50年前，首次CT掃描讓醫生看到了活人頭骨的內部，而這要歸功於披頭士唱片公司的一位古怪工程師。
1972年，戈弗雷·亨斯菲爾德站在EMI掃描器旁。PA Images via Getty Images
可能藏匿在密室裡的珍貴物品，真的能激發人們的想象力。在20世紀60年代中期，英國工程師戈弗雷·亨斯菲爾德（Godfrey Hounsfield）思考過，是否可以透過捕捉穿過看不見的空洞的宇宙射線來探測埃及金字塔中的隱藏區域。
多年來他一直堅持的這個想法，也可以理解為“不開啟盒子就能看到裡面”。最終，他弄清楚瞭如何利用高能射線來展示肉眼看不見的東西：他發明了一種可以看到硬腦殼內部的方法，並獲得了軟腦內部的影象。
人類大腦的第一張計算機斷層掃描影象（CT掃描）是在距今50年前的1971年10月1日拍攝的。亨斯菲爾德從未到過埃及，但他的發明卻把他帶到了斯德哥爾摩和白金漢宮。
一個工程師的創新
戈弗雷·亨斯菲爾德的早年生活表現不出他能夠取得多大成就。他不是一個特別優秀的學生。當他還是個小男孩的時候，他的老師稱他“忠厚老實”。
第二次世界大戰開始時，他加入了英國皇家空軍，但他並不算一名出色計程車兵，但卻是電氣機械方面的奇才——尤其是能夠應急裝配雷達來幫助飛行員在黑暗多雲的夜晚更好地找到回家的路。
戰爭結束後，亨斯菲爾德聽從了指揮官的建議，並在之後獲得了工程學學位。他在百代唱片公司（EMI）實習，這家公司後來因銷售甲殼蟲樂隊（Beatles）的專輯而出名，但其實它最初是以電子與音樂工業（Electric and Music Industries）起家的，專注於電子和電氣工程。
亨斯菲爾德利用自己的天賦帶領團隊研發英國最先進的主機電腦。但到了60年代，百代公司想要退出競爭激烈的電腦市場，不知道該如何安置這位才華橫溢、性情古怪的工程師。
在一次被迫休假中，亨斯菲爾德思考著自己的未來，以及他可能為公司做些什麼。在此期間，他遇到了一位醫生，這位醫生抱怨X射線拍攝出來的大腦圖片質量很差。普通的x射線可以非常好地展現骨骼的細節，但大腦這個無定形的組織塊在x射線下，看起來就像霧一樣。
這讓亨斯菲爾德想起了以前的想法：不用開啟盒子就能找到隱藏的結構。
一種新方法揭示了從未看到的東西
亨斯菲爾德提出了一種新的方法來解決頭骨內部的成像問題。
x射線以半圓形從1到180度的角度照射到大腦的各個“切片”。Edmund S. Higgins, CC BY-ND
首先，他在概念上像切片面包一樣將大腦分成連續的切片。然後，他計劃用一系列的x射線穿過每一層，對半圓中的每一度重複這一步驟，在大腦的另一側捕捉每束光線的強度——穿過密度較低材料的光線較強。
計算每一束穿過物體的x射線強度，然後用一種不可思議的演算法進行逆向運算，這樣就有可能構造出一幅影象。Edmund S. Higgins, CC BY-ND
最後，在亨斯菲爾德最具獨創性的發明中，有一種可以基於所有切片重建大腦影象的演算法。利用當時最快的新計算機之一進行逆向計算，他可以分析出每層大腦切片的每個小方塊的值。成了！
但有一個問題：百代公司並未涉足過醫療市場，也無意涉足。公司允許亨斯菲爾德繼續研發他的產品，但沒有提供充足的資金。他被迫在研究裝置的廢棄堆裡翻來翻去，拼湊出了一臺原始的掃描機——小到可以放在餐桌上。
儘管成功地掃描了無生命物體，後來又成功掃描了潔食牛的大腦，百代的管理層還是不為所動。如果亨斯菲爾德想繼續研究人體掃描器，他需要找到外部資金。
亨斯菲爾德的美國專利中包含的CT掃描器示意圖。Godfrey Newbold Hounsfield
亨斯菲爾德是一位才華橫溢、直覺敏銳的發明家，但不是一位有效的溝通者。幸運的是，他有一位富有同情心的老闆——比爾•英厄姆（Bill Ingham），他看到了亨斯菲爾德提案的價值，並與百代公司（EMI）進行了鬥爭，以維持該專案的順利進行。
他知道他們無法立刻獲得撥款，但他說服了英國衛生和社會保障部（U.K. Department of Health and Social Security）為醫院購買裝置。英厄姆在掃描器還沒造出來之前就奇蹟般地賣出去了4臺。因此，亨斯菲爾德組織了一個團隊，來爭分奪秒地建造一種安全有效的人體掃描器。
與此同時，亨斯菲爾德需要病人來試驗他的機器。他找到了一位神經科醫生勉強同意提供幫助，讓團隊在倫敦的阿特金森莫利醫院（Atkinson Morley Hospital）安裝了一臺全尺寸掃描器。1971年10月1日，他們掃描了第一個病人：一名顯示出腦瘤跡象的中年婦女。
這不是一個快速的過程——掃描需要30分鐘，帶著磁帶開車穿過城鎮，在EMI主機計算機上花費兩個半小時處理資料，然後用寶麗來相機拍下影象，最後跑回醫院。
第一次臨床CT掃描，可見腦瘤呈較深的斑點狀。'Medical Imaging Systems: An Introductory Guide,' Maier A, Steidl S, Christlein V, et al., editors., CC BY
就在那裡——在她的左額葉——一個李子大小的囊狀腫塊。於是，其他所有的大腦成像方法在此刻都過時了。
每年有數以百萬計的CT掃描
在醫療市場毫無經驗的EMI，突然壟斷了一種需求量很大的機器。它將掃描器投入生產後，在銷售方面起初非常成功。但在五年內，通用電氣和西門子等規模更大、經驗更豐富、研發能力更強的公司陸續研發出了更好的掃描器，快速侵佔了銷量。百代最終退出了醫療市場，而這也成為一個印證“與一家大公司合作比單打獨鬥更好”的案例。
1979年12月11日，瑞典國王卡爾·古斯塔夫在斯德哥爾摩將諾貝爾獎授予亨斯菲爾德。Keystone/Hulton Archive via Getty Images
亨斯菲爾德的創新改變了醫學。1979年，他與人分享了諾貝爾生理學或醫學獎，1981年被女王封為爵士。他繼續進行著發明，直到2004年去世，享年84歲。
1973年，美國人羅伯特·萊德利(Robert Ledley)發明了一種全身掃描器，可以對其他器官、血管，當然還有骨骼進行成像。現代掃描器速度更快、解析度更高，最重要的是，它的輻射暴露更少。此外，甚至還有移動掃描器。
現代CT掃描提供了比亨斯菲爾德1971年的原始掃描更高解析度的大腦“切片”影象。
截止2020年，美國的技術人員每年進行的掃描超過8000萬次。一些醫生認為這個數字過高，也許其中三分之一是不必要的。雖然這可能是真的，但CT掃描有助於識別腫瘤，並確定是否需要手術，已經使世界各地許多患者的健康受益。在急診事故後，它們對於快速搜尋內傷特別有用。
還記得亨斯菲爾德關於金字塔的想法嗎？1970年，科學家們把宇宙射線探測器放在哈夫拉金字塔最低的房間裡。他們的結論是，在金字塔中沒有隱藏的密室。2017年，另一個團隊在吉薩大金字塔放置了宇宙射線探測器，發現了一個隱藏但無法到達的房間，但在短期內它不太可能被探索。
作者：
Edmund S. Higgins
Affiliate Associate Professor of Psychiatry & Family Medicine, Medical University of South Carolin
翻譯：C&C
審校：zhenni
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不代表中科院物理所立場
編輯：zhenni
