改变人类医学的成像技术：CT、MRI、PET发展简史

全球首例临床CT扫描影像，图源：《医学成像系统入门指南》

米切尔・莱斯利| 撰文

潘展| 翻译

1971年10月3日，英国电子公司EMI的工程师戈弗雷・豪斯菲尔德（Godfrey Hounsfield）与神经放射科医生詹姆斯・安布罗斯（James Ambrose），在伦敦阿特金森・莫利医院紧张地等待着。两天前，他们为一名疑似患有脑肿瘤的41岁女性完成了全球首例计算机断层扫描（CT）。豪斯菲尔德与安布罗斯随即将扫描数据送往伦敦另一端的EMI实验室，由公司的大型主机进行分析。两人迫不及待地想要看到结果。

三年前，豪斯菲尔德首次提出了一种能够窥探大脑内部的设备构想。在传统X光片上，大脑就像一位科学家描述的那样，是“一片模糊、无法分辨的灰雾”。但豪斯菲尔德提出，利用X光对大脑的单个层面（即断层）进行成像，能够拨开迷雾，呈现此前隐藏的细节。他的系统就像人读书一样，“只从一页（或一个断层）中提取信息”。这位患者接受的正是基于豪斯菲尔德构想研发的原型机扫描。

当EMI计算机处理出的大脑影像最终送达医院时，安布罗斯回忆道，两人 “像踢进制胜球的足球运动员一样欢呼雀跃”。豪斯菲尔德记录：“额叶正中央清晰呈现出一个圆形囊肿的完美影像。”手术证实，影像所示位置的确存在囊性肿瘤。

凭借研发出首台实用CT扫描仪，豪斯菲尔德斩获1975 年拉斯克临床医学研究奖。他与加州大学洛杉矶分校的神经学家威廉・奥尔登多夫（William Oldendorf）共享该奖项，后者数年前已研制出简易的大脑扫描装置。豪斯菲尔德还共同获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。

梅奥诊所医学物理学家辛西娅・麦库洛（Cynthia McCollough）评价，豪斯菲尔德的成就尤为惊人，因为“他必须先构想这套设备能在人类头部应用，再动手造出并验证其有效性”。梅奥诊所放射科医生理查德・埃曼（Richard Ehman）补充，他的研究还以“技术转化至临床的速度极快”著称——仅用三年。相比之下，如今一款新药平均需要15年才能惠及患者。

拉斯克奖得主还推动了正电子发射断层显像（PET）与磁共振成像（MRI）两项颠覆性成像技术的发展。

1981年拉斯克临床医学研究奖得主、美国国家精神卫生研究所生物化学家路易斯・索科洛夫（Louis Sokoloff）并非 PET 扫描仪的发明者，但新加坡国立大学临床成像研究中心创始主任、物理学家戴维・汤森（David Townsend）表示：“他的研究推动了PET从科研工具转化为临床成像手段。”

1984年拉斯克临床医学研究奖得主、生物化学家保罗・劳特布尔（Paul Lauterbur）的研究，为MRI扫描仪奠定了基础。彼时任职于纽约州立大学石溪分校的劳特布尔，完成了“几乎不可思议的突破 —— 用磁场实现成像”，诊断检测公司 Function Health 首席医学科学家丹尼尔・索迪克森（Daniel Sodickson）说道。劳特布尔还共同获得了2003 年诺贝尔生理学或医学奖。

如今，CT、MRI、PET 检查在美国每年开展数亿次。加州大学旧金山分校放射科医生威廉・狄龙（William Dillon）表示：“这些技术的影响怎么强调都不为过。” 索迪克森称，它们不仅改变了医学，更通过揭示大量人体内部细节，改变了我们看待自身的方式，让我们“与自己的身体建立起更亲密、直接的联结”。

01

虚拟的大脑“切片”

20世纪50年代末，奥尔登多夫开始研究时，当时的大脑成像手段往往让患者痛苦不堪，且诊断价值有限。头部X光对脑肿瘤等疾病的诊断帮助甚微。一种名为气脑造影的有创检查需向脊柱下段注入空气。狄龙介绍，其中一种操作会把患者固定在“类似游乐场旋转飞椅”的装置上，通过翻转、倾斜患者，让注入的空气充盈脑部，使部分大脑结构在X光下显影。这种检查过程十分痛苦，甚至可能致命。

威廉・奥尔登多夫图源：美国国家退伍军人历史中心

1958年与一位食品公司工程师的交谈，启发奥尔登多夫研发创伤更小的检查方法。这位工程师正尝试设计自动化X光系统，检测橙子内部的冻伤损伤。奥尔登多夫意识到，两人面临同一个难题：如何看清物体内部。他思考：“或许通过更精密的扫描轨迹与更先进的X射线吸收分析，就能明确头部内部的真实结构。”

一位研究者评价奥尔登多夫是“全能的动手达人”，不到两年，他就拼凑出一台自制原型机。他从火车模型套装里借来一段轨道和平板车厢，标本平台用的是老式留声机的转盘，设备的辐射屏蔽层则用他在厨房炉灶上熔化的铅制成。

奥尔登多夫的自制设备向探测器发射窄束伽马射线。射线穿透标本时，会因被吸收或散射而衰减。通过分析不同角度的测量数据，奥尔登多夫认为可以重建标本的内部结构。在他的原型机中，探测器固定不动，标本沿轨道缓慢移动并同步旋转。

为测试设备，奥尔登多夫用一块嵌有两层同心铁圈的塑料块模拟头颅——铁圈代表颅骨，中心的一枚铁钉与一枚铝钉模拟大脑组织。他在1961年的论文中报告，这台原型机能够透过模拟颅骨检测到铝钉。

取得成功后，奥尔登多夫为设备申请专利，并联系X光机厂商寻求进一步研发，却均遭拒绝。他写道：“这个想法被否决，因为厂商无法想象这类设备有可行的市场。” 公平来说，他的发明距离实用扫描仪仍有很大差距，比如，他尚未证明设备能生成图像。斯坦福大学放射物理学家诺伯特・佩尔茨（Norbert Pelc）表示，奥尔登多夫“发现了大脑成像的难题”，但并未攻克它。

豪斯菲尔德做到了。尽管他并不知晓奥尔登多夫的研究，但两人的思路有相似之处。豪斯菲尔德用车床与其他零部件拼凑出首台原型机，用它扫描无生命物体与组织样本。伽马射线源沿标本横向缓慢移动，探测器测量穿透物质后的射线强度。每完成一次扫描，标本轻微旋转，再开始下一轮扫描。

戈弗雷・豪斯菲尔德在EMI公司研制的首台CT扫描仪原型机

而豪斯菲尔德的关键突破在于下一步：他设计出一套算法，分析探测器采集的数据，生成大脑断层影像。佩尔茨说：“他通过测量数据，用计算方法解决了成像问题。”

1975 年的戈弗雷・豪斯菲尔德

即便如此，初代设备仍不实用，完成一次扫描需要9天。改用强度更高、可控性更好的X光后，扫描时间缩短至9小时。在对15具遗体大脑进行测试后，豪斯菲尔德团队决定研发可在数分钟内完成活体大脑扫描的设备。仅用18个多月，这台设备就迎来首位患者。CT扫描仪迅速风靡。佩尔茨说：“临床医生看到影像的那一刻，就注定它会成功。”截至1977年，全球装机量达1130台。

1971年投入临床使用的EMI CT脑部扫描仪，图源：英国科学博物馆

02

葡萄糖视角下的大脑

若不是1968年赴巴黎休了一年学术假，路易斯・索科洛夫（Louis Sokoloff）或许永远不会开启最终促成PET诊断技术的研究。他回到美国后，实验室持续数年的甲状腺激素研究“陷入混乱”，他决定转而研究一个长期困扰自己的问题：大脑不同区域的代谢水平差异。

路易斯・索科洛夫在美国国家精神卫生研究所办公室

饥饿的脑细胞会大量摄取葡萄糖并代谢供能。科学家认为，若能测定大脑不同区域在不同状态下的葡萄糖消耗量，就能更清晰地理解大脑区域功能特化，探究疾病对大脑功能的影响。阿肯色医科大学生物化学荣誉退休教授杰拉尔德・迪恩尔（Gerald Dienel）（1984-1996 年在索科洛夫实验室工作）表示：“人们知道葡萄糖是大脑的燃料，却没有方法测量局部代谢水平。”

索科洛夫团队研发出基2-脱氧葡萄糖（DG）的技术——这是一种能被细胞摄取却无法分解的葡萄糖类似物。索科洛夫20世纪50年代末首次听说DG，便“把这个想法记在心里”。当他最终研究这种分子时，好奇能否用它追踪大脑代谢。他坦言这是“疯狂的想法”，因为DG会抑制代谢，但团队推测DG会滞留在摄取它的组织中，可作为代谢速率的标志物。

研究人员向动物体内注射放射性标记的DG后发现，这种分子能清晰显示大脑不同区域的葡萄糖利用情况。他们在20世纪70年代中期会议上公布的结果，令科学界震撼。迪恩尔说：“这项技术是动物研究的重大突破。”

随后，一位同事提出了显而易见的问题：能否改良技术，用于人类大脑成像？索科洛夫回忆：“我当时觉得不可能。” 他们使用的DG用碳-14 放射性标记，这种显像方法无法用于活体动物，更不用说人类。但索科洛夫的合作者发现，将放射性氟原子连接到DG上，制成氟代脱氧葡萄糖（FDG），就得到了适用于人体的示踪剂。科学家最初尝试用单光子断层扫描仪检测人体脑部的FDG，却很快发现 “PET 扫描仪的空间分辨率与精准度更高”，索科洛夫写道。

阿尔茨海默病患者脑部（左）与正常大脑（右）PET 扫描对比。图源：《Science》

加州大学戴维斯分校医学物理学家特里・琼斯（Terry Jones）表示，科学家此前已发现其他大脑代谢示踪剂，但大多仅用于学术研究。而索科洛夫的研究让FDG可用于肿瘤成像——肿瘤会主动代谢葡萄糖。FDG 在人类肿瘤检测与分期中的价值，“让PET技术商业化成为可能”

03

磁场成像

1971年的一个晚上，保罗・劳特布尔（Paul Lauterbur）获得了关键灵感。他刚观看一位研究者的实验：核磁共振（NMR）技术可区分正常组织与癌组织，但实验样本是解剖后的大鼠组织，这让劳特布尔感到不适。他推测，若能“从活体体外获取足够空间分辨率的测量数据”，就能实现类似的无创检测。

问题在于，核磁共振无法提供空间信息。该技术的原理是将样本置于强磁场中，使样本内质子的自旋方向排列一致；再用射频脉冲激发质子，部分质子会成为“小型无线电发射器”，释放特定频率的射频信号。索迪克森解释，分析这些信号可推断样本成分，却无法确定质子在样本中的位置。

1988 年的保罗・劳特布尔，图源：伊利诺伊大学

传统核磁共振对样本施加均匀磁场，而劳特布尔的顿悟是：强度随位置变化的梯度磁场，能获取成像所需的空间信息。质子发射的频率取决于所处磁场强度，因此，变化磁场中质子产生的信号可揭示其位置。索迪克森说：“这需要极高的智慧，是全新的理念。”

但劳特布尔仍有大量工作要做。他首先设计出将射频测量数据转化为影像的算法，随后计算出制造足够大磁场设备的可行性，还通过实验证明核磁共振设备可对装满水的玻璃管成像。他写道：“只要开展恰当的研发，就能满足所有要求，打造出全新且实用的医学诊断工具。” 劳特布尔为这项技术起的拗口名字“zeugmatography（磁矩成像）”并未流行，而MRI（磁共振成像）被广泛使用。首台MRI扫描仪于20世纪80年代初进入医院。

高对比度脑部MRI影像

由于人体组织中的质子大多存在于水分子中，索迪克森说：“MRI最终呈现的是人体的‘水分布图’。” 麻省总医院医学物理学家兼放射科医生布鲁斯・罗森（Bruce Rosen）表示，这项技术“从根本上改变了医疗实践方式”。劳特布尔的成就，是将“原本属于试管化学家的工具”转化为全新的医学成像手段。

CT、PET、MRI带来的医学变革，远超豪斯菲尔德、索科洛夫、劳特布尔三人的想象。这些技术提升了诊断速度与精准度，优化了医生的治疗与疗效监测能力，让患者免受诸多有创检查的风险。例如，MRI对多发性硬化症患者意义重大—— 该病会导致免疫系统攻击大脑与脊髓，形成斑块病灶。耶鲁纽黑文医院前MRI科主任、放射科医生杰弗里・韦纳雷布（Jeffrey Weinreb）说：“在MRI出现前，确诊该病十分困难，有了扫描仪后，突然就能清晰看到脑部斑块或损伤，诊断更明确。” 与此同时，快速便捷的CT扫描成为“急诊科不可或缺的设备”，麦库洛说。

过去几十年间，这三项技术都变得更快速、精准、强大，研究人员也不断拓展其应用边界。例如，可动态监测大脑活动的功能MRI（fMRI），“彻底革新了我们对大脑工作机制的认知”，埃曼说。尽管PET与CT最初为脑部成像研发，如今已可实现全身扫描。佩尔茨表示，每种技术各有优劣，彼此互补：“我很庆幸我们拥有这全部三项技术。”

https://laskerfoundation.org/looking-deep-into-the-body/

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