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外科之花的艱難綻放(7)—大結局

科學松鼠會_96
・2013/07/16 ・6871字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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第四章、絕地中興,柳暗花明

心外科發展到這一階段的特點是,通過常規應用低溫和流入道血流阻斷,可以以最低的死亡率來糾治簡單的心臟缺損,那麼對絕大多數外科醫生而言,又何必冒險進行進一步的體外循環試驗呢。但不幸的是那些目前手術不能解決的複雜的心內畸形,卻恰恰是最需要手術處理的部分,因為他們的病情更重,自然預期壽命更短。

行百里者半九十,也許有人會認為吉本再堅持一下,體外循環機就可能在他的手中得到完善了。但我們無意苛求吉本畢竟他已經為這一事業奉獻了二十餘年的青春,幾乎將體外循環機帶入臨床了實踐,我們的英雄累了。時代需要一位接力者將這項偉大的事業進行下去。目前的失敗只是暫時的,籠罩在心臟外科的悲觀情緒也不過是黎明前最後的黑暗了,那麼,這個將要喚醒黎明托起朝陽的人,又會是誰呢?

當時,體外循環應用於臨床試驗接連遭到失敗,然而相同的技術應用於動物實驗卻能不斷地產生不錯的存活率,這卻是為何?有學者解釋為那些最需要打開心臟做手術的病人,由於其衰竭和複雜的病變不能承受這種操作,而健康的實驗動物則沒問題。這一結論看似擁有無懈可擊的邏輯,他們相信問題並不在於灌注技術或心肺機,而是病人病態的心臟本身導致了失敗,他們不能在承受這種強度的手術打擊之後,還能恢復良好的射血功能,而同樣的打擊在健康的狗身上則沒問題。由於這種「病態心臟」的理論很好地解釋了相同的技術在病人和健康動物身上明顯不同的結果,因而被廣泛接受,甚至導致研究人員質疑心臟直視手術的終極價值。

通常,理論往往是落後於實踐的,事後諸葛亮似的總結,如果能上升為正確的理論,那麼將反過來極大地推進實踐,如果是錯誤的理論,則將影響甚至延緩實踐的腳步,很不幸,這一「病態心臟」理論屬於後者。

很顯然,作為主帥的吉本,其臨陣易幟對體外循環機的研發事業是個不小的打擊,但即使在如此慘淡的情況下中,仍然有猛士堅持下來。比如吉本的好友,體外循環機的另一位研究者,明尼蘇達大學教授丹尼斯就是其中的一位,他在1955 年 6 月也成功地進行了體外循環下心內直視手術,這是世界第 2 例。但使整個事件發生根本性轉機的卻另有其人,他是同屬明尼蘇達大學的外科醫生沃爾頓‧來裡赫(C. Walton Lillehei,1919——1999)。

如果說在他之前的開拓者們體現了無與倫比的智慧與勇氣的話,那麼來裡赫的所作所為則已幾乎超越了人類想像的極限。1954年這個看起來近乎瘋狂的傢伙居然試圖以患兒的父親作為「心肺機」,用活人交叉循環的方法挑戰歷史上首例室間隔缺損的修補術,他能成功麼?他是怎麼想到這一招的呢?

50年代初來裡赫也想開展有關體外循環的動物實驗,可遺憾的是他沒有人工心肺機的實驗條件,你要造飯,可你居然連鍋都沒有,這不是扯淡麼?當然有人可能會想到,如果餓急了,想把食物弄熟也不是非有鍋不可,你可以採用原始的方法嘛,直接用火烤成不成?那麼人體體外的循環除了人工心肺機而外,還有別的什麼原始途徑麼?我們人類社會再回到原始形態當然是不可能了,但是人之初的形態又是如何的?人不是出生以後才有自己的呼吸的麼?那之前怎麼存活的?

這一靈光乍現的思路,來自來裡赫的助手莫利(Morley),既然胎兒可以從胎盤獲得氧合血,我們為什麼不能用動物實驗來模擬這種情形呢?這真的又是一個幸運的遺憾!當年布萊洛克因為遺憾地沒能如願以償地建立肺動脈高壓的動物模型,導致了塔西格與其聯手,創立了經典的術式B-T分流。而今,來裡赫因為實驗條件限制這一看似被逼到無奈的遺憾,居然使其迸發出以活體作為「心肺機」這一神奇構想,而這一構想恰恰為已經看似山窮水盡的體外循環的研究,帶來了柳暗花明的一線轉機。

他們用兩條狗進行心臟手術,一條是手術狗,為受體;另一條模擬胎盤的原理當作氧合器,稱為供體。這是一種新的體外循環方法「交叉循環法」。動物實驗進行的較為順利,1953年10月22日第一例交叉循環動物實驗即大獲成功。同時一個意外的發現是,實驗動物的術後恢復如此之快狀態如此之好,是此前用人工心肺機從未有過的。又經過幾個月的系統改進及有關機制的深入研究,成竹在胸的來裡赫認定,在人工心肺機幾乎缺席體外循環人體試驗的關口,這項全新的技術值得進行一項人體試驗。

交叉循環法的原理為,在同樣的時間裡使病人和正常的供體之間交換等量的血流,通過循環泵來控制流量,而心臟的靜脈流入則完全阻斷,以保證可直視下切開心臟。一旦病人與供體建立連接,該病人的身體就可以不斷地得到充分氧合後的血液供應。沒有複雜的機器也不需要調解動態的平衡,因為供體的循環及時自動地承擔著這些重要職能。這就解釋了為什麼實驗動物的術後恢復較以前為快。這一方法至少從理論上似乎既規避了應用低溫和體外循環實驗過程中相關的常見的併發症,且沒有時間限制。

這一想法剛一拋出就引起悍然大波,這對已有的外科實踐體系的是一個極大背叛。讓一個健康的人在手術室裡冒著潛在的危險(不管多麼小)作為供體循環,哪怕只是暫時的,也是不能被接受的,有些批評者甚至說,你們想要創造歷史麼?想要做外科歷史上第一個可能死亡率為200%的手術?

雖然這些激烈的批評令來裡赫倍感焦慮,然而,箭在弦上不得不發,他還是向其導師歐文‧H‧王更(Owen H. Wangensteen,1899-1981)正式遞交了試驗申請。歐文力排眾議批准了該試驗計畫,他在批准書答覆道:親愛的來裡赫,放手去幹,別的事情你不用操心。短短的一句話,寄託了歐文無盡的期待,在當時,若沒有他的鼎力支持,這一項意義重大關乎心臟外科發展前途的試驗絕不會進行的如此順利。1981年1月歐文‧H‧王更去世後,醫學界對其讚譽有加,評論者認為,明尼蘇達大學能夠在上世紀50年代對心外科的發展做出許多開創性的貢獻,與其英明領導是分不開的。

1954年3月26日是心臟外科歷史上最令人激動不已的日子。來裡赫和他的三個年輕的同事,以患兒的父親作為供體,用交叉循環的方法完成了歷史上首例室間隔修補術,整個手術過程十分順利,父子平安。看台上,一直為自己的愛徒捏了一把汗的歐文,第一個向來裡赫表達了祝賀。

這一幕如果能夠被搬上銀幕,即使是最蹩腳的導演,也足以使影院裡的多數人痛哭失聲。當我知道心外科歷史這一細節時,除了對來裡赫的創見驚訝不已而外,作為供體的父親尤其讓我感動萬分。試想在當時,這一試驗在一片激烈的反對聲中勉強得以實施,手術過程中將會發生什麼,沒有人可以預料的到。當這一對父子在麻醉前深情地對望一眼之後,他們是否有可能活著再見?大愛無言父愛如山,這位勇敢的父親,在這樣一個空前事件裡,為這一箴言做出了最好的註解。

科學,畢竟是人的科學,歷史,永遠將是人的歷史,這一段煙花般絢麗的科學史中,最為耀眼的也許恰恰就是人性不朽的光輝。

可是,我們是否高興的太早了呢?別忘了,想當初吉本第一次在人工心肺機體外循環下的手術成功之後,就再沒能重複這一結果,同樣的悲劇會再次上演麼?

箭頭為血流方向

第五章、托起朝陽,霞光萬丈

都說孩子是一個家庭的希望,好比初升的太陽,那麼這些為拯救萬千孩子性命而勇敢探索孜孜以求的科學家,無疑就是那修復希望托起朝陽的巨人。

1954年和1955年之間,幾乎是孤軍奮戰的來裡赫團隊通過使用親子之間的交叉循環,為存在複雜心臟畸形的45位兒童施行了直視下的心臟手術。所有這些這些複雜的病變都是靠以前既有的技術無法解決的。全部接受手術的45名嚴重受損的病人中,有28名複雜的心臟畸形得到了治癒,45個循環供體均得以存活,但還是有一例發生了心臟驟停,需要打開胸腔進行心臟按摩,這當然是一重大事故。到1986年,術後30年隨訪的結果為22名(49%)仍然活著,並過著有質量的生活。

這些顯著的臨床試驗結果,顯然比其非凡的手術技巧更令人吃驚,這使當初吉本暫時失利之後學術界盛行一時的「病態心臟」理論被徹底打破了,心外科開始走出低谷,進入了一個快速發展的階段。

來裡赫所取得的巨大成功,將明尼蘇達大學醫院一下變成了世界心臟外科學的第一重鎮,各地的參觀學習者絡繹不絕,後來這些參觀者中又有人續寫輝煌,這已是後話。但來裡赫卻並沒有被一時的勝利所沖昏頭腦,他清醒地認識到目前這種方法,供體的自我平衡機制,將自動糾正無數不知名的由於全身灌注引起的生理學紊亂,這對於供體的健康來說顯然是存在潛在威脅的。也正是由於這個原因,活體交叉循環技術並沒有得到廣泛開展。因此他預言到:交叉循環的臨床經驗——尤其是對供體的不良影響,使我們清楚它顯然不可能一直作為體外循環技術,為了病人和尤其是供體的安全問題,必將會發展出一種超越這項技術的體外循環措施。

於是,包括他本人在內,許多研究者又重新開始重視人工體外循環的研究,在吉本研究的基礎上,對心肺機做了進一步改進和完善。

不得不得承認,到目前為止,在已被應用到心外手術的技術中,交叉循環是最符合病人生理的技術。放棄一個在生理上近乎完美的技術,轉而採用了一個至少目前看來比交叉循環在生理上尚有不足的技術,來裡赫醫生的這一作為在外科醫學史上是令人歎服的,但又似乎是倫理學壓力之下必然的選擇,你不能總在每次做手術的時候,都讓另一個健康的人冒著一定風險,而且一旦發生重大失敗,真的可能是兩條命都交代了。

來裡赫的預言很快得到了證實,到1958年的時候,僅僅在吉本第一次體外循環下手術成功的5年之後,畢業於哈佛醫學院的約翰‧韋伯斯特‧柯克林(John Webster Kirklin,1917-2004)即報導了在梅奧診所成功地應用梅奧-吉本設備在體外循環進行的245例手術 。柯克林改進了吉本的心肺機,發展了安全可行可靠的體外循環措施,取代了交叉循環成為心內直視手術的首選方法。想當初吉本對同梅奧診所的柯克林分享這一藍圖是非常猶豫的,因為他擔心由於梅奧診所強大的實力,會先於他完成第一例體外循環下的心臟手術。不過感謝上帝,吉本最終還是和盤托出了他的技術,而最後恰恰是梅奧診所將這項技術的應用推向了極致,為紀念吉本的卓越貢獻,他們將改進後的設備命名為「梅奧-吉本」。如果當時吉本由於一己之私而選擇了保守,這項大業跌入谷底而無法一時中興也未可知。這種胸懷,是那些只知道傳男不傳女傳內不傳外的江湖人士永遠無法理解的。

低溫在此時則已成為心臟手術的常規並行手段,用以減少單獨應用體外循環對人體固有的損害——在血流減少的時間段內保護重要的臟器,如腦、心臟和脊髓。

自此,由於有了體外循環技術這一有力的武器,心外科醫生可以從容地在無血的術野下,對心臟進行精細的矯正與修補,挑戰更複雜的手術,從此成為可能。陰魂不散的比爾羅特魔咒此時才被徹底擺脫了,心外科一掃陰霾,飛速發展,手術適應證範圍不斷擴大。後來甚至出現過三個獨立的研究者,分別在幾乎相同的時期內發展了同一術式,由於無法確定究竟誰是第一個,學界只好把這一手術命名為Damus-Kaye-Stansel手術,排排坐吃果果,你們仨別囉嗦!而這一術式糾正的畸形又絕不簡單——單心室,也即只有2個心房一個心室,這不跟兩棲動物的蛤蟆一樣麼!由於這一手術太過複雜,本文就不再細說了。至今,心臟外科仍是極富挑戰且集中了最多前沿技術的外科分支之一,這一朵最年輕的外科之花,在經歷了無數淒風冷雨之後,終於可以在萬丈的霞光之中,精彩綻放。

第六章、尾聲

儘管心外科此後的發展仍不乏精彩的片段,可故事至此,似乎已可以告一段落,但這些拓荒者的事蹟留給我們的思考卻不應該就這麼早結束。

在當時,來裡赫所取得的巨大成功,使得來明尼蘇達大學醫院的參觀學習者紛至沓來,這其中有一位來自南非開普敦的外科醫生剋裡斯提安‧巴納德(Christiaan Barnard,1922–2002),他在1967年12月3日的石破天驚之舉,再次續寫了心臟外科的輝煌:人類歷史上第一例同種異體心臟移植獲得成功。這也絕不會是一個尋常的故事……另外,必須要說明的是,人工心肺體外循環這一技術,至今雖已相當成熟,但遠非盡善盡美,更非絕對安全,併發症如中風,凝血功能障礙,對血液成份的破壞等,促使外科醫生開始考慮使用體外循環之外的替代方案,這又將是另一番堅苦卓絕征程了。

我必須要說明的是,這段時期裡對心外科的發展起過重要貢獻的人,絕不僅僅是我在文中提到的幾位,只不過為了方便敘事集中線索,不得不忍痛割愛了一些人物,甚至已經提到的這些大師,由於同樣的原因,也未能將其全部貢獻徹底展開。

以哈肯為例,此人除了在二戰中連續為130個在戰鬥中負傷的士兵取出心臟彈片,嘗試進行心臟閉式手術,為心外科的發展做出了必要的前期鋪墊這一貢獻而外,他還是世界上提出重症監護(intensive care)這一理念的第一人,並建立了世界上第一個重症監護室(intensive care unit,ICU),而今ICU早已遍地開花,成為衡量一所醫院綜合實力的重要指標。ICU的創建,極大提高了重症救護的質量,每年全世界因之而獲得新生的病人難以數計。

我們不妨對這一時期的重要事件進行一下簡單的梳理。1938年格羅斯成功地完成了對動脈導管未閉的結紮,為其贏得了巨大榮譽;但由於其忽略塔西格理論的價值所在,使得塔西格轉而和布萊洛克聯手於1944年確立了B-T分流術,是為心臟手術的破冰之舉,而這一術式得以創立的重要因素之一,居然是由於布萊洛克沒能成功地建立肺動脈高壓的動物模型。在1940年代中期B-T分流術一枝獨秀,許多人前來參觀學習,比奇洛創新的激情在此被點燃,發展了低溫的理念;而他在學術會議上的實驗報告又啟發了劉易斯,使後者得以在低溫的手段下完成了人類歷史上第一次心內直視的手術;從封閉手術到直視下從容細緻的心臟外科時代,低溫扮演著重要的橋樑角色;而且,中度低溫的應用,心臟停跳的誘導,深低溫下阻斷循環也為體外循環的使用留下了寶貴的遺產。而在低溫手段在心臟外科方面已取得優異的初步戰果,很多外科醫生駐足不前的情況下,吉本卻在重重困難之下,歷盡二十年辛苦,為心外科的發展,邁出了至為關鍵的一步——將人工心肺機帶入了臨床實踐。

雖然,體外循環機的最終確立應用是由來裡赫和柯克林等人完成的,雖然所有文中提到的人物都在這一歷史進程當中發揮了重要作用,但筆者仍然認為,若以功勞大小計,吉本是當之無愧的第一功臣。

吉本作為一個外科醫生,最大的與眾不同之處在於他對理論思維的追求,他認為在現代要做一個傑出的外科學家,科學的頭腦、紮實的理論基礎、廣泛的新知識,是比靈巧的雙手更為重要的成功因素。對基礎學科知識的廣泛涉獵,使他高屋建瓴,能夠敏銳地發現當代醫學所面臨的最關鍵的挑戰。惟其如此,吉本才能在對個人而言漫長的、近20年的時間裡愈挫愈奮,默默地承受著世人的誤解、諷刺和打擊,成就了這樣一番開拓性的偉業。

他的悲劇性在於,由於時代的侷限,他第一次手術的成功並沒有很快得到認可,學術界也並沒有將其宣佈為一重要事件——其重要性是後來逐步呈現的。我們現在知道該成就作為外科及醫學上的一大進展足以和麻醉及抗生素的出現相提並論。多年以後,當諾貝爾獎金委員會請 Clarence Dennis 與 Jonathan Rhoads兩位教授提交醫學獎金候選者名單時, 兩人不約而同都提吉本為候選人。這一獎項對吉本來說真的應該是名至實歸,但遺憾的是吉本已於1973 年2 月5 日逝世,委員會以授獎於死者未有先例為由,拒絕接納。如此重大的醫學領域上的成就竟與這麼重要的「炸藥獎」失之交臂,誠屬一大憾事。但是我想,縱使吉本泉下有知,他也未必會為自己沒能獲得這個勞什子「炸藥獎」而有太多遺憾,畢竟,由他開創的事業後繼有人,這一技術終於走向成熟,大量的病人因此獲救,這些,已足以讓這位居功至偉的無冕之王含笑九泉了吧。

但是,這些遺憾也說明,心臟外科這種極具挑戰性的探索,是不大可能由一到兩個天才就可以完成的,也注定了其過程是不會一帆風順的。吉本嘔心瀝血二十餘年,中途因連續的挫敗而易幟,使得來裡赫和柯克林嶄露頭角,這也許恰如格羅斯錯過了塔西格理論,而比奇洛止步於低溫措施,這種看似機緣巧合的遺憾,背後卻乎隱含著某種必然的歷史邏輯——心外科的發展史注定了將是群星閃耀,不容爾等尊榮獨享。

來裡赫亦是筆者十分欽佩的人物,似乎除「天才」二字之外無以形容其卓越,他的成功與其說是由於其不懈的努力和幸運,倒不如說因為他那敏銳的直覺或者說是對事物本質的深刻洞察力,誠然這種洞察力常常得益於對前人思維方式的突破,但這絕對是一種似乎與生俱來的高級的創造性思維能力——那些頭緒紛繁表面上看來無法解決的難題,其背後往往隱藏一個異常簡單的解決方法。也許只有來裡赫這樣的天才,在能當時軍心動搖一片悲觀的嚴峻形勢下,以「交叉循環」這一近乎瘋狂的天才構想扭轉乾坤,中興殘局。除了在前面提到的貢獻而外,他還對心臟起搏器的更新起到了極關鍵的作用,並一手成就了赫赫有名的美敦力公司的創業傳奇(關於心臟起搏器及美敦力公司的故事,我可能會在日後詳細寫)。

但即使天才如來裡赫,當其回顧心內直視手術起源時,情緒上仍不免帶有強烈的時代印記:

無數的失敗,失望,挫折和障礙,天然的,人為的。唯一的解決辦法是混合了堅持和固執的信念。

(There were innumerable failures, disappointments, frustrations, and obstacles-nature’s as well as man’s. The only solution was a mixture of persistence and stubbornness.)

全文完。

作者聲明:未經授權,禁止任何形式的轉載。 

PS:如有續集,純屬正常。目前完成的這部分文字,已被讀庫收稿,待該期出刊時,喜歡此文兼喜歡讀庫的讀者可予收藏。

關於本文

轉載於科學松鼠會 外科之花的艱難綻放系列,作者李清晨

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科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

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低溫也是一種過敏源?寒冬外出小心「寒冷性蕁麻疹」
careonline_96
・2021/12/14 ・1470字 ・閱讀時間約 3 分鐘

天氣冷颼颼!想賞雪追雪小心危「肌」重重

12 月份氣溫驟降,過敏一族在這時候精神特別緊繃,特別是「寒冷性蕁麻疹」患者更容易因為未注意保暖,導致蕁麻疹發作。

其中「寒冷性蕁麻疹」屬於物理性慢性蕁麻疹,此類蕁麻疹患者通常對「低溫」敏感,只要稍微接觸如雪、冰水、冷空氣亦或是短時間內室內至室外溫度急速下降,即會產生風疹塊,導致全身紅腫、灼熱、發癢,嚴重時喉嚨和舌頭腫脹會影響呼吸,甚至少部分患者可能會引起全身性過敏反應而暈倒、心跳加速、血壓降低,皆會有危及生命的可能。

寒冷性蕁麻疹

 曾有位罹患「寒冷性蕁麻疹」男童,在學校上游泳課時因水溫較低,才剛跳進水中便馬上引發蕁痲疹,導致全身上下都佈滿紅色膨疹,隨後連呼吸道也跟著腫起來,幸好迅速就醫,症狀才穩定下來。

卓玉麗皮膚專科診所院長卓玉麗醫師建議「寒冷性蕁麻疹」患者除了需定時服藥,最好在知道會遇到冷因子一至兩小時前先服用抗組織胺藥物,同時也做好保暖、避免室內外溫差,冰水、冰冷食物等也需忌口,特別是冬季追雪活動盛行,也建議「寒冷性蕁麻疹」患者應避免前往。

寒冷性蕁麻疹的治療與預防

 卓玉麗醫師表示目前蕁痲疹的治療以「新型第二代抗組織胺」為主,過往傳統的第一代抗組織胺藥物,雖可有效止癢、並阻止微血管擴張,但時常會造成口乾舌燥、嗜睡、頭昏無力等狀況,少部分患者甚至會出現視力模糊等副作用,雖為短效型藥物但其副作用在少數患者體內可能會持續很長時間,嚴重影響患者日常生活,使服藥順從性降低導致無法有效改善症狀。

以卓玉麗醫師的門診經驗來看,「新型第二代抗組織胺」其副作用發生機率大約只有百分之一,不僅有效改善因為第一代藥物引起的嗜睡、疲倦、注意力不集中等問題,更重要的是對於肝腎功能不佳的患者也不需減少劑量,為目前安全性高的藥物,且藥效在 1 小時內便能夠達到治療效果,並可持續 24 小時,減少患者的服藥次數,事半功倍。

根據臺灣皮膚科醫學會新版診治共識指示,如一般藥物治療仍無法讓病人症狀得到控制,即可將抗組織胺藥物最高調至四倍用量,若調高藥物劑量二至四週後仍然無法改善症狀,即可考慮使用生物製劑或免疫調節劑進行治療。卓玉麗醫師提及現今的治療流程簡明扼要,且因新一代藥物的發現及投入市場,使得蕁麻疹的控制更為有效。

除了配合醫師處方外,也提醒寒冷性蕁麻疹的患者千萬不要只在有症狀時才服藥,不僅無法控制症狀還會使先前的治療前功盡棄,必須將蕁麻疹看成是慢性病一樣治療,有耐心、信心配合醫囑長期服藥,方可穩定控制。

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超導研究突破:在 15℃ 觀測到超導現象
linjunJR_96
・2020/11/24 ・1482字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

超導體的神奇性質,一向只有在零下數十或數百度才會現身。就在今年十月,科學家首次在攝氏 15 度的環境下觀察到超導現象,打破了先前的紀錄(零下 23℃)。在尋求室溫超導的世紀大業中,寫下新的篇章。

超導體是什麼?

一般金屬導體(例如銅、銀)的電阻會隨著溫度下降而變小,不過即使在接近絕對零度時,還是會存在一點點的電阻。人們在 1911 年時發現,有些特定的材料被冷卻到一個程度後電阻會驟降為零,也就是超導現象。這時就算不提供任何電壓,超導體也能穩定的維持電流流動,流到天荒地老。實驗上,超導體已經成功讓電流跑了25年,並持續增加中。

除了零電阻之外,超導體的另一項特異功能是完美的抗磁性。一般來說,磁力的影響可以穿透物質,所以磁鐵才能將海報黏在黑板上。不過超導體會將所有意圖通過的磁力線拒於門外,磁力線被迫繞過超導體,使其內部磁通量等於零,此為所謂的邁斯納效應(Meissner Effect)。如果將一小塊磁鐵放在超導體上方,便可以看到它因為排斥的磁力懸浮在空中。

懸浮磁鐵。圖/Wikimedia

怎麼還沒應用在生活中?

超導體的這些夢幻性質能夠全面革新世界的樣貌,從磁浮技術,資料傳輸,到零耗損電力網,都將不再是夢想。然而從 1911 年到現在,這些科幻片中的場景仍未實現,因為超導性質只有在材料低於特定的臨界溫度才會出現,而在實驗上,這個臨界溫度通常約零下兩百多度。

過往,超導現象只發生在極低溫的環境。圖/Wikipedia

要將材料保存在如此低溫的環境可是所費不貲,任何的大型產業應用也因此難以實現,因此,研究能在較高溫度,甚至在常溫下具備超導特性的材料,就顯得格外重要。

尚未理解的高溫超導機制

過往的超導體理論,是透過原子晶格與電子間的交互作用來解釋超導體的存在,在這種解釋下,物質只會在接近絕對零度、原子的熱擾動極小時,產生超導現象。這種理論只能解釋傳統低溫超導體的機制,對於臨界溫度較高的高溫超導體,雖然可以在實驗上觀察到,但至今仍沒有一個公認的理論模型可以解釋。因此,關於高溫超導的實驗與理論,便成為目前科學界努力尋求的大秘寶。

根據一些初步的模型預測,氫分子或許是個潛力股。不過一般的氣態氫是絕緣體,而金屬氫需要極大的壓力才能合成。因此近期常見的嘗試方向是富含氫原子的金屬物質,例如在 2015 年創下臨界溫度紀錄的硫化氫(-70℃),以及將這個紀錄打破的十氫化鑭(-23℃)。

超導特性出現在常溫 15℃!

羅切斯特大學的實驗團隊在今年利用碳、氫和硫元素,合成出含有碳質的硫化氫(carbonaceous sulphur hydride),並觀察它的超導特性。一塊小小的樣本被鑽石壓砧夾住,並施予 270 GPa 的壓力。在這樣的條件下,超導體特有的零電阻與抗磁性在驚人的 15℃ 便突然現身。

實驗團隊介紹。來源/University of Rochester

當然,這樣的實驗成果距離實際的日常應用還有一段距離。碳質氫化硫樣本只有幾微米大,而鑽石壓砧所施加的壓力也只比地核內部壓力少一點。研究團隊接下來計畫持續調整樣本的化學配方,只要配方對了,他們相信正常壓力下的室溫超導體應該指日可待。

參考資料

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linjunJR_96
31 篇文章 ・ 490 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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和死神爭時間,心肺機讓「開心手術」成為可能——《心臟的故事》
究竟出版
・2020/03/30 ・2457字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

吉本不是唯一一位致力於研發心肺機的科學家。在 1950 至 1955 年間,有五家醫學中心都投注於這項工作,而且各有自己的設計。

圖/pixabay

  1. 在多倫多大學,威廉.馬斯塔德(William Mustard)研發了一部機器,利用隔離的獼猴肺臟為血液充氧。
  2. 在底特律的韋恩州立大學,佛瑞斯特.達德利爾(Forest Dodrill)與通用汽車的工程師打造了一部心臟幫浦,看起來很像凱迪拉克的引擎。
  3. 在梅約醫學中心,科克林(John Kirklin)與他的同事根據吉本的設計打造了一部心肺機,使用直立充氧器和滾軸式幫浦(這部心肺機最後被稱為「梅約─吉本充氧器」)。
  4. 在明尼蘇達大學,李拉海的同事克拉倫斯.丹尼斯(Clarence Dennis)曾參觀吉本的實驗室,並利用吉本當時與他分享的一張草圖自行研發了一部機器,而丹尼斯後來也成為在人類身上試用心肺機的第一人,對象是六歲的派蒂.安德森,後來不幸死在手術檯上。丹尼斯的第二次嘗試也以失敗收場,原因是他的助手任由儲血槽被抽取一空,結果機器將空氣打入病患的動脈,造成病患當場死亡。

根據紀錄,1951 至 1953 年間,共有 18 名病患在心肺機的輔助下接受開心手術,結果有 17 人死亡。

心肺機第一次在人類身上成功使用

後來率先在人類身上「成功」使用心肺機的不是丹尼斯,而是吉本。這個結果可說是恰如其分,因為吉本不但是構想出心肺機的人,研發這種機器的時間也比別人更長。

經過數十年的動物實驗,吉本的第一次人體試驗是一名 15 個月大的女嬰,卻在他慌忙找尋她根本沒罹患的心房中隔缺損時,因出血過多而死(對,那名嬰兒遭到誤診)。

心肺機連接到靠近心臟靜脈和動脈的典型方式。圖/wikimedia

吉本在 1953 年 3 月 27 日又試了一次,這次的對象是 18 歲的塞席莉雅.巴佛列克。她是賓州威克斯學院的新鮮人,在過去六個月間曾三度因心臟衰竭住院。

為了修補她的心房中隔缺損,手術花費了超過五個小時。吉本的機器重達一噸以上,由六名助手管理。在他以棉線縫合那個直徑 0.3 公分的孔洞時,助手會接管病患的血液循環,時間約 30 分鐘。

手術過程中發生了一個意料之外的問題:機器因為血液稀釋劑用完而出現堵塞,必須手動操作。吉本把塞席莉雅與機器分開來後,原本不抱著什麼期望,但她年輕的心臟卻幾乎立刻開始跳動。

吉本縫合完胸腔大約一個小時後,塞席莉雅便甦醒過來,而且可以依照指令活動肢體。她的恢復過程很順利,13 天後就能出院,而且後來又活了將近 50 年,在 2000 年去世(就在我開始接受心臟科訓練的前一年),享年 65 歲。

吉本與塞席莉雅.巴佛列克與一部心肺機合照。圖片來自《心臟的故事》。

《時代》雜誌雖然宣稱吉本「實現了(開心手術的)夢想」,但他卻極度害羞,對公開宣傳避之唯恐不及。只在塞席莉雅同意陪他一起入鏡後,才願意跟他的機器合照。最後,他把關於這項手術唯一的一篇記述發表在《明尼蘇達醫學》這本沒什麼人注意的期刊裡。

在塞席莉雅的手術成功後,吉本又以他的心肺機進行了四次嘗試,但結果都相當糟。

他在自己的研究生涯中,雖然表現出高度的堅忍與勇氣,但四名孩童死於他刀下的事實,卻令他深感灰心。以李拉海為例,他一直非常清楚自己真正的目標何在,即便面對手術病患死亡時依然如此;吉本卻無法忍受讓幼兒承擔風險的做法,甚至為了避免這種情形,不惜放棄自己畢生追求的計畫。

吉本認定自己的機器還沒有穩定到能安全使用的程度,於是要求暫停使用這部機器一年。吉本後來再也沒有動過心臟手術,至於他的機器,則是由各大學與私人公司接手研究。1973 年,他在打網球時因心臟病發去世。

心肺機的後續發展

1954 年左右的一部早期心肺機。圖片來自《心臟的故事》。

今天的心肺機大小和一部小型冰箱差不多大,醫院也有全職專業人員操作它。當然,還是不免出現問題:血球會在這種由塑膠與金屬製成的裝置裡被打碎,病患也可能發生中風。有少數但顯著的病患在術後出現若干程度的認知障礙,例如記憶與注意力缺損,以及語言問題。

這種症狀稱為「幫浦頭」(pump head),可能在術後持續多年,在許多案例中也可能是不可逆的。這種情形的肇因仍然不明,但可能包括微小的血栓或氣泡、手術期間大腦的血流不足、主動脈內脂肪物質移位以及大腦發炎等。

不過,儘管有這些問題,心肺機對過去 50 年來心臟手術的進展卻是不可或缺的,挽救了無數性命。早在 1950 年代初期,開心手術就已是美國醫學技術的指標,吉本的發明更是加速了這個領域的進展。

心臟手術的死亡率從 1955 年的 50% 降到 1956 年的 20%,再到 1957 年的 10%;到了 1950 年代末期,即便是最複雜的先天性缺損也都能透過手術修補。「在 1952 年之前,面對因心內畸形而瀕死的兒童,醫師還是只能祈禱盼望他們康復!」李拉海寫道,「但現在有了心肺機,矯正這種病症已成了例行公事。」如同一名作家所言,心臟成了「手術攻堅的對象」。

我的祖父無疑患有冠狀動脈疾病,也幾乎可以確定是死於冠狀動脈血栓。當時如果有吉本的發明可供他使用,那麼我的家族史說不定會出現不同的發展。只可惜,這個領域必須等到 1960 年,麥可.羅曼(Michael Rohman)醫師才會於布隆克斯進行第一起成功的人類冠狀動脈繞道手術。

而 1967 年,勒內.法瓦洛羅(René Favaloro)醫師在克里夫蘭醫學中心成功進行了全世界第一次利用腿部靜脈繞過冠狀動脈阻塞的冠狀動脈繞道手術,這種術式至今仍是標準做法。時至今日,每年全世界有超過 100 萬次手術在術中使用心肺機,換言之,平均每天有 3000 次。

——本文摘自《心臟的故事》,2019 年 9 月,究竟出版

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