断层成像一百年

我 们生活在一个医学影像非常成熟的时代，它包含许多不同的成像模式，每种模式都能够提供独特的解剖甚至功能信息。MRI、核医学、超声、乳腺钼靶甚至DSA和普通放射线成像都可以生成三维断层数据。医学影像在诊断医学中发挥着重要作用，也提供了三维放射治疗需要的影像。很难相信，五十年前，X线平片几乎是放射科医生所依赖的全部工具。

几乎在X射线被发现的同时，人们就意识到平片是三维结构的二维投影，显示出被上方和下方结构遮挡的感兴趣的器官和结构，从而导致诊断效率降低。经典断层扫描是克服这一困难的一种尝试，早在1914年就被首次提出。第一台实用的临床常规计算机断层扫描（CT）设备于1971年问世。CT被描述为自1895年X射线诞生以来最伟大的诊断发明。回望过去的一百年，断层成像经历了艰辛的探索过程，无数的放射科医生参与了这一进程。

发现X射线的先驱们  

三维视觉 20 世纪初，研究人员的共同目标是找到某种方法来分离在常规放射线照相中重叠的阴影，这些阴影的存在影响了对人体内部复杂结构的观察。当时已经推荐了各种技术来解决这个问题：多重投影、荧光透视、通过引入不透明对比材料产生的密度变化以及通过立体视觉对叠加图像进行光学分离。 三维视觉之所以成为可能，是因为每只眼睛看到的图像都略有不同，当组合起来时，就会生成 3D 图像。纵观历史，放射学中使用了各种立体仪器，但大多数都是基于获取两个图像，沿某个方向移动X射线管，而不需要移动患者。其他人则提倡使用具有两个阳极和两个阴极的X射线管，以防止X射线管发生任何移动。

Walter博士介绍的棱镜立体镜 1905年

根据Reiniger, Gebbert & Schall 1905年产品目录后来移居美国的英国工程师 Elihu Thomson（1853-1937）早在 1896 年就写道，正常的射线照片在单个平面上显示单个阴影，很难确定一个物体或其一部分是否在平面上方或下方。同年，他设计了第一个立体方法，并于3月11日在《电气工程师》上发表了题为“立体伦琴图片”的文章。七年后，德国妇科和放射科医生

Heinrich Albers-Schönberg（1865-1921）在他的著作《Röntgentechnik》中提到了立体研究，并将其描述为“X 线摄影术最现代的成就之一”。

Heinrich Albers-Schönberg（1865-1921）

Siemens-Reiniger-Veifa的立体X射线装置，1927年

断层成像 早期断层扫描的特点是在当今这个信息化时代几乎不可能发生的现象 。在1921年至1934年间，至少有10个人独立发明了断层扫描技术，而他们完全不知道其他人也在朝着同样的目标努力。 为了在机械系统上实现断层扫描，三个元件中的两个（管、患者和胶片）必须在X射线曝光期间同步移动。研究者们探索了许多技术来移动这些元件，但最流行和持久的方法取决于同步运动当患者在X射线照射期间保持不动时，X射线管和胶片沿相反方向移动。 波兰人 Karol Mayers(1882-1946) 的工作被视为经典断层摄影术的先驱。他描述了一种保持心脏图像结构不重叠的方法。在这种方法中，X线管移动，待记录的物体和 X 射线胶片或屏幕保持不动。 几乎同时，意大利人 Carlo Baese 在 1915 年授予的专利中描述了一种具有类似目的的装置。他的论文题为“通过X射线定位人体异物和进行放射治疗的方法和装置”。“第一次世界大战期间，他的技术在军事医疗设施中用于定位士兵体内的弹丸，但仅用于荧光检查，因为意大利工程师没有意识到该技术有能力“擦除”投射在射线照片上不需要的阴影。

Carlo Baese 1915年的发明专利

从这个角度来看，发明断层扫描技术的是法国医生André Bocage(1892-1953)。1921年，他是第一个阐述基本原理并描述按比例相互移动 X 射线管和射线照相板的设备的专利的人。1917年，他在第一次世界大战期间在放射科服役时萌生了这个想法。Bocage详细介绍了改变截面层次的设计基本原理，提出了管膜组件的多方向运动，指出在运动过程中需要保持球管和膜之间恒定关系，指出物体的平面应始终与胶片保持平行，描述了通过光栅机制消除二次射线（散射）的必要性，提到了横向轴向断层扫描和平断层扫描的可能性，并指出了提供点的重要性X射线束的焦距较小。他的发明几乎包含了现代断层扫描设备的所有基本特征，但十七年来他未能建造出可行的设备。直到 1937年，Georges Massiot 的公司才制造出了该设备（称为“Biotome”）。

André Bocage (1892-1953)

Bocage的发明专利 (1921)

Bocage 获得专利四个月后， Portes 和 Chaussé 也提交了类似专利的申请，1927年，德国人 Ernst Pohl（1878-1962）也获得了类似功能的专利。但是，这些最初的想法都没有最终制造出真正的断层扫描仪。 一个想法和它的实现之间肯定存在很大的差异。所以我们要提到热那 亚（意大利语：Genova，英语：Genoa） 人 Allesandro Vallebona （1899-1987）。他是第一个将该理论付诸实践的人，于 1930年获得了第一张放射断层图像。他的方法被称为“stratigraphy”，此外，他还描述了两种技术：第一种技术是管膜系统保持不动，患者绕位于左侧：所需图像的水平（这是“自体断层扫描”的基本原理，这是一种用于肺脑造影的程序，用于观察充满空气的第三和第四脑室，而没有头骨的叠加阴影）；而在第二种技术中，受试者保持不动，管膜系统绕着切口水平的轴旋转。

Alessandro Vallebona (1899-1987)

Vallebona的stratigraphy原型机(1930)

因此，Vallebona成为两位先驱之一，他们的创新、临床研究和教学跨越了传统断层扫描的历史。 另一方面，在阿姆斯特丹，Bernard Ziedses des Plantes (1902-1993) 是第二位提出可行的断层扫描模型的伟大先驱。他的断层扫描原理的想法是在他作为学生的第一年出现（类似于显微镜下的组织学切片），然而 Ziedses des Plantes 与他的放射学教授讨论了他的项目，后者告诉他该方法没有实际应用，他放弃了开发它的计划。直到 1928年，当他担任神经精神病学住院医师时，他在X光检查中忽略了颅底的病理图像（最终发现是肿瘤），这次经历再次让他相信有必要获得断层图像。他将其称为“planography”（来自“planus”：平面）的断层摄影原理最终在 1931年的荷兰博士论文中提出。

Bernard Ziedses des Plantes (1902-1993)

planography 原理(Ziedses des Plantes, 1931) 

在 Ziedses des Plantes的所有放射学贡献中，还有同步断层扫描（多胶片暗盒或多屏幕暗盒）、脑自体断层摄影、空气脊髓造影与断层摄影、正射断层摄影、立体检查、血清检查（断层合成）和减影等。 1930年，另一位来自奈梅亨的荷兰人 Dirk Leonard Bartelink 建造了一种放射断层摄影设备，并用它拍摄了第一张图像。1931年11月，在阿姆斯特丹举行的放射学会议上，Ziedses des Plantes介绍了他的团队，而 Bartelink则展示了该技术的成就。 大约在同一时间，在柏林，德国人Gustav Grossmann（1878-1957）对断层扫描的数学和几何原理进行了详尽的研究，并得出结论：现有设备过于复杂：需要圆周螺旋运动的情况下，所需的辐射量比平片所需的曝光量大3至5倍，而辐射量则需要大10至15倍。因此，在他的设备中，胶片水平移动，而球管在垂直平面上画出弧线。因此，它避免了螺旋和圆形路径中出现的网格元素对胶片造成的部分阴影。尽管模糊是单向的，但他的刚性装置及其摆式直线运动获得了球管和胶片运动的精确对应，从而保留了整个所需平面的细节。

Gustav Grossmann (1878-1957)          

断层扫描的几何结构（Grossman，1935）   

Grossmann的工作促成了断层扫描机器的首次商业化生产 。他创造了“断层扫描（tomography）”一词，由希腊词“tomos”（切割）和“graphein”（图形）组成，并于 1934 年为一种名为“Tomograph”的设备申请了专利。Grossmann通过他的公司Siemens-Reiniger-Veifa GmbH制造了第一台商用设备，被称为“Grossmann Tomograph”，成为使用最广泛的设备。

断层扫描仪Tomograph (Grossmann, 1935)  

这种球管和胶片的弧形运动作为“Grossmann原理”载入史册 ，成为后来几台设备的设计特征，包括“Polytome”，因为它被视为最简单和最便宜的断层扫描方法，并引发了仅使用线性运动的趋势。 法国裔美籍技术人员Jean Kieffer（1897-1972）1928年在康涅狄格州一家疗养院作为患者进行研究了断层摄影的原理。他的目标是为了观察自己胸腔和肺部的损伤（患有肺结核）而产生X射线图像。当他开始研究时，该原理已经被至少八位来自四个国家的独立研究人员“发现”，并被五次专利化。

Jean Kieffer（1897-1972） 

Kieffer的设备被称为“X射线聚焦机”，X射线管和胶片通过一根杆相连接，绕着一个支点旋转。通过在一侧或另一侧移动这个支点，可以“聚焦”在所需的任何截面上。同时，联合移动的X射线管和胶片可以向前和向后移动，以圆圈、正弦曲线、螺旋或这些轨迹的任意组合进行移动，始终保持相互成比例。这种广泛的运动范围使得在不同情况下更完整地消除不需要的阴影成为可能。非模糊截面的厚度可以通过改变运动的幅度来调整：X射线管和胶片的运动越广泛，记录在胶片上的截面越薄，消除在该平面上方和下方的物体投射的阴影也越完整。他对断层摄影设备的理论设计一直到1934年，才被专利 化。 两年后，Kieffer遇到了克利夫兰大学的放射科医生J. Robert Andrews。根据Grossmann原理，Andrews和工程师Robert J. Stava构建了一个套件，但这个原型从未商业化。一段时间后，Andrews召集了Kieffer和Sherwood Moore（1880-1963），后者是华盛顿大学的放射科医生，Mallinckrodt放射研究所所长，这次会议的结果是北美第一个也是唯一一个能够多方向（螺旋和圆周）断层图像的断层扫描设备被开发出来。1938年，美国Keleket X射线公司将“Laminograph”（来自“lamina”：薄片）商业化。这个名字由Moore创造，但正是由于Kieffer，断层扫描的使用才在美国得到广泛应用。

Laminagraph (Kieffer)  

多方向断层图 像的卓越质量在20年内并未被注意到，而线性技术成为首选方法，尤其是用于胸部检查。当时最常被提到的使用线性技术的原因是较低的暴露剂量和设备较低的成造复杂度，而且其制造更为简单。如果当时的放射科医生和行业对Ziedses des Plantes和Moore的原则更加重视，放射学界就会更早地享受到多方向断层摄影的优势。

Heinz Vieten（1915-1985）

虽然Kieffer描述了一种实现横向断层摄影的设备，但他从未实际制造过。与此同时，德国放射科医生Heinz Vieten（1915-1985）在1936年也设计了一种用于获取横向断层图像的设备，但尽管该原型机进行了更深入的开发，却未完全发挥其潜力。

William Watson（1895-1966）

英国放射科医生William Watson（1895-1966）首次设计了非计算横向断层摄影技术，该技术可在与当前计算断层摄影相同的方向上垂直于身体纵轴的平面上获取横向截面。在1938年，他在皇家卫生学会的一次演讲中描述了这种方法的原理，1943年公布了第一批横向断层摄影图像。他将其设备称为“扇形记录仪”。在Vallebona于1950年首次应用这种技术后，患者直立站立，胶片水平放置，同步地沿相同方向旋转。X射线的角度相对于胶片非常倾斜，需要较高的暴露量。

Yrjö Paatero（1901-1963）和他早期的实验装置

另一种是“受电断层扫描仪”，由芬兰研究者Yrjö Paatero（1901-1963）于1949年创造，当时他在华盛顿大学工作。虽然Bocage在他的专利中提到过曲面断层摄影，但“受电断层扫描仪”可以在曲面胶片上产生了物体曲面层的清晰图像，将两者都垂直放置并以相反的方向旋转。这个设备以Panorex的名字商业化，主要用于牙齿和颞下颌关节的检查。

Edward W. Twinning（1887-1939）

英国放射科医生Edward W. Twinning（1887-1939）在1930年代末开始对断层摄影产生兴趣（当时Grossmann的线性系统在欧洲非常受欢迎）。他认为Tomograph过于复杂和昂贵，于是在1936年他自制了一种可以附加在标准X射线台上的装置。在对活体患者进行测试、人体仿生模型和常规X射线和断层摄影对比研究后，他发表了对他的附件式断层摄影设备的描述，这些结果对于推广在英国和北美使用线性断层摄影有着重要影响。最终，他的发明得到了商业化。

Edward W. Twinning的讣告

在第二次世界大战期间，断层摄影在医疗护理中的作用有限。然而，在民用领域，人们继续制造新的专业线性设备。Twinning和其他科学家的经验引发了一种趋势，即将线性装置附加在标准X射线台上，从而消除了购买特殊的层析机器的必要性。 1950-1960年代是一个过渡时期。在这些年里，从最初的发明者相对粗糙的设备过渡到了标志性的新一代多方向断层摄影设备。首台现代多方向模糊设备Polytome的推出标志着断层摄影历史上的一个里程碑，放射科医生开始看到无比精确的图像，使用环状散射图案获得薄截面（1毫米），相对高的对比度和优秀的空间分辨率（每毫米5个对线）。所有这些变化为放射学诊断开启了新的时代。

Polytome (Massiot-Philips, 1952)  

在1949年，Raymond Sans和Jean Porcher两位工程师在巴黎Salpêtrière医院的工作室开发了第一台实验性的Polytome设备，并于1951年由Massiot et Cie公司建造了第一台生产型号。Thoyer-Rozat和J. Moussard在1953年首次在临床上发布了Polytome的结果。 Polytome的开发标志着传统断层摄影的最为繁荣的时期 。最常见的应用是在能够进行高对比度成像的身体部位，如头颅。这些断层图像允许观察以前被放射学研究隐藏的中耳复杂细节、鼻窦、蝶鞍、腔迷路和其他区域。

使用Polytome采集的正常颞骨断层图像，1953年

非计算的横断面断层摄影技术继续发展。Alessandro Vallebona继续积极改进他在上世纪30年代末开发的方法，现在他更倾向于称之为“横断面分层策略”（他的设备被称为“通用分层仪”）。 此外，日本放射科医生高桥信次Shinji Takahashi（1912-1985）为非计算的横断面断层摄影技术做出了大量实验数据和基础知识的贡献（这被视为计算断层摄影技术的前身）。他的工作包括至少五种方法，并于1969年出版了《横断面断层摄影及其临床应用图谱》一书，这无疑是该领域最详尽和图文并茂的出版物，其中的图像与后来的计算断层摄影技术非常接近。

高桥信次（1912-1985）

高桥信次1969年出版的专著    

1968年，比利时工程师André Moenaert和Erik Majeans，来自安特卫普的De Man公司（后来被Compagnie Générale de Radiologie收购），开发了一个Polytome的强有力的竞争对手：Stratomatic。这个多向性的断层摄影仪基于Bocage和Ziedses des Plantes研究的最初的平面摄影原理，并使用螺旋运动，从而避免了任何路径的交叉。

Manoel de Abreu（1894-1962） 巴西放射科医生Manoel de Abreu（1894-1962）于1947年首次在活体患者的肺部进行了多层面摄影技术研究。

这种技术的主要优点是辐射剂量较小，过程较短，可以保证胸部研究的相同呼吸相。小缺点是“单个层面”提供了稍微更高的细节定义，并且往往仍然需要作为辅助视图在感兴趣的深度进行研究。 直到1960年代初，身体切片成像的术语是非常混乱的。为该方法指定的不同术语同时与发明者及其原籍国有关：Vallebona在意大利将其称为“分层策略”；Ziedses des Plantes在荷兰将其命名为“平面摄影”；Grossmann在德国将其称为“断层摄影（Tomography）”；Kieffer在美国称其为“分层摄影”。随着商业上生产的断层摄影设备越来越多，区分发明者和设计方法变得更加不清晰。对于身体切片成像的通用名称的分歧在1962年得到解决，由国际放射单位和测量委员会（ICRU）的五名成员组成的委员会进行决定。他们最终选择了“断层摄影（Tomography）”这个泛称，这个名称很快在全球范围内被接受。 这些努力为诊断放射学开辟了新的维度，并为分层成像技术的发展奠定了基础，即计算断层摄影和核磁共振成像。 

计算机断层摄影 当线性断层摄影器开始出现问题时，在1973年，计算断层摄影技术取得了巨大成功。X射线管、发生器、检查床，以及在某种程度上探测器这些概念都是熟悉的，但新的是计算机和计算程序，它根据成千上万个单独的数值计算出切片的图像，然后在显示器上产生图像。精确的床动和管电压是新要求。在整个检查过程中，电压必须非常稳定，因此最初只能对头部进行检查 。

Godfrey Hounsfield（1919-2004）和他的EMI扫描仪

第一台商用X射线CT扫描仪由EMI公司设计和制造，与英国卫生部和伦敦阿特金森-莫利医院（Atkinson Morley Hospital）合 作开发。Godfrey Hounsfield爵士因为他在CT技术发展中的卓越贡献，在1979年就获得了诺贝尔生理学或医学奖。值得一提的是，早在1956年，Allan Cormack就在长椅上展示了CT扫描的原理。 1989年出现的螺旋CT技术是CT技术的最重要进展 。为此，英国还专门发行了一枚纪念邮票。          

CT纪念邮票

1994年 回顾自1971年以前的历史，我们可以发现许多有助于临床CT技术发展的研究和实验。在1940年，Gabriel Frank为一种创建CT图像的方法申请了专利。此外，William Oldendorf在1960年进行了一些历史性实验，证明了投影数据重建横截面的原理，他在实验中在源和探测器之间转换旋转样本。

William Oldendorf（1925-1992）与他的CT原型机

在美国，David Kuhl和 Roy Edwards于1965年用辐射源替换了Mark-II扫描仪中的一个探测器，成功制作了一张CT图像，但在那时没有进一步进行该工作。          

David Kuhl（1929-2017）与Mark-II扫描仪

Allan Cormack早在1956年就制造了一台实验室CT扫描仪，但他所接触的公司几乎没有兴趣 。同时，许多其他科学家也在从事与投影重建相关的数学研究，而最早的理论可以追溯到191 7年的Radon，尽管这一点也存在争议。

Allan Cormack（1924-1998）和他发明的CT原型机 

科学界的发明和发现很少是“突然”出现的，CT技术也不例外。在医学CT成为现实之前，投影数据重建横截面的概念在许多物理学领域就已经得到了理解。CT技术的发展并非一场竞赛，而是一个渐进的过程。许多“几乎实现CT”的实验安排在事件发生后才与CT技术的历史相关联。 第一台EMI扫 描仪的研制工作是秘密进行的，考虑到成功将带来巨大的回报。该团队当然了解早期尝试的一些历史，但他们独特地解决了将该设备推向商业现实的实际问题，从而实现了这一 重大的成就。这项杰出成就于1972年4月在英国伦敦举行的英国放射学会大会上正式公布。CT技术的发展是医学成像领域的一项重要里程碑，为临床诊断和治疗带来了巨大的进步，对医学和科学领域产生了深远的影响。

磁共振成像在1980年代初出现在 临床实践中，最初也由于长时间的检查时间在应用上有限制。在这些早期阶段，传统断层摄影与计算断层摄影和磁共振成像共存（它们为软组织成像的探索铺平了道路），但传统断层摄影的前景早已命中注定。 如今，传统断层摄影设备只能在博物馆中找到了。 

参考文献：

Buzzi, A. E., and M. V. Suárez. "Tomografía lineal: nacimiento, gloria y ocaso de un método." Revista argentina de radiología 77.3 (2013): 0-0.

From the Watching of Shadows: The Origins of Radiological Tomography" (1990 : Bristol, UK : IOP Publishing ISBN 0-85274-305-X

https://www.isct.org/computed-tomography-blog/2017/2/10/half-a-century-in-ct-how-computed-tomography-has-evolved

http://ctscannerinfo.blogspot.com History of the Computerized TomographyA brief history of CT    

impactscan.org History of the Computerized Tomography

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2023年8月28日