医学上有哪些黑科技?

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医学上有哪些黑科技?

图片:DarkoStojanovic / CC0

你知道哪些医学上的黑科技?

庄有猫,日本北海道大学硕士/ 丁香医生签约作者

牛年第一篇,先祝各位新春快乐,百福骈臻。

今天咱们说一个绝对是黑科技的玩意儿——核动力心脏起搏器。

先说一下心脏起搏器。

很多人可能觉得这玩意很复杂,听到心脏起搏器感觉跟要换心脏了似的。

实际上跟你想象的不太一样。

大家都知道心脏是咱们身体里很重要的一个器官。心脏的解剖结构和生理功能说复杂复杂,但说简单也简单,说白了心脏就是个水泵,将从肺脏来的富含氧气的血液(动脉血)泵到身上各个器官,同时也将各器官用过的充满二氧化碳的血液(静脉血)再泵到肺脏。

而这个过程,要求心脏规律的搏动。大多数成年人的心率是每分钟 60~100 次,正常心律是窦性心律(注意「心率」和「心律」是两码事)。窦性心律就是由右心房一个叫「窦房结」的地方发出的心律,那么如果出现心律失常,就可能会影响心脏泵水这个过程。

心律失常有很多不同的类型,可以通过心电图检测出来,心电图就是大多数人看着一头雾水的那个图(不过看不懂很正常,许多医学生和非心内科的医生也看不懂心电图,除了考试前夜)。需要强调的一点是并非所有的心律失常都是病,正常人紧张或者喝太多咖啡也可能出现生理性的心律失常,其中休息好就可以恢复。但有一些比较严重的心律失常就需要干预了,比如药物、射频消融和心脏起搏器植入。

心脏起搏器(pacemaker)的基本原理是,它会产生特定的脉冲电流,通过导线和电极刺激心脏。最常见的心脏起搏器主要用于心率过缓,当它感知患者心率低于设定值时,就会发出电信号刺激心脏搏动。此外还有一些功能更强大的起搏器,比如 CRT(Cardiac resynchronization therapy, 心脏再同步化治疗)和 ICD(Implantable cardiac defibrillator, 植入式心脏转率除颤仪),甚至可以在关键时刻救命。

全世界每年有超过 60 万人接受心脏起搏器(pacemaker)植入,有些人以为心脏起搏器就是直接安在心脏上的,其实大多数心脏起搏器植入的地方是左侧锁骨下方,导线通过锁骨下静脉进入心脏,整个手术大概只需要一小时以内,通常采用局麻(感兴趣的朋友可以去看丁香园上的一篇文章,手把手教你做心脏起搏器(精美图文) - 丁香园 ,讲得很详细)

而心脏起搏器作为一个可以用「电」刺激心脏的设备,它自然也需要能源;并且作为一个植入体内的设备,它的体积也不能过大。所以心脏起搏器的运转都是依靠内置电池。

然而,就像你的手机经常得一天一充甚至一天多充一样,续航问题也是心脏起搏器自从问世那天起就面临的一个大问题。

比手机好的一点是,心脏起搏器本身的能耗极低,通常现在的电池可以用 8~10 年;但比手机麻烦得多的一点是,手机可以直接插充电器充电,实在不行了换个电池也不是啥麻烦事,而心脏起搏器是需要通过手术植入的,基本不存在充电一说,电池即将耗尽之时只能整个更换。

但是更换起搏器,意味着需要额外的一笔费用,意味着患者要再进一次手术室,意味着患者还要面临手术的一些风险——更换起搏器的感染率在 1%~5%之间。世界上第一位接受埋藏式心脏起搏器的是瑞典患者的 Arne Larsson(1915-2001),他患有完全性房室传导阻滞。他在 1958 年接受这个手术,而这个起搏器让他多活了 43 年,直至 86 岁时因为黑色素瘤去世,甚至比为他做这个手术的医生 Ake Senning(1915~2000,瑞典著名心脏外科医生)活得更久。

Arne Larsson(1915-2001)
Ake Senning(1915~2000)

而在这 43 年中, Larson 总共换了 25 台心脏起搏器。早些年的心脏起搏器续航实在糟糕,电池平均两年就扑街了。后来到了七十年代锂碘电池问世,起搏器的续航延长到了 5 年左右,但这还是意味着一位患者在接收起搏器植入后,一生中仍然可能需要多次更换。

但是,有一种能源,可以无视这个问题。

地球上几乎所有的能源都直接或间接来自太阳辐射,而太阳辐射来自于核聚变。核能是目前人类所知的最强大的能源,自从爱因斯坦提出 E = mc2 后,这个公式就对整个世界产生了深远的影响,无论是战争还是能源。1 公斤铀 235 所蕴含的能量,相当于 3000 吨煤炭完全燃烧释放的能量总和。

我一直认为上世纪四十年代到七十年代这 30 年时间,是近几百年来科技进步大的 30 年。从原子弹爆炸到人类登月,这样的成就才是真真正正的跨越式发展。而在这种时代背景下的科学家,思维方式也异常活跃。

所以有科学家和心脏外科医生就在想,可否使用核电池给心脏起搏器供电?

在上世纪七十年代,这种黑科技还真的发明出来了,而且还不止一种;它们不仅是被发明出来,它们还真的用于临床了。

我找到了 1974 年哈佛大学医学院的研究论文。

HUFFMAN, Fred N.; NORMAN, John C. Nuclear-fueled cardiac pacemakers. Chest, 1974, 65.6: 667-672.

当时主要研究核动力心脏起搏器的主要有美国、英国法国和前联邦德国,所使用的核燃料有不同类型,最常用的是钚 -238(Pu-238),也有少量使用钷 -147(Pm-147)。钚 -238 是钚的同位素,半衰期 86 年,它的大哥钚 -239 通常被用于制造原子弹,而钚 -238 常常被用于制造核电池,比如阿波罗登月计划中的同位素电池用的就是钚 -238。

包括已经飞往太阳系边缘的旅行者 1 号,这 43 年超过 200 亿公里的旅途中,依靠的就仅仅是三颗钚电池(更准确的说是放射性同位素热电机,RTG)。

这些核电池有不同的核 - 电转换原理,简单来说可以分为热式和非热式(thermal and nonthermal)两类,热式就是类似旅行者 1 号那种利用温差发电的,非热式的就是利用同位素衰变时放出的β粒子(就是电子)发电,两种方式各有优缺点,这里暂不赘述。

当然,想把核电池内置到起搏器,还是需要做很多改变的,比如在起搏器的核电池外面,需要有多层防护层防止辐射泄露。起搏器所需要用到的核燃料其实很少,通常不到 1g,在起搏器里只有电线粗细。

那么,这些核动力心脏起搏器,到底是否安全可靠呢?

简单的回答就是——YES

对于这一类型的起搏器来说,医生和患者最主要关心的问题有几个,一是辐射,二是续航。

先说辐射。

在 1974 年哈佛医学院这篇论文中,记载了核动力起搏器的辐射情况。根据当时美国辐射防护委员会的建议,全身职业暴露的限值为 5 雷姆 / 年,而根据哈佛医学院实验室的持续跟踪研究,接受了核动力起搏器的患者,每年全身所接受的暴露剂量约为 0.5 雷姆 / 年。

当然,一种医学设备是否安全,更重要的是时间维度上的验证。

2006 年有一项长达 31 年的跟踪研究(PARSONNET, Victor, et al. Thirty‐one years of clinical experience with “nuclear‐powered” pacemakers. Pacing and clinical electrophysiology, 2006, 29.2: 195-200.),跟踪了 1973 年到 1987 年 139 名患者、总共 164 个核动力心脏起搏器的情况。这 139 名患者平均年龄 49 岁,其中 88 名是男性,51 名是女性。

在 31 年后,这些患者仍然有 12 名(9%)存活,已经去世的患者中,最常见的原因是心脏问题(54%),而他们恶性肿瘤发生率与同龄人类似,部位也是随机的。

时间证明了这种起搏器对于患者而言,并没有很多人预想的那么可怕。

再说续航。

可能有朋友看到,上面有 139 名患者装了 164 个核动力起搏器。实际上这里面一些患者需要换起搏器并非是因为没电了,而是因为这些核动力起搏器和同时代其他起搏器一样,技术相对比较简单,都是单腔起搏器,无法像后来的起搏器那样可以编程以及调节速度,但是正常工作是没有问题的。

在 2006 年,仍然有一些患者正在使用当年的核动力起搏器,而他们如果当年选择普通起搏器的话,这三十年当中可能需要更换 4~5 次。核动力起搏器的使用寿命,显著长于当年锂电池起搏器——毕竟前者所用的是一种半衰期长达 87 年的同位素。

所以整体而言,核起搏器是安全可靠的。它们的寿命长,减少了重新手术的次数,也抵消了其较高的初始成本。

但核动力起搏器之所以慢慢退出历史舞台,主要还是因为公众对核泄漏的担心。比如在枪支泛滥的美国,如果一名装了核动力起搏器的患者遭到枪击,并且子弹正好击穿起搏器,那么这名患者可能就会受到严重的辐射——虽然枪击到这个部位大概率是没法活下来,无论有没有后续的辐射泄露;

再者如果患者去世,起搏器必须在他火化之前被回收,否则后果你懂的——实际上这种事情还真发生过,根据报告有一例核动力起搏器被当做普通的生物垃圾焚烧了,幸运的是外壳可能足够耐操,事后对焚化炉检测没有发现辐射水平增强。

另外更重要的原因是,后来锂电池技术的迅速发展,减少了患者一生中需要更换的次数,人们逐渐意识到并不需要一个半衰期比病人寿命还长的核动力电池,再加之后续可编程、可体外控制以及诸如 CRT 及 ICD 技术的发展,功能相对简单的核动力起搏器逐渐推出了历史舞台。

但是不可否认的是,核动力绝对是人类医学史上的黑科技,它确实为很多患者提供了很好的解决方案。这种技术的问世得益于科技在那个年代的爆炸式发展,那是一个充满想象力的年代。

文章最后,也祝各位和家人在新的一年里身体健康,万事如意,财运如同核动力一样长长久久。

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