影子的妙處（下））

王震元

機(jī)遇“偏愛(ài)”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(guó)科學(xué)家倫琴帶來(lái)深刻的啟示，從而拉開(kāi)了劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——X射線的序幕。

故事還得從陰極射線說(shuō)起。1879年8月22日，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)舉辦了一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，主講人是克魯克斯教授?？唆斂怂沟闹职嵘蟽蓚€(gè)大型的梨形真空放電管，接通高壓電后，在陰極相對(duì)的玻璃壁上就發(fā)出了一片綠色熒光?？唆斂怂拱哑渲幸粋€(gè)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(gè)十字形的影子?！斑@表明從陰極發(fā)出了一種人眼看不見(jiàn)的射線，” 克魯克斯解釋道，“顯然，這種陰極射線與太陽(yáng)光線一樣，是直線傳播的，所以會(huì)生成影子?！苯又?，克魯克斯又把另一個(gè)放電管中透明的云母片豎了起來(lái)?！暗?，”他指著玻璃壁上產(chǎn)生的云母片影子說(shuō)道，“陰極射線顯然又與能夠透過(guò)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(jìn)行演示，進(jìn)一步讓在場(chǎng)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(shí)尚未知的新物質(zhì)。

X射線的初步運(yùn)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(lái)載入史冊(cè)的重大事件。首先，克魯克斯發(fā)現(xiàn)放在實(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)家古德斯培德突然意外地在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)一張形狀奇特的照片，卻隨手扔進(jìn)了廢紙簍中。最后，1893年，德國(guó)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(shí)驗(yàn)表明，陰極射線可以穿過(guò)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?，F(xiàn)象的原因。

轉(zhuǎn)眼到了1895年10月，德國(guó)波恩的物理學(xué)教授倫琴在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究時(shí)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(dòng)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(lái)，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(kāi)實(shí)驗(yàn)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(kāi)門(mén)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在漆黑的實(shí)驗(yàn)室中竟有一處正閃閃發(fā)著綠光。他開(kāi)燈后發(fā)現(xiàn)，這處綠光的光源來(lái)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(yáng)光照射下才能發(fā)出熒光，而此時(shí)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了陰極射線在空氣中傳播的最長(zhǎng)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(duì)比倫琴的實(shí)驗(yàn)與之前幾位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，雖然并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，但為何只有倫琴能這樣大膽推測(cè)？換言之，新射線的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇為什么只偏愛(ài)倫琴呢？

X射線的魔力

倫琴就這一事件繼續(xù)進(jìn)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(shū)，熒光屏上的亮度也只不過(guò)減弱了一點(diǎn);再換成一張薄鋁片，效果和那本厚書(shū)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(shí)了自己的推斷。但由于他對(duì)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(jìn)一步研究X射線的性能，倫琴日以繼夜地在實(shí)驗(yàn)室中工作。1895年12月22日，他的夫人貝爾塔出于對(duì)丈夫的關(guān)切和自己的好奇心，前往實(shí)驗(yàn)室探望倫琴。見(jiàn)面后，倫琴卻要貝爾塔當(dāng)助手，讓她雙手捧著一個(gè)小熒光屏不斷后退，觀察并測(cè)定距離的遠(yuǎn)近與熒光亮度變化的數(shù)據(jù)。貝爾塔越退越遠(yuǎn)，最后完全被黑暗吞沒(méi)。這時(shí)，她突然尖叫一聲：“妖魔，實(shí)驗(yàn)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(kāi)燈，摟住夫人的肩膀問(wèn)道：“親愛(ài)的，怎么啦？”“剛才我看到自己雙手的血肉都沒(méi)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(shí)，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(gè)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(duì)準(zhǔn)，連續(xù)照射了15分鐘。當(dāng)?shù)灼瑥娘@影液里撈出時(shí)，不僅可以清晰地看見(jiàn)手骨，而且無(wú)名指上戴著的那枚鉆石戒指也同樣清晰可見(jiàn)。此時(shí)，倫琴作為一位科學(xué)家已經(jīng)敏銳地意識(shí)到自己有了重大發(fā)現(xiàn)。之后，他又進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)，并證明了X射線在磁場(chǎng)中并未偏轉(zhuǎn)，并非陰極射線。當(dāng)X射線通過(guò)三棱鏡時(shí)，并沒(méi)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(huì)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(dòng)。1896年1月23日，在倫琴舉辦的報(bào)告會(huì)上，年近八旬的著名解剖學(xué)家克利克爾在查看了現(xiàn)場(chǎng)拍攝的自己右手的X光片后，激動(dòng)地說(shuō)：“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(wú)痛苦，不受一點(diǎn)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(huì)會(huì)員48年來(lái)，最有意義的一次學(xué)術(shù)活動(dòng)……我提議將這種射線更名為‘倫琴射線?！?p>

正受牙醫(yī)x光檢查的患者

之后，科學(xué)家通過(guò)進(jìn)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(duì)于由較輕原子組成的物質(zhì)，如肌肉等，X射線透過(guò)時(shí)就好像可見(jiàn)光穿過(guò)透明物質(zhì)一樣，很少有所減弱。而對(duì)于由重原子組成的物質(zhì)，如鐵和鉛，X射線就不易透過(guò)，幾乎全部被吸收了。由于骨骼對(duì)X射線的吸收比肌肉強(qiáng)150倍，因此在熒屏上會(huì)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(guò)熒光屏上的影子，很容易就能看清骨骼上細(xì)小的裂痕，同時(shí)也能及時(shí)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(guó)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(kāi)了人類(lèi)認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀世界的大門(mén)，破除了“原子是組成物質(zhì)的最小微?！钡闹囌`，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(jiǎng)。

但是X射線真的這樣神通廣大，無(wú)所不能嗎？

發(fā)明CT的靈感

隨著人們對(duì)疾病認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，傳統(tǒng)X射線診斷的不足也開(kāi)始顯現(xiàn)。一方面，X射線透射過(guò)程中存在著散射干擾（類(lèi)似光通過(guò)毛玻璃時(shí)那樣），使照片對(duì)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(duì)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(cè)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(chǎng)了……

1956年，南非開(kāi)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(duì)X射線的透過(guò)率會(huì)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(gè)難題。一次偶然的機(jī)會(huì)，科馬克看到一棵大樹(shù)的影子遮蓋了另一棵小樹(shù)的影子，而當(dāng)太陽(yáng)轉(zhuǎn)到另一個(gè)方向后，小樹(shù)的影子又顯現(xiàn)出來(lái)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(duì)X射線的吸收和透過(guò)率的差異，多次從不同角度用X射線對(duì)人體進(jìn)行透視，就能多方位顯示人體的不同組織對(duì)X射線的吸收和透過(guò)率的差異。用這些經(jīng)過(guò)計(jì)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(gè)層面的情況。這種診斷技術(shù)后來(lái)被稱為“電子計(jì)算機(jī)斷層掃描”（簡(jiǎn)稱CT）。

盡管科馬克在1963年就制成了世界上第一臺(tái)CT機(jī)的原型，但由于他使用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力有限，因而未能成為實(shí)際的診斷工具。直到1969年，英國(guó)電子計(jì)算機(jī)及圖像重生專(zhuān)家豪斯菲爾德才研制出了世界上第一臺(tái)CT機(jī)，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(jī)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(dòng)。同時(shí)，在她身體的下方安裝了一個(gè)檢測(cè)器，以接收人體相關(guān)部位對(duì)X射線的吸收情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，她位于大腦左額葉的囊性腫瘤在CT機(jī)上清晰地顯示出來(lái)，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(yuǎn)不會(huì)滿足于已取得的成績(jī)。首臺(tái)CT機(jī)中的X射線是單束的，僅配有1個(gè)檢測(cè)器，完成一次掃描需4～5分鐘。不久后，第二代CT機(jī)問(wèn)世。它采用兩股X射線，形成10°～20°的扇形束，并使用20～30個(gè)檢測(cè)器，每次掃描只需30～120秒。至第三代CT機(jī)，每次掃描只需2.5秒。第四代CT機(jī)的掃描時(shí)間更是縮短到1秒。而新近開(kāi)發(fā)的螺旋CT掃描，檢測(cè)器多達(dá)4800個(gè)，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(duì)比兩者的密度分辨能力，CT遠(yuǎn)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(xiàng)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(jiǎng)。