【影响世界的专利】计算机X射线断层扫描技术

　　1895年，德国物理学家W.K.伦琴在进行克鲁克斯管试验时发现了X射线年，W.D.库利吉发明了真空X射线管，阴极发出的电子经高压加速后撞击靶面产生X射线。X射线有着非常强的穿透力，使现代医学对健康和疾病诊断迈向无创伤、无侵犯的新时代。但是，人体内有些器官对X射线的吸收差别很小，X射线对那些前后重叠组织的病变就难以发现，即使发现也难以确定病变发生在什么深度。于是，人们力图寻找一种新技术来弥补X射线检查人体病变的不足。英国人杰弗瑞.纽波达.亨斯费尔德（Godfrey Newbold Hounsfield）于1968年8月23日在英国申请了名称为“多角度测量X射线或γ射线吸收，透过情况和数据分析的方法和仪器”，即首次在专利申请中揭示了CT技术，专利号为GB1283915；并以此申请为优先权基础在美国申请了专利，于1973年12月11日授予美国专利权US3778614。这引起了科技界极大震动，被誉为自伦琴发现X射线后，放射诊断上最重大的成就。为此，G.N.亨斯费尔德与美国物理学家阿伦.考马克（Allan Cormack）共同获得1979年诺贝尔医学奖。后者从1957年开始从事这方面的研究，并于1963年发现人体不同组织对X射线的透过率不一样，还提出了一些有关的计算公式，也为后来CT的应用提供了理论依据。

　　G.N.亨斯费尔德于1919年出生在英国Nottinghamshire，在农场长大，喜欢做科学实验。第二次世界大战期间，他从事雷达工作，随后上大学。1951年进入EMI电子公司工作，从事计算机领域研究。有一次在一个项目被证明是不可行的，使他有机会认真思考下一步应该研究什么，甚至在乡间散步时也在想这样的一个问题，思路慢慢地清晰起来，要使计算机能识别模式，再通过这一些模式能“读”数据和数字；要把这些模式识别和雷达原理结合起来，并建立有关计算方式。经过一段时间努力，他终于完成了一个发明构思，用X射线来多角度产生人体薄片层面透过数据，并用计算机对这一些数据进行加工处理，以便最终重建立体图像，他及时将这一发明构思提出了上述的专利申请。

　　该申请的摘要是“在X或γ射线照射检查人体的仪器中，从若干方向对人体的两维矩阵单元进行照射，并且用多路径测量穿越人体小层面照射的透过情况，路径的方向和数量使得通过层面不同组群单元的一组路经要横断每个矩阵单元。从这些测量，计算各个矩阵单元的吸收或透过率，并用阴极射线管显示和/或制作照片。”下面结合附图简要说明该专利揭示的CT成像的基础原理：在图2（见附图）中，包含有骨2和肿块3的人体1；X射线，该射线也可以是γ射线，推荐用X射线，该射线不同于传统的X射线毫米见方或直径小截面的射线束，最好包括准直器，防止射线代替传统的X光胶片（图1中5），该探测量器可以是闪烁器或是闪烁计数器，以便产生电信号，并最好带有准直器。X光来仅在一个薄片层面上对人体进行扫描，在图示例子中为3㎜厚，这光束不仅仅线性地穿越这个层面，而且多角度绕着层面穿越。探测器7安装成总是针对着X射线，如果仅仅是单一扫描贯穿层面的活，那么结果与传统的X光照射效果区别不大，X光源6和探测器7之间一线上所有目标也会出现重叠。但是，本发明技术是进行大量的扫描，能得到该层面每3毫米立方体材料对X光线的吸收率的足够信息，并按层面的位置坐标进行相应计算。这样的扫描，计算可结合实际需要多角度地进行，在射线确定穿过人体相当小层面的路径上X照射的射过情况。被检查的层面作为两维矩阵单元，并且照射路径的方向和数量保证不同组路径横穿每个矩阵单元。照射角位置越多，平行路径越多，分隔矩阵单越多，产生图像越清晰，分辨力越高。所有路径的射过情况，以来自经过相应路径照射的离散输出信号为代表建立一组联列方程式，并借助于数字计算机解析这些方程得出每个矩阵单元的X射线吸收率。用这样的方法检查连续的平行薄片层面，所产生薄片层面照片能组合成较大部门或整个的人体照片。这样的检查可利用大量平行设置的X射线源和探测器连续或一起进行。具体地说，探测器7每次探测的输出通过放大器和计算器形成代表计数数量的数字输出，再由对数转换器将其转换成对数形式，以便形成线性输出，使得沿着路径总吸收量等于沿着路径每小单元吸收总积，并将其存储在诸如磁带等记录器中，计算机运算处理将人体每3毫米层体立方体的数字量表示其材料的X射线吸收率，再将其通过数模转换器变成模拟型式，把数字矩阵中的每个数字转换成由黑到白不等灰度的小方块，再通过色调打印机产生照片，或在显示器上显示。或者也可以将计算机处理后的输出保留在数字方式与模式识别技术相比较产生其他数字化图像。这样就能发现人体内有关部位的细小病变。

　　在申请专利的同时，G.N.亨斯费尔德努力制作这样的仪器。1971年，他制作成了可用于人脑进行CT扫描的仪器，第二年就将其出售了，该CT扫描仪通过X射线度，在每个视角都可照射，然后合成图片，效果很好。1975年，又制成了改进型的CT扫描仪，该仪器带有可将人体送入圆型孔检查的可移动床，可进行全身扫描，为现代化的CT扫描仪奠定了基础。EMI公司有了其从乐器转向扫描仪发展的财力支持，但由于销售不好，在1980年将权利转让给通用电气公司。

　　CT扫描仪发展非常迅速，探测器能多达几千个，扫描方式也从平移、旋转改进成可螺旋扫描，计算机容量大，运算快，可达到立即重建图像，可进行三维重建图像。抗干扰强，层面连续，图像质量高。CT扫描仪被大范围的使用在检查和诊断，也用于精确经肿瘤和放射治疗等方面。

　　Godfrey Newbold Hounsfield（1919-2004），出生于英国诺丁汉郡的一个农场，1938年在纽瓦克上学。1939～1946年在皇家空军的无线年进EMI公司。亨斯菲尔德设计了英国第一台全晶体管计算机和薄膜存储器，以后又从事模式识别研究。1961年开始研究计算机处理断层图像的技术，1968年申请专利，1971年制成CT扫描仪。CT对人体内病灶的显示比X光照片清楚得多，因而能看出X光检查不到的病灶。他因此获得1979年度诺贝尔医学奖。

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