生物节律与时间医学

科技进展 � �� � � � � � � � � � �� � � � � � 生物节律与时间医学 童 建 〔苏州医学院� � � � � � � � � � � � �纽约州立大学石溪分校� 关键词 生物节律 时间医学 时间生物学 生物节律是亿万年自然进化赋予生命的一种基本特 征 � 生物节律具有内源性和可遗传性 , 同时又受到环境 信号的整合与校准 � 生物节律研究最重要的贡献 , 就是 导致了现代时间医学的建立 � 在疾病的诊断 、治疗和预 防 , 以及在轮班作业和中毒控制等公共卫生领域 , 对生 物节律的探索将为现代医学的发展提供全新的认识思路 和实践途径 � 领域开辟 一�时间医学的新方向 � 对生物节律的深入研究 , 将赋予现代医学新的实践 内容 � 一 、 导 言 � �� � 年 , 意大利科学家桑克托里斯�� � � � �� � 一� ��在 白已的餐桌下安装了一个特制的秤 , 每次进餐时可称量 体重 � 在长达 �� 年的时间里 , 他坚 持不懈地 自我测量 和记录 , 结果发现 , 他的体重呈现以 �� 天为周期的节 律性变化 , 并且与尿浊度的 月周期相一致 � 这个现象和 许多其他的观察使他后来在著作中写道 �万物皆存定时 , 耕获有节 , 生灭有期 ,大 自然让每个合时之物尽善尽美 � 近代科学研究表明 , 自然进化已在生物体 上打下 了 深深的烙印 � 内源性生物节律 �我们看到鹰在白天翱翔 , 猫 头鹰则在夜间猎食 � 蜜蜂通过比较太阳 与自身的位 置关系来“测量”钟点 , 而某些花朵的开放或闭合时间是 如此精确 , 以至一个有经验的植物学家用不着看表 , 只 要通过观察就能准确地报时 � 光暗的 日夜交替 , 四季的 周而复始 , 海潮的高涨退落 , 地球环境亿万年的循环演 变 , 赋于了生命一种基本的性质 � 节律性振荡 � 在我们人体内部 , 存在着各种形式的生理节律 � 脑 电波以微秒级的周期扩散传导 � 心脏以每分钟 �� 次左 右的频率跳动 � 体温和血压在 �� 小时内昼夜升降 � 而 体液中激素的浓度却以月和季度为周期高低起伏 � 皮肤 细胞的分裂 , 在夜间旺盛而在白天相对静止 � 如此等等 � 研究生物的时间结构 、 时序过程及其影响因素的科 学 , 叫作时间生物学��� � � � � �� 一� � ��� 近年来 , 时 ��� 生 物学家和医学家们共同努力 , 将时间生物学的研究方法 和成果运用干医学领域 , 在疾病的诊断 、 治疗和预防等 二 、 环境信号与生物节律 时间生物学的研究对象 , 主要是生物的周期性行为 , 包括生物体内各种生命活动的重复现象 � 按照进化论原 理 , 在漫长的生物演变过程中 , 自然选择的力量使得只 有那些与环境信号保持和谐同步的个体才得生存 � 到目前为止 , 已经确定和分类出大量的生物节律 � 亚 日节律 �� ��� � � �� � �� ���� ��是指周期短于一天的节 律汝�一心跳 、 呼吸节律 �昼夜节律����� � � �� � �� ���� ��是以 大约 � � 小时为周期的节律 , 如 � 小时睡眠 , �� 小时觉 醒周期 , 体温周期等 � 此外还有周节律 、 月节律 、 季节律 和年节律等等 � 所有这些节律的共同特征之一 , 是在去 除或脱离了正常环境信号之后 , 仍会按照 自已 固有的频 率继续运转 � 时间生物学家将此状态称为“ 自由运行 ” ��� � � � � �� � � �, 以形容生物节律在没有外源环境信号的 同步作用时 , 会像钟摆那祥自由地 、内源性地摆动 � �� � 年 , 法国科学家米歇尔 · 西费�� �� �� � �� 月’�℃� 只身一人进入一个数十米深的洞穴中 , 在不知道昼夜时 间 , 也没有任何环境信号的条件下生活了两个月 � 实验 结束后 , 他在洞中的生活起居记录 , 发现每天的活 动 一睡眠周期大约为 �� 小时 , 而不是他在地面正常生活 时的 �� 小时 � 后来 , 又有人重复了类似的实验 , 证实了 人的 “自由运行 ”昼夜节律为 �� 小时 � 在中曾对各种动物做过研究 � 其中一个试验 是测定两组小鼠 , 包括一组正常鼠和一组盲鼠的体温和 血中白细胞的周期 � 正常小鼠中, 这两种节律在每天的 同一时点出现高峰或低谷 , 十分恒定 � 而在盲鼠中, 节 律的峰谷值每天都要提前一段时间 �对此现象的解释是 , 环境中的光暗周期对机体节律起着同步校准作用 � 对于 育鼠来说 , 这种同步作用 消失 , 从而呈现出“ 自由运行 ” 节律 � · � �� · 自 然 杂 志 �� 卷 � 期 科技进展 地球的自转使得我们每一天都要与太阳和月亮相对 一次 � 在每个月的满月和新月之 日 , 太阳 , 月亮和地球 位于一条直线上 , 此时海潮的涨落更为明显 , 而我们也 受到较大的引力作用 � 自然界周期性信号的变化 , 能够 诱导生物节律的偏移 例如在人为设置的光 一暗周期中, 动物的睡眠 、活动 、体温甚至生殖行为都会发生改变 � 可 见 , 环境信号是生物节律的外界驱动力 � 三 、 可遗传的生物节律 �� ! 年 , 法国科学家梅兰 �� � � � �� �� �� 对向 日葵可 随太阳位置而旋转的现象很感兴趣 � 他设想如果旋转是 与太阳光照有关 , 则在持续黑暗中向日葵就应当停止运 动 � 令他奇怪的是 , 结果恰恰相反 、 向日葵在黑暗中仍 然按照正常的时间规律周期性运动 � ��� 年之后 , 德国 学者威廉 · 普费弗�� ����� � ��� ��� �� 用含羞草做了同样 的试验 � 发现叶子的运动周期在持续光照或持续黑暗条 件下均保持不变 � 经过几个世纪的观察研究 , 现在己经 知道 , 生物节律是生物体的固有性质 , 其特征被编码在 遗传物质一一� � � 中� 一种生物节律的表达 , 不仅是 基因结构空间反应的结果 , 而且是遗传密码时序调控的 产物 � 对果蝇的研究证实 , 至少存在着两种控制节律的基 因 � 其中一种负责管理果蝇由蛹变为成虫的过程 , 另一 种控制果蝇交配前发出的特定频率的歌声 , 周期约为 ��� � 这两种节律的原位基因可转录出特异的调节蛋白 , 控制节律的运行 � 调节蛋白产生得越多 , 节律的运行就 越快 � 有趣的是 , 对果蝇节律基因的分析表明 , 在小鼠 和鸡的染色体中都存在相似的 � � � 片段 , 其 � � 的 碱基排列顺序与人的某些基因基本一致 � 一个基因的突变可导致节律的紊乱 � 正常情况下 , 果蝇由蛹变为成虫的过程总是发生在清晨 � 而基因突变 后 , 此过程可见于一天中的任意时刻 � 除此之外 , 突变 还造成果蝇昼夜活动周期的缩短���一 ���� 或延长�� 一 �� ! , 以及特征频率的求偶歌声的消失 � 若将控制节律 的基因片段剪除 , 则果蝇不再显示这些周期性行为 � 生物节律原位基因的发现 , 为了解节律在细胞和组 织中的工作机制提供了一条线索 � 有人提出 , 原位基因 通过调节细胞膜离子通道的开启和关闭对节律进行控 制 � 细胞膜的选择通透性允许某些离子进出细胞 , 但阻 止另外一些离子的内外交换 � 与此同时 , 细胞膜两侧的 电位发生改变 , 引发一定频率的振荡 � 有一些试验结果 支持这个假说 � 例如 , 已知一些可以改变膜通透性的化 学物质如乙醇等 , 能够影响动植物的节律参数 但是最 新的研究证实, 原社基因对节律的控制与离子通道无 关 , 而是通过对构成生物钟的细胞群体间的调节来实 现的 � 还有人提出一种时间子假说��� � � � � � ��� � �� � ����, 认为节律的表达是由对 � � � 链上的密码连续阅读而形 成的 � 生物钟对 � � � 序列顺序和定时的转录导致 �周 期性的生理功能 � 不管最后的机制如何 , 有一点现在是可以肯定的 , 那就是生物钟是一种客观存在 , 并具有可遗传的物质基 础 � 当你将两种不同节律的豆类植物进行杂交 , 发现其 后代的节律参数恰巧居于二者之间 � 当你测定两个相距 千里的孪生子的心跳节律 , 并发现其惊人的一致性后 , 你会承认 , 可遗传性是生物节律的普遍特征 � 四 、 生物节律与临床医学 迄今为止 , 时间生物学最重要的发展 , 就是导致 了 时间医学的建立 � 通过对疾病与时间关系的长期观察 , 时间生物学家为临床医生们提供了大量有关发病的时间 规律的信息 , 如心脏病在上午 � 时的发病频率是晚 仁 �� 时的 � 倍 � 抑郁病人的体温周期常出现缩短的趋势 � 冬季对肇丸精原细胞癌的确诊率远比夏季高 , 等等 � 这 些观察在医学卫生的各个领域 , 特别是对于疾病的诊断 和治疗, 具有实际的指导意义 � � � 生物节律与疾病诊断 在心脏病的诊断中 , 心电图�� � � �是主要的工具之 一 长期以来 � 医生们大多只凭一次 � � � 检查结果便 作出诊断 , 误诊率很高 � 实际上, � � � 的波型特征存在 着生理性节律 � 在病理情况 一� , 节律的参数会发生改 变 对一组冠心病人连续 � 年 ��� 的 � � � 分析表明 , 心跳早搏出现的时间和类型可用来预测患者在近期内发 病或死亡的危险性大小 � 一个局部心肌缺血的病人在第 一天门诊检查时可以不出现明显的 � � � 异常 , 但在以 后的 �� 天中却可能发生频繁的心绞痛 因此 , 仅仅 只 做 �� � 的观察显然不够 , 必须对病人进行数 日甚至数周 的连续监测 , 才能真实揭示心跳节律的特征及其病理类 型 � 而由计算机控制的携带式 � � � 装置的问世 , 已使 得连续监测和 自动定时采样分析的过程变得十分简便 而可靠 � 对高血压的诊断也是如此 如果不 了解血压的昼夜 波动规律 , 只凭一次或几次随意的测量 , 是不可能掌握 一个人血压的全貌的 � 在生理情况下 , 人的收缩压和舒 张压在傍晚前的一段时间达到峰值 , 而在清晨时最低 ��� 科技进展 � 子� � 月 � � 了�� � �、�� � � � � � 但是在高血压病人 , 有时收缩压的峰值位相虽然基本不 变, 但是舒张压的峰值却会发生偏移 , 多数提前在 上午 出现 � 由于舒张压是诊断高血压的主要指标 , 因此 , 如 果不全面了解其昼夜变化的规律 , 就无法获得准确的诊 断依据 , 造成贻误病情或不必要的服药治疗 � � � 生物节律与疾病治疗 人体内的生化反应和生理功能的基本特征之 , 是 周期性振荡 � 在不 同的季节和一天中的不同时间 , 机体 对外源性刺激的感受性是大相径庭的 � 这就是时间治疗 学的理论依据 � 时间药理学的研究已经证实 , 大多数药 物都有其最佳的作用时点 � 抗组织胺类药物在清晨使用 时药效较强 � 磺胺类药物则在夜间服用才能维持较长的 血浆半衰期 � 青霉素只对生长活跃的细菌群体有效 � 而 服用激素类药物必须考虑机体内分泌的周期位相 � 我国 传统的 中医理论十分强调 “因时制宜 ”和 “因天时而调血 气”的治疗 , 早就创立了 “子午流注 ”和“灵龟八法 ” 等依时取穴用药的经验方法 � 同一剂药 , 在某 一特定时 辰服用疗效显著 , 而在另一时间服用却完全不起作 用的 病例报道屡见不鲜 � 另一方面 , 机体对药物的毒性反应也具有昼夜耐受 性 � 有些药物在早晨服用副作用明显 , 而另一些则在夜 间出现较大的毒性 已知肿瘤细胞和正常组织具有不 同 的生长节律 , 在 � � � 合成和细胞分裂等方面都存在质 的差异 , 对化疗药物的反应也不相同 � 因此 , 可以按照 各 自不同的节律特征 , 针对性地制定出最优化的时间治 疗 , 在最大程度地杀灭肿瘤细胞的同时 , 尽可能地 减少正常组织的损伤 � 还有些药物 , 如二氨二氯络铂 , 对细胞的损伤是无选择性的 , 但是肝脏和肾脏对其代谢 转化的能力却有着时间差异 � 研究发现 , 如果在肝肾功 能的活跃时相用药 , 则可在不影响药效的情况 卜 增加 其解毒和排泄过程 , 从而使毒性减至最小 � 已知肿瘤细胞对放射性照射也存在时间敏感性 � 肿 瘤体表部位的温度具有周期性变化 , 而温度越高 , 肿瘤 细胞的代谢越活跃 � 故可将肿瘤代谢活性的节律作为放 射治疗的参考指标 � 在肿瘤体表温度峰值进行照射 肿 瘤的消退最快 � 对两组病人的前瞻性研究显示 , 按此方 法治疗 � 年后 , �� �的病人仍然健康存活 , 而在体表温 度峰值出现前或出现后 �一�� 才照射的病人中 , � 年后 存活率只有 �� � � 起 人们的注意 除 了认识到生理节律在疾病诊断和治疗 方面的价值外 , 正在积极探讨生物节律在疾病预防和公 共 且生学 上的意义 � 随着时间医学的发展 , 不仅时间药 理学和时间治疗学得到 了长足的进展 , 而月�还开拓出时 间毒理学 、时间预防学和时间卫生学等新的研究领域 � 人类的 一些社会活动 , 如轮班制工作 、 夜生活和跨时区 的 飞行 , 以及 ��二业及经济发展对环境和生态的破坏 , 使 得 与人体健康密切相关的生理 节律 , 正面临越来越大的 威胁 五 、 生物节律与预防医学 近年来 , 生物节律与人体健康之间的关系已逐渐引 � � �� · � , 生物节律与疾病预防 现代医学的发展 目标 , 已不仅是治好更多的病人 , 而是着眼于积极地预防疾病的发生 � 应用遗传学和生物 工程技术 , 现已能够对几种少见疾病 , 如新生儿苯丙酸 酮尿症等进行危险性预测 � 但是对 于 一些常见的 主要疾 病 如高血压 、 冠心病 、 中风 、 肝脏病等的 旱期预报 , 还 存在许多困难 运用生物节律有助 于解决这些问题 , 提 前发现处于亚临床或潜伏状态的病人 � 最近 , 美国 , 日本和意大利的科学家合作 , 用时间 生物学的 方法测定新生儿的 血压节律 , 试图寻找出特征 性的 节律类型以预测将来发生高血压的危险性 � 他们借 助计算机 自动采样分析系统 , 对 组新生 儿在 � �� 内短 半个小时测定一次血压和心跳 、 分析结果表明 , 在那些 有高血压家族史的新生儿中 , 血压的昼夜波 动幅度较 大 ‘根据这 一特点 ,就可在没有高血压家族 史的婴儿 中、 鉴别出对高血压 “易感 ”的高危个体 , 并为之提供相应的 预防性措施 , 包括适当的饮食 , 药物的禁忌 , 定期检查 以及成年后对高血压的重点防治等 � 患过纤维细胞瘤的妇女容易发生乳腺癌 � 对催乳素 水 乎季节性波动的测定 , 能够筛选出这类患者 � 从 节律 参数的余弦曲线图上可清楚地看出 , 正常妇女昼夜和季 节性的节律振荡很明显 , 而有病变的妇女则振幅低平 � 这时 , 可以采用主动的干预措施 , 中止病程的进展 � 例 如 , 可以植人一种特殊的微型药泵 , 按照节律的参数特 点定时定量地将药物释放到体内 , 刺激机体增加催乳素 分泌 � 通过预防性用药 , 可使催乳素的节律振幅和波型 恢复正常 , 并且� 减少 了乳腺癌的发生 、 说明这种干预性 措施是行之有效的 � 抑郁症是一种常见的 节律紊乱性疾病 患者的体温 节律和 神经 内分泌 系统的 节律位相 往往持 续性 前 移 � 病人 在睡眠时快动眼相 多提前出现 , 早 �醒得较 早 锉盐是一种常用的治疗精神病的药物 � 它能延长节 律的周期 , 使提前的位相相应地延迟 , 因此能有效地缓 解和改善抑郁症状 � 如果能 早期及时地服用 , 还可通过 自 然 杂 志 �� 卷 � 期 科技进展 校正节律位相而预防抑郁症的发作 � �� 人体节律与轮班制工作 睡眠 与觉醒周期是人类最明显也是最重要的昼夜节 律之一 如果这个节律被打乱 , 会导致许多心理和生理 功能的异常 , 并引发其他的节律系统出现病变 在社会 的各种行业中 , 不少人因为职业或工作需要 , 不得不实 行规则的轮转作息、制或倒班工作制 � 例如工厂的 工人 、 日夜商店的营业员、植勤的官兵 、 医疗卫生工作者 、邮电 通讯和交通运输人 员等 � 据美国卫生统计中心的资料 , 美国社会各类职 〔中有 �� � 的男性和 �� 的女性在从 事轮班制工作 � 在这些人 中 , �� � 以 � �伴有不 同程度的 睡眠障碍 , 同时心血管疾病和胃肠道功能紊乱的发病率 也有明显增加 如前所述 , 人类的昼夜生理节律具有自 发性延迟的倾向 , 只是山于环境时间信号的同步作用 , 才将节律周期“校准 ”为 � � � � 一般来说 , 节律位相的提 前对机体健康的影响较大一 个常见的现象是 , 在周 末 , 山于没有 � �上班时间的制约 , 许多人会睡得较晚和起得 较迟 � 到 了星期一的早 上, 当又必须按时早起上班时 , 有人会出现 一 种 “周 一清晨憔悴症�,� � � � ��� � �� �� � � �� � �� �� 这是由于周末期间节律位相 已经延迟 , 因而在 周 一清晨起床时 , 人体内源性睡眠 一觉醒节律的位相 一与 外部时间之间己处于失同步状态 � 在目前实行的倒班制中, 最常见的是将 �� � 分为三 班 �� , 每个星期各班轮换一次 � 这就迫使人体节律的位 相每周移动一次 , 不 是提前 , 就是延迟 � 而当经过一周 的调整适应 , 人体节律与外部时间刚刚趋于 同步时 , 又 被新的活动周期所打乱 � 如此恶性循环 , ’ 使机体长期处 于一种持续的失调状态 , 最终导致疾病的发生 � 因此 , 根据人体节律的特点 , 认为每三周轮班一次是较为合理 的方案 � 一些企业采用这种轮班制度后 , 工人的睡眠和 健康状况有了明显的改善 , 与此同时 , 生产的产量与质 量也得到了提高 � � � 人体节律与中毒预防 研究生物节律 一与毒物相互作用的学科 , 叫做时间毒 理学�� ��� � � � � �� � �� � ��� 多年来的研究证实 , 许多环境 毒物 ,包括重金属类 , 有机溶剂 ,杀虫剂和除草剂 , 以及一 些致癌物等, 都存在着时间性毒性�� � �� � �� � �� �� �� �, 即同 一剂量的毒物在不同的时间可导致不同强度甚至不同性 质的毒作用 � 产生这种现象的原因包括毒物在体内吸收 代谢的动力学节律 、 毒物靶组织的时间敏感性和毒物对 时间结构�即生物钟�的干扰破坏等 � 可以将人类对环境毒物的时间敏感性差异 , 以及中 毒发生的时间性特征的资料 , 应用于有害因素的调查和 确定 � 例如对于一种毒物慢性中毒的调查 , 可以根据其 毒性节律 , 决定一天或 一年中生物采样的最适时间 , 从 而更准确地反映机体的中毒情况 � 此外 , 由于许多毒性 损害远在引起器官病理变化之前 , 就已使生理节律发生 紊乱甚至消失 , 因此可将生物节律的异常作为调查中毒 的敏感指标 � 最近的研究揭示 , 有机磷农药对机体的毒作用存在 着昼夜节律性 � 在动物实验中, 分 别于不 同的任夜时点 以相同的剂量对不同组小鼠进行染毒 , 观察各组小鼠死 亡率的情况 , 结果发现 , 在晚上 � � �� 时染毒组的动物 死亡率最高 , 为 �� � , 而 ��午 �� 二�� 时染毒组的死 亡 率最低 , 仅为 � � � , 二者相差 � , �� 倍护 � �� � �� � 后来证 实 , 这种现象是由干体内胆碱醋酶的活性节律所造成 � 在胆碱醋酶活性的峰值期 , 死亡率最低 , 而在谷值期死 亡率最高 , 表明机体对农药的毒性存在着时间敏感性 � 在此基础上 , 还对农药生产工人进行 了血液胆碱醋酶节 律测定和健康调查 , 发现正常的节律已经消失 � 进 一步 又研究出 , 一天中人体对有机磷农药有 一段最敏感的时 间 , 因此建议在此期间应当尽量避免接触以减少中毒发 生的可能性 � 随着生物钟理论和生物节律机制研究的不断深入 , 己开始对传统的生物医学概念提出了挑战 � 以往的生物 学理论和医学实践都强调生命系统的恒定性 , 特别强调 维持内环境的稳定是生命活动的基础 � 而时间生物学则 认为 , 机体的代谢和功能都具有节律性变化 , 周期性振 荡才是生命的基本特征 � 可以相信, 这些研究不仅对于 现代医学的发展 , 而且对于探索生命的奥秘 , 都将提供 全新的理论和实践途径 � 童 建 国 际 时 间 生 物学 学 会 和 中 国 时 间 生 物 学学 会 会 员 , �� � 一 19 92 期 间曾在 L N . E dm un ds 教授的实验室进行博士后研 修 , 主研细胞昼夜钟的分子调节 . 现为苏 州医学院放射医学系副主 任 、副教授. 苏洲 215007 L N . E dm uu 山国际时间生物学学会主席 , 美国纽约州立大学石溪分 校生命科学系教授 主要参考文献 l 童 建 . 科学. 1992 ; 44 (4 ): 32 2 童 建. 科学 . 19 , l ; 4 3 (4 ) : 270 3 E d m u n d s , L 入.Ch ro儿o b io l . In z l9 9 2 ; 9 ( 3 ) : 1 8 0 4 E d m u n d s , L N . C e l l o la r a 陀d m o le e u la r b a se s o f b fo lo g ie a l e lo ‘k s . N e w Y o r k : S P ri n 邵r一 V e r l a g , 1 9 8 8 : 1 2 一 7 4 5 T o u i t o u s , Y , H a u s , E . B 一0 10 9 一c r h y th m s . I n : C lln ic a l a n d L a b o ra , o - ry 刀edic 姗 ‘ N e w Y o r k : S p r i n g e r 一 V e r l a g , 1 9 9 2 : l 一3 4 J o h n s o n , C . H . 月用er. S e i 19 86 ; 74 : 29 S h in , H . S . 刃口tu r e . 1 9 8 5 ; 3 1 7 : 4 4 5 2 0 7 科技进展 8 Hermida, R . C , Ch r o n o b to l ] 夕8歹扩 ( 1 2 ) : 1 8 5 9 H a lb e r g , F . O n e o lo gy Ne w s . 1 9 8 5 ; ( 1 1 ) : 4 1 0 H al b er g. J . C h r o n o b i ol . 1 9 8 5 ; ( 1 2 ) : 2 4 9 Z 正r“ n Z a z h i V o l . 1 7 N o 月 B io lo g ie a l R h y th m s a n d C h r o n o ln e d ie in e T o n g J ia n ¹ , L . N . E d m u n d s º ¹ A s s ‘,。 , a z e P r o 户sso r, D e 脚rtm ent of R ad滋0 M edi ein e , S u z h o u M e dic a l 6 〕lle g e S u z h o “ , 了衣决n gs u 2 1 5 0 0 7 º P r o 户ssor. D e那rt脚en r of L i户 Seie 陀e e th e S ta t e U ”iv e rs ity o f Ne w Y o rk , S t o n y B r o o k , N Y 1 1 7 9 4 , U S , A K e y w o r d s b i o l o g i e a l r h y t h m s : e h r o n o m e d i e i n e ; c h r o n o b i o l o g y 生物医学成像百年史 洪 明乾 关键词 计算机 X 射线层析成像 磁共振成像 功能磁共振成像 正电子发射层析成像 单个光子计算层析成像 这得从 100 年前说起 . 1895年威廉姆 · 伦琴无意 中发现阴极射线管可以使一张涂有铂氰化钡的纸发光 , 即使把管子和纸分放在两间隔开的房间里也是一样 . 伦 琴认为管子一定放射出某种具有穿透力的射线. 他把这 种未知射线命名为 X 射线 . 不久 , 他又发现如果让 X 射线穿过人手 , 射向一个涂有化学物质的屏幕 , 里面的 骨胳就会清晰地显现在幕上. 事实上 , 有史以来第一张 ‘ X 射线人体解剖照片上照的正是伦琴夫人的左手. 此后的几十年里 , X 射线发展成为广泛使用的诊断 工具.因为骨头在照片上清楚地呈现为黑色背景上的白 色物体 , X 射线特别适用于检查骨折与骨裂. 同时它也 可用来发现癌症肿瘤和呼吸道疾病 , 如结核 , 以及各种 其他的组织异常. X 射线使用极其方便 , 且分辨率高 , 可以显示出 o .lm m 大小的细节. 因此很受欢迎 .但另一 方面 , X 射线仅抓住了人体三维结构的一小片 , 且不善 于区分密度相近的组织. 这使得某些身体特征在 X 射 线下不甚清晰. 再有 , 任何 X 射线照射对人体总归是有 害的 , 尽管今天所用 的微小剂量已经几乎是绝对安 全了. 半个多世纪 中 , 医学成像科学一直是随 X 射线技 术的进步而稳定但又缓慢地发展着.可是在 70 年代初 期 , 由于新技术一一计算机 X 射线层析成像法 , 即 C T (eom p ute rized tom o grap hy)一一的出现 , 这门科学 一下子进入了高速发展时期. C T 首先要进行上千次从 不同角度的 x 光照相.取得的大量数据经计算机合成 , 能构成身体任何部分的三维图像.医生可以指令计算机 从任意方向显示出任何深度上的二维断面图. C T 扫描 给医学诊断带来了革命性的变化 , 例如它使医生能看到 一个受伤的头部是否有脑出血 , 或是癌症患者身上肿瘤 的形状和程度. 自 C T 开始 , 一系列新的医 学成像工具相继问世. 每一种新方法都揭示身体的不同信息 . 它们各自根据不 同的物理学原理 .这些新技术的共同点在于都以计算机 为基础 , 从电子仪器收集的大量数据中构成图像 , 而不 像 X 光仅仅是用 X 射线代替光线在胶片上获得的 照 片. 这些技术的一部分已经得到了应用. 但它们无不是 在研究人员首先解决了大量的技术难题之后才得以实 现的. 80 年代初 , 磁共振成像 , 即 M R I(m agnetic reso- nanc。 im a gi n g )的出现提供了另一种完全不同的拍摄体 内照片的方法. 不同于让 x 射线穿过体内 , M R I 基于 强磁场和高频信号导致体内原子发放出它们 自身的信 息. 通过收集和分析这些信号 , 计算机可以构造出三维 图像. 像 C T 一样 , 它们常常以二维断面图显示出来. 如果 M R I仅仅是从不同途径得到与 C T 同样的图 像 , 那么它的发现就没有什么值得庆贺的了. 当然由于 M R I 避免了有害的 x 射线 , 从而免去了人们的许多担 心. 但它并不具有 C T 那样高的分辨率. M R I的价值在 于它能够提供与 C T 非常不同的身体的信息. X 射线和 C T 扫描的信息依赖于身体结构的密度 . 密度越大 , 越 多的 X 射线会被挡住 , 图象上就更白. 骨头在普通 X 射线 图上特别突出就是因为它的密度较周围组织更大. 与此不同的是 M R I反映了某种元素在体内的分布 . 其 中最为常用的就是氢原子 , 因为氢作为水的组成部分很 容易在体内找到. 这样 M R I扫描就可根据含水量区分 不同的组织. 脂肪多的组织含水较少 , 看上去较亮.血 208