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“笨小孩”发明了医疗CT机，还获得了诺奖，他是怎么做到的？

来源 2021-12-30 14:05:10 医疗资讯

50年前的1971年，历史上第一次计算机断层（CT）扫描显示一名41岁女性患额叶肿瘤。此次扫描是在一个以年度网球公开赛闻名的小镇（英国温布尔登）进行，而机器是由一家以唱片闻名的公司（百代）生产。彼时，百代因销售广受欢迎的英国披头士乐队音乐而大获成功。像披头士乐队的许多歌曲一样，CT扫描仪一炮而红。

仅仅8年后，诺贝尔生理学或医学奖就授予了为CT扫描仪研发做出贡献的两位科研先驱高弗雷·豪斯费尔德（Godfrey Hounsfield）和艾伦·科马克（Allan Cormack）。

尽管CT扫描速度之初很慢，而且扫描部位仅限于头部，但在随后数十年间，扫描仪速度变得越来越快，功能也越来越强。如今，在发明半个世纪之后，CT扫描仪已成为常规医疗工作基础设施的一部分，每年拍摄出令人惊叹的图像，帮助我们准确诊断从而有效治疗数百万患者。

现在，在医院里做个CT检查是相当简单的一件事，也就需要几分钟。但是，CT的发明让我们不开刀就能看到身体或者大脑内出现了哪些异常。这是一个非常神奇的发明，他类似于你不打开盒子就能知道盒子里装的是什么东西。

老师眼里的“笨小孩”，也当上了工程师

发明人英国工程师豪恩斯菲尔德Godfrey Hounsfield，他最初并不是要发明医用CT ,而是想要找到在不打开金字塔的情况下，借助宇宙射线穿过金字塔，探测里面的结构。

看到这，您一定会认为，有这么大好奇心和志向的人，上学时一定是“学霸”，至少是老师夸的聪明的孩子吧。那您就犯了一个叫“心里捷径”的错误。根据介绍他的一本书，豪恩斯菲尔德在学校时不但不是“别人家的孩子”那种好学生，还是被老师们认为是很“笨”的学生。

他在第二次世界大战开始时，加入了英国皇家空军，但他并不是一个很称职的士兵。然而，他对电器设备非常有灵性，当时雷达刚刚发明，他能在紧急情况小，用雷达协助飞行员从黑暗多云或夜晚找到返航的正确航线。

战后，豪恩斯菲尔德听从他上司建议，学了个理工科的学位。他到 EMI 公司工作——当时这个公司以的主业是销售披头士乐队的音乐专辑，并开始转行到与音乐相关的电子电器领域。

于是豪恩斯菲尔德就带一个团队负责开发计算机，目标是做英国最先进的大型计算机。过了几年，EMI 公司认为计算机市场竞争太激烈，决定退出。但是又不知道如何安排这位工程师。

于是，公司让豪恩斯菲尔德休假，考虑一下自己的未来，如果是继续留在公司，还可能为公司做些什么？，在这期间豪恩斯菲尔德遇到了一位医生，医生抱怨X 光检查用在大脑上时质量很差，X光片看骨骼非常好，但是大脑内部软组织，在 X 光片上它就是一团雾。这让豪恩斯菲尔德想到了他关于“不打开盒子就能找出它的内部结构的旧想法。”

一种新方法让你看到了以前看不到的东西

豪恩斯菲尔德构想一种新方法来解决对头骨内部进行成像的问题。

首先，他从概念上将大脑切成一层层的片——就像切片的面包。然后他向每一层发射一束X光，每转一度就照射一次，转半个圆周，在大脑的另一侧接收透过来的X光——透过的光束强，穿过的物质的密度小，反之接收到的光弱，对应透过的物质的密度大。

最后，是这个发明巧妙的地方，豪恩斯菲尔德创建了一种算法，用这些强弱的数据倒过来重建出大脑的图像，由于计算量非常大，幸亏当时有了计算机，他的算法成功了，这样他可以计算出每个大脑层的每个小盒子透过X光的数值。

但是，又有一个问题：EMI 没有医疗市场的经验，也不想涉足。但是公司对于豪恩斯菲尔德非常尊重，允许它开发他的产品，但是资金得不到保证。他被迫在研究设施的垃圾箱中搜寻，拼凑出一台原始的扫描机——小到可以放在餐桌上。

虽然在无生命的物体，和牛的大脑上获得成功，EMI 的实力仍然不足于开展人体的实验。如果自己想继续完成人体扫描试验，他需要从公司外寻找资金。

豪恩斯菲尔德在研究机械上才思敏捷，但不善于与人沟通。幸运的是，他有一位有同情心的老板比尔英厄姆，他能意识到豪恩斯菲尔德发明的价值，并且想各种办法来维持这个项目在在EMI 公司内的进行。

他知道他们不会很快获得投资，但他认为英国卫生和社会保障部是为为医院购买设备的出钱的人。奇迹发生了，英厄姆说服了英国卫生和社会保障部，CT机做出了之前就卖给了他们四台。这样豪恩斯菲尔德就组织了一个团队，他们加紧制作了一安全有效的人体CT机。

同时，豪恩斯菲尔德需要完成人体测试。他找到了神经科医生，这位医生还有点不太情愿但最后还是同意提供帮助。该团队在伦敦的阿特金森莫利医院安装了一台原设计尺寸的扫描仪，并于 1971 年 10 月 1 日扫描了他们的第一个病人：一名有肿瘤迹象的中年妇女。

当时的CT转速比现在的要慢得多——完成一次扫描需要 30 分钟，数据记录在磁带上，再驱车穿越伦敦城，到 EMI的大型计算机上处理数据，并用宝丽来相机拍摄图像，整个过程需要 2.5 小时，然后再返回医院。

生成第一张CT图像时，采集数据花了9天，重建图像花了两个半小时。第一台临床CT机采集数据需要4.5分钟，重建图像需要20分钟。如今，一般的CT扫描只需几秒钟。CT扫描已经从包含数十张图像发展到包含数千张图像，随之而来的是其中包含的信息量也大幅增加。

在图像上看到——病人的左额叶——一个李子大小囊性肿块。有了这个后，所有当时其它的大脑成像方法就都被淘汰了。

每年进行的 CT 扫描达到数亿次

最初估计，CT扫描仪的全球市场需求量约为25台。结果表明，这一预测数字低估了需求量，部分原因是CT扫描仪很快变得更快速、更通用。

没有医疗市场经验的EMI公司，突然成为一个需求看巨大的医疗设备的垄断者。她们迅速扩大生产规模，在最初的五年内获得了巨大的成功。但在这五年内，美国通用电器，德国西门子等世界巨头纷纷加入的这个市场竞争中，基于他们的实力和经验开发和生产出更好的CT ，EMI 最终退出了医疗市场。——成为了一个典型的商业案例。

1971年发明CT机时，医疗费用占美国国内生产总值（GDP）的7.7%，这在当时看来是一个巨大的数字。

豪恩斯菲尔德的创新改变了医学。他于 1979 年分享了诺贝尔生理学或医学奖，并于 1981 年被英国女王封为爵士。他继续致力于发明创造，直到 2004 年去世，享年 84 岁。

1973 年，美国人罗伯特·莱德利 (Robert Ledley) 开发了一种全身扫描仪，可以对人体的其他器官、血管，当然也包括骨骼进行成像。现代扫描仪速度更快，分辨率更高，最重要的是，辐射暴露更少。甚至还有放在病床边的CT扫描仪。

1983年时，美国每年所做的CT扫描已达到数百万例，而医疗费用在GDP中的份额已增加到10%。

医疗费用如今已占到GDP的近18%。医疗费用增长显然由多种因素造成，但医疗技术的应用在这些费用中占了很大一部分，而影像学技术又是其中的主要因素。CT扫描仪并不便宜；一台价格可高达250万美元。美国目前有近15,000台CT扫描仪。

到 2020 年，仅美国每年进行CT扫描超过 8000 万次扫描。全世界可达数亿次，一些医生认为CT出现了过度使用，可能三分之一都是不必要的。虽然这可能是真的，但 CT 扫描已经使世界各地许多患者的健康受益，帮助识别肿瘤，并确定是否需要手术。特别是对于突发的创伤，快速检查体内伤情特别有用。在这次疫情中，为快速诊断感染者发挥了关键作用，特别是在初期核酸检测力量不足时。

最后，还记得豪恩斯菲尔德这个“笨” 孩子关于金字塔的想法吗？ 1970 年，科学家们将宇宙射线探测器放置在哈夫拉金字塔的最底层进行探测，他们得出结论，金字塔内没有隐藏的房间。 2017 年，另一个团队在吉萨大金字塔中放置了宇宙射线探测器，并发现了一个隐藏但无法进入的房间。但是无论如何都不会在很快去打开金字塔。