X射線是德國物理學(xué)家倫琴(WilhelmKonrad Rontgen)1895年發(fā)現(xiàn)的。這項技術(shù)很快就被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，幫助醫(yī)生了解人體內(nèi)組成器官的生理、解剖及病理生理、病理解剖的變化，大大減少了疾病診斷的誤診率。

　　經(jīng)過120多年的發(fā)展，X射線成像技術(shù)取得了令人矚目的進展，但不知你是否注意到，這些年來醫(yī)生給患者拍的X光片都是黑白片，這是因為獲得人體組織3D彩色X光片的相關(guān)技術(shù)瓶頸一直未能突破。

　　近日，從新西蘭傳來了令人震撼的好消息。一對科學(xué)家父子歷時十年，終于研制成功三維立體(3D)彩色X射線醫(yī)用掃描儀。他們使用歐洲核子研究中心(CERN)為粒子物理研究開發(fā)的Medipix3芯片技術(shù)——那正是為CERN找到“上帝粒子”希格斯玻色子立下汗馬功勞的技術(shù)。

　　醫(yī)生們期盼多年的3D彩色X光片終于變成了現(xiàn)實，當看到那清晰顯示出人體皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、疾病標記物等的3D彩色掃描圖像時，不由得驚嘆：真令人難以置信！

　　CERN的Medipix

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　　CERN擁有一種混合像素技術(shù)(Hybrid pixel technology)，CERN的大型實驗裝置幾乎都采用了這種技術(shù)來探測粒子的對撞頂點或徑跡。CERN以及一些合作組成員從這里看到了機會，他們認為這種技術(shù)完全可以進一步研發(fā)，應(yīng)用于粒子物理研究之外的領(lǐng)域，Medipix項目就這樣誕生了。

混合硅像素探測器1995年的照片，顯示出153個高能粒子的軌道，展示了在高能物理中追蹤應(yīng)用的潛力(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　Medipix是一種用于粒子成像和檢測的芯片，其工作原理類似于現(xiàn)代數(shù)碼照相機的傳感器。當電子快門打開時，這種芯片可以檢測并計數(shù)撞擊像素的單個粒子，使生成高分辨率、高對比度、高可靠度的圖像成為可能。

　　Medipix1于20世紀90年代由四個研究所經(jīng)非正式合作研制成功，展示了提供無噪聲單光子計數(shù)的技術(shù)潛力。實質(zhì)上，Medipix是個由成千上萬個通道組成的集成電路，每個通道連接一個敏感元件，形成一個小的二維粒子探測器，能產(chǎn)生高分辨率、無噪聲的X射線圖像。

　　Medipix2的合作研制從1999年開始，合作組有17個成員。目標是改進空間分辨率，研發(fā)更多的附加功能。具有時間或振幅測量附加功能的Medipix2改進版本稱為Timepix。Medipix2的研制原計劃進行4年，由于在各類粒子成像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，直到15年后該合作組仍然定期舉行會議。

　　2005年，歐洲的EUDet合作組(由12個國家的31個歐洲伙伴機構(gòu)組成，目標是為歐洲的下一個大型項目——國際直線對撞機的探測器研發(fā)打基礎(chǔ))與Medipix設(shè)計團隊進行了接觸，提出了進一步提高Medipix芯片功能，期望每個像素既要能測量撞擊光子的數(shù)量，且要能測量粒子的到達時間。

　　Medipix3的合作研制從2007年開始，合作組成員增加至21個。通過采用更先進的CMOS(數(shù)字集成電路中的信號放大器件)工藝，可實現(xiàn)在單個小像素上集成兩個計數(shù)器，在前一個圖像被讀出時就能同時完成當前圖像的拍攝，減少了死時間。

　　而Timepix3的功能更加強大，能夠記錄每個被探測光子的位置、能量/波長、到達時間。使用這種芯片，圖像不再是黑白的了——圖像中可用不同的顏色來表示光子的不同能量，使圖像更清晰、更準確。Timepix3在CERN的粒子物理實驗中有非常出色的表現(xiàn)，這為它在醫(yī)學(xué)成像和更廣泛的輻射探測等領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

Medipix的讀取芯片Timepix3(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　父子科學(xué)家的追求

　　1895年，德國科學(xué)家倫琴(Wihlem Rontgen)發(fā)現(xiàn)了X射線，震撼了整個科學(xué)界。僅僅幾個月后，這項技術(shù)就被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像，人類得以窺視人體的內(nèi)部，對醫(yī)生診斷疾病有很大幫助。只是，此后120多年來，因技術(shù)上始終得不到突破，醫(yī)學(xué)上的X射線掃描只能停留在黑白片的時代，不禁令人感到有些缺憾，黑白圖像難以提供人體骨骼周圍組織和肌肉的更多信息及細節(jié)。

　　有一對新西蘭父子：菲爾·巴特勒(Phil Butler)與安東尼·巴特勒(Anthony Butler)。父親菲爾·巴特勒是坎特伯雷大學(xué)的物理學(xué)教授，兒子安東尼·巴特勒是奧塔哥大學(xué)的生物工程學(xué)副教授。他們決心致力于新型成像技術(shù)的研究，希望能夠發(fā)明一種探測人體內(nèi)部的3D彩色X射線掃描儀，以幫助醫(yī)生更好地診斷疾病。

安東尼·巴特勒(左)與菲爾·巴特勒(右)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　2005年，巴特勒父子提出了這個研究意向，當時就引起了科學(xué)界的關(guān)注，這個項目被認為相當有發(fā)展前景。2007年，巴特勒父子創(chuàng)辦了MARS Bio-Imaging科技公司，并與新西蘭的坎特伯雷大學(xué)、奧塔哥大學(xué)就該項目開始進行合作。該項目還獲得另一些大學(xué)、法國手術(shù)機器人公司(Medtech)、GE醫(yī)療集團的技術(shù)支持、新西蘭商業(yè)、創(chuàng)新和就業(yè)部(MBIE)的經(jīng)費資助，以及一些相關(guān)協(xié)會的捐款。

　　傳統(tǒng)的X射線成像基于X射線穿過人體密度不同的組織吸收程度不一樣，攜帶了人體各部不同的密度信息在熒光屏或膠片上感光的強弱差別就顯示出灰度不同的陰影，這就是所謂的黑白X光片。如果通過某些圖片處理手段將人眼不能區(qū)分的微小的灰度差別顯示為較明顯的色彩差異，可以得到一種假彩色增強圖，便于解釋和提取有用信息，但這并不是真正的彩色X射線圖像。

　　巴特勒父子不想延續(xù)傳統(tǒng)的X射線成像的技術(shù)思路，他們需要的是全新的技術(shù)。 得益于新西蘭是CERN的協(xié)聯(lián)成員國，后來又成為Medipix3合作組的成員。巴特勒父子團隊參加了CMS大型探測器的安裝(CMS用Medipix探測器監(jiān)測中子和電離輻射)。在合作過程中，他們深入了解了Medipix芯片的先進技術(shù)，很想探索是否能將Medipix芯片用于記錄X射線穿過人體密度不同的組織時不同的吸收效率。經(jīng)Medipix3合作組授權(quán)，同意他們將Medipix3用于3D彩色X射線掃描儀的研發(fā)。

掃描儀最初的設(shè)計圖及完成后的樣機(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　3D彩色X射線掃描儀

　　經(jīng)過10年多的努力，2018年7月終于傳來了令人振奮的消息：巴特勒父子的團隊研制成功了全球第一臺3D彩色X射線掃描儀(MARS)。

　　經(jīng)自定義數(shù)據(jù)處理算法增強的Medipix3芯片可以檢測X射線穿過人體密度不同的組織時吸收效率的變化。而顏色則是由X射線光子的不同能量差異導(dǎo)致的。如果將光子的不同能量與特定的人體組織相匹配，并用數(shù)據(jù)處理算法為不同的人體組織分配相應(yīng)的顏色，不僅能區(qū)別人體不同組織的構(gòu)成，還能以不同的色調(diào)清楚地顯示骨骼、肌肉、脂肪、液體、鈣質(zhì)以及腫瘤標志物等，再加上其他軟件的運用，則能分析、篩選數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高分辨率的彩色3D圖像。

　　菲爾·巴特勒指出：Medipix3芯片在制造MARS以及在醫(yī)學(xué)診斷方面帶來了很大的優(yōu)勢。它的小像素以及精確的能量分辨率意味著這個新的成像工具能夠獲得其它任何成像工具都無法實現(xiàn)的圖像。從黑白膠片升級到彩色照片是一種全新的X光體驗，使醫(yī)生能以無創(chuàng)的方式看到受檢者體內(nèi)的各種細節(jié)，幫助醫(yī)生作出更準確的診斷。

　　技術(shù)上得到突破之后，巴特勒父子和他們的合作者用一個小型的樣機進行臨床試驗：研究癌癥、骨骼和關(guān)節(jié)，以及導(dǎo)致心臟病和中風的血管疾病，醫(yī)生可針對每個患者設(shè)計個性化的治療計劃，包括靶向藥物治療或微創(chuàng)手術(shù)。

MARS的小型樣機(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　安東尼·巴特勒認為：這種成像技術(shù)是新一代大型醫(yī)學(xué)成像的創(chuàng)新，3D彩色X射線圖像將為臨床醫(yī)生提供目前在CT、MRI或PET掃描中不可能獲得的信息。最終，MARS掃描儀將能更好地診斷和監(jiān)測多種疾病，為患者帶來更好的結(jié)果——特別是在中風預(yù)防、關(guān)節(jié)置換和癌癥治療等方面。

圖為MARS掃描儀拍攝的一個踝關(guān)節(jié)的3D彩色X射線圖像，可以看到腳踝的骨頭、腳后跟區(qū)域的填充物(紅色的軟組織、白色的骨頭，而脂肪則是渾濁的黃色)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

圖為MARS掃描儀拍攝的戴手表手腕部分的3D彩色X射線圖像，白色的是軟組織中的部分手指骨，連手表的結(jié)構(gòu)都能完整重現(xiàn)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　CERN擁有的技術(shù)有相當部分已成為當今廣泛流行的許多技術(shù)的核心。CERN的知識轉(zhuǎn)移小組一直都在努力讓CERN的技術(shù)應(yīng)用到高能物理學(xué)以外，特別是醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。MARS掃描儀的成功伴隨著CERN粒子探測器技術(shù)研究的發(fā)展，伴隨著Medipix芯片的改進升級，還得益于成像設(shè)備的設(shè)計、醫(yī)學(xué)數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等多項前沿技術(shù)的發(fā)展。

媒體的相關(guān)報道(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

　　期待MARS掃描儀能盡快商業(yè)化，成為醫(yī)療界不可或缺的工具，實現(xiàn)更準確的診斷和個性化的治療。當然，可能還需要數(shù)年時間MARS掃描儀才能獲得它所需的所有許可和批準，以便能安全地在醫(yī)院和診所臨床使用，但未來看起來十分光明。

　　參考資料

　　1、CERN Technology Used To Create First Ever 3D Color X-Ray

　　https://www.forbes.com/sites/meriameberboucha/2018/08/01/cern-technology-used-to-create-first-ever-3d-color-x-ray/#4955f3783b3d

　　2、Applying CERN’s detector technology to health: MARS Biomedical 3D spectroscopicx-ray imaging

　　3、Applying CERN’s detector technology to health: MARS Biomedical 3D spectroscopicx-ray imaging

　　4、First-ever color X-ray will deliver moreaccurate diagnoses

　　https://nypost.com/2018/07/13/first-ever-color-x-ray-will-deliver-more-accurate-diagnoses/

　　5、First 3D colour X-ray of a human using CERNtechnology

　　http://www.eurekamagazine.co.uk/design-engineering-news/first-3d-colour-x-ray-of-a-human-using-cern-technology/176081/

　　6、X光掃描123年以來的最大問題被新西蘭人解決

　　http://m.sohu.com/a/241592656_170973

　　7、CERN芯片使人體的第一張3D彩色X射線圖像成為可能

　　http://www.sohu.com/a/240516358_223764

　　8、世界首個三維X光彩色掃描儀誕生

　　https://t.qianzhan.com/caijing/detail/180717-6d067e0a.html

　　9、新西蘭發(fā)明世界第一臺3D全彩X射線光譜儀

　　https://baijiahao.baidu.com/s?id=1605950107255216972&wfr=spider&for=pc

　　10、3D彩色醫(yī)療掃描儀震撼了世界

　　http://www.toutiaotime.com/Home/index/show/id/30517.html