50年前，首次CT扫描让医生看到了活人头骨的内部，而这要归功于披头士唱片公司的一位古怪工程师。
1972年，戈弗雷·亨斯菲尔德站在EMI扫描仪旁。PA Images via Getty Images
可能藏匿在密室里的珍贵物品，真的能激发人们的想象力。在20世纪60年代中期，英国工程师戈弗雷·亨斯菲尔德（Godfrey Hounsfield）思考过，是否可以通过捕捉穿过看不见的空洞的宇宙射线来探测埃及金字塔中的隐藏区域。
多年来他一直坚持的这个想法，也可以理解为“不打开盒子就能看到里面”。最终，他弄清楚了如何利用高能射线来展示肉眼看不见的东西：他发明了一种可以看到硬脑壳内部的方法，并获得了软脑内部的图像。
人类大脑的第一张计算机断层扫描图像（CT扫描）是在距今50年前的1971年10月1日拍摄的。亨斯菲尔德从未到过埃及，但他的发明却把他带到了斯德哥尔摩和白金汉宫。
一个工程师的创新
戈弗雷·亨斯菲尔德的早年生活表现不出他能够取得多大成就。他不是一个特别优秀的学生。当他还是个小男孩的时候，他的老师称他“忠厚老实”。
第二次世界大战开始时，他加入了英国皇家空军，但他并不算一名出色的士兵，但却是电气机械方面的奇才——尤其是能够应急装配雷达来帮助飞行员在黑暗多云的夜晚更好地找到回家的路。
战争结束后，亨斯菲尔德听从了指挥官的建议，并在之后获得了工程学学位。他在百代唱片公司（EMI）实习，这家公司后来因销售甲壳虫乐队（Beatles）的专辑而出名，但其实它最初是以电子与音乐工业（Electric and Music Industries）起家的，专注于电子和电气工程。
亨斯菲尔德利用自己的天赋带领团队研发英国最先进的主机电脑。但到了60年代，百代公司想要退出竞争激烈的电脑市场，不知道该如何安置这位才华横溢、性情古怪的工程师。
在一次被迫休假中，亨斯菲尔德思考着自己的未来，以及他可能为公司做些什么。在此期间，他遇到了一位医生，这位医生抱怨X射线拍摄出来的大脑图片质量很差。普通的x射线可以非常好地展现骨骼的细节，但大脑这个无定形的组织块在x射线下，看起来就像雾一样。
这让亨斯菲尔德想起了以前的想法：不用打开盒子就能找到隐藏的结构。
一种新方法揭示了从未看到的东西
亨斯菲尔德提出了一种新的方法来解决头骨内部的成像问题。
x射线以半圆形从1到180度的角度照射到大脑的各个“切片”。Edmund S. Higgins, CC BY-ND
首先，他在概念上像切片面包一样将大脑分成连续的切片。然后，他计划用一系列的x射线穿过每一层，对半圆中的每一度重复这一步骤，在大脑的另一侧捕捉每束光线的强度——穿过密度较低材料的光线较强。
计算每一束穿过物体的x射线强度，然后用一种不可思议的算法进行逆向运算，这样就有可能构造出一幅图像。Edmund S. Higgins, CC BY-ND
最后，在亨斯菲尔德最具独创性的发明中，有一种可以基于所有切片重建大脑图像的算法。利用当时最快的新计算机之一进行逆向计算，他可以分析出每层大脑切片的每个小方块的值。成了！
但有一个问题：百代公司并未涉足过医疗市场，也无意涉足。公司允许亨斯菲尔德继续研发他的产品，但没有提供充足的资金。他被迫在研究设备的废弃堆里翻来翻去，拼凑出了一台原始的扫描机——小到可以放在餐桌上。
尽管成功地扫描了无生命物体，后来又成功扫描了洁食牛的大脑，百代的管理层还是不为所动。如果亨斯菲尔德想继续研究人体扫描仪，他需要找到外部资金。
亨斯菲尔德的美国专利中包含的CT扫描仪示意图。Godfrey Newbold Hounsfield
亨斯菲尔德是一位才华横溢、直觉敏锐的发明家，但不是一位有效的沟通者。幸运的是，他有一位富有同情心的老板——比尔•英厄姆（Bill Ingham），他看到了亨斯菲尔德提案的价值，并与百代公司（EMI）进行了斗争，以维持该项目的顺利进行。
他知道他们无法立刻获得拨款，但他说服了英国卫生和社会保障部（U.K. Department of Health and Social Security）为医院购买设备。英厄姆在扫描仪还没造出来之前就奇迹般地卖出去了4台。因此，亨斯菲尔德组织了一个团队，来争分夺秒地建造一种安全有效的人体扫描仪。
与此同时，亨斯菲尔德需要病人来试验他的机器。他找到了一位神经科医生勉强同意提供帮助，让团队在伦敦的阿特金森莫利医院（Atkinson Morley Hospital）安装了一台全尺寸扫描仪。1971年10月1日，他们扫描了第一个病人：一名显示出脑瘤迹象的中年妇女。
这不是一个快速的过程——扫描需要30分钟，带着磁带开车穿过城镇，在EMI主机计算机上花费两个半小时处理数据，然后用宝丽来相机拍下图像，最后跑回医院。
第一次临床CT扫描，可见脑瘤呈较深的斑点状。'Medical Imaging Systems: An Introductory Guide,' Maier A, Steidl S, Christlein V, et al., editors., CC BY
就在那里——在她的左额叶——一个李子大小的囊状肿块。于是，其他所有的大脑成像方法在此刻都过时了。
每年有数以百万计的CT扫描
在医疗市场毫无经验的EMI，突然垄断了一种需求量很大的机器。它将扫描仪投入生产后，在销售方面起初非常成功。但在五年内，通用电气和西门子等规模更大、经验更丰富、研发能力更强的公司陆续研发出了更好的扫描仪，快速侵占了销量。百代最终退出了医疗市场，而这也成为一个印证“与一家大公司合作比单打独斗更好”的案例。
1979年12月11日，瑞典国王卡尔·古斯塔夫在斯德哥尔摩将诺贝尔奖授予亨斯菲尔德。Keystone/Hulton Archive via Getty Images
亨斯菲尔德的创新改变了医学。1979年，他与人分享了诺贝尔生理学或医学奖，1981年被女王封为爵士。他继续进行着发明，直到2004年去世，享年84岁。
1973年，美国人罗伯特·莱德利(Robert Ledley)发明了一种全身扫描仪，可以对其他器官、血管，当然还有骨骼进行成像。现代扫描仪速度更快、分辨率更高，最重要的是，它的辐射暴露更少。此外，甚至还有移动扫描仪。
现代CT扫描提供了比亨斯菲尔德1971年的原始扫描更高分辨率的大脑“切片”图像。
截止2020年，美国的技术人员每年进行的扫描超过8000万次。一些医生认为这个数字过高，也许其中三分之一是不必要的。虽然这可能是真的，但CT扫描有助于识别肿瘤，并确定是否需要手术，已经使世界各地许多患者的健康受益。在急诊事故后，它们对于快速搜索内伤特别有用。
还记得亨斯菲尔德关于金字塔的想法吗？1970年，科学家们把宇宙射线探测器放在哈夫拉金字塔最低的房间里。他们的结论是，在金字塔中没有隐藏的密室。2017年，另一个团队在吉萨大金字塔放置了宇宙射线探测器，发现了一个隐藏但无法到达的房间，但在短期内它不太可能被探索。
作者：
Edmund S. Higgins
Affiliate Associate Professor of Psychiatry & Family Medicine, Medical University of South Carolin
翻译：C&C
审校：zhenni
翻译内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
编辑：zhenni
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