文｜观察未来科技

1895年，威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）首次公开展示了他用X射线拍摄到的照片。这种可以穿透大部分固体的新型射线立即引起了全世界的关注。随着X射线照片的公布，关于X射线的重大报道传遍了全世界。X射线很快被引入医学领域，伦琴也随之声名大噪。

而在伦琴发现X射线之后没几周，X射线就用于诊断疾病了。而对医学领域来讲，X射线除了是不同手术中至关重要的诊断手段，更是一项颠覆性、革命性的技术进步。X射线的应用，让人们对疾病的认识真正进入现代社会，并且还将带领人们走向未来社会。

免于解剖的透视

作为热的一种传播方式，人们对辐射并不陌生。

日常生活中，人们最熟悉的大概就是电磁辐射，包括普通的可见光。这类辐射由微小的能量单位光子构成，而这些能量的存在形式犹如电波和磁波流动的混合体。每种波都有它特定的波长，波长越短，辐射的能量就越高。电磁波的频谱内包含可见光，可见光的波长大约在400纳米（紫光）到800纳米（红光）之间。

辐射广泛存在和应用于人们的生活。其中，微波和红外线可以用于加热物质，日常生活中的微波炉和保温灯就是利用这种性质加热和保温的；广播和电视信号同样以辐射作为载体，不过，它们相对更长，这样才有足够的能量推动广播和电视机工作电路内的电子，让人们得以读取辐射里携带的视听信息。

X射线则是波长介于10-8米到10-11米的电磁辐射。伽马射线的波长比X射线更短，只有某些特定元素的原子核才能释放。X射线的能量非常之高，甚至能把原子或者分子里的电子撞开，使之成为带正电的离子。

因此，这种强力的辐射也被称为电离辐射（ionizing radiation）。电离辐射中，脱离的电子就像一颗子弹，可以继续撞击其他原子里的电子，因此，它在穿透细胞的路径上会留下一长串离子，然后最终被某个原子接纳。而离子的性质让它可以参与各种各样的化学反应。

在这样的特性下，对于由较轻原子组成的肌肉等，X射线透过时很少有所减弱，但对于骨头等由较重原子组成的物质，X射线则几乎全部被吸收。就是说，当射线穿过人体时，人体表面的皮肤、皮下脂肪、肌肉、骨头，甚至内脏全部都能显现出来。它可以让医生事先无损伤地获取患者内在的病变情况，而不是把患者的身体剖开。

从1895年X射线被发现，到1972年世界上第一台电子计算机断层扫描仪器的诞生，再到利用外加磁场改变电子自旋方向而产生的磁共振成像，X射线的发现，推动了医学影像学的发展，让外科医生对人体内部的认识更加明晰和准确。

今天，通过计算机与影像数据的结合，医生甚至可以制作出准确度惊人的器官模型，这可以让医生在手术前为风险较高的复杂病例制订手术方案。

比如，在世界心脏基础科学研究最重要的实验基地之一的美国明尼苏达大学医院，心外科医生廖康雄要为一名患有复杂心脏病的男孩定制一个心脏模型。因为这位患者比较特殊，他的心脏长在胸腔的右边而不是左边。用3D打印技术进行指导，把患者复杂的先天性心脏病的病变在术前展示出来，可以减少手术的风险，提高手术的精确性。

对于此，3D打印技术专家迈克选择将患者的医学影像数据输入电脑后，经过计算机的三维重建，一个真实复原患者心脏的数字模型就做成了。借助这一数字模型，廖康雄可以全面精准地了解这颗心脏的组织结构、病变情况，以及血管分布等重要信息，为他和团队在术前制订精确的手术方案提供了重要依据。

而这一切的起点，正是源于X射线的发现——X射线的发现，不仅改变了术前诊断的方式，更彻底颠覆了手术的面貌。在计算机创造出的虚拟数字化世界里，如今，科学家们还在尝试走得更远。

从诊断到治疗

当然，X射线并没有止步于诊断，而是更进一步，成为了一种具有杀伤性的治疗技术。

就在人们沉浸于X射线可穿透人体成像的神奇时，让当时的科学家们没有料到的是，一场灾难正在悄无声息地袭来。这种无色、无味的射线一旦接触过量，它所产生的电离辐射将严重地破坏细胞组织，对人体造成致命的伤害。无数科学家正因此付出了生命的代价。

在德国汉堡圣乔治医院的花园里，矗立着一座1936年建立的X射线殉难者纪念碑。纪念碑上铭刻着350个名字，他们都是20世纪初期最优秀的医生和科学家。由于无防护地频繁接触X射线，这批最早接触X射线的研究者，几乎全部相继罹患癌症去世。

1904年，美国圣路易斯世博会上，勋伯格设计制作的德国X射线技术展览获得大奖。但因为毫无防护地接触X射线，1908年，勋伯格的双手患了皮肤癌，截掉了右手中指和左臂膀。1921年6月4日，勋伯格在汉堡去世，终年56岁，成为早期德国医学界最重要的“X射线烈士”。

经过多年的研究，科学家们才发现过量接触X射线带来的副作用。直到33年后，在国际放射学大会上，制定了X射线的操作规范，悲剧才就此终结。这些早期使用X射线的先驱，以自己的生命为代价，让更多人的生命得以延长，也保障了之后医护人员的安全。

当然，这种破坏性的意义也是双面的——当X射线的破坏性作用于“不健康”的细胞时，健康也将随之而来。而最“不健康”的细胞，正是令人色变的癌细胞。

放射疗法也由此诞生。放射疗法通过电离辐射破坏癌细胞的DNA，以杀死这些恶性细胞。这里的电离辐射是指电磁波（如X射线）或亚原子粒子（如质子）束，它们拥有充足的能量，可以使原子或分子电离。

放射疗法会同时破坏正常细胞和癌细胞，但通常来说，快速生长中的癌细胞对辐射更敏感。这种疗法可以直接破坏细胞内的DNA，也可以产生带电粒子或自由基分子，通过后者来破坏DNA。

1957年，线性加速器首次用于放射疗法，第一位接受这一疗法的病人是患有视网膜母细胞瘤（retinoblastoma）的一个孩子。这是发生在视网膜上的一种癌症，而视网膜是眼睛中感知光线的组织。孩子的一只眼睛得到了成功的治疗。

放射线可以由一台设备发出，也可以把放射性物质置于靠近癌细胞的部位，实行近距离放射治疗。在全身放射治疗中，需要使用可服用或注射的物质，也可以把放射性物质结合到抗体上，让抗体把放射性物质带到癌细胞处。

在放射性物质的发现史上，有几个里程碑事件。比如，法国科学家亨利·贝克勒尔在1896年发现了铀的放射性；德国科学家威廉·康拉德·伦琴则在1895年用放电管做实验时，意外发现了X射线。1898年，法国科学家皮埃尔·居里和妻子玛丽·居里发现了两种放射性元素——钋和镭。1903年，贝克勒尔获得了诺贝尔奖，他在发表获奖演说时提出，镭也许可以用于治疗癌症。同一年，德国外科医生格奥尔格·佩尔特斯率先使用X射线来治疗乳腺癌和皮肤癌。

20世纪20年代和30年代，法国科学家克劳迪厄斯·雷高和亨利·库塔尔发现，通过分次照射，即每天进行小剂量的照射，而不是一次完成大剂量的照射，可在破坏肿瘤的同时，对肿瘤周围的健康组织造成较小的损害。另外，通过多次照射，癌细胞可在细胞分裂的各个阶段都暴露在辐射之下，更容易被杀死。

今天，在癌症治疗上，放射疗法已经占据了重要的地位。

没有副作用的放疗未来

不过，X射线的诊断和治疗止步于今天还是远远不够的。高能射线虽然能够使细胞DNA电离损伤，细胞无法分裂，肿瘤细胞消亡，但却无法避免对治疗区域附近的健康细胞和组织造成伤害，这就是放疗造成副作用的原因所在。而消除放疗的副作用，就是当前和未来放疗的目标所在。

2013 年上映的电影《极乐世界》中，电影主角因为暴露到放射线下而性命危及，他为了接受一个叫“医疗床”（Med Bay）的最先进医疗机器治疗，而潜人了极乐世界。电影中将医疗床描述成可以重新排列病人DNA 并治疗不治之症，还能让人类维持青春的机器。而如果要在实际医疗器材中选出一个最像医疗床的器材的话，正是放射线治疗机。

像电影中一样，只要扫描一次身体，就能治疗体内所有的不治之症，这样的未来虽然还只是想像而已，但是癌症痊愈的时代的确离我们越来越近了。

比如，美国能源部的SLAC 国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）与史丹佛大学合作使用加速器开发了新的癌症放射线治疗方法，目的是将原本几分钟的放射线照射缩短到一秒内，以降低放射线的副作用。其中，科学家利用直线加速器的原理进行改装，把它缩小成可以进到货柜的尺寸，让病人能更轻易接受放射线治疗。

当前，研究团队正在进行两个方向的研究，一项是使用X射线，另一项则是使用质子。两个方法都能快速消灭癌细胞，并且不会伤害到人体丙其他器官与健康的组织，就像是用镊子一样把有问题的部分夹出来。SLAC的粒子物理及天体物理教授萨米·坦塔维表示：“为了更有效地传递出高强度的放射线，我们需要比现今技术强上数百倍的加速器构造。”

就使用X射线来说，第一项计划“PHASER”就是在研发X射线雷射输出系统。当前的医疗设备是让电子穿越长约1公尺管型的加速器，当同时穿越同个方向时会产生能量，这时电子的能量会变换成X射线。而PHIASER研究团队则在过去几年里，在特殊形态的管子里研发与测试可以供给无限频率的新加速器。在经过各种模拟后，科学家们已经找到了可以缩小尺寸又能设计出更强输出率的方法。

第二项计划即质子治疗，原则上，质子对健康组织的伤害会比X射线更少，因为它比X射线能集中的范围更小。不过，质子治疗机要使用数百吨重量的磁铁，为了加速量子与调节能量，需要很大规模的设施。因此，研究团队正在研发可以更快产生质子且设备可以更小的设计。

从让人体对癌细胞免疫的细胞治疗，到使用纳米胶囊专门消杀癌细胞的标靶药物疗法，征服癌症的长期研究仍在持续进行中。而放射疗法的发展，也正在为现代医学开拓了可以更轻松又快速治疗癌症的道路，并且让人们越来越感受到原本只有在电影里才看得到的未来医疗环境。