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CT扫描仪的发明影响着全世界

CT扫描仪的发明影响着全世界

发布日期:2018-11-06 作者:高速扫描仪 点击:

 CT(Computed Tomography), 即电子计算机断层扫描技术,它利用精确准直的 χ 线束、 γ 射线、超声波等,与灵敏度极高的探测器一起围绕人体的某一部位做一个接一个的断层扫描,根据人体不同组织对χ线束的吸收与透过率的不同,将测量所获取的数据输入电子计算机,电子计算机对数据进行处理后,就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像,从而为医生诊断病情提供影像学参考。那么第一台 CT扫描仪是怎么发明的呢?


  自从χ射线被发现后,医学上就开始用它来探测人体疾病。但是,由于人体内有些器官对χ射线的吸收差别极小,因此χ射线对那些前后重叠的组织的病变就难以发现。于是,美国与英国的科学家开始寻找一种新的东西来弥补用 χ 射线技术检查人体病变的不足。

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  1963 年,美国物理学家阿伦•考马克(Allan Cormack)发现人体不同的组织对χ射线的透过率有所不同,在研究中还得出了一些有关的计算公式,这些公式为后来 CT 的应用奠定了理论基础。


  1967 年,英国电子工程师 G. N. 亨斯费尔德(Godfrey Newbold Hounsfield,1919-2004 年 ) 于1919年出生在英国的诺丁汉(Nottinghamshire),在农场长大,喜欢做科学实验。"二战"期间,他从事雷达工作,"二战"结束后进入大学学习。1951年亨斯费尔德进入EMI有限公司(Electrical and Music Industries)工作,从事计算机领域研究。有一次一个研究项目的夭折使他重新开始思考下一步的研究方向,甚至在工作之余也没有停止思考这个问题,渐渐地他的思路清晰起来,要使计算机能实现模式识别,再通过这些模式能"读"数据和数字,就要把这些模式识别和雷达原理结合起来,并建立有关计算方法。经过一段时间努力,他终于完成了一个发明构思,用 χ 射线来多角度产生人体薄片层面透过数据,并用计算机对这些数据进行加工处理,以便最终重建立体图像。然后他制作了一台能加强 χ 射线放射源的简单的扫描装置,即后来的 CT,用于对人的头部进行实验性扫描测量。后来,他又用这种装置去测量全身,获得了同样的效果。


  1968年8月23日,亨斯费尔德将这一发明在英国申请了专利,并于1972年获得名为"用 χ 射线或 γ 射线吸收检查人体的方法和仪器"的英国 GB1283915 号专利权,如图 18-1、图 18-2 所示。


  从专利文献库中我们发现,亨斯费尔德在完成英国专利申请后能很好地运用英国优先申请及美国专利制度,将此发明在引入美国市场时即利用了英国申请有效期的最后两天,于1969年8月21日先向美国提交了No.861538申请案,后又运用美国"继续申请"制度在对技术方案进行了一定的修改后,于1971年再次提交了No.861538申请案的继续申请,并于1973年获得名为"多角度测量 χ 或 γ 射线吸收,转换情况并数据分析的方法和仪器"的美国US3778614号专利权,如图18-3、图18-4所示,其专利权人为 EMI 有限公司。同时,通过同族专利检索发现,亨斯费尔德除在英国本国申请以外,还在美国、日本、法国、德国、荷兰、加拿大等国家都申请了专利权。另外,我们还发现在此发明基础上有 170 多位后来发明者在其专利申请中都参考了该专利,从这两个角度可以反映此项发明在其领域内的技术价值。

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  从专利文献中我们发现,在亨斯费尔德的这件美国 US3778614 号专利申请提交时已有 6 件美国在先申请,其中一件名为"用于研究物体内部选定区域稠密物质的辐射能设备"的美国 US3106640 号专利,正是亨斯费尔德在英国申请案中作为发明背景技术的在先专利。该技术方案的一个缺陷是,被检查者的身体必须多次通过光束,以在显示大小的一个二维区域内建立起由两个维度指示的吸收(或传输)系数元素组成的数模,才能解读被检查者身体有关部位的情况。


  而亨斯费尔德的发明,则是通过利用 χ 或 γ 射线照射检查人体的仪器,从若干方向对人体的两维矩阵单元进行照射,并且用多路径测量穿越人体小层面照射的透过情况,路径的方向和数量使得通过层面不同组群单元的一组路径要横断每个矩阵单元。用这样的方法检查连续的平行薄片层面,所产生薄片层面照片能组合成较大部分或整个的人体照片,将其存储在诸如磁带等记录器中,计算机运算处理将人体每 3mm 层体立方体的数字量表示其材料的 χ 射线吸收率,再将其通过数模转换器变成模拟型式,把数字矩阵中的每个数字转换成由黑到白不等灰度的小方块,这样就能发现人体内有关部位的细小病变。


  为了使自己的发明能够应用于临床,1971年9月,亨斯费尔德又与一位神经放射学家合作,在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的这种装置,开始了头部检查。1971年10月4日,这家医院用该装置检查了第一个病人。该CT扫描仪通过 χ 射线束绕头部可转180度,每个视角都可照射,然后合成图片。患者在完全清醒的情况下朝天仰卧, χ 射线管装在患者的上方,绕检查部位转动,同时在患者下方装一计数器,使人体各部位对 χ 射线吸收的多少反映在计数器上,再经过电子计算机的处理,使人体各部位的图像从荧屏上显示出来。这次试验非常成功,效果很好。

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  1972年4月,亨斯费尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果,正式宣告了 CT 扫描仪的诞生。这一伟大的发明引起了医学界极大的震动,被誉为自伦琴发现 χ 射线后,放射诊断领域最重大的成就。为此,亨斯费尔德与美国物理学家阿伦•考马克(Allan Cormack)共同获得 1979 年诺贝尔医学奖。


  亨斯费尔德所在的 EMI 有限公司1974年研制出全身 CT 扫描仪,检查范围扩大到胸、腹、脊柱及四肢。1975年,改进型的 CT 扫描仪研制成功,该仪器带有可将人体送入圆形孔检查的可移动床,可进行全身扫描。我们从专利文献库中也能找到其身影。1976年,EMI 有限公司在英国以" χ 射线扫描仪的连接装置"为名提出一件申请,并于1977年获得英国GB1536427号专利权,如图18-5、图18-6 所示。


  这些技术改进为现代化的CT扫描仪奠定了基础。EMI 有限公司有了从乐器唱片转向扫描仪发展的财力支持,但由于销售不好,在1980年将扫描仪的专利权转让给了美国通用电气公司。

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  现今,CT作为一种计算机层析成像技术,在医学、工业、地球物理、农业、工程检测和探测等多方面发挥着越来越重要的作用,随着科学技术的进一步发展,CT技术将向着多源、多排、多层方向发展,以求得扫描速度、覆盖范围、图像质量的同时改善。同时便携化的 CT技术也将成为今后 CT发展的方向。


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