不变与变:CT扫描的五十年

2021
07/20

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CT扫描无疑能增强诊断和更精确的治疗,但他们也发现在大多数过度使用的测试清单。




1971年10月,人类历史上的第一次计算机断层扫描(CT),发现了一名41岁女性的额叶肿瘤。这次CT扫描是在一个以网球锦标赛(温布尔登,英格兰)闻名的小镇上进行,而这台机器是由一家以音乐唱片而闻名的公司 (EMI) 制造。 百代唱片通过出售一个被称为 披头士(The Beatles)的流 行英国乐队的音乐而获得了非凡的成功。 就像披头士乐队的许多歌曲一样,CT扫描仪也一炮走红.

The Beatles(甲壳虫乐队)1960-1970(图片源自网络)

8年后,诺贝尔生理学或医学奖颁给了两位开发这台机器的先驱,戈弗雷·豪斯菲尔德(Godfrey Hounsfield)和艾伦·科马克(Allan Cormack)。尽管最初的CT扫描速度很慢,且仅限于头部扫描,但在随后的几十年里,CT变得越来越快,功能也越来越强大。
如今,在CT发明了半个世纪之后,它已经成为常规医疗保健的基础结构的一部分,产生了惊人的图像,每年为数百万患者提供准确的诊断和有效的治疗评估。

EMI第一台头颅CT扫描仪以及第一幅人类大脑的CT图像。(图片源自网络)


我们应该如何看待这个周年纪念日?
一方面,CT扫描仪的发明是医学思想中一场持久的概念革命的一步,因为医生们开始相信疾病是由物理损伤引起。这一概念的激进本质往往不被人欣赏,因为它似乎是那么,那么,显而易见。但每一个想法都必须从某个地方开始。
几个世纪以来,最优秀、最聪明的人类大脑一直认为,大多数疾病都与 一系列无法形容的体液失衡有关,这些体液失衡表现为患者向护理者转达的症状 。但是,从法国革命后的混乱中产生了这样一种观念,即疾病不是体液失衡,而是导致实际的身体损伤,这些损伤可以在活体中识别出来。
1816年,何内·雷奈克(René Laennec,1781-1826)在巴黎医院发明了听诊器,他所做的不仅仅是创造了 一个有用的工具,可以被认为是医生在体内定位病变的方式范例——他描述了一种新的疾病概念化方法。

何内·雷奈克(René Laennec,1781-1826)

这一变化产生了巨大的影响。因为 如果疾病不仅表现为病人描述的症状,而且表现为医生确定的结构变化,那么仅仅是病变的存在就可以证明一个感觉良好的人实际上是生病了。当临床的目光开始聚焦于关于病变部位和特征问题时,医生们冒着无法将患者视为病人而将其视为潜在病变器官库的风险。

1895年11月8日,伦琴在这里发现了X射线。


1895年11月,德国物理学家伦琴意识到阴极管产生的射线可以穿过人体,在照相底片上留下阴影,这是定位病变的另一个戏剧性步骤。
X光机的发明使世界惊叹。但X射线的局限性很快变得显而易见。
首先,辐射可能是危险的。此外,X射线产生的是二维图像,身体的一个部位可以阻挡射线到达另一个部位。头部的骨头使得用X光拍摄大脑图像基本上是不可能的。
CT机器通过创建没有结构重叠的三维图像来解决第二个问题。它还通过测量组织密度的变化得到有用的信息。从某种意义上说,CT扫描只是一个世纪以来寻求更精确地显示人体病变的又一个发展。


另一方面,CT扫描仪的发明标志着一个根本性的变化
数字计算机第一次成为获取和分析医学信息不可或缺的一部分。CT扫描仪使用二维投影来创建三维物体的图像。这个过程建立在一个数学模型的基础上,这个数学模型最早是在1917年的一篇与医学无关的论文中提出(波西米亚数学家J.H. Radon;如果任何数量的射线穿过同一层的积分值是已知的,那就可以计算出这种材料或者材料属性在对应层的分布。1956年Bracewellsh首次将这一理论用于射电天文学,但这一应用几乎没有引起任何反响,在医学领域也没有得到利用。Radon并不知道,1905年荷兰物理学家H.A. Lorentz就已经提出了一种解决3D数学问题的方法。 ,它是在一个充斥着幻灯片和纸笔计算的世界里产生的。 但是创建CT扫描需要密集的数学计算。
这项发明正好出现在计算机革命的风口浪尖上。第一个通用微处理器芯片英特尔4004处理器发明于1971年。随后的几年里,临床病理实验室出现了由计算机控制的高速多测试分析仪,以及第一台重量近2磅、只能进行基本算术计算的便携式计算器。
这种不断增长的原始计算机能力使三维图像成为现实,而三维图像正是CT扫描仪存在的理由。制作第一张CT图像,采集数据需要9天,重建图像需要2.5小时。第一台临床CT机采集数据耗时4.5分钟,重建图像耗时20分钟。

纪录片《手术两百年

今天,典型的CT扫描只需要几秒钟。CT扫描已经从几十张图像发展到几千张图像,这一进步伴随着扫描中嵌入的信息量的大量增加。但伴随着这种力量,问题也随之而来。这些附加信息有用吗?如果是这样,如何从数字数据集中最好地提取它?这些问题也适用于从化学自动分析仪获得的大量信息。
自从X光机发明以来,临床医生直接检查医学图像来做出诊断和治疗决策——但CT图像的大幅增加是否意味着我们现在需要人工智能来提取相关的临床信息?此外,创造这些额外的图像需要额外的辐射,而CT扫描现在占人类接受辐射的大部分。额外的图像值得冒险吗?我们怎样才能减少与CT扫描相关的辐射?
EMI最初估计,全球CT扫描仪市场约为25台。这个结果被严重低估,部分原因是CT扫描仪很快变得更快、更通用。虽然最初的扫描仪仅限于头颅扫描,但到1975年,扫描仪可以进行全身扫描。

西门子第一台全身CT扫描仪,SOMATOM,1977

但是CT扫描仪的发明与医疗费用的快速增长同时发生
1971年发明CT机时,医疗保健占美国国内生产总值(GDP)的7.7%,这在当时似乎是一个巨大的数字。1983年,美国每年进行的CT扫描已经达到数百万次,医疗保健在GDP中所占的比重已经上升到10%。医疗保健现在占国内生产总值的近18%。尽管医疗保健费用的上升显然是多因素的,但医疗技术的使用在这些费用中占很大比例,而成像技术是一个主要因素。CT扫描仪不是便宜的机器。目前美国有近15000台CT扫描仪。而中国估计2020年共有超过28000台CT扫描仪。
CT扫描无疑能增强诊断和更精确的治疗,但他们也发现在大多数过度使用的测试清单。或许原因让我们回到200多年前开始的概念革命。医生倾向于做听诊器所做的事——找到病变。这种驱动力使我们开发了更多的工具:磁共振扫描、PET扫描等等。我们今后的任务将是确定何时发现病变有助于缓解症状和挽救生命,何时发现病变对改善患者健康几乎没有作用

编译整理自:J.D. Howell. The CT Scan after 50 years — Continuity and Change. N Engl J Med. July 8, 2021. 内容有删改。仅供专业人士交流目的,不用于商业用途。

2021年7月16日


本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
CT扫描,X射线,扫描仪,图像

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