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第21章 人体重大发明、发现(12)

科学家发现,人体受到损伤或病变的组织往往比周围正常组织的温度略高,只要测出温度的细微变化,疾病的部位便可迅速地得到确定。根据这一原理,科学家发明了微波听诊器。使用微波听诊器时先由外形与话筒相似的天线接收器接收人体病变组织因发热而产生的不同的微波信号,然后根据收集到的声音不断移动天线接收器,最终发现病变部位。

血压计的发明

血液在血管内向前流动时,因为血液使血管充盈,则对血管壁造成一种侧压力,就叫血压。它来自于心脏收缩时释放的能量。由于血液在沿着血管流动的过程中,需不断克服阻力,消耗能量,所以血压在循环过程中是逐渐下降的。通常所说的血压,是指体循环的动脉压,是血管壁受到的侧压力与大气压之差。医生诊病或体检时,常会使用血压计来测量血压。然而你可知道,血压计是怎么发明出来的?

早在18世纪初,英国人哈斯就已思考过血压问题,并想出一种简单测量血压的方法。他用一根长9英尺(2.74米)的玻璃管的一头与铜管连接,然后插入马的动脉血管中。这时,马的血液在玻璃管里上升8英尺3英寸(2.51米)高。这种最为原始的血压测量法极不方便,因为需要一根很长的管子。后来,法国人普赛利采用内装水银的玻璃管来测量血压,此法减少了所用玻璃管的长度,因为水银的比重是水的13.6倍,玻璃管内的压力即使很大,也不至于把管中的水银柱顶起多高。比起哈斯来,普赛利这种血压测量法要简便点了。然而,哈斯、普赛利的血压测量法均属于直接法,其所测血压虽比较准确,但每测一次血压,都要损伤血管。

1896年,意大利人里瓦·罗克西发明了一种不损伤血管的血压测量法。他用一个橡皮囊臂带缠绕在手臂上,然后用一个与橡皮囊臂带连通的橡皮球给橡皮囊臂带充气,观察与橡皮囊连通的玻璃管内的水银柱高度,以此来推测血压数值,此法测量血压虽然不损伤血管,但推测的血压数值不甚准确。

怎样的血压测量法既不损伤血管,又能准确地测得血压数值呢?1905年,俄国医生柯罗科夫发明了两全其美的血压测量法,这就是现在医生经常使用的柯氏水银柱血压计。

柯氏水银柱血压计有一个不漏气的袋子,袋子连出来两条橡皮管,一条管连着一个橡皮球,另一条管连着一个压力计。压力计是一个装着水银的U型玻璃管,它固定在一个以毫米为刻度的尺子上。医生将袋子缠在病人的上臂处,捏那个球使袋子充气。袋子里增高的压力使压力计直管里的水银上升,同时,充气的袋子压迫上臂的大动脉。医生继续向袋子里打气,直到腕部的脉搏消失为止,这表明袋子下面的动脉里面已经没有血液流动。这时他把听诊器放在紧靠袋子下面的动脉上,将橡皮球旁边的阀门缓缓打开,袋子里的空气慢慢外漏,压力也就逐渐下降。袋子下面的血管受压减轻,便开始有血液流动。动脉里一旦有血液开始流动就会听到一种轻轻的“哒哒”声。这时记下水银柱高度的读数,这个读数代表着收缩压。这是心脏收缩时,动脉血压所达到的最高数值。

医生把袋子里的空气再往外放,压力就继续下降,血液流经动脉的声音就变得响些,接着突然变得含糊不清直至消失,在这个声音刚要消失时水银柱高度的读数就是舒张压。这是心脏在舒张时,动脉血压所降到的最低值。

血压的单位过去用毫米汞柱表示,如今使用我国法定的计量单位“千帕”来表示。医生一般在测量之后,就用一分子式形式记录下来。例如16/10千帕,就代表某人收缩压16千帕,舒张压是10千帕。

按照世界卫生组织建议使用的血压标准是:正常成人收缩压应小于或等于18.6千帕(140毫米汞柱),舒张压小于或等于12千帕(90毫米汞柱)。如果成人收缩压大于或等于21.3千帕(160毫米汞柱),舒张压大于或等于12.6千帕(9毫米汞柱)为高血压;血压值在上述两者之间,亦即收缩压在18.9~21.2千帕(141~159毫米汞柱)之间,舒张压在12.1~12.5千帕(91~94毫米汞柱)之间,为临界高血压。

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健康人动脉血压在日常生活中基本恒定,但也常有生理性变动。运动时﹑进食后﹑情绪激动时升高;睡眠时﹑轻松愉快时血压稍降。吸气时血压先降后升,呼气时血压先升后降,这些血压变化多呈暂时的。瘦弱的人血压多偏低,超重的人血压多偏高。男性40岁以后,女性35岁以后动脉血压的升高比较明显,其中收缩压比舒张压升高更为突出。

电子显微镜的诞生

显微镜是一种精密的光学仪器,已有300多年的发展史。自从有了显微镜,人们看到了过去看不到的许多微小生物和构成生物的基本单元——细胞。但随着对细胞研究的不断深入,光学显微镜便显示出了明显的局限性。由于光学显微镜不论质量如何改善,它的放大率也至多能到1500倍,这对进一步了解细胞的微细结构来说,显然是不够的。

19世纪末,德国一位名叫阿贝的光学家认为,光学显微镜的分辨本领大约是使用光线波长的一半。既然光线的波长可以影响分辨本领,那么如果使用波长短的光线来作光源,不就可以把显微镜的分辨本领提高一些了吗?分辨本领高了,放大倍数自然也就提高了嘛。当时,科学家已经知道紫外线、X射线、γ线的波长要比光波短。经过多年的努力,在20世纪初出现了紫外线显微镜,后来又出现了X射线显微镜。

1924年,法国科学家德·布洛依证明了任何一种粒子,当它们在快速运动时,必定都伴有电磁辐射,辐射波的波长与粒子的制裁量及粒子运动的速度成反比。这真是一个好消息:如果能用高速运动的电子来作光源而发明出一台电子显微镜的话,那该是多么振奋人心啊!可惜,德·布洛依的证明并没有引起人们的重视。那时,许多科学家都在从事高压阴极射线示波器的研究。1924年,一个名叫加柏的科学家在德国柏林进行这项研究时,无意间制造出了一种短焦距、有会聚能力的线圈。然而,加柏不能解释为什么这种线圈具有会聚作用,也不知道这样的线圈有什么用处。两年以后,又一位德国科学家布施发现,加柏制造的线圈对电子可以起透镜的作用。他发现高速运动的电子在电磁场的作用下会发生折射,并且能被聚焦,就如同普通的可见光通过透镜被折射聚集一样。然而,这个重要的发现同样没有及时应用到制造电子显微镜方面来。

德·布洛依和布施的两个发现,为电子显微镜的发明指出了方向。1932年,德国柏林工科大学的年轻研究员鲁斯卡制作了第一台电子显微镜——它是一台经过改进的阴极射线示波器,成功地得到了铜网的放大像——第一次由电子束形成的图像,加速电压为7万伏,最初放大率仅为12倍。尽管放大率微不足道,但它却证实了使用电子束和电子透镜可形成与光学像相同的电子像。经过不断地改进,1933年底,鲁斯卡终于建成了一台真正的电子显微镜,它的最高放大倍数达到12000倍。此后,鲁斯卡得到了他的兄弟赫尔穆特的大力协助。赫尔穆特是个医生,在医学界小有名气,生活富裕舒适,但他毅然放弃了这一切,决心和鲁斯卡一起把电子显微镜试用到医学上,以解决光学显微镜不能解决的疑难问题。经过几年的艰苦努力,鲁斯卡终于在1938年研制成功了世界上第一台真正实用的透射电子显微镜。次年,德国的西门子公司以这台电子显微镜为样机,生产了世界上第一批商品电子显微镜,并在第二次世界大战后运往其他国家。至此,电子显微镜便正式问世了,人类从光学显微镜时代进入了电子显微镜时代。

电子显微镜为人类揭开了光学显微镜看不到的五光十色的微观世界的奥秘,使大自然又向人类敞开了一个新领域的大门。

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电子显微镜受本身的设计原理和加工技术手段的限制,放大率至多能达到200万倍。1982年,国际商用机器公司苏黎世实验室的科学家宾尼和罗雷尔发明了真空条件下工作的扫描隧道显微镜,这种新型的显微镜放大倍数可达3亿倍。它使人类第一次“看”到了物质表面的原子排列状态。

心肺机的发明

体外循环是指应用人工管道将人体大血管与心肺机连接,从静脉系统引出静脉血,并在体外氧合,再经血泵将氧合血输回动脉系统的全过程,主要应用于心脏手术。体外循环技术的关键是心肺机,它的发明者是英国医生约翰·吉本。

1930年10月3日,美国东部城市波士顿的麻省中心医院住进一个患有严重的肺动脉血栓症的病人。这是极其棘手的一种疾病,在当时的医疗条件下,唯一的办法是进行大手术。先打开患者胸腔,然后除去肺动脉中的凝血块,再将胸腔缝合。而这种手术在当时的医生们看来是根本不可能的,因为医学常识告诉我们,一旦心脏停止跳动,血液循环也就戛然而止,就像抽水的水泵突然停止转动的一样。而如果血液循环停止6分钟,大脑便会发生缺氧,人的生命也就无可挽回。然而,短短的6分钟时间,即使最熟练的外科医生也无法将最简单的心脏手术顺利完成。因此,延续到20世纪30年代,胸部大手术,尤其是心脏手术一直被视作医学禁区,谁也无法越雷池一步。可病床上的患者生命危在旦夕,如不进行手术,等待他的命运只有死亡。不如冒险一试,当时的医院外科医师查吉尔经过深思熟虑后,做出了断然决定。他和助手——实习医生约翰·吉本将病人麻醉,然后快速切开血管,但是,手术尚未完毕,病人就因脑缺氧而死去。手术又一次毫无例外地失败了。血的教训深深地激励着年轻的吉本去攻克难关。他开始了发明尝试,想制造一种能替代心脏跳动、肺叶呼吸的机器,以突破这关键的6分钟。

1931年2月,吉本实习结束,立即和研究生玛丽一道开始了研究人工心肺机的工作。历时五载的呕心沥血,吉本和玛丽终于制成了世界上第一台能够替代人类心肺的机器。

吉本的第一部机器是用一个中空的金属圆筒做的。当圆筒旋转时,血液被迫流向圆筒的内层,同时氧气被吹到上面。遗憾的是,这个机器不能供给足够的氧合血液,来满足机体的需要,吉本陷入了绝望。后来吉本的同事改进了机器的设计,在圆筒的内层覆盖了一层丝网,血液被搅动的同时能快速吸收氧气。这台人工心肺机可代替心肺功能达3小时50分钟,这样,医生们可以从容地对患者进行一场中等难度的心脏手术。6分钟极限终于被突破了!不过,要在医学上临床运用,还必须有其他功能的附件。吉本又经过长达18年的努力,终于在1953年制成了实用的心肺机。从此,不但是6分钟极限被突破,这种崭新的人工心肺机可连续工作几天。医生们可以充分自如地进行各种复杂的心脏手术。

1953年年初,波士顿麻省中心医院对一个15个月的男孩做心脏手术获得成功。这年5月6日,吉本又在人工心肺机的神助之下为一个18岁的青年做心脏手术,又取得成功。为此,美国国会特地给吉本颁发了32万美元的奖金,以表彰他对人类做出的卓越贡献。

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体外循环是从近心脏处的上、下腔静脉插入一管道,将机体的静脉血引流并注入到人工肺脏。尔后,氧合了的血液再通入人工心脏——血泵加压,把血液重新输送回人体的主动脉。没有体外循环,心脏的复杂手术就不能进行。所以说,吉本利用心肺机进行体外循环手术是胸心外科史上一个划时代的里程碑。

心脏起搏器的发明

威胁现代人们健康的最大杀手是什么?不是癌症也不是车祸,而是心脑血管疾病,拥有一颗好心脏,人就减少了一半的健康风险。而心脏起搏器对心脏的保护和治疗,可以说是20世纪最伟大的发明。自它问世以来,已有效地延长了成千上万心脏病患者的生命,人们誉之为“生命之宝”。然而你可知道,心脏起搏器不等于人工心脏,它不能代替心脏输送血液,而只是产生电脉冲吗?

早在1802年,意大利人奥尔蒂尼曾对用刑后死去两小时的死刑犯给予电刺激心脏,以图恢复其心跳,但未成功。同时代的瓦萨里用电刺激法曾成功地使刚刚死亡的患者心已脏又恢复跳动。1947年,斯威特采用电刺激法使两例在手术中心脏停止跳动的患者心脏复苏。这种通过电刺激的方法实现人工心脏起搏的范例,为研制心脏起搏器打下了技术和理论基础。

现代医学研究证实,心脏是通过内在有节奏的电脉冲系统的控制来输送血液的。电脉冲通过神经传遍心脏,而神经与肌肉纤维相连,使其收缩。现代医学研究又证实,有两根主要的神经通过负责泵送血液的心室,如果有一根神经工作失常,心脏跳动就会出现紊乱;如果两根神经同时有数分钟工作失常,就会使患者出现休克。心脏里另外还有一套备用的脉冲系统,在紧急情况下,这套脉冲系统就会作出应急反应,促使心脏泵血。但是,此时的心跳却比正常状态下的心跳慢50%,所泵出的血不能较长时间地维持人体正常的需求。面对这种情况,医学家们便开始研究可否借用外界的“力量”刺激,使得第一套神经系统恢复正常工作,促进心脏正常泵血。

最先提出在心搏停止时使用感应电脉冲思路的是一位英国医生,他叫沃尔什。沃尔什在1862年发表的一篇论文中提出了这个方法。10年以后,沃尔什的法国同事德布洛内在一篇论文中描述了用所谓的“电手”做的实验:医生把一个电极安在心搏停止的病人的皮肤上,把另一个电极握在自己右手中。与此同时,用左手有节奏地轻压病人的胸膛,就会促使心脏收缩,病人的心脏就会重新跳动起来。

在美国海军服役的美国心脏病专家海曼,经反复试验研究,使法国德布洛内的“电手”具备了临床使用价值。1932年,他研制成世界上第一台心脏起搏器,他当时称之为“人工心脏起搏器”。从此,一个新的术语被引入医学词典。

第二次世界大战期间和战后的技术发展,使起搏器的体积能缩到很小很小,甚至能缩小到可以永久地安在病人的体内。1950年以后,很快就研制成功了约12种不同的起搏器。

1952年,左尔成功地完成了一个起搏器试验,将电极电流装在了病人的胸腔外部。病人心脏血液回流不好,但是戴上这种起搏器后仅两天,病人心脏恢复了正常心跳。尽管这种电激有疗效,但是通过皮肤进行的电激确实给病人带来了痛苦,而且这种起搏系统还要求配备外部电源插座。

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