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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

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  • 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。

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Unmet Needs 臨床工程專欄_96
7 篇文章 ・ 230 位粉絲
「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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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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3 萬年前截肢手術,婆羅洲有史前黑傑克?
寒波_96
・2022/12/02 ・2362字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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即使沒有現代的醫療知識,古人也能進行截肢這類外科手術,不過手術很成功,但是病人死掉的狀況也不意外。一項考古研究宣稱發現已知最早的截肢手術,地點位於東南亞的婆羅洲雨林,年代距今 3.1 萬年。那麼久以前的原始人,真的有能力截肢嗎?

請注意,本文包含人類遺骸的圖像。

3.1 萬年前手術成功,而且病人活著?

之前知道最早的截肢手術年代是 7000 年前,法國新石器時代的 Buthiers-Boulancourt 遺址。

這項研究調查的地點是一處名喚 Liang Tebo 的石灰岩洞,位於婆羅洲東部。考古學家在這兒尋獲一位長眠者 TB1,估計於 3.1 萬年前去世。此時處於舊石器時代,一小群一小群人們不長期定居,沒有農業,以採集、狩獵維生。

考古學家由埋葬狀況判斷,排場儘管簡陋,應該為他人有意識的體面墓葬,骨頭保存相當完整。估計去世時 20 歲左右,憑藉骨盆無法判斷性別,他的身高不矮,可能是男生或高個子的女生。

遺址位於圖中的紅框內。婆羅洲如今是東南亞外海的島嶼,冰河時期海平面較低時,卻直接連結東南亞大陸。圖/參考資料 1

經歷好幾萬年的歲月,遺骸少掉一些部位也很合理。然而,這位就是少掉左小腿中段以下的骨頭。考古學家仔細分析後,判斷他經歷過小腿的截肢(amputation)手術,之後至少又經過 6 到 9 年,直到去世。

考古學家根據什麼理由判斷他是截肢,而不是一般的斷腿呢?主因是他的小腿骨斷面非常平整,不像是事故摔斷,也沒有感染的跡象,表示腿骨離開身體後沒有造成嚴重的病變。

他左小腿保留的脛骨(tibia)和腓骨(fibula)尺寸比右邊小,明顯有生長落差。推論他在 10 歲多時由於未知原因,被身邊的人用某種利器將左邊小腿骨切斷,而且照護得宜,又生活至少 6 年,去世時受到妥善埋葬。

如果上述推論正確,這位 3.1 萬年前的東南亞人,就是世上截肢手術最早的成功紀錄。

遺骸 TB1 的下半身。圖/參考資料 2

東南亞的史前黑傑克

執行手術的工具不明,肯定不是金屬,可能是黑曜石或某種石材,或是鋒利的貝殼或骨製器具,甚至是加工處理過的竹子,都可能用於切斷骨骼,或是在手術中使用。

截肢不是簡單的小手術,當時的婆羅洲人懂得截肢手術需要的消毒、麻醉、止痛嗎?

即使是身強體壯的(十幾歲)原始人,完全沒有藥物輔助下,要在截肢後全身而退,連明顯感染都沒有,想來不太可能。當地環境一定找得到可供藥用的植物,雖然缺乏直接證據,不過可以假設施術者懂得這些知識。

手塚治虫創作的角色「怪醫黑傑克」開刀出神入化,黑傑克也成為動手術的代名詞。婆羅洲的史前黑傑克是如何習得開刀技能呢?

我自己的想法是,古早人處理動物時,可以獲得不少練習機會,對於骨、肉、血想必不會陌生。在決定截肢的時候,操刀者應該自認有成功的機會,有信心又技術熟練地下刀,否則不會有如此漂亮的手術結果。

截肢者想像圖。圖/參考資料 4

光憑極為零星的考古調查,無法估計當時的截肢狀況,不清楚這位是成功的特例,或是大批犧牲者中唯一的幸運兒。只能確定當時的婆羅洲人,不只已經有相關的醫療知識,還有團隊照顧的精神。

考古沒有發現,不等於真的沒有,也要考慮到遺骸保存的狀況。成功的截肢手術會在四肢留下痕跡,但是舊石器時代的遺骸,四肢骨頭保存往往不全,考古上難以辨識。我猜舊石器時代應該有更多截肢的成功案例,大部分卻無法被我們知曉。

之前研究得知東南亞的婆羅洲、蘇拉威西這塊區域,超過 4 萬年前便有壁畫等藝術創作。史前黑傑克與截肢者所屬的人群,應該和藝術家有關連。醫療、藝術,果然皆為高端的人類技能。

延伸閱讀

參考資料

  1. Maloney, T. R., Dilkes-Hall, I. E., Vlok, M., Oktaviana, A. A., Setiawan, P., Priyatno, A. A. D., … & Aubert, M. (2022). Surgical amputation of a limb 31,000 years ago in Borneo. Nature, 609(7927), 547-551.
  2. Earliest known surgery was of a child in Borneo 31,000 years ago
  3. Prehistoric child’s amputation is oldest surgery of its kind
  4. World’s oldest amputation: Foot removed 31,000 years ago—without modern antibiotics or painkillers
  5. Buquet-Marcon, C., Philippe, C., & Anaick, S. (2007). The oldest amputation on a Neolithic human skeleton in France. Nature Precedings, 1-1.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
175 篇文章 ・ 675 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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與死神搶時間:腹主動脈瘤破裂的麻醉新趨勢
J. Yang_96
・2022/09/24 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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不知道大家對於腹主動脈瘤認識多少?最近遇到一位病人,本來單純覺得像是腸胃炎般的腹痛嘔吐而來急診就醫,沒想到到醫院之後血壓卻直線下降,一檢查才發現是腹主動脈瘤破裂。雖然及時放了支架,在加護病房奮鬥了一段時日,但最終仍不幸地回天乏術。

首先簡單介紹一下這個臨床上十分緊急且棘手的疾病——腹主動脈瘤。由於長期發炎或是劇烈的外力撞擊,讓原本應該富有彈性的血管壁受損變得薄弱,逐漸膨出形成腹主動脈瘤。慢性的腹主動脈瘤若能早期發現,透過改變生活及飲食習慣、控制血壓並定期追蹤,就能大幅減少破裂的風險。

慢性的腹主動脈瘤可以透過改變生活及飲食習慣、控制血壓,減少破裂的風險。圖/Pixabay

即使動脈瘤的尺寸持續增大,也能在破裂前安排手術避免生命危險。但由於腹主動脈瘤多無症狀,還是會遇到許多平常沒有發現,一來醫院腹主動脈瘤就已經破裂的病人。若將血管想像成水管,就不難理解其危險性:當高壓的水柱在管中流動時,若是遇到管壁薄弱之處,剪力超過管壁能夠承受之重時,高壓的水柱便會從此處突破並湧出。當此情形發生在人體時,則會造成大量內部出血,如若不即時處理,則會休克甚至死亡。

在血管裡面放支架,減少手術複雜度和術後併發症

針對上述緊急的情況,最重要的治療是置放血管支架,阻止血流繼續從破裂處滲出。目前已經從傳統開放式手術進展到可以從鼠蹊部打針,直接進行血管內支架置放(Endovascular aneurysm repair, EVAR),不僅能夠減少手術時間及複雜度,更能免去開腹的傷口,大幅降低術後的死亡率以及復原時間。然而即使手術方式益發精進,腹主動脈瘤破裂的死亡率還是高達 23.2%,如何進一步降低死亡率及術後併發症,成為目前臨床上重要的課題。

越來越多研究將此重責大任轉移到麻醉科身上。大型手術都是以全身麻醉的方式進行,確保手術能順利進行並避免病人術中的疼痛。隨著 EVAR 的問世,醫生們開始嘗試用局部麻醉的方式來進行手術。特別注意,這邊的局部麻醉並非指一般門診手術,打幾針皮下麻醉這麼簡單,而是需要麻醉科醫師給予適當的鎮靜藥物,全程控制麻醉深度與監測病人生命徵象。

在進行血管內支架置放前,必須先進行全身或局部麻醉。圖/Pexels

比起全身麻醉,局部麻醉死亡率更低

那這樣做的好處是什麼呢?一篇刊登在美國 Vascular and Endovascular Surgery Society 的回溯性研究收錄了從 2007 至 2015 年在 National Surgical Quality Improvement Program 資料庫中,所有因為腹主動脈瘤破裂而接受了 EVAR 的病人,分成使用全身麻醉及非全身麻醉兩組,進而統計這些病人的 30 天死亡率、術後併發症,以及後續慢性期須至機構接受照護的比率。發現接受非全身麻醉的病人在前述的指標皆有顯著下降,其中 30 天死亡率在全身麻醉組是 30%,而非全身麻醉組則下降到 14.6%。

這樣的結果被歸因於非全身麻醉能夠減少麻醉藥物對於心血管的影響,讓血型動力學本來就已經相當不穩定的病人減少相關風險。再者,非全身麻醉的術前準備時間也較短,能夠讓外科醫師儘早從死神手中搶救病人。

雖然許多研究證實了在腹主動脈瘤破裂的病人身上使用局部麻醉確有其益處,然而,在台灣卻不得不考慮到執行層面的困難。因為有限的人力與經費,不同於美國是一間手術室會常駐一位麻醉專科醫師,台灣一位麻醉醫師就必須負責數間手術室的麻醉,若是要執行上述的麻醉方式,勢必會再影響人力的調度以及實務上的可行性。如何在現行的健保體制下保障病人以及醫師的權益,是值得大家關注並深思的重要議題。

參考資料

  1. Jones M, Koury H, Faris P, Moore R. Impact of an emergency endovascular aneurysm repair protocol on 30-day ruptured abdominal aortic aneurysm mortality. J Vasc Surg. 2022;76(3):663-670.e2. doi:10.1016/j.jvs.2022.02.050
  2. Bennett KM, McAninch CM, Scarborough JE. Locoregional anesthesia is associated with lower 30-day mortality than general anesthesia in patients undergoing endovascular repair of ruptured abdominal aortic aneurysm. J Vasc Surg. 2019;70(6):1862-1867.e1. doi:10.1016/j.jvs.2019.01.077