蒙德发现肿瘤的核磁共振信号和普通的组织是有差别的，这也就意味着核磁共振技术是可以用于医学的。  1973 年保罗·劳伯特和彼得·曼斯菲尔德分别独立地发表文章，阐述了核磁共振成像的原理。  他们都认为用线性梯度场来获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案，因而为核磁共振成像奠定了坚实的理论基础。后来他们拿了 2003 年的诺贝尔生理学与医学奖。  1974 年，荷兰科学家赫洛尔和他的同事们获得了一张二维的核磁共振断层扫描图像。  这张图片外号叫「诺丁汉橙子」，其实就是扫描了一只橙子。这张图片也就意味着核磁共振生成二维图像已经不成问题了。甚至构建 3D 的立体模型的理论都已经准备好了。  1980 年，他们获得了第一幅人类脑部的核磁共振图像。放射科的医生们这一回可算是心满意足了，脑子里面的组织结构可以看得清清楚楚，过去从来就没这么爽过。  到了 1983 年，美苏两国的核竞赛愈演愈烈。美国老百姓听见「核」这个字就脑仁疼。  核磁共振本来缩写是 NMR，核+磁+共振嘛，怎么也要三个字母代表。现在为了避免刺激群众情绪，把核字拿掉了，缩写也就成了 MR——磁共振成像技术。  说了这么多，很多人可能还是云里雾里的，到底核磁共振是咋回事儿呢？