文｜觀察未來(lái)科技
1895年，威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）首次公開(kāi)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(guān)注。隨著X射線照片的公布，關(guān)于X射線的重大報(bào)道傳遍了全世界。X射線很快被引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，倫琴也隨之聲名大噪。
而在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后沒(méi)幾周，X射線就用于診斷疾病了。而對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來(lái)講，X射線除了是不同手術(shù)中至關(guān)重要的診斷手段，更是一項(xiàng)顛覆性、革命性的技術(shù)進(jìn)步。X射線的應(yīng)用，讓人們對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)真正進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，并且還將帶領(lǐng)人們走向未來(lái)社會(huì)。
免于解剖的透視
作為熱的一種傳播方式，人們對(duì)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(jiàn)光。這類輻射由微小的能量單位光子構(gòu)成，而這些能量的存在形式猶如電波和磁波流動(dòng)的混合體。每種波都有它特定的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越短，輻射的能量就越高。電磁波的頻譜內(nèi)包含可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大約在400納米（紫光）到800納米（紅光）之間。
輻射廣泛存在和應(yīng)用于人們的生活。其中，微波和紅外線可以用于加熱物質(zhì)，日常生活中的微波爐和保溫?zé)艟褪抢眠@種性質(zhì)加熱和保溫的；廣播和電視信號(hào)同樣以輻射作為載體，不過(guò)，它們相對(duì)更長(zhǎng)，這樣才有足夠的能量推動(dòng)廣播和電視機(jī)工作電路內(nèi)的電子，讓人們得以讀取輻射里攜帶的視聽(tīng)信息。
X射線則是波長(zhǎng)介于10-8米到10-11米的電磁輻射。伽馬射線的波長(zhǎng)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(kāi)，使之成為帶正電的離子。
因此，這種強(qiáng)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(xì)胞的路徑上會(huì)留下一長(zhǎng)串離子，然后最終被某個(gè)原子接納。而離子的性質(zhì)讓它可以參與各種各樣的化學(xué)反應(yīng)。
在這樣的特性下，對(duì)于由較輕原子組成的肌肉等，X射線透過(guò)時(shí)很少有所減弱，但對(duì)于骨頭等由較重原子組成的物質(zhì)，X射線則幾乎全部被吸收。就是說(shuō)，當(dāng)射線穿過(guò)人體時(shí)，人體表面的皮膚、皮下脂肪、肌肉、骨頭，甚至內(nèi)臟全部都能顯現(xiàn)出來(lái)。它可以讓醫(yī)生事先無(wú)損傷地獲取患者內(nèi)在的病變情況，而不是把患者的身體剖開(kāi)。
從1895年X射線被發(fā)現(xiàn)，到1972年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀器的誕生，再到利用外加磁場(chǎng)改變電子自旋方向而產(chǎn)生的磁共振成像，X射線的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展，讓外科醫(yī)生對(duì)人體內(nèi)部的認(rèn)識(shí)更加明晰和準(zhǔn)確。
今天，通過(guò)計(jì)算機(jī)與影像數(shù)據(jù)的結(jié)合，醫(yī)生甚至可以制作出準(zhǔn)確度驚人的器官模型，這可以讓醫(yī)生在手術(shù)前為風(fēng)險(xiǎn)較高的復(fù)雜病例制訂手術(shù)方案。
比如，在世界心臟基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的實(shí)驗(yàn)基地之一的美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)醫(yī)院，心外科醫(yī)生廖康雄要為一名患有復(fù)雜心臟病的男孩定制一個(gè)心臟模型。因?yàn)檫@位患者比較特殊，他的心臟長(zhǎng)在胸腔的右邊而不是左邊。用3D打印技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，把患者復(fù)雜的先天性心臟病的病變?cè)谛g(shù)前展示出來(lái)，可以減少手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)的精確性。
對(duì)于此，3D打印技術(shù)專家邁克選擇將患者的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)輸入電腦后，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的三維重建，一個(gè)真實(shí)復(fù)原患者心臟的數(shù)字模型就做成了。借助這一數(shù)字模型，廖康雄可以全面精準(zhǔn)地了解這顆心臟的組織結(jié)構(gòu)、病變情況，以及血管分布等重要信息，為他和團(tuán)隊(duì)在術(shù)前制訂精確的手術(shù)方案提供了重要依據(jù)。
而這一切的起點(diǎn)，正是源于X射線的發(fā)現(xiàn)——X射線的發(fā)現(xiàn)，不僅改變了術(shù)前診斷的方式，更徹底顛覆了手術(shù)的面貌。在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出的虛擬數(shù)字化世界里，如今，科學(xué)家們還在嘗試走得更遠(yuǎn)。
從診斷到治療
當(dāng)然，X射線并沒(méi)有止步于診斷，而是更進(jìn)一步，成為了一種具有殺傷性的治療技術(shù)。
就在人們沉浸于X射線可穿透人體成像的神奇時(shí)，讓當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們沒(méi)有料到的是，一場(chǎng)災(zāi)難正在悄無(wú)聲息地襲來(lái)。這種無(wú)色、無(wú)味的射線一旦接觸過(guò)量，它所產(chǎn)生的電離輻射將嚴(yán)重地破壞細(xì)胞組織，對(duì)人體造成致命的傷害。無(wú)數(shù)科學(xué)家正因此付出了生命的代價(jià)。
在德國(guó)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(jì)念碑。紀(jì)念碑上銘刻著350個(gè)名字，他們都是20世紀(jì)初期最優(yōu)秀的醫(yī)生和科學(xué)家。由于無(wú)防護(hù)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(guó)圣路易斯世博會(huì)上，勛伯格設(shè)計(jì)制作的德國(guó)X射線技術(shù)展覽獲得大獎(jiǎng)。但因?yàn)楹翢o(wú)防護(hù)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(guó)醫(yī)學(xué)界最重要的“X射線烈士”。
經(jīng)過(guò)多年的研究，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)過(guò)量接觸X射線帶來(lái)的副作用。直到33年后，在國(guó)際放射學(xué)大會(huì)上，制定了X射線的操作規(guī)范，悲劇才就此終結(jié)。這些早期使用X射線的先驅(qū)，以自己的生命為代價(jià)，讓更多人的生命得以延長(zhǎng)，也保障了之后醫(yī)護(hù)人員的安全。
當(dāng)然，這種破壞性的意義也是雙面的——當(dāng)X射線的破壞性作用于“不健康”的細(xì)胞時(shí)，健康也將隨之而來(lái)。而最“不健康”的細(xì)胞，正是令人色變的癌細(xì)胞。
放射療法也由此誕生。放射療法通過(guò)電離輻射破壞癌細(xì)胞的DNA，以殺死這些惡性細(xì)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(zhì)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(huì)同時(shí)破壞正常細(xì)胞和癌細(xì)胞，但通常來(lái)說(shuō)，快速生長(zhǎng)中的癌細(xì)胞對(duì)輻射更敏感。這種療法可以直接破壞細(xì)胞內(nèi)的DNA，也可以產(chǎn)生帶電粒子或自由基分子，通過(guò)后者來(lái)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(wǎng)膜母細(xì)胞瘤（retinoblastoma）的一個(gè)孩子。這是發(fā)生在視網(wǎng)膜上的一種癌癥，而視網(wǎng)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(tái)設(shè)備發(fā)出，也可以把放射性物質(zhì)置于靠近癌細(xì)胞的部位，實(shí)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(zhì)，也可以把放射性物質(zhì)結(jié)合到抗體上，讓抗體把放射性物質(zhì)帶到癌細(xì)胞處。
在放射性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)史上，有幾個(gè)里程碑事件。比如，法國(guó)科學(xué)家亨利·貝克勒爾在1896年發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性；德國(guó)科學(xué)家威廉·康拉德·倫琴則在1895年用放電管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了X射線。1898年，法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·居里和妻子瑪麗·居里發(fā)現(xiàn)了兩種放射性元素——釙和鐳。1903年，貝克勒爾獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，他在發(fā)表獲獎(jiǎng)演說(shuō)時(shí)提出，鐳也許可以用于治療癌癥。同一年，德國(guó)外科醫(yī)生格奧爾格·佩爾特斯率先使用X射線來(lái)治療乳腺癌和皮膚癌。
20世紀(jì)20年代和30年代，法國(guó)科學(xué)家克勞迪厄斯·雷高和亨利·庫(kù)塔爾發(fā)現(xiàn)，通過(guò)分次照射，即每天進(jìn)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(shí)，對(duì)腫瘤周圍的健康組織造成較小的損害。另外，通過(guò)多次照射，癌細(xì)胞可在細(xì)胞分裂的各個(gè)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(jīng)占據(jù)了重要的地位。
沒(méi)有副作用的放療未來(lái)
不過(guò)，X射線的診斷和治療止步于今天還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。高能射線雖然能夠使細(xì)胞DNA電離損傷，細(xì)胞無(wú)法分裂，腫瘤細(xì)胞消亡，但卻無(wú)法避免對(duì)治療區(qū)域附近的健康細(xì)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(dāng)前和未來(lái)放療的目標(biāo)所在。
2013 年上映的電影《極樂(lè)世界》中，電影主角因?yàn)楸┞兜椒派渚€下而性命危及，他為了接受一個(gè)叫“醫(yī)療床”（Med Bay）的最先進(jìn)醫(yī)療機(jī)器治療，而潛人了極樂(lè)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(jī)器。而如果要在實(shí)際醫(yī)療器材中選出一個(gè)最像醫(yī)療床的器材的話，正是放射線治療機(jī)。
像電影中一樣，只要掃描一次身體，就能治療體內(nèi)所有的不治之癥，這樣的未來(lái)雖然還只是想像而已，但是癌癥痊愈的時(shí)代的確離我們?cè)絹?lái)越近了。
比如，美國(guó)能源部的SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC National Accelerator Laboratory）與史丹佛大學(xué)合作使用加速器開(kāi)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(nèi)，以降低放射線的副作用。其中，科學(xué)家利用直線加速器的原理進(jìn)行改裝，把它縮小成可以進(jìn)到貨柜的尺寸，讓病人能更輕易接受放射線治療。
當(dāng)前，研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行兩個(gè)方向的研究，一項(xiàng)是使用X射線，另一項(xiàng)則是使用質(zhì)子。兩個(gè)方法都能快速消滅癌細(xì)胞，并且不會(huì)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(wèn)題的部分夾出來(lái)。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(qiáng)度的放射線，我們需要比現(xiàn)今技術(shù)強(qiáng)上數(shù)百倍的加速器構(gòu)造。”
就使用X射線來(lái)說(shuō)，第一項(xiàng)計(jì)劃“PHASER”就是在研發(fā)X射線雷射輸出系統(tǒng)。當(dāng)前的醫(yī)療設(shè)備是讓電子穿越長(zhǎng)約1公尺管型的加速器，當(dāng)同時(shí)穿越同個(gè)方向時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量，這時(shí)電子的能量會(huì)變換成X射線。而PHIASER研究團(tuán)隊(duì)則在過(guò)去幾年里，在特殊形態(tài)的管子里研發(fā)與測(cè)試可以供給無(wú)限頻率的新加速器。在經(jīng)過(guò)各種模擬后，科學(xué)家們已經(jīng)找到了可以縮小尺寸又能設(shè)計(jì)出更強(qiáng)輸出率的方法。
第二項(xiàng)計(jì)劃即質(zhì)子治療，原則上，質(zhì)子對(duì)健康組織的傷害會(huì)比X射線更少，因?yàn)樗萖射線能集中的范圍更小。不過(guò)，質(zhì)子治療機(jī)要使用數(shù)百噸重量的磁鐵，為了加速量子與調(diào)節(jié)能量，需要很大規(guī)模的設(shè)施。因此，研究團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)可以更快產(chǎn)生質(zhì)子且設(shè)備可以更小的設(shè)計(jì)。
從讓人體對(duì)癌細(xì)胞免疫的細(xì)胞治療，到使用納米膠囊專門(mén)消殺癌細(xì)胞的標(biāo)靶藥物療法，征服癌癥的長(zhǎng)期研究仍在持續(xù)進(jìn)行中。而放射療法的發(fā)展，也正在為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)開(kāi)拓了可以更輕松又快速治療癌癥的道路，并且讓人們?cè)絹?lái)越感受到原本只有在電影里才看得到的未來(lái)醫(yī)療環(huán)境。