书城科普身手不凡的机器人:无处不在的新科技
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第15章 医疗及生物科技(2)

卡介苗菌种是将一株有毒力的牛型结核分枝杆菌在牛胆汁马铃薯培养基上经过13年传代23代后获得的。死疫苗是通过对人工培养的微生物经物理的或化学的方法杀死后制成的。常用的死疫苗有伤寒疫苗、霍乱疫苗、乙型脑炎疫苗等。死疫苗用量较大,对人体的副作用也大,一般要少量多次接种,其优点是容易保存。

疫苗的发现可谓是人类发展史上具有里程碑意义的事件。因为从某种意义上来说人类繁衍生息的历史就是人类不断同疾病和自然灾害斗争的历史,控制传染性疾病最主要的手段就是预防,而接种疫苗被认为是最行之有效的措施。而事实证明也是如此,威胁人类几百年的天花病毒在牛痘疫苗出现后便被彻底消灭了,人类迎来了用疫苗挑战病毒的第一个胜利,使人类认识到疫苗对控制和消灭传染性疾病的重大作用。

此后200年间疫苗家族不断扩大发展,目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种,根据技术特点分为传统疫苗和新型疫苗。传统疫苗主要包括减毒活疫苗和灭活疫苗,新型疫苗则以基因疫苗为主。

用人工免疫方法预防和控制传染病,是人类在同传染病作斗争中所取得的最为突出的成就。天花是利用人工免疫的方法消灭的第一个传染病,天花的消灭不仅解除了给人类带来的危害,而且也为控制、消除其他疾病提供了宝贵的经验。1889年微生物学家、化学家巴斯德发明了狂犬病疫苗,可使人抵御可怕的狂犬病。其他科学家应用巴斯德的基本思想先后发展出抵御许多种严重疾病的疫苗,如预防斑疹伤寒和脊髓灰质炎等疾病的疫苗。疫苗的发现可谓是人类发展史上具有里程碑意义的事件。

六、血液也有“压力”——血压计

医生们早已熟知身体虚弱的病人脉搏跳动微弱的事实,然而长期以来都无法对此做出准备的测量。自从有了血压计的诞生,人们可以准确地测量血压了。

英国医生哈尔斯可以说是研制血压计的第一人。1733年,哈尔斯把自己家里饲养的一匹最心爱的高头大马作为测试血压的对象。他将一根2.7米长的玻璃管与一根铜管的一端相连接,将铜管的另一端插入马颈部的动脉血管内,然后使玻璃管竖直,让血顺着玻璃管上升,这样测得马的血压为2.1米高。他注意到,随着心脏的跳动,血柱上升和下降5~10厘米。但显然,这样测量血压既不安全,也不方便,而且对血管的破坏非常严重,根本不适宜人类。

1854年,德国一位生理学家提出,可以通过体外测量阻止血流压力来代替直接从血管内测量血压,并据此设计出了一种带杠杆的测量血压装置,但这种装置相当笨重,使用起来也很不方便。

1896年,意大利物理学家里瓦罗基在哈尔斯测量马血压的试验基础上,又进行了深入的分析研究,经过大胆的试验,终于改制成了一种不破坏血管的血压计——裹臂式血压计。这种血压计由袖带、压力表和气球三个部分构成。袖带是一条可以环绕在手臂上、且能充气的长方形橡皮袋,它一端接在打气橡皮球上,另一端接到水银测压器或其他测压器装置上。

使用时,将橡皮袋环绕于上臂,然后将空气徐徐打人橡皮袋,压力升高到一定程度时,动脉血管被压扁,造成血液流动停止。然后,慢慢放气。当袖带压力低于心脏收缩排出血液产生的动脉压时,血液便开始恢复流动,用听诊器可听到脉搏跳动,此时水银柱显示出来的压力即为收缩压;当压力继续减少,直到不阻碍心脏舒张状态的血液畅通时,测得的数值即为舒张压。

显然,里瓦罗基的血压计要比哈尔斯测量血压的方法更科学、安全得多,后来经过进一步的改良,血压计被世界各国的医生广泛采用,成为了重要的血压诊断工具。

七、危急时刻的救命术——输血技术

手术时,输血可是急救和治疗的一项重要措施。它将血液或血液的某种成分输给病人,帮助病人补充血容量或增加血浆蛋白等成分的含量,达到改善循环或改变血液成分、提高血液带氧能力和增强抵抗力等目的。因此,输血技术对于医学发展来说。可算是至关重要的。

17世纪以后,欧洲许多医生都曾进行过输血试验,有的侥幸成功,但更多的则是导致被输血者严重反应甚至死亡,当时的人难解其因。到了1900年,奥地利裔美国病理学家兰茨泰纳在实验中注意到不同人的血液混合后有的会发生凝结,有的则不会。经研究,他发现人类血液可分为四种类型,不同血型之间抗原、抗体相互排斥,会导致凝血、溶血。人体内如果发生这种情况,就会危及生命。这一发现,揭开了输血术的篇章。

自从人们按照血型进行输血,就很少出现输血反应的现象了。但新的问题又产生了:偶尔会有多次输同型血后发生溶血的情况。1927年,兰茨泰纳与美国免疫学家菲利普·列文共同发现血液中的M、N和P因子,导致此后MNSS血型系统(多为M型、N型、MN型三种血型)的发展。后来,兰茨泰纳和英国医师威纳又共同发现了血液中的RH因子,从而比较科学、完整地解释了某些多次输同型血而发生的溶血症问题。这一发现导致了现代输血术的诞生,千百万人的生命也因此得以拯救。

输血有静脉输血和动脉输血两条途径,其中最常用和最方便的途径就是静脉输血。由于动脉输血有发生肢体缺血和动脉栓塞等并发症的危险,因此仅在特殊情况下采用。输血的途径要因人而异:对一般病人可选择较大的表浅静脉,如肘正中静脉、贵要静脉或大隐静脉等;而大出血病人则应立即用深静脉穿刺插管或加压输血器以保证输血的速度,在没有条件使用深静脉穿刺插管时可采用大隐静脉切开手术;幼儿常采用的是头皮静脉途径。

从上世纪50年代初期开始,医学家们陆续发明了从血液中分离红细胞、白细胞和血小板的技术。从而可以根据病人的需要,提取不同的血液成分,制成各种血液制品,如少浆血、代浆血、浓缩红细胞、洗涤红细胞、冰冻红细胞、少白细胞的红细胞悬液、血小板和白细胞浓缩液等。这种成分输血术成为输血术发展上的又一次革命。目前,在欧、美、日等发达国家和地区,成分输血的比例已高达70%~80%。

八、“抹”去影子——无影灯的发明

晚上我们在灯下写作业时会发现这样一个现象:刚写过的文字会被灯光下手所形成的阴影遮盖住,看上去就像把字写在灰色的纸面上一样。由此可见,手、笔等物体在灯光下形成的阴影都会一定程度地影响到我们的视线,为什么没有一种没有影子的灯呢?

假如把一个不透明的杯子放到桌上,再在旁边点燃一支蜡烛,杯子就会投下一个清晰的影子。如果点燃两支,就会形成两个相叠而不重合的影子。两影相叠的部分是全黑的,这就是本影;本影旁边只有一支蜡烛可照到的地方,就是半明半暗的半影。如果蜡烛的数目增多,本影部分就会逐渐缩小,半影部分则会出现很多层次。很显然,发光物体的面积越大,本影就越小。如果我们在周围点上一圈蜡烛,本影就会完全消失,半影也淡得几乎看不见了。这个实验,对于无影灯的发明有着重要的意义。

无影灯其实并不是真的完全没有影子,它只是减淡了本影,使本影不明显。仔细观察光下的影子,就会发现影子中部特别黑暗,四周稍浅。中部特别黑暗的部分是本影,四周灰暗的部分就是半影。这些现象的产生都和光的直线传播有密切关系。科学家将发光强度很大的灯在灯盘上排列成圆形,合成一个大面积的光源。这样,就能从不同角度把光线照射到手术台上,既保证手术视野有足够的亮度,同时,又不会产生明显的本影,所以称为无影灯。

手术无影灯是专门用来照明手术部位,以最佳地观察处于切口和不同深度小的、对比度低的物体。由于手术医师的头、手和器械均可能对手术部位造成干扰阴影,因而手术无影灯就应设计得能尽量消除阴影,并能将色彩失真降到最低的程度。此外,无影灯还必须能长时间地持续工作,并且不会散发出过量的热,因为过热会使病人感到不适,也会使处在外科手术区域中的组织变得干燥。

手术无影灯一般是由单个或多个灯头组成的。这些灯头通常是系定在悬臂上的,因此可以做垂直的或循环移动。悬臂通常连接在同定的结合器上,并能同着它旋转。无影灯一般还需要采用可以消毒的手柄做灵活定位,并具有自动刹车和停止功能,这样就可以操纵悬臂定位了。

无影灯一般是在患者需要手术部位的上面和周围,这样就可以保证医生手术拥有适当的空间了。因此,手柄的固定装置可以安置在天花板或墙壁上的固定点上,也可以安置在天花板的轨道上。这样一来,手术所需要的光亮就大大提高了。

九、看透人体的仪器——CT机

现在,CT在医院里已经得到了普遍应用,它的用途很广泛,检测效果也非常好,CT的发明将人类的医疗水平提高到了一个新的层次。你知道CT这种高精端的医疗设备是谁发明的吗?他是英国的电器工程师豪斯菲尔德。其实,与豪斯菲尔德同时期也有一个人在研制CT,他是开普敦大学的物理学讲师科马克。

科马克在研究中发现,医生在对放射剂量做计算时,是用同的标准对待人体的任何部位和器官的。本来,人体各个部位和器官的组成成分都不相同,按照相同的标准对待显然是不对的。所以,他认为只有先弄清X射线通过人体时,各个部位和器官对吸收射线的能力,才能改进这种不正确的做法。一旦获得这些信息后,再加以综合处理,一幅或一组人体的断层图像就能被勾画出来,用来诊断疾病。想到这里,科马克决定解决这个难题。

经过六年的研究,他于1963年制作出第一台CT机原型。他还发表了一篇有关人体不同组织对X射线吸收量的数学公式的论文。令人遗憾的是,科马克的研究成果并没有引起人们的重视。

当时的电器工程师豪斯菲尔德也在进行研究,同时他也独立发明制造了CT机。在研究过程中,X射线通过人体的现象启发了他的灵感,他想,可以从许多不同角度将人体对X射线的吸收系数测出来,然后利用计算机,将测量结果重新构成一张照片,这样就可能把人体各种组织器官区分开来。他的这个想法与科马克的思路是一样的。

CT的发明者科马克和豪斯菲尔德因在诊断技术的发展上取得重要成就,荣获了1979年的诺贝尔医学奖。CT的发明为人类带来了健康的福音,而CT的伟大发明者——科马克和豪斯菲尔德也被永久地载入了史册。

十、核磁共振成像技术

19世纪末期,伦琴发现了X射线。后来,科学家开始将x射线应用到生产生活当中,其中,CT机是我们所熟知的这方面的应用。不过,因为CT机对人体某些组织的成像度并不高,所以科学家们一直在寻找一种更加先进的成像技术,到了20世纪中期,核磁共振成像技术的诞生在一定程度上解决了这一难题。

核磁共振是一种核物理现象。我们都知道原子中有原子核,原子核会因为不稳定而变化,这个时候如果外部存在强磁场,那么原子核就会吸收特定频率的能量,就像共振一样。不同的原子,会吸收不同频率的能量,隔一段时间会将能量释放出来。根据原子吸收和释放的能量信号,科学家可以知道原子的分布。

1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现,将具有奇数个核子(包括质子和中子)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。因为这项发现,1952年,两人获得了该年度的诺贝尔物理学奖。

人体内广泛存在氢原子核,这种原子核在磁场中受到激发时也会产生共振现象。停止激发后,氢原子核就要把吸收的能量释放出来,恢复到激发前的状态,这一恢复过程需要一定的时间,叫做弛豫时间。人体不同的组织,氢原子分布不同,其弛豫时间也存在差别。核磁共振成像即是将弛豫时间信号转换处理后形成图像的技术。通过该技术,医生即可了解患者的身体结构。

1969年,美国科学家达马迪安通过对核磁共振弛豫时间的研究,成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来。1973年,物理学家保罗·劳特伯尔开发出了基于核磁共振现象的成像技术,并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像。此后,核磁共振成像技术日趋成熟,应用范围日益广泛,如今已经成为一项常规的医学检测手段。

磁共振成像设备包括两部分,一部分负责磁共振信号的产生和数据采集,设备包括磁铁、梯形线圈、供电部分和射频发射器;另一部分负责数据信息处理和图像显示,设备包括模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等。

与X射线透视技术和放射造影技术相比较,核磁共振成像技术对人体没有辐射影响;相对于超声探测技术,核磁共振成像更加清晰,能够显示更多细节;总体来说,核磁共振成像不仅仅能够显示有形的实体病变,而且还能够对脑、心、肝等功能性反应进行精确的判定。现在,该技术被广泛应用在帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、癌症等疾病的诊断方面。