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華生與心肺復甦術

蘇 上豪
・2014/01/22 ・3542字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

應該是天性加上職業的關係,每次和老婆大人觀看電視影集或是電影時,只要出現有關「醫療行為」的橋段,我總會有如戴上了放大鏡一般,對其中的細節進行「勘誤」與「抓漏」,常常惹得沉浸在劇情裡的老婆大人非常不悅,說我是煞風景、破壞氣氛等等。

其實,這也不能怪我。因為我覺得,除了故事本身一開始的走向就是設定在「無厘頭」、「惡搞」的類型外,任何影集或電影若牽涉到「醫療作為」時,導演在拍攝上應該要力求逼真,否則史詩片再怎麼波瀾壯闊,動作片再怎樣刺激緊張,幫派片再如何血腥暴力,當有如「辦家家酒」的醫療行為出現其中,任何片子的評價都要被大打折扣──這是種「唬弄觀眾」的失敗行為,甚至會給人們不正確的醫療觀念。

經過了這些年的觀察,除了有專業背景為主題的影集與電影外(如醫龍、急診室的春天、絕命追殺令等等),很多導演在拍攝「醫療行為」的劇情,常會出現讓我一眼就看出破綻的畫面,尤其是劇情牽涉到了「急救」的時候。

最常見的錯誤是在飾演醫師的演員身上。當他們手拿「電擊板」,看到眼前病患得心電圖監測畫面是一條直線(意即心跳完全停止),這位醫師會奮不顧身開始電擊病患,直到他心跳恢復,或者是失敗了多次之後就宣布病患的死訊──這是個非常「危險」的錯誤,因為在醫療上,「電擊」是用來治療那些有嚴重「心律不整」的病人(如心室顫動、陣發性心搏過速……等等),而沒有心跳的病人應該是要立即施行體外心臟按摩(cardiac massage),貿然給予電擊可能會適得其反,加速病人的死亡。

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可能有人會和我老婆的想法相同,認為這種「挑剔」的行為會影響作為「觀賞者」的興致,但我卻樂此不疲,反而覺得對影片的「勘誤」,會讓人在欣賞它時處處充滿驚奇。

當然,我對於表現好的影片也不會吝於給個掌聲,像是電影「福爾摩斯」第二集的「詭影遊戲」(A Game of Shadow),劇中有段急救的過程,我就覺得它很精彩。

話說福爾摩斯和華生一行人終於發現了邪惡教授莫瑞提的地下兵工廠,知道他想掀起歐洲大戰,賺取戰爭財。但是當他們遭受攻擊逃出那裡的時候,福爾摩斯卻因負傷過重而導致休克沒了心跳血壓。飾演華生醫師的裘德洛在確定福爾摩斯的情況後,首先開始在他的胸口重捶一下,接著開始心肺復甦術(Cardiopulmonary Resuscitation,俗稱CPR)──這包括口對口人工呼吸和體外心臟按摩。

螢幕截圖 2014-01-16 12.02.48

老實說,裘德洛的動作是很正確,不過剛看到這一幕的我發出了會心的一笑,因為他的動作還是有點「瑕疵」──心肺復甦術之前的那下胸口重捶,其實是一九九○年代前的老觀念,當時的醫師認為病患心跳停止泰半來自於「心室顫動」,所以捶這樣一下是希望有如「電擊」的效用,讓上述的心律不整停止,但這種想法經不起時代考驗,也被當今的心肺復甦術摒棄不用了。

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本來很想把這樣的發現和身旁的老婆大人分享,不過仔細想了一下,我發覺自己也落入了一個天大的思考錯誤──因為在柯南道爾創作福爾摩斯的年代(約一八八七年),是沒有所謂「心肺復甦術」的急救措施,更不要說在急救前給病人胸口那重重的一拳,那時的醫學界還在為急救時是否要「開胸」(Open-chest)和「不開胸」(Close-chest)做「心臟按摩」爭論不休。

現代的急救術,一開始並非為了心臟有問題的人所設計,探究其根源,乃是為了拯救溺水的人而慢慢發展而來,最早可以追溯到一七六七年在荷蘭阿姆斯特丹成立的「拯救溺水者協會」(the Society for Recovery of Drowned Persons)。據該協會在四年之後宣稱,經由他們的幫助,成功讓一百五十位溺水者免於死亡。其中主要的方法有下列七個步驟:

  1. 設法溫暖並提高溺水者的體溫。
  2. 以頭低腳高的姿勢設法清除溺水者口中的殘留物及吞下的水。
  3. 用力壓迫溺水者的腹部。
  4. 用口對口或手動氣囊(Bellow,如圖示)吹氣的方式,給予溺水者輔助呼吸。(當時已有衛生觀念,建議口對口人工呼吸前,要用手帕或衣物蓋住溺水者的嘴巴)。
    華生與心肺復甦術-bellow
  5. 搔弄溺水者的喉嚨。
  6. 用煙燻的方法刺激溺水者(從口腔或肛門灌氣)。
  7. 放血。

前四項的方式大抵目前的急救措施仍有沿用,而後面三個步驟卻令人不敢領教,可是在當時,有很多歐洲國家群起效法,還造成了一股風潮。

為何在十八世紀開始的急救措施只限於「溺水者」,而不是心臟按摩的患者?道理其實很簡單,因為當時心臟病的病因生理學很落伍,不知心臟猝死的人是怎麼回事,當然也不知如何救治,但溺水者卻是顯然易見,自然比較受當時人們的重視。

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至於是什麼因緣促成了「心肺復甦術」的崛起,這讓我不得不提出「氯仿」這個麻醉劑。

在一八四六年乙醚成為外科手術使用的麻醉藥之後,沒有幾年它就在世界風行起來了,但有鑑於它持久的強烈氣味以及刺激呼吸道,蘇格蘭的產科醫師辛普森爵士,在經過幾年測試之後,提倡了「氯仿」的使用。

辛普森首先在「分娩」時使用氯仿替產婦麻醉,此舉卻招來蘇格蘭「喀爾文教派」的大加撻伐,他們引用《聖經》裡的故事,認為生育小孩本來就應該忍受肉體上的痛楚,不應該接受麻醉。但辛普森卻反駁說,上帝在亞當身上取出肋骨時就讓他進入深度睡眠狀態,也就是上帝替亞當先施行了麻醉。

不管雙方吵得如何凶,維多利亞女王在她第七個孩子利奧波德王子出生前,就下令接生的醫師替她使用「氯仿」,這讓辛普森取得完全勝利,也讓「氯仿」的使用更加流行。

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「氯仿」雖然不是味道很刺激的麻醉劑,不過它有時會抑制心肌,引發低血壓造成休克,甚至引起病患死亡。所以一八八七年在柏林 Lazarus Hospital 遇到此問題的 Langenbach 醫師,他終於忍不住採用 Moritz Schiff 醫師在狗動物實驗中相同的方法,將一位手術中吸入「氯仿」而心跳停止的病患胸腔切開,直接用手在他的身體內做起「心臟按摩」。

雖然病患沒有被救回,但經由他的報告,確實吸引了歐洲許多外科醫師模仿,這其中又以當時執牛耳的法國醫界最為風行。不過在往後的幾十年,能夠被此一方法救活的病患卻屈指可數,但外科醫師並沒有輕易放棄這種「開胸」的心臟按摩。

為何外科醫師不放棄上述的方式?說穿了是當時這樣的急救都在開刀房內施行,病患躺在手術枱上都消毒了,直接打開胸腔做心臟按摩對外科醫師很方便,也讓「眼見為憑」的外科醫師相信這樣的方式是快速而有效的。

幾乎在同一時間,瑞典的 Kraske 醫師利用了德國醫師 Koenig 提出的「不開胸心臟按摩術」,成功救活了一位因為接受手術吸入氯仿而休克的五歲男孩,此一成功的經驗造成在德國醫界「遍地開花」,紛紛報告了成功的案例,雖然不是大規模的病例數,但卻可以明顯看出,這樣的方法好過「開胸」那種血淋淋的方式。

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如果你以為論戰是「不開胸心臟按摩術」占上風,你可就錯了。事實上世界上絕大多數的外科醫師直到二十世紀中期仍是「開胸」方式的擁護者。歷史學家將這樣的結果歸結為兩個重點,一個是外科醫師的「高傲」心態,總以為自己最行,而且認為「眼見為憑」的急救方式才能快速檢驗成果,「不開胸」的方法令他們有疑慮;而另一個原因是當時醫界在英、法兩國醫師引領的「仇德」心態。「不開胸心臟按摩術」成功的案例多為德國醫師提出,看不起他們的法國與英國醫界自然懷疑其成果,不屑放棄固有的方法而去效法德國人。

這樣的情況終於在二十世紀中期獲得改觀,這一切都應該歸功一位在約翰霍普金斯醫院「無私」的外科醫師 Blalock。

Blalock 醫師當時擔任該院的外科部主任,他雖然相信「開胸心臟按摩術」,但也知道「不開胸」的方法似乎也不錯,於是他在一九五八年批准 Bahnson 及 Jade 兩位醫師在開刀房內對因為麻醉而造成休克的病患實施「不開胸」的心臟按摩急救,結果連續二十個病患都成功達成任務,至此兩種心臟按摩方式優劣立見。

由於在約翰霍普金斯醫院成功經驗的激勵,全美對於此種急救方法也在紅十字會的推廣下,慢慢引領了許多醫院外路倒的病患用此方法急救,對此美國心臟協會更在一九六○年代初期委由Jude, Elam, Gordon, Safar, Scherlis 等醫師將急救方式訂定標準化流程,正式稱為「心肺復甦術」──當然其中包含不只是心臟按摩的方式,也強調了口對口人工呼吸及其他重要的急救措施。

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現今的急救措施在幾十年的經驗與修正下,對於醫療從業人員的要求也更為嚴謹,連名稱也進化了,叫做「高級心臟救命術」(Advanced Cardiac Life Support,簡稱ACLS),不只是人工呼吸、心臟按摩有一定技巧,連藥物、電擊等等與急救相關流程都有鉅細靡遺的規範,而且通過 ACLS 的考試也是在醫院工作的人員必要條件,並列為「醫院評鑑」的考核重點項目之一。

從「溺水」聊到「開胸」與「不開胸」的心臟按摩,再談到無私的外科醫師促成急救措施的大躍進,雖然過程看起來似乎很簡單,但其中多方的「角力」與「努力」不是檯面上所看到那般「平凡」,也絕對比文章裡談到的更豐富精彩。我只是身為一位科普文章作者,幫讀者去蕪存菁,由繁化簡描述這段艱辛的歷程,除了讓大家了解推動「醫療觀念革新」的沉重與緩慢以外,也提醒讀者要清楚,當今任何醫療成果都是得來不易,沒有什麼理所當然,沒有什麼該輕忽浪費。只希望有心人都可以珍惜當下所有,感恩先人努力及眼前醫療人員的服務才是。

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蘇 上豪
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高雄人。1985年進入國防醫學院醫學系就讀,在繁忙的課業之餘從事文藝創作,曾連續獲得國防醫學院「源遠文學獎」1988及1989年小說獎第一名。 2010年起,受邀於網路「散文專欄作家交流平臺」,以「島國良民」為筆名,透過簡短的故事,發表有關醫學的科普散文迄今。現為臺北市博仁綜合醫院心臟血管外科主任。著有《開膛史》

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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鑑識故事系列:浸入性肺水腫,在冬季的日內瓦湖
胡中行_96
・2023/03/27 ・2373字 ・閱讀時間約 4 分鐘

於平均水溫 7°C 的 12 月底,一名 56 歲的男子,潛入瑞士日內瓦湖。肥胖的軀體(BMI = 33 kg/m2),緊繃著潛水衣,背上扛負沉重的開放式水肺。有 6 個月潛水經驗的他,在水中悠游無阻。10 分鐘後,來到水面下 19.5 公尺。[1]

瑞士日內瓦湖。圖/Alexander Kovacs on Unsplash

突然,他咳嗽且呼吸困難,但嘴裡仍含著潛水用的呼吸調節器。同行的人陪他,一起遵循減壓程序:[1]每向上一段距離,就稍作停留,再繼續移動。[2]3 分鐘後,他們回到水面,男子立刻吐血。緊接著在船上,他心臟病發,失去意識,被及時施予包含心肺復甦術(cardiopulmonary resuscitation,簡稱 CPR)在內的基本救命術(basic life support),長達 5 分鐘。直到船隻靠岸,改由急救團隊接手,執行高級心臟救命術(advanced cardiac life support):除了 CPR,還做氣管插管(intubation)。期間血沫從他的口咽滲出。[1]

鼻咽、口咽和喉咽。圖/GnolizX & U.S. Centers for Disease Control and Prevention on Wikimedia Commons(Public Domain)
非此案的高壓氧氣艙。圖/Hyperbaric Center of Queens on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

在持續不斷的心肺復甦術下,男子被直升機送抵附近唯一設有高壓氧氣艙(hyperbaric oxygen chamber)的日內瓦大學醫院。進入急診室時,離急救開始,已經過了 84 分鐘。他呼吸著低流量的氧氣,情況依然不見好轉。時而心臟暫停跳動;時而心室頻繁顫抖。血液中乳酸含量飆高,pH 值下降。入院 20 分鐘,也就是展開 CPR 後的第 104 分鐘,男子被宣告死亡。[1]

死因與責任歸屬

他的死因與相關責任的歸屬,得從 3 個面向的線索來分析:

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  1. 醫療紀錄:咳嗽、咳血、血沫,還有愈往水面愈惡化的病況等。之前的事件描述,大致涵蓋了重要資訊。[1]
  2. 警方調查:水溫、證人筆錄、潛水紀錄,以及潛水用具的運作狀況。警方排除潛水用具異常致死的可能。[1]
  3. 驗屍報告:屍體解剖、電腦斷層掃描、病理現象分析、尋找溺水跡象,以及組織學和毒物學檢驗等。驗屍在男子死後的隔天進行。他肺泡與肺泡之間的肺間質(pulmonary interstitium),病變增厚;[1]肺泡破裂出血,形成肺氣腫(pulmonary emphysema),且淤積液體;[1, 3]部份肺臟被填滿,呈現肺實變(pulmonary consolidations)。另外,呼吸道有少量泡沫和血液;心臟肥大;而且因為肥胖的緣故,肺動脈及冠狀動脈有脂肪斑紋(fatty streaks)。不過整體而言,沒有任何溺水的跡象。[1]
男子的肺間質增厚與肺實變。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0)

浸入性肺水腫

最後男子的死因,被判定為浸入性肺水腫(immersion pulmonary oedema)。《國際法醫期刊》(International Journal of Legal Medicine)的論文,分析此症詳細的形成機制,有下列幾種可能:[1]

  1. 人在水中的時候,水壓會促進心肺氣體交換的血液循環,也就是肺循環,以及提升心臟的血液輸出量,即心輸出量。因此而集中的血液,帶來過大的壓力,令肺部的微血管不堪負荷,血液便滲入肺泡。此時,其他因素也可能惡化病況,例如:緊繃的潛水衣、冰水收縮血管、高血壓、心臟肥大、體內水份過多、心理壓力和劇烈運動等。[1]
  2. 水壓集中血液,增加了右心室的工作量,使得左右兩個心室的輸出失衡,也造成肺部微血管壓力衰竭,終致水腫。如果病患原本還有左心室或心臟瓣膜異常,問題會更嚴重。[1]
  3. 水壓升高肺部的血壓,以及從潛水氣瓶費勁吸氣,都可能危及肺泡與肺部微血管;而呼吸不順的心理壓力、運動大量換氣,還有不當使用呼吸調節器的氣流阻力等,則加重對肺部微血管的傷害。[1]

急救和治療

一般潛水者察覺身體不適,當下會想回到水面上。然而,在水中上升的過程裡,逐步減壓的身體,會產生下列變化:無法繼續溶於血液的氣體被釋出,氣泡於是傷害肺部微血管;胸腔裡的氣體膨脹,水腫重新分佈;肺泡內壓力下降,拉大肺泡與肺部微血管的壓力梯度。這些都會使浸入性肺水腫的症狀惡化。[1]

儘管如此,急救的第一個動作,還是得把病患盡快送至水面。[1]情況許可的話,才在不同的水深處暫時停留,使氣體能安全地從身體組織釋出,免於氣泡的產生。[2]遠離水壓,脫去潛水衣,並溫暖身體,以減少血液過度向心肺集中。如果沒有生命危險,就讓病患坐下,經由面罩吸入高濃度的氧氣,然後送去有加護病房和高壓氧氣艙的醫院。[1]

在醫院裡,無論是用侵入性或非侵入性的呼吸器,都要以正壓維持呼吸道通暢。除非併發減壓疾病,系統性的高壓氧氣治療,其實沒有必要[1]同時,醫師可能也會開 β2-交感神經促進劑(beta-2 agonists),這種常見的氣管擴張藥物,加速肺泡清除液體。[1, 4]至於心臟的部份,硝化甘油(nitroglycerin)點滴則能放鬆血管,調節左右心室的血液流量。[1, 5]

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多數浸入性肺水腫的案例,不像此男子這麼嚴重,大約 2 至 3 天即可出院。不過,1 個月內,絕對不得再潛水或游泳。最好由醫師診斷,是否罹患高血壓、糖尿病、高血脂等心血管疾病,並檢查呼吸功能有無異常。未來下水時,務必選擇水溫暖和的地點,穿著合身的潛水衣,限制活動的水深與時間長度,還要避免水份過量,或吸入太多氧氣。[1]

  

參考資料

  1. Evain F, Louge P, Pignel R, et al. (2022) ‘Fatal diving: could it be an immersion pulmonary edema? Case report’. International Journal of Legal Medicine, 136, 713–717.
  2. CHAPTER 3 — Underwater Physiology and Diving Disorders’. (2016) In: U.S. Navy Diving Manual — Volume 1. U.S. (pp. 50) Naval Sea Systems Command.
  3. Emphysema’. (28 APR 2017) Mayo Clinic.
  4. Hsu E, Bajaj T. (23 JUN 2022) ‘Beta 2 Agonists’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  5. Kim KH, Kerndt CC, Adnan G, et al. (27 SEP 2022) ‘Nitroglycerin’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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在臺海危機下,淺談戰地醫療
胡中行_96
・2022/08/18 ・4776字 ・閱讀時間約 9 分鐘

「護理人員不該因公殉職。」根據世界衛生組織(World Health Organisation,簡稱 WHO)的統計, 2022 年俄烏戰爭開打不到三個月,烏克蘭醫療相關的照護單位、運輸、人員、病患、補給與倉庫,就已經遭受 200 起攻擊,造成 75 死 54 傷。身處戰火中的護理人員[註1] Tetiana Freishyn 說:「空襲警報頻繁作響,永遠不曉得工作何時會被打斷。因為烽火綿延,我們接到許多開放性骨折(傷患)。這與一般腿骨受創大不相同,所以我們必須快速提升技能。」[1] 以俄烏戰爭為鑑,面對臺海政治局勢升溫,現在或許正是認識戰地醫療,有備無患的時機。

2022 年蔡英文總統慰勉海軍陸戰隊陸戰 66 旅。圖/總統府 on Flickr(CC BY 2.0

常見的戰爭外傷

將近九成的戰鬥死亡,發生在抵達醫療院所之前。[2] 戰場上受傷的主要原因,第一是遭受爆裂物波及,其次為槍擊。[3] 2022 年 4 月美軍《醫療期刊》分析戰時最常見的護理任務:傷患到院前,33% 為傷口包紮,35% 是施予非口服鴉片類藥物,而 7% 則為提供K他命。鴉片類藥物通常能有效紓解外傷的疼痛,可是隨著戰爭科技的演進,未來殺傷力更大的迫擊砲等武器,將可能減損其效益。[3]

美國歐洲陸軍野戰醫院。圖/U.S. Army Europe on Flickr(public domain

軍陣醫療分級

軍陣醫療單位依能力分為不同的等級,以美軍為例:

  • 角色一(Role 1)負責傷病預防和急救,其中包括「戰術戰鬥傷患照顧」。[4, 5](詳情請見下一節。)
  • 角色二(Role 2)能處理高級外傷、內科急診和初級手術,具輸血、 X 光等設備以及有限床位。[4, 5]
  • 角色三(Role 3)是可接納各類傷病,並執行專科手術的戰區醫院。[4, 5]
  • 角色四(Role 4)為提供最終治療的海外及美國本土醫院。(其中美國本土的單位,以前稱為角色五。)[4, 5]

臺灣也有類似的編制,稱作「二段三級」。第一段是「部隊衛勤」,包含負責急救的第一級,與涵蓋醫療站和外島野戰醫院的第二級;而第二段為「地區醫療」,即由三軍總醫院和其他國軍醫院組成的第三級[6, 7]

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美國特殊兩棲偵察部隊練習戰術戰鬥傷患照顧。圖/the U.S. Official Navy Page on Flickr(CC BY 2.0

戰術戰鬥傷患照顧

美軍於 1996 年建立了「戰術戰鬥傷患照顧」(Tactical Combat Casualty Care,簡稱 TCCC )的概念,目前陸軍官網開放免費下載第五版教學手冊。[2] 臺灣的民間團體翻譯了繁體中文摘要,有興趣的讀者可以參考看看。[8] 原版手冊中,從加壓止血和如何預防失溫等簡單的護理常識,到放置鼻咽呼吸道、氣胸針刺減壓,這類較為困難的技術都有介紹。儘管戰場上的檢傷分類是以戰術情形、負責任務與可用資源為考量; TCCC 原則上,要求情況嚴重的傷患,首先被撤離戰場。[2] 臺灣的國軍基本上也採用 TCCC,但《國防安全週報》第 79 期和 2018 年第 4 季的《陸軍後勤季刊》卻都強調,救援時必須以有戰力之官兵為優先。[9, 10]

TCCC 將傷患救護分為三個階段:

  • 第一階段交火時的照顧」:精準地向敵方回擊,以降低我方死傷,並用止血帶防止傷患大量失血。[2]尤其是傷患過多或傷到主要動脈時,使用止血帶會比加壓止血法實際。[11]
  • 第二階段戰術戰場照顧」:當敵軍不再有效攻擊,則可將傷患移動至有掩護的地方,並由醫護人員接手。[2]有別於一般基本救命術(basic life support,縮寫 BLS)的步驟,[註2]這裡採用的急救順序口訣是 MARCH,分別代表:[2, 10]
M預防大量失血(massive hemorrhage)
A暢通呼吸道(airway)
R維護胸腔壓力來確保呼吸(respiration)
C輸注液體進入循環(circulation)系統
H檢查頭部創傷/避免失溫(head injury/ hypothermia)

值得注意的是,遇到精神狀態改變的傷患,應立刻去除其武裝再開始救治;還有心肺復甦術不得在交戰區域內執行,[2] 也不可以影響到任務或其他的救援。[12]

  • 第三階段戰術撤退照顧」:將傷患運輸至他處。[2]
止血帶的使用方法。圖/臺灣備戰自訓手冊編輯委員會CC BY 4.0
沒有止血帶的時候,用三角巾或布條打活結,插入棒子,再打活結,然後扭緊並固定。來源/Pro Trainings Europe Ltd on YouTube

野戰醫院裡的心肺復甦術

在臺灣上過國防教育(昔為軍訓、護理)課程,或是當過兵的人,應該都對心肺復甦術(cardiopulmonary resuscitation,簡稱 CPR)不陌生。理想的 CPR 是以每分鐘 100 到 120 下的速度按壓胸部,深度約 5 至 6 公分;而胸部按壓與人工呼吸的比例應為 30:2[13] 問題是在實作時,病患所躺的平面,會影響按壓的精準度。2019 年《澳洲輔助醫療期刊》的瑞典論文,比較專業醫護人員在野戰醫院的地板、軍床(72 公分高)和軍用擔架(84 公分高)上做 CPR 的差別。研究發現後二者的硬度雖然足夠,但高度會導致表現失準。因此,在地板上做 CPR 效果最好[13]

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在地板上做 CPR,胸部按壓效果最好。圖/Martin Splitt on Unsplash

戰爭中的平民醫療

在戰爭中,理論上政府單位、軍方設施和人道救援組織,都可能會為平民提供醫療服務。[14] 不過,平民實際上能獲得的外傷照護,其實相當不足。過去人道救援組織介入時,為發揮有限資源的最大功效,經常容忍較高的死亡率。國家也可能會把救援傷兵,排在第一順位;而平民則必須仰賴家人,自食其力。[14] 2016 至 2017 年摩蘇爾戰役期間,WHO 於伊拉克首度建立平民傷患的轉介醫治管道(見下圖)[14, 15] 貫串運送與急救、野戰醫院,到普通醫院的整個流程。[15] 美國醫師還在 2018 年的《外科年鑑》上,為該創舉設計了一套改進的系統性架構。[14] 然而 2021 年《衝突與健康》期刊的一篇論文,質疑基於資源整合的困難,摩蘇爾模式未必能於其他戰場重現。[15]

摩蘇爾戰役中,救援平民傷患的管道。圖/參考資料 15,Figure 1(CC BY 4.0

2022 年俄烏戰爭期間,曾在摩蘇爾、阿富汗等戰役中參與人道工作的 Johan von Schreeb 醫師,受 WHO 邀請去烏克蘭協調國際醫療援助。[註3] 他發現即便烏克蘭原有完善的醫療系統,相關從業人員並不習慣處理戰時的外傷類型。於是,他的團隊為上百人開設工作坊和線上研討會,並引進骨科整形醫師與在地醫護合作。[16] 當然一般人無法臨時惡補專業醫療知識,但是若熟悉基本救命術和簡單的外傷急救,在戰亂中多少能提高傷患活著抵達醫院的機率更何況這些技巧也適用於承平時期的意外事故。因此,有興趣的臺灣民眾不妨現在就報名坊間的急救訓練,才能面對危機,處變不驚。

2022 年俄烏戰爭爆發後,烏克蘭平民在地下室學習急救技巧。來源:Forbes Breaking News on YouTube

補充資料

全民國防手冊

內政部警政署防空疏散避難專區

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臺灣備戰自訓手冊編輯委員會

臺灣民團協會

(影片)台灣若開戰!我沒有槍怎麼辦?那就能救一個是一個!軍警及危險工作人員更應配給!俄羅斯烏克蘭的戰爭借鏡|止血帶|生存學習 EP8 by JOBY on YouTube

(歡迎讀者留言提供更多資訊,謝謝。)

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備註

  1. 世界衛生組織的報導稱 Tetiana Freishyn 為「nurse」,[1] 從內容看不出她是護理師,還是護士。
  2. 各國的基本救命術口訣,好像差很多,不過實際動作大同小異。臺灣流行「叫叫 CABD」或「叫叫壓電」,步驟是檢查環境安全、確認病患意識;呼救、打 119 、取得 AED ;心臟按壓;暢通呼吸道;人工呼吸;以及電擊除顫。[17] 而澳洲政府公告的版本為「DRSABCD」代表注意環境是否危險(danger)、試探患者有無反應(response)、派人撥打 000 求助(send for help)、暢通呼吸道(airway)、觀察有沒有呼吸(breathing)、心肺復甦術(CPR)和用 AED 去顫(defibrillation)。[18]
  3. WHO 的新聞稿沒有明確定義 Johan von Schreeb 醫師負責的創傷救治管道(trauma pathway),是否僅服務一般民眾,但是提及的醫護不像是有軍職,否則不會不擅處理戰爭外傷,而且他們救助的對象還包含兒童。[16]

參考資料

  1. “We risk dying when going to work” – Ukrainian nurse shares her message on Nurses’ Day (World Health Organization, 12 MAY 2022)
  2. Pappal MF, Jean RS, Engle W, Fruendt JC. (2017) ‘Tactical Combat Casualty Care Handbook, Version 5’. Center for Army Lessons Learned.
  3. Wilson KE, Vasek M, VanFosson CA, et al. (2022) ‘An Assessment of Nursing Skills Required for Sustaining a Casualty during Prolonged Casualty Care: Implications for Training and Preparing for the Next Major War’. The Medical Journal.
  4. Knight RM, Moore CH, Silverman MB. (2020) ‘Time to Update Army Medical Doctrine’. Military Medicine, 185, 9-10, pp. e1343–e1346.
  5. Cubano MA & Butler FK. (2018) ‘Emergency War Surgery 5th Edition’. Borden Institute.
  6. 國軍衛生勤務規則(全國法規資料庫,accessed on 12 AUG 2022)
  7. 【社論】厚植軍陣醫學 整合醫衛戰力(青年日報,2020年9月10日)
  8. TCCC(台灣備戰自訓手冊編輯委員會,accessed on 13 AUG 2022)
  9. 國防安全週報 第79期(國防安全研究院,2019年12月27日)
  10. 國軍戰術戰傷發展與精進作法探討研析(陸軍後勤季刊,2018年11月)
  11. Pilgrim CHC. (2019) ‘An Overview of the Key Elements Required for Haemostasis Following Military Trauma from the Point of Injury to Definitive care’. Journal of Military and Veterans’ Health, 27, 2, pp. 82-90.
  12. Harold R. Montgomery. (2017) ‘Tactical Combat Casualty Care Quick Reference Guide First edition’. The Committee on TCCC.
  13. Abelsson A & Lundberg A. (2019) ‘CPR performed in battlefield emergency care.’ Australian Journal of Paramedicine, 16.
  14. Garber K, Stewart BT, Burkle F, et al. (2018) ‘A Framework for a Battlefield Trauma System for Civilians’. Annals of Surgery, 268, 1, pp. 30-31.
  15. Garber K, Kushner AL, Wren SM, et al. (2020) ‘Applying trauma systems concepts to humanitarian battlefield care: a qualitative analysis of the Mosul trauma pathway’. Conflict and Health, 14, 5.
  16. The importance of mass casualty training in the context of the war in Ukraine: an interview with Professor Johan von Schreeb (World Health Organization, 17 MAY 2022)
  17. 【大家不可不會的CPR-民眾版成人心肺復甦術】(內政部消防署,2022年6月24日)
  18. First aid basics (Healthdirect Australia by Australian Government, 2021)
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