文｜觀察未來科技

1895年，威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）首次公開展示了他用X射線拍攝到的照片。這種可以穿透大部分固體的新型射線立即引起了全世界的關注。隨著X射線照片的公布，關于X射線的重大報道傳遍了全世界。X射線很快被引入醫(yī)學領域，倫琴也隨之聲名大噪。

而在倫琴發(fā)現X射線之后沒幾周，X射線就用于診斷疾病了。而對醫(yī)學領域來講，X射線除了是不同手術中至關重要的診斷手段，更是一項顛覆性、革命性的技術進步。X射線的應用，讓人們對疾病的認識真正進入現代社會，并且還將帶領人們走向未來社會。

免于解剖的透視

作為熱的一種傳播方式，人們對輻射并不陌生。

日常生活中，人們最熟悉的大概就是電磁輻射，包括普通的可見光。這類輻射由微小的能量單位光子構成，而這些能量的存在形式猶如電波和磁波流動的混合體。每種波都有它特定的波長，波長越短，輻射的能量就越高。電磁波的頻譜內包含可見光，可見光的波長大約在400納米（紫光）到800納米（紅光）之間。

輻射廣泛存在和應用于人們的生活。其中，微波和紅外線可以用于加熱物質，日常生活中的微波爐和保溫燈就是利用這種性質加熱和保溫的；廣播和電視信號同樣以輻射作為載體，不過，它們相對更長，這樣才有足夠的能量推動廣播和電視機工作電路內的電子，讓人們得以讀取輻射里攜帶的視聽信息。

X射線則是波長介于10-8米到10-11米的電磁輻射。伽馬射線的波長比X射線更短，只有某些特定元素的原子核才能釋放。X射線的能量非常之高，甚至能把原子或者分子里的電子撞開，使之成為帶正電的離子。

因此，這種強力的輻射也被稱為電離輻射（ionizing radiation）。電離輻射中，脫離的電子就像一顆子彈，可以繼續(xù)撞擊其他原子里的電子，因此，它在穿透細胞的路徑上會留下一長串離子，然后最終被某個原子接納。而離子的性質讓它可以參與各種各樣的化學反應。

在這樣的特性下，對于由較輕原子組成的肌肉等，X射線透過時很少有所減弱，但對于骨頭等由較重原子組成的物質，X射線則幾乎全部被吸收。就是說，當射線穿過人體時，人體表面的皮膚、皮下脂肪、肌肉、骨頭，甚至內臟全部都能顯現出來。它可以讓醫(yī)生事先無損傷地獲取患者內在的病變情況，而不是把患者的身體剖開。

從1895年X射線被發(fā)現，到1972年世界上第一臺電子計算機斷層掃描儀器的誕生，再到利用外加磁場改變電子自旋方向而產生的磁共振成像，X射線的發(fā)現，推動了醫(yī)學影像學的發(fā)展，讓外科醫(yī)生對人體內部的認識更加明晰和準確。

今天，通過計算機與影像數據的結合，醫(yī)生甚至可以制作出準確度驚人的器官模型，這可以讓醫(yī)生在手術前為風險較高的復雜病例制訂手術方案。

比如，在世界心臟基礎科學研究最重要的實驗基地之一的美國明尼蘇達大學醫(yī)院，心外科醫(yī)生廖康雄要為一名患有復雜心臟病的男孩定制一個心臟模型。因為這位患者比較特殊，他的心臟長在胸腔的右邊而不是左邊。用3D打印技術進行指導，把患者復雜的先天性心臟病的病變在術前展示出來，可以減少手術的風險，提高手術的精確性。

對于此，3D打印技術專家邁克選擇將患者的醫(yī)學影像數據輸入電腦后，經過計算機的三維重建，一個真實復原患者心臟的數字模型就做成了。借助這一數字模型，廖康雄可以全面精準地了解這顆心臟的組織結構、病變情況，以及血管分布等重要信息，為他和團隊在術前制訂精確的手術方案提供了重要依據。

而這一切的起點，正是源于X射線的發(fā)現——X射線的發(fā)現，不僅改變了術前診斷的方式，更徹底顛覆了手術的面貌。在計算機創(chuàng)造出的虛擬數字化世界里，如今，科學家們還在嘗試走得更遠。

從診斷到治療

當然，X射線并沒有止步于診斷，而是更進一步，成為了一種具有殺傷性的治療技術。

就在人們沉浸于X射線可穿透人體成像的神奇時，讓當時的科學家們沒有料到的是，一場災難正在悄無聲息地襲來。這種無色、無味的射線一旦接觸過量，它所產生的電離輻射將嚴重地破壞細胞組織，對人體造成致命的傷害。無數科學家正因此付出了生命的代價。

在德國漢堡圣喬治醫(yī)院的花園里，矗立著一座1936年建立的X射線殉難者紀念碑。紀念碑上銘刻著350個名字，他們都是20世紀初期最優(yōu)秀的醫(yī)生和科學家。由于無防護地頻繁接觸X射線，這批最早接觸X射線的研究者，幾乎全部相繼罹患癌癥去世。

1904年，美國圣路易斯世博會上，勛伯格設計制作的德國X射線技術展覽獲得大獎。但因為毫無防護地接觸X射線，1908年，勛伯格的雙手患了皮膚癌，截掉了右手中指和左臂膀。1921年6月4日，勛伯格在漢堡去世，終年56歲，成為早期德國醫(yī)學界最重要的“X射線烈士”。

經過多年的研究，科學家們才發(fā)現過量接觸X射線帶來的副作用。直到33年后，在國際放射學大會上，制定了X射線的操作規(guī)范，悲劇才就此終結。這些早期使用X射線的先驅，以自己的生命為代價，讓更多人的生命得以延長，也保障了之后醫(yī)護人員的安全。

當然，這種破壞性的意義也是雙面的——當X射線的破壞性作用于“不健康”的細胞時，健康也將隨之而來。而最“不健康”的細胞，正是令人色變的癌細胞。

放射療法也由此誕生。放射療法通過電離輻射破壞癌細胞的DNA，以殺死這些惡性細胞。這里的電離輻射是指電磁波（如X射線）或亞原子粒子（如質子）束，它們擁有充足的能量，可以使原子或分子電離。

放射療法會同時破壞正常細胞和癌細胞，但通常來說，快速生長中的癌細胞對輻射更敏感。這種療法可以直接破壞細胞內的DNA，也可以產生帶電粒子或自由基分子，通過后者來破壞DNA。

1957年，線性加速器首次用于放射療法，第一位接受這一療法的病人是患有視網膜母細胞瘤（retinoblastoma）的一個孩子。這是發(fā)生在視網膜上的一種癌癥，而視網膜是眼睛中感知光線的組織。孩子的一只眼睛得到了成功的治療。

放射線可以由一臺設備發(fā)出，也可以把放射性物質置于靠近癌細胞的部位，實行近距離放射治療。在全身放射治療中，需要使用可服用或注射的物質，也可以把放射性物質結合到抗體上，讓抗體把放射性物質帶到癌細胞處。

在放射性物質的發(fā)現史上，有幾個里程碑事件。比如，法國科學家亨利·貝克勒爾在1896年發(fā)現了鈾的放射性；德國科學家威廉·康拉德·倫琴則在1895年用放電管做實驗時，意外發(fā)現了X射線。1898年，法國科學家皮埃爾·居里和妻子瑪麗·居里發(fā)現了兩種放射性元素——釙和鐳。1903年，貝克勒爾獲得了諾貝爾獎，他在發(fā)表獲獎演說時提出，鐳也許可以用于治療癌癥。同一年，德國外科醫(yī)生格奧爾格·佩爾特斯率先使用X射線來治療乳腺癌和皮膚癌。

20世紀20年代和30年代，法國科學家克勞迪厄斯·雷高和亨利·庫塔爾發(fā)現，通過分次照射，即每天進行小劑量的照射，而不是一次完成大劑量的照射，可在破壞腫瘤的同時，對腫瘤周圍的健康組織造成較小的損害。另外，通過多次照射，癌細胞可在細胞分裂的各個階段都暴露在輻射之下，更容易被殺死。

今天，在癌癥治療上，放射療法已經占據了重要的地位。

沒有副作用的放療未來

不過，X射線的診斷和治療止步于今天還是遠遠不夠的。高能射線雖然能夠使細胞DNA電離損傷，細胞無法分裂，腫瘤細胞消亡，但卻無法避免對治療區(qū)域附近的健康細胞和組織造成傷害，這就是放療造成副作用的原因所在。而消除放療的副作用，就是當前和未來放療的目標所在。

2013 年上映的電影《極樂世界》中，電影主角因為暴露到放射線下而性命危及，他為了接受一個叫“醫(yī)療床”（Med Bay）的最先進醫(yī)療機器治療，而潛人了極樂世界。電影中將醫(yī)療床描述成可以重新排列病人DNA 并治療不治之癥，還能讓人類維持青春的機器。而如果要在實際醫(yī)療器材中選出一個最像醫(yī)療床的器材的話，正是放射線治療機。

像電影中一樣，只要掃描一次身體，就能治療體內所有的不治之癥，這樣的未來雖然還只是想像而已，但是癌癥痊愈的時代的確離我們越來越近了。

比如，美國能源部的SLAC 國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）與史丹佛大學合作使用加速器開發(fā)了新的癌癥放射線治療方法，目的是將原本幾分鐘的放射線照射縮短到一秒內，以降低放射線的副作用。其中，科學家利用直線加速器的原理進行改裝，把它縮小成可以進到貨柜的尺寸，讓病人能更輕易接受放射線治療。

當前，研究團隊正在進行兩個方向的研究，一項是使用X射線，另一項則是使用質子。兩個方法都能快速消滅癌細胞，并且不會傷害到人體丙其他器官與健康的組織，就像是用鑷子一樣把有問題的部分夾出來。SLAC的粒子物理及天體物理教授薩米·坦塔維表示：“為了更有效地傳遞出高強度的放射線，我們需要比現今技術強上數百倍的加速器構造。”

就使用X射線來說，第一項計劃“PHASER”就是在研發(fā)X射線雷射輸出系統(tǒng)。當前的醫(yī)療設備是讓電子穿越長約1公尺管型的加速器，當同時穿越同個方向時會產生能量，這時電子的能量會變換成X射線。而PHIASER研究團隊則在過去幾年里，在特殊形態(tài)的管子里研發(fā)與測試可以供給無限頻率的新加速器。在經過各種模擬后，科學家們已經找到了可以縮小尺寸又能設計出更強輸出率的方法。

第二項計劃即質子治療，原則上，質子對健康組織的傷害會比X射線更少，因為它比X射線能集中的范圍更小。不過，質子治療機要使用數百噸重量的磁鐵，為了加速量子與調節(jié)能量，需要很大規(guī)模的設施。因此，研究團隊正在研發(fā)可以更快產生質子且設備可以更小的設計。

從讓人體對癌細胞免疫的細胞治療，到使用納米膠囊專門消殺癌細胞的標靶藥物療法，征服癌癥的長期研究仍在持續(xù)進行中。而放射療法的發(fā)展，也正在為現代醫(yī)學開拓了可以更輕松又快速治療癌癥的道路，并且讓人們越來越感受到原本只有在電影里才看得到的未來醫(yī)療環(huán)境。