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第22章 人体重大发明、发现(13)

美国发明家格雷特巴奇一直在试验可植人式心脏起搏器,但是,带有真空管和电池的这个系统体积太大,根本没办法植入人体。随着晶体管技术的发展,格雷特巴奇发现了制造更小的起搏器的可能性。他与查达克医生在纽约州布法罗的美国退伍军人管理局医院继续进行合作研究。1960年,格雷特巴奇在自已的车间制造出了一个起搏器模型,并成功地植入人体。

随着电池的改进和小型化,起搏器不断得到改进。1981年,美国人安德森和布伦韦尔开发并改进了起搏器,使用压电晶体对不同病人的不同需求做出及时反映,以适应不同病人的心跳需求。

现在,心脏起搏器日益精巧先进,虽品种多样,但总的来说可分为两大类:一类心脏起搏器可以一直不停地产生电脉冲;另一类心脏起搏器只有在心脏神经系统失常后,它方才产生电脉冲。它是一种极精小的电子器件,由一个电池和一两个能放大从电池获得微弱电流的晶体管组成。由于晶体管有放大作用,只需心脏起搏器内的电池提供极少量的电流就行,该电池可用好多年才需更换一次。所以,现在多数心脏起搏器植于病人胸部皮肤下,至电池快耗尽,只要动一手术,把它从皮下取出,换上电池,便可继续工作。

学科展望

2005年,科技人员新开发出了一种利用血液中的糖分发电的燃料电池。研究人员表示,接下来将对发明加以改进,增加发电量,最终希望能将其作为心脏起搏器等人体内植入的医疗部件的电源。

超声诊断技术的发展

我们知道,当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时,我们便听不见了。因此,我们把频率低于20赫兹的声波称为“次声波”,把高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能,在水中传播距离远等特点,在医学方面的应用非常广泛。

通常用于医学诊断的超声波频率为1~5兆赫兹。超声诊断的工作原理与声纳有一定的相似性,即将超声波发射到人体内,当它在体内遇到界面时会发生反射及折射,并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的,因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同,医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线,或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变,便可诊断所检查的器官是否有病。

与其他先进的医疗诊断技术一样,超声波诊断技术也走过了一个漫长的发展历程。1922年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。1942年,奥地利医生首次将超声技术用于临床诊断,扫描颅骨内的病变,并由此发展出了A型超声诊断仪器。20世纪40年代末期,超声治疗在欧美兴起。在1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。

目前,医生们应用的超声诊断方法有不同的形式,可分为A型、B型、M型及D型四大类。

A型是以波形来显示组织特征的方法,主要用于测量器官的径线,以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性,如实质性、液体或是气体是否存在等。

B型是用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时,首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点,这些光点可通过荧光屏显现出来,这种方法直观性好,重复性强,可供前后对比,所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。

M型是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况,其曲线的动态改变称为超声心动图,可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等,多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。

D型是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法,又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统,可在超声心动图解剖标志的指示下,以不同颜色显示血流的方向,色泽的深浅代表血流的流速。

随着科学技术的进步,立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来,并且还可以与其他检查仪器结合使用,使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用,随着科学的进步,它将更加完善,将更好地造福于人类。

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超声波除了用于疾病诊断之外,现在已用于医疗。超声波手术刀和超声波结石粉碎机已经广泛在临床上应用。用超声波治疗脑血管意外堵塞和冠心病的效果也令人瞩目。另外,超声加热治癌机对癌症的治疗已被确认为继手术、化学疗法、放射疗法之后的第四种有效手段。

CT机的诞生

CT机是“计算机X线断层摄影机”的英文简称。现代医院里应用的CT诊断装置,巨大的乳白色机体,耸立在CT诊断室里,各种指示灯闪烁不停,可活动的检查床会自动将病人缓缓送入机内检查。当医生按下指令后,仪器能很快按照医生的要求进行检查,将检查图像一幅幅地在电视屏上显示,并同时将图像一幅幅储存在电脑里,需要时可以将一幅幅图像从电脑里取出来,还可以将图像转摄到X光胶片上。检查之快捷方便,显示的检查图像之清楚,自动化程度之高,真可谓是现代医学的“火眼金睛”。它有今天这么先进的功能,良好的检查效果,不知凝聚了多少科学家的心血。

1895年,德国科学家伦琴发现了神奇的X射线,这种射线能透过血肉之驱看见人体的骨骼。一年后,X射线被正式应用到临床医学上,用来检查人的骨骼、肺部的疾病,使成千上万的病人由于得到及时的发现和治疗,恢复了健康。可是,X射线毕竟太过简单了,它只是将具有形态的抗体部位摄成平面像,前后各部分组织相互重叠,只有各组织对X射线有足够的吸收差别时,才能显示出病变。而且有些组织、器官由于组织之间对X射线的吸收差别小,在利用X射线诊断时就受到很大限制。于是,许多科学家都在寻找一种新的技术来代替X射线检查,检查过去不能用一般X射线检查的部位和脏器。

1957年,美国物理学教师柯马克在一家医院兼任技师,他目睹大批晚期癌症患者,因未能得到及时诊治而痛苦地离开人世。为了更清楚地给人体摄像,他想把电子计算机和X光机联合起来,全面检查人体,以达到早期发现癌症的目的。无独有偶,几乎与此同时,英国的一位电子学工程师豪斯菲尔德,也有同样的设想。这两位素不相识的科学家,远隔重洋,在各自不同的岗位上,为着一个共同的高尚目标而不懈地奋斗着。

经过多年的研究,他俩发现人体各部分组织对X射线的吸收程度各不相同,而癌组织和正常组织对X射线的吸收差别更大。如果用电子计算机一起来分层计算它的吸收程度,癌症就很容易被检查出来。

1969年,豪斯菲尔德制作了一架简单装置,用加强的X射线为放射源,对人的头部进行实验性扫描测量,取得惊人的成功,得到了脑内断层分布图像。后来,他又致力于将测量扩展到全身。1971年9月,豪斯菲尔德与神经放射学家合作,在伦敦外一所医院安装了世界上第一台用电子计算机控制的“X射线层面扫描机”——CT机,开始了头部临床试验研究。10月4日检查了第一个病人。患者在完全清醒状态,朝天仰卧,X射线管在患者上方,绕检查部位旋转,在患者下方装置一计数器也同时旋转。由于人体器官、组织对射线吸收程度不同,病理组织和正常组织对X射线的吸收程度也不同。这些差别反映在计数器上,经电子计算机处理,便构成了身体部位的横断图象呈现在荧光屏上。试验结果在1972年4月召开的英国放射学家研究年会上首次发表,宣告了CT机的诞生。

CT机的出现使传统的X射线诊断技术进入了计算机处理、电视图像显示的新时代。它一问世就成了医生的得力助手,特别是在人类抗癌斗争中建立了不朽的功勋。它的发明者柯马克和豪斯菲尔德,也因此被瑞典科学院授予1979年度的诺贝尔生理学和医学奖。

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经过科学家的不断改进,CT机目前已经发展到了第五代。它可围绕人体作360°的连续旋转扫描,将人体内需要检查的部位分成数以千计的小点,通过X射线显像机,人体内小至5~10毫米的病灶,都能清晰地显示出来。尤为令人惊奇的是,X射线摄下的照片,可以用于断定肿瘤是良性的还是恶性的,这就大大地方便了医生对癌肿的诊断。

内窥镜的发明与应用

内窥镜是一种常用的医疗器械,它可以经口腔进入胃内或经其他天然孔道进入体内。利用内窥镜可以看到X射线不能显示的病变,因此它对医生非常有用。

世界上第一台内窥镜是1853年法国医生德索米奥创制的。最早的内窥镜被应用于直肠检查。医生在病人的肛门内插入一根硬管,借助于蜡烛的光亮,观察直肠的病变。这种方法所能获得的诊断资料有限,病人不但很痛苦,而且由于器械很硬,造成穿孔的危险很大。尽管有这些缺点,内窥镜检查一直在应用与发展,并逐渐设计出很多不同用途与不同类型的器械。

1855年,西班牙人卡赫萨发明了喉镜。德国人海曼·冯·海莫兹于1861年发明了眼底镜。1878年,爱迪生发明了灯泡,特别是出现微型灯泡后,使内窥镜有了很大发展,临时安排的手术内窥也可达到非常精确的程度。

1878年德国泌尿科专家尼兹创造了膀胱镜,用它可以检查膀胱内的某些病变。1897年,德国人基利安设想支气管镜。20多年以后,在美国人杰克逊的推动下,支气管镜进入了实用阶段。不久,在常规的肺病检查中开始使用这种支气管镜。1862年,德国人斯莫尔创造了食道镜。1903年,美国人凯利创制了直肠镜,但是到1930年后才开始普遍使用。1913年,瑞典人雅各布斯改革了胸膜镜检查法。1922年,美国人欣德勒创立了胃镜检查法。1928年,德国人卡尔克创立了腹镜检查法。1936年,美国人斯卡夫进行了脑室镜检试验,直到1962年,才由德国人古奥和弗累斯梯尔创立了脑室镜检法。从此形成一整套镜检法系列。

随着现代化科学技术的发展,有人开始对内窥镜进行改革,以便让它用上柔软的光学纤维。

研制纤维内窥镜碰到的第一个问题,是制造形状像鞋带一样的镜子,而且要有自己的光源。把有一定折射率的玻璃裹在一根折射率不同的玻璃棒上,就可能满足全反射定律,光就会沿着它们来回传输而没有损耗。这样,不管距离多远,要拐多少弯,人们都能从外面看到人体内部的情况。

纤维内窥镜最大的困难是制造极细的玻璃纤维,细到能把一束玻璃纤维插进人体内的孔道中,插进用于皮下注射的针中。美国宝雪龙公司一直致力于研制更细的玻璃纤维,结果研制成功了15微米的玻璃纤维。宝雪龙公司的纤维镜最初是在工业上用来做检查工作。后来,美国心脏收缩镜公司给玻璃纤维消毒获得成功,这就为医学上的应用开辟了广阔的前景。

现在,人们还把内窥镜和电视摄像系统连接,可使医护人员在电视屏幕上共同观察、研究讨论,还可以录像及向远处传输会诊。除了光学内窥镜外,还出现了电子内窥镜和超声内窥镜,诊病的本领更高了。像电子胃镜,其图像的像素比纤维胃镜多得多,可达几十万个,使得图像清晰度和细微的分辨力又提高了一步。电子内窥镜的关键是微型摄像系统,它是采用称作CCD的电荷耦合器来摄像,在电视屏幕上显示图像供医生观察和分析。

展望未来,内窥镜将能深入到人体更多的部位进行观察检查,并更广泛采用计算机技术,来处理图像和进行智能诊断,在内窥镜下做手术也会有更大的发展和应用。

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内窥镜可分为无创伤性和创伤性两种。前者指直接插入内窥镜,用来检查与外界相通的腔道,如消化道、呼吸道、泌尿道等;后者是通过切口送入内窥镜,用来检查密闭的体腔,如胸腔、腹腔、关节腔等。

核磁共振成像技术的发明

核磁共振是20世纪80年代出现的一种新的诊断影像技术。这里说的“核”是指原子核的核。目前我们检查的是人体里的氢核。“磁”指的是一种大的磁场。简单地说,就是把人放到一个大的磁场里边,收集磁场里边人体的氢核发出的核磁信号。然后把信号换成数字,再转换成图像,供医务人员做诊断分析。

1930年,美国物理学家伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列,而施加无线电波之后,原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究,拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。

1946年,美国科学家布洛赫和珀塞尔发现,将具有奇数个核子的原子核置于磁场中,再施加以特定频率的射频场,就会发生原子核吸收射频场能量的现象,这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1950年度诺贝尔物理学奖。

人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途。医学家们发现,水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象,利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息,从而精确绘制人体内部结构。在这一理论基础上,1969年,纽约州立大学南部医学中心的医学博士达马迪安通过测核磁共振,成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来。在达马迪安新技术的启发下,纽约州立大学石溪分校的物理学家劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术,并且使用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。此后,核磁共振成像技术日趋成熟,应用范围日益广泛,成为一项常规的医学检测手段。2003年,劳特伯尔因他在核磁共振成像技术方面的贡献获得了诺贝尔生理学或医学奖。

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