人类最强的X光,告诉我们新冠患者的肺长这样！

我们都知道人的肺长什么样，但很少有人看过被新冠病毒感染后的肺。

下面这张图，是一名 54 岁死去新冠患者的肺。

其中，肺泡和呼吸性细支气管是蓝色，开放的血管是红色，而新冠后被闭塞和损坏的血管是黄色。

这张图可以最直观的看出新冠病毒对肺部血管造成的损害。

然而，如此细节的看清肺部细节的医学成像图，却是第一次见到。

这张图不是电脑绘制的图画，也不是模拟的肺模型，而是一个真实的肺。是 X 光扫描出来的。

如此细节的 X 光图，这在不久以前，还是不可想象的 ……

人类研究器官和人体组织，已经有上千年的历史，古代的医学书有器官的结构图，现代的科技也可以让我们清楚看到细胞和微生物。

但这里有一个很反常识的事实：

我们人类并不清楚器官具体长什么样。

" 也许大多数人都会感到惊讶。" 伦敦大学的心脏解剖学家安德鲁 · 库克（Andrew Cook）说，"虽然我们从几百年前就开始研究心脏结构，但到现在都没有定论，心脏的正常结构应该是什么样。特别是心脏的肌肉细胞，以及它如何随着心脏跳动而变化。"

人类当然有很多漂亮、精细的心脏图，但是博士后研究员克莱尔 · 沃尔什（Claire Walsh）说，那些只是艺术创作。

" 在解剖学教科书里，我们能看到很多大比例、小比例的图。这些都是手绘图画是有原因的：因为我们没有真正的图片，所以只能用艺术来诠释。"

之所以出现这种情况，是因为人类技术有限，无法绘制出细胞级别的器官完整图。

像 CT、MRI 这样的医用 X 射线，可以对整个器官进行成像拍片，但是它们的分辨率不高。

活组织检查可以让科学家在显微镜下观察组织样本，看清细胞的情况，这样虽然分辨率高了，可只能展现器官的一小部分，无法知道总体的样子。

我们没有办法同时看清器官全貌，又能同时放大出细胞细节。

形象地讲，人类研究器官，就好像自然爱好者探索森林，

要么是乘坐大型喷气式飞机越过森林上空，要么是沿着一条林间小路徒步旅行，总体和细节无法兼得。

但现在，一种新技术出现了，它可以让人像鸟一样，挥动翅膀在森林中翱翔，能俯瞰森林，也能凝视露珠，看清整个器官的情况。

（用 HiP-CT 技术扫描出的 94 岁女性的左肾，分辨率为 25.08 微米）

这项技术叫作 HiP-CT，一个开创了组织学新时代的东西，

而它的诞生，是科学家们想研究新冠病毒对人体的危害。

2020 年，在新冠疫情开始不久，德国汉诺威医学院的胸外科学家丹尼 · 乔尼克（Danny Jonigk）和美因茨大学的病理学家马克西米里 · 阿克曼（Maximilian Ackermann）就感到这病毒不同寻常。

（丹尼 · 乔尼克）

他们二人都有肺病方面的专业知识，很快注意到报道中说，病人存在 " 隐形缺氧 " 的现象。

" 隐形缺氧 " 是指病人没有出现呼吸困难的症状，也没有明显不适，但是体内的血氧浓度骤降。因为难以察觉，病人的病情会被耽搁很久，进医院时常常处于病危状态。

乔尼克和阿克曼怀疑，这是新冠病毒在以某种方式攻击肺部血管。

（马克西米里 · 阿克曼）

2020 年 3 月，病毒在德国蔓延开后，两人对新冠死者进行尸检，将他们的肺部组织和普通死者的肺进行对比。

两人很快发现，新冠死者的肺中最细小的血管被扭曲，呈现出不同的样子。人体内有大量细密的血管系统，哪怕只有 1％的血管遭到病毒攻击，血液流动和吸收氧气的能力也会受损。

（血管扭曲的部位）

2020 年 5 月，他们在学术期刊上发布结果，说新冠并不是严格意义上的呼吸系统疾病，而是一种血管疾病，可能影响全身的器官。

（两人发表的研究）

在知道病毒影响血管后，两人想了解这种伤害到底是怎么样的，这需要图片足够清晰，能放大到细胞的尺度。

" 虽然肺做的事很简单，氧气进，二氧化碳出，但是里面的微细血管有几万英里长，排列得非常精细，简直就是奇迹。" 乔尼克说，" 所以，我们要怎么做才能在不破坏器官的情况下，研究像新冠这么复杂的东西呢？"

想来想去，乔尼克和阿克曼想到用 X 射线。

（HiP-CT 技术扫描出的 94 岁女性肾脏中的血管系统）

他们联系了材料学家皮特 · 李（Peter Lee），他擅长用 X 射线研究生物材料，很快将他们介绍给欧洲科学家的研究圣殿，欧洲同步辐射所。

欧洲同步辐射所，简称 ESRF，是一个位于法国格勒诺布尔登的大型联合研究机构。

（欧洲同步辐射所）

每年有 8000 多名科学家来这里参观，进行 2000 多项实验，吸引他们来这里的，是粒子加速器。

ESRF 的粒子加速器能让电子以接近光的速度，沿着半英里的圆形轨道运动。

当电子一圈圈奔跑时，轨道上强大的磁铁能使粒子流弯曲，让这些电子发射出极亮的 X 射线。

（ESRF 里的加速器轨道）

这种强大的 X 射线能让 ESRF 以微米，甚至纳米的分辨率观测物体。

它通常用于研究合金和复合材料，观察蛋白质的分子结构，以及在不打碎石头的情况下，研究内部的化石骨骼。

乔尼克和阿克曼想用它对人体器官进行世界上最精密的 X 射线扫描，负责加速器技术的保罗 · 塔福罗（Paul Tafforeau）说，这应该能做到。

（保罗 · 塔福罗）

前不久，ESRF 完成了对 " 极端明亮 X 射线源 "（简称 EBS）的升级，它能射出世界上最亮的 X 射线，威力是普通医用 X 射线的 10 万亿倍，是上一代 X 射线源的 100 倍。

EBS 能对复杂物体进行原子级别的成像，扫描后生成三维模型，内部的结构一清二楚。

（ESRF 的粒子加速器）

普通医用 X 射线之所以难以呈现清晰的人体器官，是因为 X 射线靠不同物质的吸收量来作图，重的元素吸收得比轻元素多。

而人体组织主要由轻元素组织（比如碳、氢、氧），所以很难区分。

但 EBS 没有这个问题，因为它的射线非常同步，以相同的频率和对齐方式前进。

当 X 射线穿过物体时，细微的密度差异会导致射线的路线稍微偏移，在离物体越远的位置，这种差异就越容易被检测到。

所以，哪怕是轻元素，EBS 仍然可以清晰描绘软组织的内部图像。

（用 HiP-CT 技术，在 EBS 射线源下扫描出来的 94 岁女性心脏）

唯一的问题，是人体组织很难被固定，如果扫描期间它出现千分之一毫米以上的移动，最终的图像都可能是错误的，因为射线无法对齐。

想清楚这些事后，塔福罗开始研究如何把器官固定在容器里。

他在从海藻中提取出一种凝胶，里面放入大量乙醇，然后从屠宰场找来猪内脏，将它包裹起来。

（保罗 · 塔福罗）

接着，在多种研究化石的技术之上，他研发出一个叫 HiP-CT 的扫描技术，这个技术可以扫描整个器官，也可以放大任何感兴趣的部位，直到细胞程度。

（用 HiP-CT 扫描出的大脑可以不断放大）

去年 5 月，塔福罗用 HiP-CT 扫描了猪肺，看上去没有问题。

然后，他扫描了一名刚刚死于新冠的 54 岁男子的左肺，把照片发给乔尼克和阿克曼。

就是文章开头的那一张

看到照片的李惊叹了，塔福罗给的是一个肺部的三维图像，可以任意把自己想看的地方放大，" 信息量是医学 CT 的一百万倍 "。

HiP-CT 技术使人体扫描的分辨率达到 25 微米，比人的头发还细，

在选择要放大的区域后，它还能达到单微米级分辨率，是医学 CT 分辨率的 100 倍！

（可以放大到细胞结构的肺部扫描图）

" 当我们第一次看到图时，所有人都陷入沉默。" 沃尔什说，" 之前，没人看过如此详细的人体器官图。"

三维图像显示肺部的血管出现扩展和肿胀，还形成异常的微型血管束，这对新冠病毒的了解更近一步。

这张看上去颇为可怕的图，也成功让研究人员说服他们的亲友接种疫苗。

（研究员在分析 HiP-CT 扫出的图像）

HiP-CT 的工作还没有停止，塔福罗的团队建立了一个人体器官图谱计划，希望将所有器官都扫描一遍，把三维图像放到云端，让所有医学研究者都可以看。这些图就相当于人体的谷歌地图。

目前，团队已经发布了心脏、大脑、肾脏、肺和脾脏的三维图，完成对另外 30 种器官的扫描，还有 80 种器官在排队等候中。

（HiP-CT 扫描出的 5 种器官）

这项技术对了解疾病相当宝贵，已经有 40 多个研究小组联系他们，希望他们能帮忙扫。

HiP-CT 团队还在测试 ESRF 的最新光束设备，叫 BM18，它能产生更大的 X 射线束，意味着扫描所需的时间更短。

BM18 的效果也很好，他们计划在 2023 年底之前，扫描出整个人体。

（保罗 · 塔福罗）

原本，人类还需要靠绘画做出器官结构图，现在只需要半天时间，就能得到一张真实的器官图。

人类离了解自己更进了一步，多亏了科技的发展啊 ……

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