【影響世界的專利】計算機X射線斷層掃描技術

計算機X射線斷層掃描技術

計算機X射線斷層掃描技術專利圖 

1895年，德國物理學家W.K.倫琴在進行克魯克斯管試驗時發現了X射線（X-ray）。1913年，W.D.庫利吉發明了真空X射線管，陰極發出的電子經高壓加速后撞擊靶面產生X射線。X射線具有很強的穿透力，使現代醫學對健康和疾病診斷邁向無創傷、無侵犯的新時代。但是，人體內有些器官對X射線的吸收差別很小，X射線對那些前后重疊組織的病變就難以發現，即使發現也難以確定病變發生在什麼深度。於是，人們力圖尋找一種新技術來彌補X射線檢查人體病變的不足。英國人杰弗瑞.紐波達.亨斯費爾德（Godfrey Newbold Hounsfield）於1968年8月23日在英國申請了名稱為“多角度測量X射線或γ射線吸收，透過情況和數據分析的方法和儀器”，即首次在專利申請中揭示了CT技術，專利號為GB1283915﹔並以此申請為優先權基礎在美國申請了專利，於1973年12月11日授予美國專利權US3778614。這引起了科技界極大震動，被譽為自倫琴發現X射線后，放射診斷上最重大的成就。為此，G.N.亨斯費爾德與美國物理學家阿倫.考馬克（Allan Cormack）共同獲得1979年諾貝爾醫學獎。后者從1957年開始從事這方面的研究，並於1963年發現人體不同組織對X射線的透過率有所不同，還提出了一些有關的計算公式，也為后來CT的應用提供了理論依據。

G.N.亨斯費爾德於1919年出生在英國Nottinghamshire，在農場長大，喜歡做科學實驗。第二次世界大戰期間，他從事雷達工作，隨后上大學。1951年進入EMI電子公司工作，從事計算機領域研究。有一次在一個項目被証明是不可行的，使他有機會認真思考下一步應該研究什麼，甚至在鄉間散步時也在想這個問題，思路慢慢地清晰起來，要使計算機能識別模式，再通過這些模式能“讀”數據和數字﹔要把這些模式識別和雷達原理結合起來，並建立有關計算方法。經過一段時間努力，他終於完成了一個發明構思，用X射線來多角度產生人體薄片層面透過數據，並用計算機對這些數據進行加工處理，以便最終重建立體圖像，他及時將這一發明構思提出了上述的專利申請。

該申請的摘要是“在X或γ射線照射檢查人體的儀器中，從若干方向對人體的兩維矩陣單元進行照射，並且用多路徑測量穿越人體小層面照射的透過情況，路徑的方向和數量使得通過層面不同組群單元的一組路經要橫斷每個矩陣單元。從這些測量，計算各個矩陣單元的吸收或透過率，並用陰極射線管顯示和/或制作照片。”下面結合附圖簡要說明該專利揭示的CT成像的基本原理：在圖2（見附圖）中，包含有骨2和腫塊3的人體1﹔X射線源6，該射線也可以是γ射線，推薦用X射線，該射線源6不同於傳統的X射線源（圖1中4），而是能產生諸如3毫米見方或直徑小截面的射線束，最好包括准直器，防止射線散射，用操測器7代替傳統的X光膠片（圖1中5），該探測量器可以是閃爍器或是閃爍計數器，以便產生電信號，並最好帶有准直器。X光來僅在一個薄片層面上對人體進行掃描，在圖示例子中為3㎜厚，這光束不僅僅線性地穿越這個層面，而且多角度繞著層面穿越。探測器7安裝成總是針對著X射線源6，如果僅僅是單一掃描貫穿層面的活，那麼結果與傳統的X光照射效果區別不大，X光源6和探測器7之間一線上所有目標也會出現重疊。但是，本發明技術是進行大量的掃描，能得到該層面每3毫米立方體材料對X光線的吸收率的足夠信息，並按層面的位置坐標進行相應計算。這樣的掃描，計算可根據實際需要多角度地進行，在射線束的每個位置，探測器7確定穿過人體相當小層面的路徑上X照射的射過情況。被檢查的層面作為兩維矩陣單元，並且照射路徑的方向和數量保証不同組路徑橫穿每個矩陣單元。照射角位置越多，平行路徑越多，分隔矩陣單越多，產生圖像越清晰，分辨力越高。所有路徑的射過情況，以來自經過相應路徑照射的離散輸出信號為代表建立一組聯列方程式，並借助於數字計算機解析這些方程得出每個矩陣單元的X射線吸收率。用這樣的方法檢查連續的平行薄片層面，所產生薄片層面照片能組合成較大部門或整個的人體照片。這樣的檢查可通過使用大量平行設置的X射線源和探測器連續或同時進行。具體地說，探測器7每次探測的輸出通過放大器和計算器形成代表計數數量的數字輸出，再由對數轉換器將其轉換成對數形式，以便形成線性輸出，使得沿著路徑總吸收量等於沿著路徑每小單元吸收總積，並將其存儲在諸如磁帶等記錄器中，計算機運算處理將人體每3毫米層體立方體的數字量表示其材料的X射線吸收率，再將其通過數模轉換器變成模擬型式，把數字矩陣中的每個數字轉換成由黑到白不等灰度的小方塊，再通過色調打印機產生照片，或在顯示器上顯示。或者也可以將計算機處理后的輸出保留在數字方式與模式識別技術相比較產生其他數字化圖像。這樣就能發現人體內有關部位的細小病變。

在申請專利的同時，G.N.亨斯費爾德努力制作這樣的儀器。1971年，他制作成了可用於人腦進行CT掃描的儀器，第二年就將其出售了，該CT掃描儀通過X射線束繞頭部可轉180度，在每個視角都可照射，然后合成圖片，效果很好。1975年，又制成了改進型的CT掃描儀，該儀器帶有可將人體送入圓型孔檢查的可移動床，可進行全身掃描，為現代化的CT掃描儀奠定了基礎。EMI公司有了其從樂器轉向掃描儀發展的財力支持，但由於銷售不好，在1980年將權利轉讓給通用電氣公司。

CT掃描儀發展很快，探測器能多達幾千個，掃描方式也從平移、旋轉改進成可螺旋掃描，計算機容量大，運算快，可達到立即重建圖像，可進行三維重建圖像。抗干擾強，層面連續，圖像質量高。CT掃描儀被廣泛用於檢查和診斷，也用於精確經腫瘤和放射治療等方面。

發明人： 杰弗瑞.紐波達.亨斯費爾德

Godfrey Newbold Hounsfield（1919-2004），出生於英國諾丁漢郡的一個農場，1938年在紐瓦克上學。1939∼1946年在皇家空軍的無線電雷達學校服役，1951年進EMI公司。亨斯菲爾德設計了英國第一台全晶體管計算機和薄膜存儲器，以后又從事模式識別研究。1961年開始研究計算機處理斷層圖像的技術，1968年申請專利，1971年制成CT掃描儀。CT對人體內病灶的顯示比X光照片清楚得多，因而能看出X光檢查不到的病灶。他因此獲得1979年度諾貝爾醫學獎。