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第19章 发明5(4)

威廉·艾因特霍芬1860年5月21日出生在印度尼西亚三宝垄的一个大庄园里。年幼的艾因特霍芬是由一位中国阿妈洪氏带大的。1864年艾因特霍芬进入上海的法童公立学校,上了6年小学。此外,他还独自随洪妈去她的广东老家住了一段时间。在自传里,艾因特霍芬编译了不少广东童谣,表达了对中国的特殊好感。

艾因特霍芬回到荷兰后,进入乌特勒克大学,师从病理学家及眼科专家F.C.杜德氏教授,杜德氏毫无保留地对艾因特霍芬言传身教,将自己珍贵的研究资料送给了他,并且再三对他说:目前科学界对心脏研究得还不够,希望你以后致力于这方面的探索。艾因特霍芬听从了恩师的建议,开始了对心脏的研究。

19世纪末,科学家首先在动物体内,而后在人体内发现心脏搏动时,伴有微弱的电活动。这种生物电流极其微弱,一般在毫伏级,而且它的变化非常快,一般的电流计很难测出这种变化。1887年,沃勒首先研制出记录生物电的仪器——毛细管电位计。但是,该电位计测量瞬间变化的生物电,诸如心电的效果很不理想。为了探求心电电子描计器的机械原理,艾因特霍芬转入物理系苦苦钻研,他变得越来越稳健,沉默寡言。

1885年艾因特霍芬来到莱顿学院,任病理学教授,进一步对他的课题进行研究。终于,1891年艾因特霍芬成功地研制出了弦线电流计。他在两极强磁场之间,垂直放一根极细的石英丝,其直径约有红细胞的1/4。当石英丝的两端分别与需测量组织相接时,如有电流通过弦线,弦线就会在磁场中发生偏转,其偏转程度与通过弦线的电流强度成正比,通过这一装置可以准确地记录组织中微弱电流的情况。在此基础上,艾因特霍芬又经过不懈的努力,于1903年发明了弦线型心电图描计器。但行事谨慎的艾因特霍芬仍觉得自己的机器不够完善,惟恐贻笑大方,一直没有公布自己的发明。

1906年那次特别的临床实验轰动了世界,艾因特霍芬一夜成名,并因此获得了1924年诺贝尔生理学及医学奖。但严谨、谦逊的艾因特霍芬始终认为,在医学方面比他成就高的大有人在,受此殊荣实在有愧。此后,艾因特霍芬一直在莱顿学院担任教授,桃李遍天下。

科技的发展日新月异,对心电图描计器的研究不断取得突破。如今,走进任何一家正规医院,都能找到心电图仪器的踪影,作为常规的检测仪器,心电图机的应用前景更为广阔。

艾因特霍芬本人对运动很热心,担任体操和剑术俱乐部的主席,并且创立了乌勒克(荷兰中部的一个省)学生划船协会,总是鼓励同事作运动。

艾因特霍芬发明的心电图描计器最大的缺点是重量超过140公斤,无法带进病房,同时也无法把严重的心脏病患者带到他的研究室去。解决这个恼人问题的是与艾因特霍芬一同在莱登大学执教的赫夏教授。

这一束光照亮了当时的物理界,也照亮了此后的医学领域,一直造福人类至今,当真功不可没——来历不明的光——X光发现记医学与物理学向来有不解之缘,X光的发现更是如此。

在19世纪末,有不少人以为,物理学上的基本现象与原理已全被发现了,剩下的工作只是填补细节而已。可是,从19世纪的最后几年到20世纪初,竟出现了X射线、放射性元素铀、镭等的发现,和原子分裂现象,以及量子说、相对论、光量子说等,这时物理学正面临着大变动期。这场革命的第一件大发现,便是1895年德国符兹堡大学教授伦琴的X射线。

在真空管中的阴极和阳极之间通上高压电时,通过管中稀薄的气体会产生放电,而且阴极也放射出一种放射线。这称为“阴极射线”。有许多人研究过阴极射线,到了19世纪末,终于确立了一个学说:阴极射线是带负电的粒子现在称为电子 流。伦琴反复从事前人所作过的阴极射线实验。有一次,他用薄薄的黑色硬纸板把真空管(放电管 盖上,在暗室中,他发现每次放电时,放在附近板凳上涂有铂氰化钡的纸面会发出光芒,而且有荧光出现。

伦琴证实了发出荧光的原因来自放电管。接着,他要动手查究的是,其他物体是否也会出现这个现象。

伦琴首先试验的是纸,他用约一千页厚的书实验,纸竟对这种物体相当透明。在如此厚的书后面,也清楚地观察得到铂氰化钡纸面明亮发光,印刷的油墨居然对它毫无妨碍。

继而,他用纸牌实验,他放两副纸牌,纸牌背后还是看得到荧光。他把一张卡片置于管和纸面之间,但并没显现特别令人满意的效果。同样地,一张锡箔也几乎没有异常,多层重叠后,这才在屏上清楚地看到它们的阴影。

两片合起来有3厘米厚的枞木材,仅吸收一点点萤光。约15毫米厚的铝板,虽然大大减弱了其作用,但还是无法使荧光暗灭。数厘米厚的硬质橡皮圆盘,也还是让“放射线”穿过了。同样厚度的玻璃板要是包铅的话,就没有不包铅的那样透明。

纸、木板、橡皮、玻璃、锡箔和铝板,都一一试过了,伦琴突然想:“人的手如何呢?”他的心扑扑直跳,同时把手伸入放电装置与纸面之间。这一来,在手的幽暗影中,看到更暗的手骨影子。伦琴于是热切而专注地实验一切物体。

他发现水、二硫化碳以及其他种种液体,放进云母的容器中来看时,非常透明;没发现氢本质上比空气透明;铜、银、铅、金,以及铂板的背后,还是可以清楚地看到荧光,但这是在金属板不太厚的情况下,银和铜板可以更厚;厚度1.5毫米的铅,几乎不透明,这个性质往往可以利用;截面积20平方毫米的木棒,一面以铅涂料涂成白色时,在放电装置与屏之间,因放置方式的不同,而有种种不同的作用。……伦琴的实验,像这样无止境地从事下去。

1895年12月,伦琴向符兹堡物理学和医学协会提出最初报告——《关于新型的放射线》,陈述了以上的实验成果。他说:“为了把这种放射线和其他的放射线特别加以区别,我想把它命名为“X射线”。这是X射线名称首度出现。他认为这种穿越物体的透明度,主要依物质的密度而定。他进一步研究照相作用、棱镜的折射的问题,以及在玻璃上反射不大、具有与光同样的直进性等现象。于是,断定X射线不是粒子线,而是一种辐射线(后来证实了波长很短)。第二年,他又提出报告说,以X射线照射的气体能放出带电体,也就是说,X射线具有电解气体的性质。

发现X射线的新闻,马上传遍全世界,引起了种种不同的反应。纯粹科学上的发现,少有像这么快就传开来而又如此轰动的。1896年2月,法国物理学家白克瑞尔发现了铀放射性,而使之更进一步向前推展。

后来,X射线经发展而应用到医学上,对人类贡献很大。在此以前,医生只能凭病人的体表反应,检查和诊断一些明显的症状,而X射线的利用,就能使人体内部的病变反映到荧光屏上。医生第一次可以不用外科手术就能够看见人体内病变和受损伤的情况。

1896年,英国皇家学会表扬伦琴的重大发现,特颁予他伦德福奖章。1901年,伦琴获得诺贝尔物理奖。

诺贝尔死后第五年,在众所瞩目中,发表了首届诺贝尔奖(1901年),物理奖的首届得主就是伦琴。

伦琴最初发现这种射线时,由于其现象过于难以捉摸,原因也难以理解,便把它命名为X射线。这个用语就这样沿袭下来,至今仍然通用。

有效的治疗措施离不开精确的病因诊断,人们在与疾病的斗争中不断产生智慧的灵光,CT机的发明就是一例——借医生一双慧眼——CT机的诞生传统的X射线技术尽管在形态学诊断方面起了划时代的作用,但它的缺点也显而易见。X射线是从人体的前方后方照射的,透视出来的图像只能是单一方向的平面图,对不同层次、不同方向的病变,很难做到清晰判断。此外,对一些密度差别不大的器官,不容易分辨。以上缺陷使得X射线装置对于一些病症无法作出正确判断。

1938年,一位名叫法兰克的放射学专家为了改正X射线的缺陷作了大量的实验。一次工作之余,他在花园里散步,他被园中的景色深深吸引,急于想看到花园的全貌,但是他立刻意识到只站在一个角度并不能完全领略花园的秀美风光,于是他沿着花园的围墙转了一周。突然,法兰克的大脑中冒出了一个念头:如果从人体周围照射X光,从各个方向生成图像,问题不就解决了吗?他怀着无比兴奋的心情跑回家中,立刻开始了实验。

他将许多X射线管按一直线排列,用它来对人体做断层横切摄影。X射线犹如一把尖刀,一个层面、一个层面地切向人体。这样得到的图像,既有上下关系,又有左右关系,分清了人体的深浅层次。法兰克把这项发明称做X射线断层摄影技术的诊断技术。这项技术的诞生是X光医用成像技术的一大进步,但它仍然有着过程复杂、检查不精确的弊病。

电子计算机诞生后,人们自然而然地想到将X射线断层摄影技术与计算机技术结合起来。在此方面做出突出贡献的是美国的两位科学家——奥特杜尔夫和阿伦·科马克。他们使用高灵敏度的X射线检测器来接受穿过人体的X射线,把测到的大量数据用电子计算机处理后,得到了比直接使用胶片摄影分辨率更高的图像。由于当时条件下计算机图形处理技术的限制,他们的工作异常艰难,所得的成果也很难在实践中应用。

1969年,英国电子工业公司的工程师豪斯菲尔德率先研制成用计算机来处理X射线断层摄像技术的样机。但是,这台样机足足用了两天时间才绘出了第一张断层扫描图像。后来,豪斯菲尔德更换了一台更为理想的电子计算机,又经过反复测试,终于取得了成功。他将这台新仪器叫做“电子计算机X射线断层摄影机”,英文名字是COMPUTERIZED TOMOGRAPHY,缩写为CT。与此同时,阿伦·科马克也取得了成功,研制出了CT机。

豪斯菲尔德与科马克二人为人类发明了新一代X射线成像设备,为了表彰他们的杰出贡献,1979年,这两位科学家获得诺贝尔生理学和医学奖。

现在,单光子发射CT,核磁共振CT等新一代CT机已付诸临床应用。超声CT,微波CT的研究也取得了重大进展。计算机断层成像技术作为一种高性能无创伤诊断技术,已在医学成像领域确立了不可动摇的地位。

CT机发明至今的30年时间里,就已经更新换代了好几次。第一代产品完成一次扫描需用4~5分钟;第二代CT机每次扫描仅需用30~120秒钟;第三代CT机能够用2.5秒完成一次扫描;到了第四代CT机,扫描时间减少到只需1秒的时间就能完成。科学家正在研制高速的第五代CT机,按设计仅需用1%秒的时间就能完成扫描,还可以捕捉到人体生理的动态变化。

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