X因子：125年的X射线技术创新历程
125年前的这个月（准确地说是1895年11月8日），德国物理学家Wilhelm Conrad Roentgen（1845年至1923年）发现了x射线的存在。他在自己的实验室里使用阴极射线管（当时称为“Crookes管”）进行实验，其由一个玻璃泡组成，将正负电极封装在真空中。
阴极管上覆盖着厚厚的黑纸，Roentgen很惊讶地发现，当他施加电流时，阴极管上会发出绿色白炽辉光。辉光被反射到九英尺外的屏幕上。在进一步的实验中，他发现这种光可以穿过包括人体组织在内的大多数物质，但不能穿过金属、骨头等固体物体。由于他不知道这些神秘的光线是什么，他称它们为“X”，一个表示未知变量的数学符号。1
Wilhelm Roentgen（左）；最早的放射图像之一，Roentgen妻子的手部X射线照片，显示了她所佩戴的结婚戒指。
这一发现在全世界引起了轰动，并且仅在数月之内，医用放射线机就被制造出来并投入使用，举例来说，战地外科医生用于定位受伤士兵身上的子弹2 Roentgen 1901年，Roentgen被授予首个诺贝尔物理学奖。
75年后的1972年，英国工程师Godfrey Hounsfield和出生于南非的物理学家Allan Cormack开发了一种新的成像方法，称为计算机断层扫描（CT），也称为x射线计算机断层扫描（简称CAT扫描）。CT方法通过一系列平面x射线图像生成物体的三维图像。这种方法给诊断成像带来了变革。1979年，Hounsfield和Cormack被授予了诺贝尔生理学奖（医学奖）。
人脑的计算机断层扫描图像，从头骨的底部到顶部（图片来源：Wikimedia Commons，查看可滚动图像系列）。
X射线和电磁波谱
跟太阳发射的所有光波一样（包括可见光和不可见光），X射线也是电磁波谱的一部分。X射线及其近邻的伽马射线拥有数量级上最短的波长：可见光波长在6000埃范围内，X射线在1埃范围内，伽马射线在0.0001埃左右。
电磁波谱的频率和波长，包括可见光和X射线（改编自 http://mynasadata.larc.nasa.gov/science-processes/electromagnetic-diagram/）。3
由于x射线（和伽马射线）具有非常短的波长和很高的能量水平，它们可以穿透光线不能穿透的物质，并且它们具有破坏这些物质中的化学键的能力。这些波长可以使原子发生电离（即从原子中去除电子），称之为“电离辐射，”。电离辐射可能很危险；当它穿透活生物体的细胞时，细胞可能发生变异或死亡。
举例来说，过度的辐射暴露可能导致人类或动物细胞发生癌变。但是，尽管这种力量（即：能够穿透可见光波无法穿透的材料）可能很危险，但它也使x射线成为了一种有价值的工具，从用于挽救生命的医学成像到帮助我们了解外太空，其应用范围十分广泛。
X射线应用
医学诊断。 X射线在医学的多个领域都是关键的诊断工具，包括检查受损的骨骼、发现体内的异物以及确定牙齿上的龋洞。将感光胶片放置在患者身后，并使X射线穿过人体组织，从而创建骨骼、金属及X射线或多或少无法穿透的其他物质的阴影图像。由于反复或长时间暴露在辐射下可能会对人体造成伤害，因此通常使用铅防护板或铅护罩来保护无需成像的身体部位（但医学专家最近正在重新评估铅屏蔽手段4 的功效，以最大程度地减少辐射）。
癌症治疗。 内科医生已经找到了一种充分利用电离辐射对组织的破坏特性作为对抗癌症武器的方法。通过使用控制剂量的辐射（通常是X射线，但有时也可能是质子或其他能量波），医生们可以通过辐射确定癌变组织的特定区域，以破坏或摧毁恶性细胞。
机场安检。 X射线扫描仪于20世纪70年代被引入机场，可以对托运行李进行扫描以确认是否存在爆炸物或危险物品。2007年，阿姆斯特丹的史基浦机场率先引进了全身扫描仪，取代了之前用于扫描乘客以确认是否携带武器的简单金属探测棒。
如今，美国机场大约有500台扫描仪在使用；约一半的扫描仪使用不会产生电离辐射的毫米波（微波）成像技术，而另一半的扫描仪则使用后向散射X射线系统，此类系统使用极低剂量的电离辐射，所带来的风险“是非常微不足道的”，一次扫描产生的辐射量不到乘客在巡航高度下在飞机上度过6小时期间通常接收到的总辐射量的1%，这是因为当身处较稀薄的大气层中，人体可能会吸收更多的太阳辐射。5
后向散射X射线人体扫描图像示例，在机场安检过程中，其可以检测到武器、摄入人体的毒品及其他金属和物体。（图片版权 © Unival Group）
非破坏性材料测试。 科学家发现X射线后，其在医学领域的应用迅速发展起来，工业领域的应用也在十年内跟进。射线成像技术可用于了解大量物质（而不只是活生物体）的内部结构。
无损检测（NDT）领域出现于20世纪，不仅使用X射线，还使用伽马射线、超声波技术和红外成像来检测所制造的材料和组件。除了用作医疗诊断工具之外，X射线CT还可以对金属、塑料和复合材料等材料进行检测，以识别缺陷，并分析尺寸、形状和密度等特征。
在车辆安装之前，对驾驶员侧安全气囊（上）、乘客安全气囊（中）和侧面碰撞安全气囊（下）的X射线图像进行检测，以验证点火组件是否正确放置，旨在确保安全气囊在发生事故的情况下能够正确充气。（图片：版权 ©Adaptive Energy）
检测伪造艺术品。 许多伟大的艺术家重复使用画布，在旧的艺术品上作画。狡猾的艺术品伪造者可能会使用虽然是旧的但毫无价值的画布来绘制著名作品的伪造版本（因为新的画布很容易被超声波技术检测出来）。但通过X射线成像技术，调查人员可以揭示下面的油漆层，以检测是否为赝品。举例来说，X射线可能会揭示出一幅声称17世纪杰作的艺术品实际上覆盖在一幅粗制滥造的19世纪艺术品之上，或者可以确定在可见画作下方存在一幅更早期的画作，其作者是一位之前普遍认为只使用新画布的画家。
一位艺术科学家使用X射线技术来帮助评估一幅画作的真伪性。（图片来源：Richard McCoy，经由Wikimedia Commons取得使用许可）
X射线技术的创新成果
随着X射线成像技术朝着未来方向不断发展，科学家和创新者们不断探索新的技术成果。举例来说，据医学技术专家预计，将人工智能与放射学相结合可以提高诊断图像的对比度和空间分辨率，并有助于消除视觉噪声。
在黑白X射线图像技术问世125年之后，最近取得的一项新突破是彩色X射线的出现。经过十年的发展，科学家们已经使用混合像素探测器演示了彩色X射线成像，该探测器基于CERN（欧洲领先的物理研究组织）开发的先进芯片技术。6
佩戴手表的手腕3D图像，显示了部分白色手指骨骼和红色软组织。（图片：版权所有© MARS Bioimaging Ltd）。
最近，佛罗里达州立大学的一个研究小组宣布开发出了一种新型材料，可用于制造“更环保”且价格更便宜的X射线探测器。X射线闪烁器是X射线探测器的一种常用组件，其可将X射线发出的辐射转换为可见光。研究人员发现，有机卤化锰（一种化学化合物）可用于制造闪烁体，相比现有的技术，这种闪烁体对环境的危害更小，能够制造出柔性X射线探测器，而且成本更低。7
然而，科学家还没有找到一种方法，让人类只用眼睛就能获得X射线视觉的超能力，就像超人一样。但是，请继续关注，您很难预料...
引用文献
- “History of Medicine: Dr. Roentgen’s Accidental X-Rays”, Columbia University Irving Medical Center Department of Surgery. (Retrieved October 28, 2020)
- “History of Radiography”, NDT Resource Center. (Retrieved October 28, 2020)
- Tang, J., “Unlocking Potential for Microwaves for Food Safety and Quality”, Journal of Food Science, August 2015. DOI: 10.1111/1750-3841.12959
- Jaklevic, M., “That Lead Apron on the X-Ray Room? You May Not Need It”, The New York Times, January 14, 2020.
- “Are full-body airport scanners safe?” Harvard Health Letter, June 2011.
- Muller, R., “First 3D colour X-ray of a human using CERN technology”, CERN news release, July 17, 2018.
- Liang-Jin Xu, Xinsong Lin, Qingquan He, Michael Worku, Biwu Ma. “Highly efficient eco-friendly X-ray scintillators based on an organic manganese halide.” Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-18119-y
