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人體就像保麗龍一樣難切?電燒刀的設計思維

Unmet Needs 臨床工程專欄_96
・2020/03/30 ・1838字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 521 ・七年級
  • 作者/蕭精誠

不知各位小時候有沒有用一般的刀子切過保麗龍呢?

想當初小編因為這樣做而被臭罵了一頓呢~後來長大以後才知道,原來切保麗龍應該要用可以加熱的保麗龍切割刀,只要用對刀具,就可以輕輕鬆鬆地切出漂亮的切口。

你知道嗎?同樣的原理搬到人體身上也適用哦!究竟是怎麼回事呢?讓我們來一探究竟!

用普通的刀子切保麗龍可是無法順利切割平整的喔!圖/GIPHY

外科手術,無法或缺的刀具

外科手術,講白了就是把人打開,把有病的部分喬一喬再放回去,因此「刀」成為手術過程中必要的存在。

人類早在幾千年前就開始進行外科手術,最早在石器時代,先人們便使用黑曜石製成的刀具進行手術。到了古羅馬時期,專門為進行外科手術的青銅製手術刀出現。從此,金屬手術刀便成為外科的代表,直至今日,手術室內仍可見到它的身影。

羅馬時期的手術用具,長得像刑具一樣。圖/wiki commons

然而,手術刀的使用相當看重使用者的技術及刀片的鋒利程度,若沒有漂亮的切口,便會造成傷口周遭的結締組織過度增生,造成在同部位執行第二次手術的困難度增加;另一個棘手的難題則是如果患部附近有小血管經過,或是因意外造成的出血狀況,都是傳統施術者需要克服的難題。

即使醫師手藝精湛,金屬刀具仍然會有傷口感染的風險。

既然如此,有沒有可能做出一種刀具,能讓任何人都可以輕鬆的切出漂亮的開口,既可以有效解決出血問題,還可以降低感染的可能呢?

金屬手術刀這麼不可靠,來把電燒刀吧

答案當然是肯定的!其實答案就是今天的主角「電燒刀」,而且做法還跟保麗龍刀的作法很類似,就是加熱就對了!

早在幾十萬年前人類就發現加熱過的細胞會讓性質改變(其實就是變好吃啦):

  • 當細胞被加熱至 60°C~95°C 時,會產生蛋白變性及脫水(就像是雞蛋變熟,而且煮一煮會縮水)。
  • 加熱至 100°C 會讓水沸騰,導致細胞破裂,達到殺菌的效果。
  • 當溫度來至 200°C 則時會使細胞碳化(也就是操揮搭,燒焦了)。

別小看這些古人的智慧哦,電燒刀就是利用電能產生熱,讓細胞達到高溫!

  • 當細胞被加熱至 60°C~95°C 時,可使蛋白變性,達到結紮血管的目的。
  • 加熱至 100°C 則可使細胞破裂,達到切割的目的。
  • 當溫度達到 200°C 時則可以快速且大面積的止血。
溫度(°C)對細胞造成的影響應用於人體的作用
60-95蛋白質變性與脫水血管結紮
100細胞破裂組織切割
200部份有機碳化快速止血

講到這裡應該有些讀者們應該要喊痛了吧,又是電流又是加熱的,這樣的東西真的可以運用在人體身上嗎?

電燒刀的技術特點

不用擔心,雖然這些問題的確困擾了工程師很久,但在多年的實驗與改良之下,電燒刀所使用的是交流電,頻率落在 300KHz~600KHz 之間。這段頻率既不會太低造成肌肉與神經去極化,致使患者的肌肉跳動甚至是影響到心臟功能;也不會太高造成能量散射,對其他周邊組織造成不必要的危害。甚至針對切割與止血,工程師們都設計了不同的電流波形來最佳化效果。

放心吧,電燒刀並不會造成不必要的危害。圖/Vidal Balielo Jr.@Pexels

電燒刀的概念在 19 世紀末提出,並在 20 世紀推廣至全世界,如今,不論是何種手術,電燒刀儼然是刀房內的必備工具。孔子曰:「工欲善其事,必先利其器。」有了電燒刀的幫忙,任何新手都可以輕鬆切出漂亮的開口,甚至還能夠解決困擾醫師們幾百年的出血問題。

好的工具,就是要降低使用者的門檻,讓以往需要花很多時間練習的技巧被取代,讓工具做工具該做的事,讓人類做人類該做的事。

實際上,手術用刀具還有很多種,光是電燒刀的原理就有分單極電燒雙極電燒,除此之外,超音波刀、伽馬刀、熱熔切等都是近年來發展出來的常見刀具,而本篇只是針對常見的電燒刀對其做些粗淺的介紹。

希望讀者們可以了解到其實切割人體不一定需要刀片,掌握好人體細胞的特性,動手術也可以像熱刀切奶油一樣。

本文轉載自:Unmet Needs 臨床工程專欄 人體就像保麗龍?電燒刀的設計思維

「臨床工程專欄」希望從醫工的角度出發,與讀者分享醫材開發背後的巧思。藉由介紹醫材設計的觀點、開發醫材的經驗分享,與整理相關的知識資源,讓大家得知,醫材開發,有跡可循。

文章難易度
Unmet Needs 臨床工程專欄_96
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「臨床工程專欄」希望從醫工的角度出發,與讀者分享醫材開發背後的巧思。藉由介紹醫材設計的觀點、開發醫材的經驗分享,與整理相關的知識資源,讓大家得知,醫材開發,有跡可循。


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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

台灣科技媒體中心_96
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