影子的妙處（下））

王震元

機遇“偏愛”倫琴

熒光物質(zhì)雖然不能產(chǎn)生X射線，但是熒光屏上的影子卻給德國科學(xué)家倫琴帶來深刻的啟示，從而拉開了劃時代的發(fā)現(xiàn)——X射線的序幕。

故事還得從陰極射線說起。1879年8月22日，英國皇家學(xué)會舉辦了一場學(xué)術(shù)報告會，主講人是克魯克斯教授。克魯克斯的助手搬上兩個大型的梨形真空放電管，接通高壓電后，在陰極相對的玻璃壁上就發(fā)出了一片綠色熒光。克魯克斯把其中一個管中放置了一片十字形的金屬的放電管豎起又放下，玻璃壁上立即出現(xiàn)了一個十字形的影子。“這表明從陰極發(fā)出了一種人眼看不見的射線，” 克魯克斯解釋道，“顯然，這種陰極射線與太陽光線一樣，是直線傳播的，所以會生成影子。”接著，克魯克斯又把另一個放電管中透明的云母片豎了起來。“但是，”他指著玻璃壁上產(chǎn)生的云母片影子說道，“陰極射線顯然又與能夠透過云母片的普通光線不同。”克魯克斯又分別使用了幾種放電管陸續(xù)進行演示，進一步讓在場的學(xué)者們了解到：陰極射線是一種帶陰電的粒子流，是一種當(dāng)時尚未知的新物質(zhì)。

X射線的初步運用

在這之后掀起的研究陰極射線的熱潮中，發(fā)生了幾件后來載入史冊的重大事件。首先，克魯克斯發(fā)現(xiàn)放在實驗裝置附近尚未曝光的照相底片，突然變得模糊不清了。其次，1890年2月22日，美國科學(xué)家古德斯培德突然意外地在實驗室中發(fā)現(xiàn)一張形狀奇特的照片，卻隨手扔進了廢紙簍中。最后，1893年，德國物理學(xué)家勤納德將陰極射線管管壁的玻璃去掉一小部分，并用極薄的鋁箔封閉。實驗表明，陰極射線可以穿過這種“鋁窗”，并在空氣中傳播幾厘米。當(dāng)他在“鋁窗”和照相底片之間再插入紙片和鋁片后，底片上還是出現(xiàn)了影子。但勤納德卻并未深究這種反常現(xiàn)象的原因。

轉(zhuǎn)眼到了1895年10月，德國波恩的物理學(xué)教授倫琴在實驗室進行研究時發(fā)現(xiàn)，陰極射線管附近發(fā)生了幾次用黑紙包好的照相底片自動感光的事件。于是，11月8日傍晚，倫琴用很厚的黑紙把陰極射線管包了起來，然后接通電源，果然看不到管壁發(fā)出的熒光了，他便關(guān)燈離開實驗室。剛走了幾步，倫琴忽然想起陰極射線管的電源還未關(guān)閉，又急匆匆地趕回去。推開門時發(fā)現(xiàn)，在漆黑的實驗室中竟有一處正閃閃發(fā)著綠光。他開燈后發(fā)現(xiàn)，這處綠光的光源來自一塊涂有鉑氰酸鋇結(jié)晶物質(zhì)的熒光屏。他把電燈和陰極射線管的電源都關(guān)掉后，熒光屏便不發(fā)光了，再次接通陰極射線管的電源，熒光又出現(xiàn)了。

這真是咄咄怪事！鉑氰酸鋇結(jié)晶物質(zhì)只有在陽光照射下才能發(fā)出熒光，而此時熒光屏發(fā)光的現(xiàn)象，顯然與陰極射線管有關(guān)。但陰極射線管發(fā)出的熒光很微弱，而且此時陰極射線管被很厚的黑紙包著，熒光屏距離管子也有2米之遙，遠遠超過了陰極射線在空氣中傳播的最長距離。因此倫琴推斷，這很可能是另一種新射線作用的結(jié)果。

該事件令人深思的是：對比倫琴的實驗與之前幾位科學(xué)家的實驗，雖然并無本質(zhì)上的區(qū)別，但為何只有倫琴能這樣大膽推測？換言之，新射線的發(fā)現(xiàn)機遇為什么只偏愛倫琴呢？

X射線的魔力

倫琴就這一事件繼續(xù)進行探究。他想，這種新射線除了空氣外，還能不能穿透其他物質(zhì)呢？為此，他抽出一張撲克牌擋住射線，熒光屏依舊發(fā)光;換了一本很厚的書，熒光屏上的亮度也只不過減弱了一點;再換成一張薄鋁片，效果和那本厚書一樣……這樣不斷更換遮擋物，他發(fā)現(xiàn)只有鉛能使熒光屏上的亮光消失。至此，倫琴證實了自己的推斷。但由于他對這種新射線的性質(zhì)尚不清楚，因而將其定名為“X射線”。

為了進一步研究X射線的性能，倫琴日以繼夜地在實驗室中工作。1895年12月22日，他的夫人貝爾塔出于對丈夫的關(guān)切和自己的好奇心，前往實驗室探望倫琴。見面后，倫琴卻要貝爾塔當(dāng)助手，讓她雙手捧著一個小熒光屏不斷后退，觀察并測定距離的遠近與熒光亮度變化的數(shù)據(jù)。貝爾塔越退越遠，最后完全被黑暗吞沒。這時，她突然尖叫一聲：“妖魔，實驗中出現(xiàn)了妖魔……”她手中的小熒光屏也隨之跌落在地上。倫琴立即開燈，摟住夫人的肩膀問道：“親愛的，怎么啦？”“剛才我看到自己雙手的血肉都沒有了，只剩下幾根骨頭，太可怕了！”“你雙手不是好好的嘛！”“不，這是魔鬼在玩花招……”

此時，倫琴忽有所悟。他又把燈熄滅，重新豎起一塊熒光屏，并將自己的一只手平放在上面，果然顯出了五根指骨的影子。接著，他又取出一個裝有照相底板的暗盒，讓貝爾塔將一只手平放在上面，再用放電管對準，連續(xù)照射了15分鐘。當(dāng)?shù)灼瑥娘@影液里撈出時，不僅可以清晰地看見手骨，而且無名指上戴著的那枚鉆石戒指也同樣清晰可見。此時，倫琴作為一位科學(xué)家已經(jīng)敏銳地意識到自己有了重大發(fā)現(xiàn)。之后，他又進行了新的實驗，并證明了X射線在磁場中并未偏轉(zhuǎn)，并非陰極射線。當(dāng)X射線通過三棱鏡時，并沒有產(chǎn)生折射，更證明了X射線與普通光線有著本質(zhì)的區(qū)別。

1895年12月28日，倫琴向維爾茨堡物理醫(yī)學(xué)會正式遞交了以《論一種新的射線》為題的論文。1896年元旦，倫琴將他的論文和第一批X射線照片復(fù)印件分送給一些著名的物理學(xué)家。X射線的發(fā)現(xiàn)在全世界引起了巨大轟動。1896年1月23日，在倫琴舉辦的報告會上，年近八旬的著名解剖學(xué)家克利克爾在查看了現(xiàn)場拍攝的自己右手的X光片后，激動地說：“我一生不知解剖了多少只手。今天倫琴先生卻在我的手毫無痛苦，不受一點損傷的情況下，清晰地‘解剖了我的手骨……這是我當(dāng)了維爾茨堡物理醫(yī)學(xué)會會員48年來，最有意義的一次學(xué)術(shù)活動……我提議將這種射線更名為‘倫琴射線。”

正受牙醫(yī)x光檢查的患者

之后，科學(xué)家通過進一步的研究，證明了X射線穿透各種物質(zhì)的結(jié)果并不相同。對于由較輕原子組成的物質(zhì)，如肌肉等，X射線透過時就好像可見光穿過透明物質(zhì)一樣，很少有所減弱。而對于由重原子組成的物質(zhì)，如鐵和鉛，X射線就不易透過，幾乎全部被吸收了。由于骨骼對X射線的吸收比肌肉強150倍，因此在熒屏上會留下黑影。這種特性使X射線成為一種重要的醫(yī)學(xué)診斷工具。醫(yī)生們通過熒光屏上的影子，很容易就能看清骨骼上細小的裂痕，同時也能及時發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)疾病、初期肺結(jié)核和胃里的異物。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的消息傳到美國的第4天，醫(yī)生就利用這種裝置，發(fā)現(xiàn)了隱藏在一位患者腳上的子彈。

X射線的發(fā)現(xiàn)，叩開了人類認識物質(zhì)微觀世界的大門，破除了“原子是組成物質(zhì)的最小微粒”的謬誤，催生了現(xiàn)代物理學(xué)。1901年，倫琴榮獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎。

但是X射線真的這樣神通廣大，無所不能嗎？

發(fā)明CT的靈感

隨著人們對疾病認識水平的不斷提高，傳統(tǒng)X射線診斷的不足也開始顯現(xiàn)。一方面，X射線透射過程中存在著散射干擾（類似光通過毛玻璃時那樣），使照片對比減弱，膠片感光度未能充分利用;另一方面，人體內(nèi)大多數(shù)器官對X射線的吸收差別極小，因而很難發(fā)現(xiàn)那些前后重疊組織的病變。特別是在腫瘤的探測上，由于人體是立體的，而得到的X射線圖是平面的，影像相互重疊，因而難以發(fā)現(xiàn)病變或病變部位。

于是，日后名垂現(xiàn)代醫(yī)學(xué)史的兩位科學(xué)家先后登場了……

1956年，南非開普敦大學(xué)物理系講師科馬克，奉命去當(dāng)?shù)匾患裔t(yī)院監(jiān)督放射性同位素的使用情況。他在工作中發(fā)現(xiàn)，人體不同組織病變后，對X射線的透過率會有所改變。但這種平面圖像如何反映出立體影像，成為了一個難題。一次偶然的機會，科馬克看到一棵大樹的影子遮蓋了另一棵小樹的影子，而當(dāng)太陽轉(zhuǎn)到另一個方向后，小樹的影子又顯現(xiàn)出來了。這使他深受啟示，并產(chǎn)生了以下診斷想法：如果利用人體不同組織對X射線的吸收和透過率的差異，多次從不同角度用X射線對人體進行透視，就能多方位顯示人體的不同組織對X射線的吸收和透過率的差異。用這些經(jīng)過計算的信息數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生一系列變平面為立體的斷層圖像，從而了解各個層面的情況。這種診斷技術(shù)后來被稱為“電子計算機斷層掃描”（簡稱CT）。

盡管科馬克在1963年就制成了世界上第一臺CT機的原型，但由于他使用的臺式計算機運算能力有限，因而未能成為實際的診斷工具。直到1969年，英國電子計算機及圖像重生專家豪斯菲爾德才研制出了世界上第一臺CT機，正式安裝于倫敦郊外的可特金森莫利醫(yī)院。1972年10月4日，豪斯菲爾德與放射科醫(yī)生安布羅斯首次合作，用CT機為一位41歲的女患者做檢查。女患者在完全清醒的狀態(tài)下仰臥著，X射線管裝在她身體的上方，繞檢查部位轉(zhuǎn)動。同時，在她身體的下方安裝了一個檢測器，以接收人體相關(guān)部位對X射線的吸收情況。經(jīng)過計算機處理后，她位于大腦左額葉的囊性腫瘤在CT機上清晰地顯示出來，獲得了世界醫(yī)學(xué)史上第一張CT片。

豪斯菲爾德（N· H0usfieId）

當(dāng)然，科學(xué)家們永遠不會滿足于已取得的成績。首臺CT機中的X射線是單束的，僅配有1個檢測器，完成一次掃描需4～5分鐘。不久后，第二代CT機問世。它采用兩股X射線，形成10°～20°的扇形束，并使用20～30個檢測器，每次掃描只需30～120秒。至第三代CT機，每次掃描只需2.5秒。第四代CT機的掃描時間更是縮短到1秒。而新近開發(fā)的螺旋CT掃描，檢測器多達4800個，1秒鐘就可獲得連續(xù)的多幅圖像。

CT圖像與X射線顯示的黑白圖像一樣，黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如含氣體較多的肺部，白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如骨骼。但是對比兩者的密度分辨能力，CT遠高于X射線，因此可在良好的解剖圖像背景上顯示出病變的影像。

1979年，因這一項發(fā)明，科馬克與豪斯菲爾德共同榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。