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安娜·貝爾塔·路德維希由於太過擔心丈夫威廉·倫琴的身體狀況,從家裡跑到大學尋找自己的丈夫。此前,倫琴已經在實驗室連續工作了很長時間沒有回家,眼看就連聖誕節也準備在實驗室度過了。當路德維希終於在實驗室找到倫琴時,還沒來得及嗔怪倫琴,倫琴就神神秘秘地拉著妻子的手放在用黑紙包嚴的膠片上。緊接著,倫琴開啟一種神秘光線對著手照射,膠片顯影后,上面清晰地呈現出妻子的手骨像,無名指上的婚戒也非常清楚。

這是醫學顯像史上具有跨時代意義的一張照片。由於一時還搞不清楚這種新射線的本質,倫琴問妻子叫什麼名字好,妻子說既然這是一種未知的射線,我們就叫它X射線(X Rays)吧。至此,X射線正式誕生。

圖|倫琴夫婦和世界上第一張清晰的X射線片—倫琴夫人的手以及象徵著倫琴和妻子的愛情的戒指,撒狗糧咯~

1901年,倫琴成為首個獲得諾貝爾物理學獎的科學家。

看透一個人很難,可是倫琴做到了,以一種無比硬核的方式。

X射線到底是什麼?它是如何用來醫學成像的?

電磁波X射線

X射線是一種電磁波。電磁波通常以頻率、波長或光子能量這三種物理量之中的任意一種物理量來描述。它們彼此之間的關係可以用方程表示:

其中, f 是頻率, λ是波長, E 是光子能量,c 是真空的光速, h 是普朗克常數。

透過公式可以推斷:電磁波頻率越高,波長越短,能量越強,對應的穿透力也越強。

高能X射線粒子會轟擊DNA片段使得細胞的遺傳資訊受到破壞,這也許就是倫琴患癌的原因。

基於X射線的胸片,骨骼片,計算機斷層掃描技術(CT)是醫生臨床診斷的重要依據。醫院顯像科在給患者做X射線成像的時候,會嚴格控制X射線劑量(Dose)。即使這樣,受限於目前探測器靈敏度低等技術問題,總體輻射劑量依然維持在一個較高的位置,普通人一年之內能夠進行X射線檢測的次數十分有限,孕婦,老人等特殊群體更是限制重重。

X射線與醫學成像

放射線照相術(Radiography)用X射線來產生診斷影象。材料對X射線的吸收係數( μ )只與材料的原子序數( Z )有關,即:

吸收特性根據朗伯-比爾定律有:

其中, 為入射光強度, 為出射光強度。

人體骨骼中鈣和鋇的原子序數分別為20和56,遠遠大於軟組織中的氫(1)、碳(6)、氮(7)、氧(8)等元素。當X射線照射人體,部分X射線被人體吸收,部分穿透人體投射在由電晶體陣列組成的光電探測面板。由於原子序數的差異,骨骼部分的吸收強,則穿透的X射線少,在陣列上激發的電流小;軟組織部分的吸收弱,在陣列上激發的光生電流大。光訊號經過這一步轉化為電訊號。

圖|X射線成像面板示意圖

值得注意的是,現時部分核成像技術利用X射線激發熒光板產生可見光再進行二次成像,基本原理一致,只是多一個X射線轉換可見光的步驟,不再贅述。

此時,二維電晶體陣列光電探測面板不同區域會有不同的電流大小。以計算機斷層掃描技術(CT)為例,電流訊號會再經過傅立葉變換進行成像。

圖|光電探測器的電訊號需經傅立葉變換轉換成影象

尾聲

神的道是活潑的,是有功效的,比一切兩刃的劍更快,甚至魂與靈、骨節與骨髓,都能刺入、剖開,連心中的思念和主意都能辨明。

圖|X射線發現者倫琴紀念郵票

倫琴治學十分的嚴謹,到現在為止還沒有人發現他的學術論文裡面存在錯誤。

倫琴夫人那張X光片問世後才幾天時間,大洋彼岸的美國醫生就發現了這項技術的巨大商業價值。資本家蜂擁而至,出高價購買倫琴的技術。50萬美金,100萬美金......出價越來越高。

“哪怕1000萬也不行!我的發現屬於全人類。但願這一發現能被全世界科學家利用。這樣,就會更好地服務於人類……”

倫琴淡淡地一笑答道,“對錢沒興趣”不只是說說而已。他放棄了X射線的專利權,身為基督徒的倫琴決定把這項發明獻給上帝。他說:這項專利只屬於上帝。

這也許,就是一個科學家的可愛和可敬之處吧!

參考資料:

[1] Russo, Paolo, ed. Handbook of X-ray imaging: physics and technology. CRC press, 2017.

[2] Wikipedia contributors. "Electromagnetic spectrum." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 24 Dec. 2020. Web. 29 Jan. 2021.

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