历史见证了X射线发现125周年之辉煌

郑钧正

(中国疾病预防控制中心 辐射防护与核安全医学所，北京,100088)

1895年11月8日，德国物理学家伦琴发现了X射线，诚如《简明不列颠百科全书》的权威评价：“宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命”[1]。为了纪念与缅怀伦琴的杰出贡献，并推动形成尊重所有放射工作人员的良好社会氛围，以更好促进发展放射学等涉及核科学技术应用相关学科及其事业，北美放射学会(RSNA，已有105年历史并且每年的年会均达五六万人参加)、欧洲放射学会(ESR)和美国放射学会(ACR)于2012年联合倡议，把伦琴发现X射线的11月8日定为“国际放射日(International Day of Radiation)”[2]，并得到了世界各国业界与同仁的积极响应。这充分表明绵延至今，发现X射线所爆发的无比威力与深远影响。适值今年是X射线发现125周年，抚今追昔，更深刻感悟到历史已经忠实地见证了由X射线及其触发诸多领域的辉煌灿烂硕果；鉴往知来，更加坚定信念“既与电离辐射结缘，务必不懈为趋利避害奉献”[3]。

1 19世纪末的系列杰出发现引发改变世界的深远影响

19世纪末的最末五年出现了空前奇迹，竟然年年都有令人惊叹不已的突破性发现而荣获诺贝尔三大自然科学奖：1895年11月伦琴发现X射线[4]；相隔不到4个月的1896年3月，贝可勒尔发现铀的天然放射性；紧接着1897年4月汤姆逊发现人类认识的第一个基本粒子——电子；1898年居里夫妇发现放射性元素钋和镭，再现了天然放射性；1899年卢瑟福发现了α和β射线并接着提出元素蜕变理论(参见表1)[5]。这几个相互密切关联并产生改变世界影响的杰出发现，冲击了过去几个世纪的旧观念羁绊而迎来了大变革。X射线、天然放射性和电子等接连三大发现，开启了微观世界的大门，“原子结构是可分的”刷新了既往的认知；崭新的核科学与技术随之迅速崛起，并不断拓展在国计民生各个领域的广泛应用；原子物理学、原子核物理学、进而开拓粒子物理学(亦称高能物理或基本粒子物理学)，尤其两大重要支柱——量子力学和相对论等新学科新理论，接连相继诞生并发挥非常重要的作用；人类科技史从历经四五百年发展到达曾经认为是“顶峰”的经典物理学，大踏步跨越过去而迈进了现代物理学的新时代[6]。由此一直持续显著地推动现代社会的科技与文明进步和经济与社会发展，产生改变世界的深远影响[3]。

19世纪中叶，西方科学界兴起真空放电现象和阴极射线的研究热，且对其本质争论不休。英国科学家威廉·克鲁克斯(William Crookes)还制作出一种以其名字命名的高真空阴极射线管，早在1879年的实验研究中就发现阴极射线管放电时会发出“亮光”，但是当拍摄在涂有感光药膜的干板上去显影后却是“觉得一片模糊”，重复几次后，他武断地认为是干板质量有问题而退货厂家。直到伦琴报告发现X射线，克鲁克斯才恍然大悟自己痛失了先机。那时竟有多位物理学家，与这项伟大发现都失之交臂。例如德国的菲利普·勒纳德和美国古兹皮德、詹宁斯等，分别在19世纪90年代初先后出现相类似的错误判断，受狭隘经验型思维缺陷所局限，忽视了阴极射线管实验中出现的“意外”却又是很重要的科学现象。这应了著名法国科学家巴斯德(Louis Pasteur)院士的至理名言：“机遇只偏爱有准备的头脑”[7]。新任德国维尔茨堡大学校长的伦琴教授，一贯恪守严谨治学与精益求精及细心求索的科学精神，潜心研究实验中曾经出现过让包在黑纸中的相纸感光问题。他连续数周反复设计实验研究方案，用克鲁克斯管开展阴极射线实验研究。11月8日的进一步实验与验证，伦琴终于判定，从通电的阴极射线管射出的，能强势穿透包裹的黑纸以及变换的许多种实验阻挡物体，并让涂抹亚铂氰化钡的小屏发出明亮荧光的，应是一种新发现的特殊射线。于是，他就用数学上习惯表示未知数的X命名之。当他夫人去实验室看他时，他兴奋地让夫人伸出左手，拍摄了开人类先河的人体第一幅手部的珍贵X射线影像(见图1)。12月28日，他向所在地维尔兹堡物理和医学学会公开了第一篇关于X射线的研究论文“一种新射线——初步报告”，立即引起强烈反响。1896年1月4日在柏林物理学会成立50周年纪念会上展示X射线照片，轰动了国际学术界。随后公开发表研究论文“论一种新型的射线”和“关于X射线的进一步观察”等，被翻译成多种文字传播，并掀起了一股竞相研究X射线的热潮。伦琴教授当之无愧地荣获1901年第一次颁发的诺贝尔物理学奖[8]。

受伦琴发现X射线的启发，曾钻研磷光现象的贝可勒尔，对由阴极射线产生的X射线能使阴极射线管壁等显示磷光颇感兴趣。他仔细对照研究发现自己所实验的铀矿物在某些条件下也有相似的磷光现象，深入探索后率先揭开了天然放射性的奥秘。1898年居里夫妇在非常简陋条件下，在铀矿渣中提炼出比纯铀放射性强得多的放射性元素钋(元素命名意为纪念居里夫人的祖国波兰)和镭。他们三位物理学家因为分别发现天然放射性而一起荣获了1903年诺贝尔物理学奖[5]。

伦琴发现X射线开创了气体电离的一种新方法，也形成对气体离子行为的新洞察能力。一直重视此方向研究的英国物理学家汤姆逊(Joseph John Thomson)深受鼓舞。这位28岁就荣任剑桥大学著名卡文迪什(Cavendish)实验室教授和第三任主任的科学家(建于1871年的卡文迪什实验室即剑桥大学物理系，至1989年已产生了29位诺贝尔奖得主，占到成立于1209年的剑桥大学获诺奖总数的三分之一)，通过很巧妙设计的阴极射线管实验研究，成功地证实了阴极射线在电场和磁场中均能发生偏转，从而判定阴极射线确实是带电粒子而不是原子；并进一步实验探索创造性地测出阴极射线粒子的速度和荷质比(e/m)。在伦琴发现X射线不到一年半的时间内，汤姆逊宣布发现了人类认识的第一个基本粒子，即阴极射线是称为电子的带负电微粒子，阴极射线管壁玻璃发光的原因是由于电子以极大的动能冲击管壁而引起的。由此结束了关于阴极射线本质长达20余年的争论，并开始探秘原子内部的微观结构，开辟了原子物理学的崭新研究领域，物理学里程碑式进入了微观世界的新纪元[9]。

伦琴发现X射线的“冲击波”，远远不止激发19世纪最末五年的系列诺贝尔奖。如同打破坚冰和开通航道，率先拉开了现代物理学新时代的序幕；并给现代物理学提供一种崭新的研究手段，不断引发基础科学、应用科学、生物医学、晶体结构、工程技术等许多领域开创出造福于人类的新贡献(参见表1)[5]。后续几部分论述将进一步具体充实和印证其对世界的深远影响。

1896年1月23日，伦琴在维尔茨堡大学物理研究所作报告时，当场用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为伦琴射线。尽管伦琴本人当场声明不同意，但从X射线发现后就被称之为“伦琴射线”并获得世界公认，藉以表达对这位伟大科学家的由衷敬仰和诚挚爱戴。当伦琴射线一公开发布，其热潮席卷西方。当时X射线透视功能顷刻被社会上狂热般追捧，甚至1897年英国拍一部黑白电影《X射线恶魔》，许多企业家蜂拥而至竞相高价收买发明。特别令人敬佩的是，伦琴不仅不申请专利，也不接受赞助，并公开回答：“我的发现属于全人类。但愿这一发现能被全世界的科学家所利用”[8]。1901年瑞典主办方通知伦琴出席首次诺贝尔奖颁奖大会时，他却提议可否邮寄发奖。得到回复不行后，伦琴匆匆奔赴斯德哥尔摩领奖，当颁奖大会请他上台发表演讲时竟发现伦琴领奖后随即离开会场启程回国了。他还把荣获的首次诺贝尔奖奖金全部捐献给维尔茨堡大学。伦琴的高尚品质，与他划时代的发现一样都是无法估量的宝贵遗产，永远值得后人学习与传承[10]。

2 一百多年来奇迹般陆续激发出33项相关荣膺诺贝尔奖成果

发现伦琴射线的一个多世纪来，各国科技界的众多科学家纷纷以X射线为新手段深入各领域不断探索，努力追求揭示射线本质及其与各种物质相互作用的机理，同时积极拓展相关领域应用。相继发现了X射线的偏振性、标识X射线、X射线光谱、X射线光电子能谱、光电效应、康普顿散射、X射线的干涉与衍射、产生X射线的四种不同方式、宇宙X射线源等等。而运用新发现又进一步延伸和拓展出生物医学、物质结构、宇宙演化等更多领域的新发明创造。

例如，继1906年英国物理学家巴克拉发现X射线的偏振现象后，德国物理学家劳厄于1912年发现X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。劳厄“X射线的干涉现象”论文引起英国布拉格父子的关注，试图解释劳厄结果的反复研究，由小布拉格提出著名的布拉格公式而解决；由此证明能用X射线来解读晶体结构；并于1913年设计出首台X射线分光计，发现了特征X射线；又用特征X射线分析方法测定出金刚石的晶体结构。由此建立与发展了X射线晶体学，开创晶体结构分析的新纪元，惠及包括生物医学在内的诸多领域，例如药品分析与新药研发等。可见X射线的拓展应用显著地推动诸多相关新学科以至整个科学技术与社会的不断进步[5-6]。

显然，篇幅不允许详细展开评述如此丰富的连环式科技发明史。笔者特搜集并疏理从发现X射线以来，直接或间接相互关联，并都荣获诺贝尔自然科学奖的成果共计达33项列入表1中(若有疏漏等，诚请斧正！)[5]。纵观125年来，这些源自发现伦琴射线而持续不断撞击出的一大批相关杰出成果，同时开拓出一大批推动科技与社会进步的新学科，并不断启发激励，同时又彼此交叉融合中，竞相交互映辉而造福人类。确实令人深刻感受到从发现伦琴射线以来所激发出的丰硕成果灿烂辉煌而永垂青史。

如表1所示，迄今至少已有相关的诺贝尔化学奖16项、物理学奖13项、生理学与医学奖4项[5]。尽管直接归属生理学与医学奖的只有4项，然而发现伦琴射线最早且最大的“冲击波”是促使医学发生了革命[1]，特在第3部分专门论述。表1中第23项发明X-CT开创数字化成像的再次革命；第12项通过果蝇实验研究基因突变而发现X射线能人为诱发生物体遗传效应，是缪勒作为辐射遗传学创始人的标志；第16项发现遗传物质脱氧核糖核酸DNA分子的双螺旋结构及其在遗传信息传递中的作用，被誉为20世纪以来生物学最伟大的发现，突破性开创了分子生物学新篇章[11]；第19项解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面的机能，推进了现代分子生物学蓬勃发展。

当时世界上竞相研究破解遗传物质DNA结构模型及其作用机制这个前沿课题的至少有三个实验室，而夺得1962年诺奖桂冠的“黑马”，竟是当时在剑桥大学卡文迪什实验室做博士后的沃森与克里克，1953年4月在《Nature(自然)》杂志上发表那篇获奖的关键依据——只有约1 100单词的短论文(配双螺旋结构图)“核酸的分子结构”时，这两位青年学者仅25岁和37岁[12]。这项杰出成果是把物理学中新发展的X射线晶体衍射技术等运用于解决生命科学的关键难题，至今如图2的DNA双螺旋结构示意图仍时常出现在国内外知名学术杂志的封面上。揭示DNA双螺旋结构的此项诺奖成果，留给世人多么既生动又深刻的启迪呀！

简介33项诺贝尔奖成果的表1在此不可能再更多去展开说明，然而期盼揭示发现伦琴射线所激发出的一系列好似核链式反应般的奇迹，可从中获得颇多有益启示，时至今日依旧有许多极其宝贵的现实指导意义[13]。正如前面所述诸多具体事例，重大的科学发现不会孤立出现，把一个学科发展成熟的知识、技术和方法应用到另一学科的前沿，能够产生重大的创新成果。同时，科学求索必须不畏艰难、不怕挫折、不默守成规，务必坚持踏实苦干、勤于追问、勇于开拓精神，并且应当保持理论与实验密切相结合，这往往是取得重大发现以及证明理论正确的关键。由表1可见，在开拓新方法推动科研另辟蹊径，有力促进相关学科创新发展，以及促使核科学与技术迅速崛起而推动在各个领域日益广泛应用等方面，这批杰出科技成果已经催生和开拓出X射线诊断学(放射学)、核医学、医学影像学、放射肿瘤学、介入放射学、X射线晶体学、X射线光谱学、X射线光电子能谱学、X射线天文学、放射防护学、放射生物学、放射生态学、放射毒理学等许多新学科，不断在基础科学、现代医学、生命科学、物质结构、工程技术、宇宙演化等等领域日益发挥出卓著的作用，这一切堪称自然科学史上空前伟大的奇迹。

3 促使医学发生革命而催生放射诊疗极大地丰富了现代医学

发现X射线首先催生出的放射诊疗(radiodiagnosis and radiotherapy)，是专门利用电离辐射固有特性而变革了传统医学诊断与治疗方法的新学科群。其实质就是电离辐射的医学应用，按术语标准亦可简称为医用辐射[14]。这只有一百多年历史的临床医学新学科群，涵盖了X射线诊断学(亦称放射学)、临床核医学、放射肿瘤学、介入放射学等越来越丰富的四大分支学科。伴随伦琴射线发现后崛起的核科学与技术迅速发展并日益广泛应用中，独具电离辐射特色的放射诊疗，在20世纪七八十年代高速蓬勃发展，不仅极大地丰富了现代医学，而且已经成为现代医学不可或缺的重要组成部分[15]。

伦琴发现X射线的显赫功绩之一是促使医学诊治方法革命。X射线的穿透本领在1896年初就被用来帮助医师查找并摘除患者不慎侵入体内的异物(含子弹等)[16]。X射线发现数月后，很快就利用X射线透射人体形成医学影像去洞察人体内部状况以提供疾病诊断依据，即诞生了新生学科X射线诊断学(放射学)[17]。经70多年发展，计算机断(体)层扫描成像设备(X-CT)于1972年投入临床应用，乃医学诊断方法的再次革命，标志着跨进了数字化X射线成像时代。此后X-CT经历了扫描、探测、采集、图像重建及显示等各环节不断改进与变革的五代更新，尤其20世纪八九十年代先进的螺旋CT问世，从2、4、8、16排以几何级数翻番至256排、320排及640层等多排(层)螺旋CT(MDCT)，呈现飞跃发展[18]。由此MDCT的密度、空间、时间、纵向等分辨率都显著提高，并实现临床医学中迫切需要的三维“各向同性”扫描成像[19]，如今X-CT血管造影检查已成为心脑血管疾病筛查的“金标准”[20]。同时21世纪初涌现的锥形束CBCT在口腔医学和肿瘤放疗等多个领域大显身手[21]。加上相继发展计算机摄影CR、数字摄影DR、数字减影血管造影DSA、数字胃肠DSI，以及新近投入临床的数字体层合成DTS等，数字化X射线成像的新技术、新设备方兴未艾，为提高各种疾病诊断水平与医疗

表1 X射线发现以来引发的一系列荣获诺贝尔三大自然科学奖的杰出成果一览

序号获奖年份诺贝尔奖类别荣获诺贝尔奖的科学家及其国别获诺贝尔奖成果及其重要贡献简介191968诺贝尔生理学与医学奖美国的霍利(R. W. Holley)、科勒拉(H. G. Khorana)、尼伦伯格(M. W. Nirenberg)分别在20世纪60年代间,根据DNA双螺旋结构在揭开遗传密码奥秘上做出突出贡献;破译了mRNA的基因密码,揭示蛋白质合成机制,阐明了遗传密码及其在蛋白质合成方面的机能与作用。201969诺贝尔化学奖哈塞尔(O. Hassel,挪威)、巴顿(D. H. R. Barton,英国)1943年用X射线衍射分析法开展研究,提出了“构象分析”的原理和方法,发展了有机化合物晶体结构理论和立体化学理论。211973诺贝尔化学奖威尔金森(C. Wilkinson,英国)、费歇尔(E. O. Fischer,德国)两位科学家分别于1952年和1954年各自独立研究有机金属化学,制备与测定有机金属化学物,在有机金属化学领域取得开创性研究成果。221976诺贝尔化学奖利普斯科姆(WiHiam Nunn Lips-comb,美国)1954年用X射线衍射和核磁共振等方法研究硼烷等结构及成键规律,提出三中心电子键理论。231979诺贝尔生理学与医学奖豪斯菲尔德(G. N. Hounsfield,英国)、科马克(A. M. Cormack,南非裔美国籍)研究提出技术原理与设计方案,并研制出X射线计算机断层扫描成像设备(X-CT),于1972年在英国的一家医院中率先开始临床应用。241980诺贝尔化学奖桑格(F. Sanger,英国)、吉尔伯特(W. Gilbert,美国)、伯格(P. Berg,美国)20世纪70年代借助X射线分析法确定了胰岛素分子结构,发明测定DNA中核苷酸排列顺序方法等,创建了人工重组DNA技术。251981诺贝尔物理学奖凯·西格班(Kai M. B. Siegbahn,瑞典)1956年研发出高分辨率X射线光电子能谱仪,开拓了X射线光电子能谱学的新领域。261982诺贝尔化学奖克卢格(Aaron Klug,南非裔英国籍)把X射线衍射技术与电子显微技术相结合,1964年发明“显微影像重组技术”,为测定生物大分子结构研究开创新路。271985诺贝尔化学奖美国的豪普特曼(H. A.Hauptman)和卡尔勒(J. M. Karle)于1956年建立测定晶体结构的数学理论,发明用X射线衍射确定晶体结构的直接计算法,为探索新分子结构和化学反应作出开创性贡献。281988诺贝尔化学奖德国的米歇尔(H. Michel)和戴森霍弗(J. Deisehofer)、胡伯尔(R. Huber)、1984年共同合作利用X射线晶体分析法首次确定光合作用反应中心的三维立体结构,阐明了光合作用的光化学反应本质。291997 诺贝尔化学奖斯寇(J. C. Skou,丹麦)、波耶尔(P. D. Boyer,美国)、沃克(J. E. Walker,英国)在20世纪50、60年代和1981年,利用同步辐射装置产生的X射线等,在研究人体细胞内离子传输酶方面均取得了突破性成果,阐明了三磷酸腺苷(ATP)合成的酶催化机制。302002诺贝尔物理学奖贾科尼(R. Giacconi,美国)、戴维斯(R. Davis,美国)、小柴昌俊(M. Koshiba,日本)贾科尼于1962年观测发现宇宙X射线源,开创了X射线天文学;后两位科学家于1968年和1987年各自独立探测到宇宙中微子,催生中微子天文学;这些均属天体物理学领域的突破性成就。312003诺贝尔化学奖阿格雷(Peter Agre,美国)、麦金农(Roderick MacKinnon,美国)各自分别于2000年和1998年,发现细胞膜水通道,及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出了开创性贡献(该成果是利用X射线晶体成像技术获得的)。322006诺贝尔化学奖科恩伯格(Roger David Kornberg,美国)2001年开创真核转录的分子基础研究领域,揭示了真核生物细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质,为破译生命奥秘做出贡献(采用X射线衍射结合放射自显影技术开展)。332009诺贝尔化学奖拉马克里希南(V. Ramakrishnan,印度裔英国籍)、施泰茨(T. A. Steitz,美国)、约纳特(A. E. Yonath,以色列)2000年各自采用X射线晶体学方法,测定了核糖体高分率的分子结构,在原子水平上分析了核糖体的结构与功能。

质量发挥了举足轻重的作用[22]。发现X射线后催生的放射学，经一个多世纪蓬勃发展不断日臻完善，为公众保健查体、疾病准确诊断、各种治疗指引、病患预后判断、治疗康复评价等做出了巨大贡献[23]。

X射线诊断设备是实现医学成像功能的基本条件，其增长趋势反映了最先诞生并最广泛普及的放射学的发展概貌。表2摘选自联合国机构UNSCEAR历次综合性报告，最长篇的2000年和最新近的2008年报告书中具代表性的四类主要X射线诊断设备增长数据，足以反映近20多年来全世界放射学快速发展的态势[24-25]。表2凸显增长速率最高的是不断更新的各类X-CT；而适应公众需要不断迅猛发展的口腔医学，对牙科X射线成像设备的数量需求最大，远多于所有医院放射科的普通X射线机总数。

表2 全世界主要X射线诊断设备数量不断增加的趋势

剖析X-CT作为数字化医学成像技术的典型，从发明至今40多年的显著进步与高速发展不仅对放射诊断贡献卓著，而且很受放射治疗模拟定位与制定实施放疗计划，以及介入放射学导引等青睐。仅以我国1977年开始引进X-CT以来，31省份已装备台数和每百万人口拥有台数的增长态势，便可映衬出我国放射学乃至整个放射诊疗的发展状况均与世界相应趋势类似[26-27]。如图3所示，笔者负责组织开展全国“九五”期间(1996—2000年)医疗照射水平调查研究时，1998年31省份X-CT的装备量为3 712台，仅次于日本和美国，居世界第三位[26]；进入21世纪后就攀升到位居第一位。2015年X-CT拥有量已达1998年的5.3倍[27]。近20多年来的增长速率和装备绝对数已在全世界名列前茅，标志着我国放射诊疗学科群不断走向成熟，为全民健康提供了有力保障。也应当指出，尽管每百万人均拥有量2015年14.25台是1998年3.01台的4.73倍，但与日本、美国等发达国家的差距仍然不小[25]。据中国医学装备协会2018年发布的CT设备市场报告(见《健康报》当年4月18日第二版报道)，以2017年平均每百万人口拥有X-CT台数比较，引经济合作组织(OECD)的资料，日本已达92.6台，美国为32.2台；而我国虽在不断增加中，但仅升至14.3台。由此可见相关发展潜力还是很大。

发现伦琴射线即触发核科学技术崛起的同时，还催生了核技术与医学相结合的核医学这门新学科。自20世纪30年代各种核反应堆问世并生产出许多医疗所需的人工放射性核素后，临床核医学(clinical nuclear medicine)随之产生。临床核医学主要利用放射性核素显像剂引入人体而获取体内组织器官的解剖与生化代谢功能影像以更好诊断疾病。例如从早期的扫描机、肾图仪、γ相机进化到SPECT、PET等发射型计算机断层扫描显像设备进行独特的核素成像。并且临床核医学还包括核素治疗，即采用放射性核素标记药物，施行很有前途的靶向放射治疗而形象地被誉称为“生物导弹”[28]。

临床核医学的核素显像虽然在解剖学分辨率方面不如不断更新的透射型X-CT，但发射型ECT独具生理生化代谢等功能成像的优势，在提供疾病准确诊断依据方面非常可贵[29]。20世纪末又成功研发出把透射型X-CT与发射型ECT两类成像设备有机地结合在一起，形成汇集了形态与功能影像的新型融合一体机，如PET/CT、SPECT/CT等，充分体现了医学影像技术的重大创新。PET/CT 一次显像就同时获得PET与X-CT的全身各方向断层影像，既发挥了二者的最大优势，又从根本上有效地克服了二者原有各自存在的缺点[30]。此创新性技术显著推动了核医学以及放射诊疗整体的发展。结合我国的实际，已迅速跟上了国际相应新进展趋势。例如1995年装备第一台PET[31]，1998年《九五》期间全国医疗照射水平调查时，价值数千多万元的PET仅有13台[26]；随后2002年安装使用第一台PET/CT，2017年这两种先进设备合计拥有量已迅速增加至1998年的23.6倍多，达307台，并配备了回旋加速器110台[32]。我国核医学虽起步较晚，但近几十年的经济高速发展和基于国民健康亟需以及临床核医学优势，截止到2017年，31省份的临床核医学科室增至927个，工作人员9千多名；装备SPECT从1998年230台增至341台，SPECT/CT从0增至390台。与1998年相比，年显像检查人次数增长3.62倍达到261.99万；年核素治疗人次数增长8.11倍达到60.74万[26-32]。

由发现伦琴射线引出的医学成像技术，由于有计算机科学技术、生物医学工程、信息科学等诸多学科交叉融合的促进，已成为现代科技发展最活跃的前沿之一，不仅对发展放射诊疗学科群，而且对整个现代医学的进步，都是不可或缺的重要技术基础[33]。同时医学成像技术还是生命科学开展科研的重要手段。评述医学成像技术的新进展，还必须涉及1982年才开始临床应用的核磁共振成像(MRI)。从最初发现有关核磁共振物理现象及探究其机理直至发明MRI设备投入临床的数十年间，与核磁共振相关研究先后得过6次诺贝尔奖，即1943、1944、1952年物理学奖，1991、2002年化学奖，2003年生理学与医学奖等，属于单个科学专题中获得诺奖之冠[34]。鉴于核磁共振属于非电离辐射技术，故表1没有统计这6次诺奖，其实MRI与X-CT在医学成像的图像处理等方面有相通之处。MRI除了具备X-CT可取得无重叠的质子密度断层图像之外，还能借助核磁共振原理精确地测出体内物质的一些原子核弛豫时间，能将人体组织中有关化学结构的信息通过计算机重建为独特的成分图像，对鉴别身体组织变化与退化性疾病的早期诊断有突出优越性，尤其对软组织的对比度比其他成像方法更精确。并且MRI近来发展为用于介入放射学治疗的新亮点[35]。特别是开发出用于放射诊疗各分支中先进的PET/MRI、SPECT/MRI[36]。PET/MRI检查的灵敏度与准确性优于其他类似技术手段，对肿瘤及心脑疾病等具有早发现、早诊断价值；同时有利于帮助肿瘤治疗分期、修正治疗方案和放射治疗靶区定位，及时判断放疗反应与评估有否转移复发等[37]。现在国内、外的肿瘤放疗中已采用磁共振图像引导的自适应放疗新技术，近来还涌现出目前放疗最先进的磁共振加速器等[38]。

如今放射学的传统X射线成像，以X-CT为典型代表的数字化X射线成像，核医学的ECT核素显像等三大成像技术，加上非电离辐射的核磁共振成像MRI、各类超声波成像以及光学成像等，各有所长的这几种成像技术彼此互补，形成相辅相成的多元化、多模态大医学影像学，乃多学科交叉融合的硕果，显著推动放射诊疗和现代医学更好服务于公众的健康需求。一百多年来，医学成像技术已历经了从人体形态结构成像到生理代谢等功能成像，从体内组织器官成像深入到分子、基因成像的革命性飞跃，开拓出引领新发展前沿的分子影像学(Molecular Imaging)。分子成像技术可将基因表达与生物信号传递等复杂过程变成直观的图像，更好地在分子与细胞水平上了解疾病的发生机制及其特征[39]。犹如我国两千多年前《黄帝内经》所推崇的“上医治未病”，现代大医学影像学与分子生物学紧密结合的分子成像技术，正是寻求在组织器官尚未发生病变之前就先尽早查出异常，为探索疾病的发生、发展和转归，并为评价药物的疗效以及深入开展分子基因水平治疗砥砺前行。分子影像学融合了分子生物化学、数据处理、纳米技术、图像处理等技术，具有高特异性、高灵敏度和图像的高分辨率，能够为临床疾病诊断提供定量、定位等可靠依据[40]。整合了多种先进技术的分子影像学是“希望之星”。我国相对年轻的核医学，历经短短数十年间已迅速跨入前沿的分子影像学。中华医学会核医学分会的《中华核医学杂志》，2012年起就更名为《中华核医学与分子影像杂志》。

放射肿瘤学和介入放射学同为伦琴射线发现后催生的放射诊疗学科群的两个重要分支学科。前面评述放射学和临床核医学新进展中经常都涉及到这两个分支。因为放射诊疗学科群中各分支学科间彼此密切关联。共同的核心支柱都是呈现勃勃生机的医学影像技术。蓬勃发展的医学影像技术把疾病的诊断与治疗更加密切地统筹起来，尤其在放射诊疗中的介入放射学诊治、核素标记药物靶向治疗和肿瘤放射治疗等临床医学实践更是充分体现。现代医学成像不仅为公众健康查体和大多数的疾病诊断提供越来越准确及细致的依据，也是指引与辅佐实施介入手术与放疗等各种疾病治疗、以及判断评估疗效与预后的重要武器。例如介入放射学完全仰仗医学成像技术导引才能得以施行[41]，而肿瘤放射治疗的模拟定位、制定与实施放疗计划以及质量保证和剂量验证等必须利用各种医学成像技术[42-43]。

近数十年来，放射诊疗大学科群中从医学影像学和X射线诊断学进一步拓展出的介入放射学(interventional radiology)，乃借助各种医学影像的恰当导引而往体内相关部位插入介入器材(如特制专用导管、导丝、穿刺针、血管鞘、球囊、支架等)，既可方便对人体内各部位组织准确取“活检(biopsy)”作病理学检查以明确诊断，又能在医学影像监视下开展所需部位的药物灌注、血管栓塞或扩张成形及植入支架等微创性治疗手术，已应用到涉及人体所有各组织系统的疾病。专家们赞誉在临床医学范畴，不断发展的介入放射学将成为与大内科、外科平起平坐的新秀[44-45]。界定与规范此新边缘学科，曾引起包括我国在内的42个国家或地区介入放射学会的共同关注并发表联合声明[46]。我国的介入放射学学科与事业在近数十年来不断发展，充分展示出另辟诊断与治疗途径的更直接有效与更简便微创的优势[47-48]。以医学影像技术为支撑的介入放射学，又再印证了表1所示的多学科融合硕果[49]。

伦琴射线发现后很快兴起利用射线治疗疾病的放射治疗学。据报道1896年就有人开始尝试用X射线治疗肿瘤，同时也发现了X射线的有害效应。伦琴和居里夫妇的发现，立即促使把X射线和镭颗粒分别用于治疗肿瘤，孕育了后来形成的远距离与近距离放疗。实际上1913年才研制成功实用的X射线管，1922年生产出深部X射线治疗机，1951年制造出钴-60远距离治疗机和医用电子感应加速器，1957年医用电子直线加速器问世，放射治疗逐步形成独立的学科并迅速发展[50]。基于临床肿瘤、放射物理、放射生物、医疗器械、生物医学工程、计算机技术、医学影像技术等诸多学科相互渗透与交叉融合推动，放射治疗的设备、技术、方法、模式、流程一直在多次变革创新中发展[51]。鉴于日益增多的肿瘤患者中约70%需要接受放疗，这个巨大需求迫使放疗迭代更新并广泛普及。无论国际与国内，现代肿瘤放射治疗均改称为放射肿瘤学(radiation oncology)，已成为肿瘤治疗必不可少的重要手段[52]。

国际肿瘤研究机构IARC发表在“临床医师肿瘤杂志”上的报告“2018年全球肿瘤统计(Global Cancer Statistics 2018)”称，全世界罹患肿瘤的人数不断增加，2018年新增1810万例(男性950万，女性860万)，死亡人数高达960万(男性540万，女性420万)[53]。肿瘤(尤其恶性的癌症)很快将上升为全世界公众的第一杀手，是阻碍人类预期寿命延长的最大拦路虎。显然，肿瘤流行病学调查积累的宝贵资料为相关决策和促进发展放射肿瘤学奠定了重要基础[54]。

占世界人口60%的亚洲，几乎占据全球一半的肿瘤新发病例及超过一半的死亡病例。而中国作为人口大国自然占据了亚洲肿瘤发病与死亡的大部分，相当于全世界的23.7%和30.2%[53]。我国的肿瘤流行病学调查由全国肿瘤登记中心负责，目前数据的收集汇总到分析结果一般要滞后三四年。国家癌症中心2019年发布的2015年数据表明，当年恶性肿瘤发病约392.9万人，死亡约233.8万人；相当于平均每天超过1万人即每分钟有7.5人被确诊为癌症[55]。肿瘤已成危害公众健康的主要疾病，近10多年来，恶性肿瘤发病率与死亡率每年保持约3.9%和2.5%的增幅，每年恶性肿瘤所造成的医疗花费超过2 200亿，必须大力推进发展放射肿瘤学。

表3选取搜集到的主要指标整理，列出我国大陆31省份近30多年来放疗事业具代表性的概貌，具体说明促进放疗发展适应了肿瘤病患剧增的亟需[54，56]。我国1978年就研发出国产医用加速器，1984年开始进口带有多叶准直器MLC的先进医用直线加速器。纵观现代放疗主流设备的各类加速器，我国2019年已达到1986年的28.5倍。最先进的质子、重离子加速器通过国内科研单位加速研发与国外引进相结合，2015年已有施行质子、重离子放疗的专门医院，近两年有5家放疗单位准备采用质子、重离子放疗[56]。前面述及先进的磁共振加速器已经在几家著名肿瘤医院装备，可实施优越性突出的磁共振图像引导放疗[57]。同时，X射线、CT、磁共振等各类模拟定位机，计算机放疗计划系统TPS等必不可少的放疗辅助设备大幅剧增，33年间分别跃升到24.47和42.71倍。中华医学会成立放射肿瘤治疗分会的1986年至2019年的33年间，放疗单位、放疗医师、医学物理师分别增加到5.54、8.50、23.18倍[54，56]。在肿瘤放疗中有着颇重要作用的医学物理师虽然赶不上放疗医师的绝对增加速率，但国际上通行的评价指标——放疗医师与医学物理师之比，已经从9.53∶1显著提升到3.49∶1，很重要的放疗技术人员专业结构日趋合理[58]。

表3 我国大陆31省份近30多年来肿瘤放射治疗事业不断发展概貌

放射诊疗中的放射肿瘤学特别需要诸多学科交叉融合推动，由此历经20世纪90年代以来的蓬勃发展，同时不断完善制定与实施放疗计划和加强全程质量保证措施产生了质的飞跃[59]。例如，三维适形放疗(3D-CRT)、调强放射治疗(IMRT)和图像引导与自适应放疗(IGRT、ART)等先进技术已经基本普及而卓有成效；容积旋转调强放疗(VMAT)、立体定向放疗(SBRT)和螺旋断层放疗(TOMO)等新一代放疗技术不断深入推广[60]；新生的影像(放射)组学、影像基因组学、人工智能、医疗大数据应用等高新科技，陆续渗透融合进放射治疗而不断有惊人斩获[61]。不断规范化的“三精”：精确定位、精确计划、精确治疗已成为我国目前放疗的主流模式，由此突出提高了我国的放疗水平与治疗质量[57]。据国家癌症中心2019年报告，“与十年前相比，我国恶性肿瘤生存率总体提高约10个百分点”[55]。显著进展还体现在：2001年收治放疗的肿瘤患者仅28.3万例，2006年升至40.9万例，2011年超过57万例，2015年达到91.9万例，而2018年已接近126万例[56]。以放疗的主、辅设备猛增和专业结构合理的队伍壮大为基础，现代医学成像技术紧密结合肿瘤放疗新模式加速推广应用，有力推动放射肿瘤学跨越式发展，更好服务于攻克肿瘤顽疾，同时汇集融入到“健康中国”的宏伟事业中[62]。这一切都是自伦琴射线发现以来一个多世纪不断绵延发展惠及广大公众的辉煌建树。

综上所述，自发现伦琴射线就迅速崛起核科学与技术，同时催生出放射诊疗这个临床医学新学科群，尤其在诸多学科交叉融合推进下，近几十年来呈现蒸蒸日上的蓬勃发展，极大地丰富了现代医学，成为现代医学所不可或缺的重要组成部分。据统计，全世界90%的放射性同位素用于医学；大约占总数一多半的加速器属于医学应用[28]。如今无论国内或国外，开展放射诊断与治疗的医院，已经非常广泛地普及到所有的城市与乡村，为所有公众的保健查体和疾病诊治等健康事业服务。特别放射诊疗与每一位公众的身体健康息息相关，其蓬勃发展是伦琴射线发现以来涉及面最大而且影响面最广的卓越成果。

4 应运而生放射防护学为发展核科学技术及其广泛应用保驾护航

由发现X射线并随之崛起在各领域广泛应用的核科学与技术，包括催生的放射诊疗等许多新学科，都有一个共同特点，即离不开电离辐射独具的“双刃剑”特征，因而必须专门重视加强放射防护问题[18]。应运而生放射防护学是发现伦琴射线而触发的产物，专门肩负起为发展核科学技术及其广泛应用“保驾护航”的光荣历史使命[3]。

X射线发现初期，如同用未知数“X”命名那样，尚不了解其本质，故对近乎神奇的具有超强穿透力的 X射线，一度被不正当地滥用：愿意猎奇去体验拍摄X射线照片的“魅力”；选美比脊柱的X射线影像等不当行为；欧美销售鞋商还曾使用过“X射线选配鞋装置”，对买鞋试鞋顾客的脚部进行X射线透视照射等[63]。即使在X射线的医学领域应用中，也发生过夸大X射线作用，采取反复用X射线透视去抑制疼痛来治疗强直性脊椎炎，却导致患者发生放射损伤等错误做法[64]。由此付出对X射线不正当使用或误用、滥用的代价。伴随着X射线的发现和利用，越来越突出地反映出必须重视并解决其放射防护问题[3]。

在X射线管与相关设备不断改进的研发与应用中，人们逐渐认知到射线照射可能会对人体造成放射性损伤。典型案例是发现X射线次年，1896年X射线管制造者Grubbe的手就出现了特异性皮炎；T. A. Edison在改进X射线管及其用于透视的实验中发生了眼结膜炎等放射性损伤；1911年已有学者收集到94个案例(其中医学放射工作人员达54例)，都是曾经受到X射线的过量照射，而后陆续诱发恶性疾患[65]。因此，1913 年德国伦琴学会率先发布了仅有一页纸的“伦琴射线防护指南”；1921 年英国成立“X射线和镭防护委员会”；1928年，在第二届国际放射学大会(ICR)上决定成立“国际X射线和镭防护委员会”(ICXRP)，并于1950年第二次世界大战后该委员会恢复活动时，更名为研究所有电离辐射防护的“国际放射防护委员会(ICRP)”，现在ICRP出版物成为国际机构和世界各国制定放射防护标准与指导各领域搞好放射防护的依据与指南，对推动全世界的电离辐射防护做出了卓越贡献[66-67]。在20世纪一二十年代起，社会已经开始日益关注电离辐射的放射防护问题。此后世界上竞相开展核武器试验，以及20世纪50年代核电站相继兴起并迅速发展，更加凸显了对放射防护的强烈需求[68]。显然，应运而生放射防护学科确实是历史发展的必然。

随着科技进步和社会发展，迅速兴起的核科学与技术已经不断渗透融入到医学诊断、医学治疗、科学研究、军事、能源、工业、农业、地质、考古、安检、环保等各行各业。例如，在边境海关、机场地铁等公共场所和重要社会活动的安保检查，以及火灾烟雾报警器等广泛应用已成日常生活司空见惯。核科学与技术的日益广泛普及是20世纪最杰出的科技成就之一。但所有放射性核素和各种类型射线装置的广泛应用，显著地增加了人们接触各种电离辐射照射的机会。而且放射性核素的衰变特性，决定了其应用必然伴随着有潜在的放射风险。同时，有效防范核事故与各类放射事故，竭力避免引发各种电离辐射对人类与环境的放射性危害，已经激起全社会的强烈关注。尤其核科学与技术自身，以及各种放射性与电离辐射剂量的测量和相应防护评价等方面的专业性很强，并且核辐射事故与放射事故往往又非常敏感地关联到原子弹爆炸的核恐怖，非常容易激起全社会公众的心理应激反应[69]。因此，加强放射防护学科建设是发展核科学与技术及其广泛应用的必要前提和重要基础。

以核能发电为例，这种高效能源可有效地应对能源需求。尽管世界核电发展史上发生了1979年美国三哩岛核电站堆芯熔毁严重核事故、1986年苏联切尔诺贝利和2011年日本福岛的两次7级特大核事故，几经数次巨大冲击后的反复权衡与理性反思，必须在大力加强核安全措施下稳步发展[70]。核能利用永远伴随着与生俱来的放射性风险，既然不能“因噎废食”而舍弃，就必须把握住核安全这条发展核电的生命线，始终坚持培植安全文化和切实加强核安全监管以追求趋利避害，同时特别需要有严之又严的举措防范核事故[71]。据IAEA统计，截至2019年6月底，全球共有装机容量近4亿千瓦的449台核电机组在运行，另有54台机组在建中。而据我国2019年9月发布的《中国的核安全》白皮书，截至2019年6月，在理性、协调、并进的核安全观指引下，我国安全运行的核电机组已达47台，居世界第三；在建核电机组11台，居世界第一。正因为核安全是发展核电的生命线，有关发展核电的放射防护工作必然是我国相当一个时期内的重点[3]。

第3部分已充分论述了伦琴射线发现最先触发的放射诊疗迅速发展是现代化社会的显著特征。随科技进步和社会发展，所有公众的一生中，仅从保健查体需要出发都要主动去接受许多次医疗照射。众所周知，医疗照射已成为公众所受最大并不断增加的人工电离辐射照射来源[72]。面广量多的医用辐射防护，始终在放射防护中占据突出地位。根据UNSCEAR近二十多年来先后发表的四本报告书，特于表4汇集出放射诊疗中仅仅X射线诊断所致医疗照射的增长态势[73-75]。

表 4 全世界医用X射线诊断所致医疗照射的年应用频率与剂量水平增长态势

由表4可见，20年间全世界医用X射线诊断的年应用频率净增74%；但随着人口总数增加，年X射线诊断检查的人次数却净增128%，即达到31.43亿人次(还不包括牙科X射线检查人次数)[75]。可见X射线诊断检查的医疗照射增长十分可观，医疗照射防护迫切需要加强[73]。

与全世界发展趋势一样，前面第3部分已述及，笔者曾负责我国《六五》和《九五》期间两次全国性，以及《十一五》期间上海市的医疗照射水平调查研究，深刻体会到我国放射诊疗得益于经济持续增长和全民医疗保健需求，在近40多年来的蓬勃发展态势(参见图3、表3等)[76]。

上海市《十一五》期间医疗照射水平调查研究，反映了近些年随经济增长和社会发展所致公众医疗照射应用频率不断攀升。经济发达必然形成优越的医疗条件而更有利于适应公众不断剧增的医疗保健需求。2009年，上海市拥有1 227个开展X射线诊断的医疗机构，全市年检查频率达780.44人次/千人口，相当于那年有1 500万的常住人口各作了一次X射线诊断检查。全市X射线CT检查和介入放射学的年频率，2009年相对于1996年，各净增317.1%和1048.6%。而临床核医学诊断、放射性药物治疗和肿瘤放射治疗的年频率，2008年相对于1996年分别净增了139.4%、210.6%和59.9%[76]。显然，我国与世界相应的发展趋势均强烈凸显，放射诊疗如此迅速蓬勃发展必然不断增加广大公众接受医疗照射的使用频率，因而针对现代化社会的这个突出特征，必须高度重视并切实加强与所有公众密切相关的医疗照射防护，这必然是放射防护领域新进展的重点与热点课题[73，77]。

事物永远都是一分为二的，人们希望利用电离辐射技术在各个领域谋取利益，不可避免也同时伴随着其固有的潜在放射性风险。因此，全社会迫切需要并且离不开放射防护学[3]。而在不断发展核科学与技术及其日益广泛应用中，紧密结合实际运用放射防护体系不应该限制其有益应用的这一面，而只是努力寻求合理控制其可能产生放射性危险的那一面[78]。

由此可见，放射防护学必须辩证地以“趋利避害”为根本宗旨，才能既保障个体与群体的放射安全并且保护环境，又促进合理应用电离辐射技术而造福于民[3]。在所有放射防护工作中，必须以体现放射防护基本原则与方针的放射防护标准为纲，进而牵动一系列相关环节和工作(如图4上半部右边所示)[79]。图4概括归纳出放射防护学科的宗旨与内涵，以及概要展示作为其支撑基础的主要学科示例。方框图上半部左边七个学科名称均取自我国学科分类的国家标准，都是放射防护学的同义词[80]。电离辐射防护准确而言应是“放射防护”。鉴于非电离辐射已经越来越广泛普及应用，从科学与严谨出发，学术上必须区分清楚基本特性、生物效应、监测方法、防护技术与防护标准均完全不同的两类辐射。正因为如此，国际上还专门设立有“国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)”，集中针对非电离辐射防护问题。ICNIRP与ICRP还共同开展学术交流以及工作协调[81]。尤其对非核科技专业人员沿用笼统的“辐射防护”会造成不必要的概念混淆。正如IAEA的国际安全基本标准、有关技术报告中凡针对电离辐射的，关键词“radiation”均特别明确加注“专指电离辐射”[82]。可见该英文单词针对电离辐射可以直接翻译为放射，而不必都译为辐射。总之，在学术上以及科学普及宣传中，很有必要与时俱进而注意区分两类不同性质的辐射。

毋庸赘述，125年相对于历史长河只不过一瞬间，可是自从伦琴射线诞生的125年来，确确实实缘于这个划时代的伟大发现而极大地影响与改变了世界。尤其是持续激发开创了一大批辉煌灿烂的杰出科技成果，同时产生了一大批很有影响的新学科，不断显著地推动科技进步和社会发展而造福于人类。此文再撰写多长也很难全面论证其丰功伟绩。无怪乎全世界都公认把X射线称之为伦琴射线；多地修建伦琴塑像并以伦琴命名学校、广场等；特别是国际辐射测量与单位委员会(ICRU)最早建立的照射量单位赋予专用名称“伦琴(R)”；1990年发射的一颗X射线天文卫星命名为“伦琴卫星(ROSAT)”；在伦琴射线发现111周年时，国际纯粹及应用化学联合会(IUPAC)把新发现的第111号元素正式命名为“钅仑(Rg)”[83]；自2012年起，伦琴发现X射线的11月8日被确定为“国际放射日”……

毋庸置疑，历史确实见证了自从发现X射线的一百多年来，宛如核链式反应的"冲击波"，持续激发出一大批杰出硕果，巨大地推动着科技进步与时代前进，深刻地影响20、21世纪的社会发展。显然，科技奇迹的出现又是历史发展的必然。第2部分末段小结归纳由表1所得到的若干启示只是一部分。必须指出，不断的科技进步还与诸多相关学科的深入交叉融合密切关联[13]。以伦琴射线最先催生的X射线诊断学为例，促使医学发生革命的X射线发现后很快就利用其透视、摄影功能，提供了医学影像诊断的最基本依据，但持续70多年却存在着人体三维组织器官影像重叠等等缺陷，直至1972年融合进计算机技术成就了脱颖而出的X射线计算机断层扫描成像(X-CT)才破解，可谓之医学影像诊断的再次革命[84]。然而X-CT作为数字化成像技术的典型代表，历经四十多年来的五代更新演进，又遭遇多排(层)螺旋CT的滑环转速与分辨率几近极限的制约瓶颈，无法适应心脏等快速运动器官高清分辨的瞬态成像、人流与物流安检的大通道高速率探查、工业无损检测中许多特殊的过程成像等新的更高端需求[85-86]。于是，变革X-CT的传统扫描成像模式，成了X射线成像理论与应用领域最新的前沿课题。几经探究再进一步实现与纳米材料科学、电子学、机电工程及人工智能等交叉融合，摈弃了历来热阴极发射电子束激发X射线进行扫描的传统方法，淘汰依赖滑环的“源-探”旋转方式，另辟蹊径采用基于场致效应发射机制的碳纳米管冷阴极分布式X射线源[87-88]，彻底革新X射线源与探测器架构，同时针对性创新非标准轨迹扫描图像重建与处理技术，从而开创从螺旋CT跨越到新里程碑的静态CT成像[89]。新一代静态CT成像技术为更好发展医学诊断治疗、反恐安全检查及工业无损检测等，拓宽了更有特色并更富成效的应用前景[90]。此乃借助诸多学科交叉融合，变革创新相应的扫描成像模式与核心器件等关键技术，成为绵延“X射线冲击波”奇迹继续不懈推动科技进步而造福人类的又一生动范例。

总之，人类科技史上这空前杰出奇迹非常值得崇敬与珍惜，更值得认真吸取有益的启迪，藉此积极推动科技界、教育界乃至全社会，大力弘扬与着力传承“崇尚科学、执着敬业、严谨治学、顽强拼搏”之精神。适值中国人民早已从“站起来”进而豪迈地向着“强起来”奋勇砥砺前行的当下，尤其遇上当今世界正经历百年未有之大变局，面对十分严峻的挑战与激烈的竞争，这种可贵之精神格外有着非常重要的现实意义 ！