心跳暂时停止:第一台心肺机的诞生——《心脏的故事》上

2020 03/30 11:27
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编按:美国外科医生吉本(John Heysham Gibbon),由于构想出心肺机而闻名于世,他对于体外循环的研究成果更是彻底改变了二十世纪的外科手术,但其实年轻时的他并不是那么坚定地想当医生。就让我们一起来看看他的研究之路! 吉本

  编按:美国外科医生吉本(John Heysham Gibbon),由于构想出心肺机而闻名于世,他对于体外循环的研究成果更是彻底改变了二十世纪的外科手术,但其实年轻时的他并不是那么坚定地想当医生。就让我们一起来看看他的研究之路!

  吉本在费城杰佛逊医学院的第一年课程要结束时,曾考虑放弃医学而成为一名作家,因为写作是他就读普林斯顿大学期间一直怀抱于心中的热情。

  吉本的父亲是个很实际的人,建议他取得医学学位,原因是他不会拿到学位就导致文笔变差(这种忠告听起来很熟悉)。于是,吉本坚持了下来,而在三年后的 1927 年取得医学博士学位。

  体外循环,真有可能?

  他在波士顿城市医院实习的时候,开始思索体外循环的概念。

  一天晚上,他的研究导师爱德华.邱吉尔(Edward Churchill)交代他监控一名命在旦夕的年轻女子,原因是那名女子接受了普通的胆囊手术后,出现了巨大的肺部血块。

  爱德华知道,如果进行肺动脉血栓去除手术(pulmonary embolectomy),也就是切开充满血的肺动脉取出血块,几乎可以确定必然会造成致命性的出血。不过,隔离心脏以避免失血也不可行;没有氧气供给,大脑在短短几分钟内就会遭受永久伤害。

  肺动脉血栓去除手术是由德国外科医师特伦德伦堡(Friedrich Trendelenburg)在 1908 年所发明的,但他的病患都没有存活下来。我们在诊所进行了十二次这种手术。他在 1912 年时如此感叹,我的助手进行的次数比我还多,但没有一次成功。

  与特伦德伦堡同时代的瑞典外科医师奈斯特隆(Gunnar Nyström)注意到这项可怕的死亡率,指出:我们的准则是,只有在人力可以判断的范围内,认定病患已完全没有活命机会,才会施行手术。

  面对这种外科手术上的两难,爱德华因此犹豫不决。血块也许会自行溶解,也有可能碎裂而流入较小的动脉分支。说不定肺部其他区域的通气量会出现补偿性的增加。他指示吉本,在病患的状况恶化至极度虚弱、濒临死亡的时候通知他,因为届时他就有充分的理由可以进行这种孤注一掷的手术。

  第二天一早,随着病患因血压遽降而变得毫无知觉,吉本通知了爱德华。那名女子随即被推往手术室,却在手术台上断气。

  吉本虽是个不苟言笑的研究者,用起移液滴管比与人相处还要自在,但他却为了那名年轻女子落泪。同时,她的死也令他灵光乍现。

  他曾在 1970 年时提到:

  在那个漫长的夜晚,无能为力地看着那名病患挣扎活命,血液的颜色却越来越深,静脉也逐渐扩张,我因此自然而然地想到,如果能从病患肿胀的静脉中持续取出部分蓝色血液,为其注入氧气,并让其中的二氧化碳逸出,再把这些恢复红色的血液持续注入病患的动脉,那么我们说不定能救回她的性命。这么一来,我们即可绕过造成阻碍的血栓,而在病患的体外分摊心脏与肺脏的部分工作。

  灵光乍现之后,投入一切心力进行研究

  虽然众人不看好,却还是坚持研究。

  基本上,吉本与他的助理(也是他的妻子)玛丽.霍普金森(Mary Hopkinson)可说是将他们接下来的职涯完全投入于这项目标。吉本所有的指导者都劝阻他,认为他的大志应当用来追求风险较低的计画。爱德华也不看好吉本提议的研究。

  那时候的医学院和现在一样,都不赞同为了宏大的理念而投注大量时间与金钱的做法。在一个不发表论文就完蛋的世界里,你必须让自己的名字经常出现在顶尖期刊上。

  吉本的指导者建议他聚焦于迭代问题,这种问题的解决方法也许会调整既有的典范,但不会试图取代。不过吉本异常顽固,就算以医疗科学家而言也是如此。他不顾一切继续前进的结果,是将三十年的学术生涯投注于一个重大构想,而这个构想也永久改变了医学。

  研发心肺机,需解决的是工程问题

  吉本面对的是个工程问题:如何从体内抽出血液,输送到一个由金属与塑胶制成的机器里充氧,又不至于形成血块,然后再把这些血液在不产生气泡的情况下打回体内,以便滋养维生器官。

  为了解决这个问题,他需要动物。

  感谢当年流浪猫的牺牲

  初期的实验对象都是流浪猫,是他和玛丽用鲔鱼及粗麻布袋从波士顿街道抓来的。因为实验需要几个小时准备,所以都得一大早就到实验室。

  他们会麻醉一只猫、切开牠的气管,再把牠连接于一部人工呼吸器。到了下午三点左右,他们就会开始进行主要步骤:抽出那只猫的血液,在心脏停止跳动的期间让那些血液循环至一部机器,再打回牠的体内以维持生命。

  经过多次试误后,他们终于确认采取这样的架构:

  藉著阻断主静脉与主动脉,把心脏隔离于循环系统外,再以每分钟约 175 毫升的速率,从头部的一条静脉抽血。

  接着,让这些血液在接近纯氧的环境下,缕缕流过一只旋转着的金属圆筒,好让血液借由扩散作用吸收氧气并排除二氧化碳。

  最后在圆筒底部将这些血液收集起来并加温后,透过吉本在医院附近一家二手商店用几美元买来的一部空气泵,输回猫腿上的一条动脉。

  玛丽后来指出:只要我们觉得那只猫承受得了,或装置没有出问题,我们就会继续用止血钳完全夹住肺动脉,可是会出错的东西实在是多得数不清。

  如同吉本所描述的,他们的机器由金属、玻璃、电动马达、水槽、电动开关、电磁铁等等组装而成⋯⋯整个看起来就像某种复杂过头的荒谬机器。这部机器经过无数次的改进,最后发展到和平台钢琴一样大。虽然它看起来不怎么优雅,却的确有效。

  到了 1930 年代末期,吉本已能为猫狗维持生命达数小时之久,而且最重要的是,还能让那些动物在机器关闭后重新恢复心肺功能。1939 年,吉本在一篇论文中发表他的研究成果,标题为〈在实验性闭塞肺动脉期间维持实验对象的生命,并使其于事后存活下来〉。

  他后来写道:

  我永远不会忘记那一天,我们将止血钳彻底夹紧,完全阻塞肺动脉,在体外血液回路的运作下,维持动物的血压稳定不变。太太和我张臂互拥,在实验室里手舞足蹈,一面欢笑,一面高声叫好。

  接着又指出:

  知道现在世界各地每天都有(心脏)手术进行,虽然令我和其他人深感满足,但在我人生中,却没有别的事物比得上那天,和玛丽在麻州总医院那幢老布芬奇大楼实验室里共舞带来的狂喜和欣悦。

  不过,人类比猫咪大得多;人类的血量约是猫的八倍。于是,吉本开始思考要怎么修改他的机器好供人类使用。

  战争结束后,重返研究岗位

  他的研究一度中断,原因是他在 1941 至 1945 年间受征召,前往太平洋战场担任外科创伤医师。

  战争结束后,吉本回到他的研究计画,但这时仍有不少重大问题需要解决。

  血球会被帮浦打碎,蛋白质、纤维蛋白、脂肪与气体粒子会对维生器官造成伤害。

  当然,他也必须以更大的机器处理人类更多的血量,不再是汽水罐,而是牛奶桶。

  为了解决这些问题,吉本向 IBM 公司求助,刚好该公司的董事长汤玛斯.华生(Thomas Watson)是他一名学生的岳父。在 IBM 工程师的协助下,吉本改良了机器:增设滤网以过滤血块、加大充氧器,并纳入特殊的滚轴式帮浦。

  第二次世界大战后,从事这类研究的时机已然成熟,当时不论是电脑、核子科技与太空探索等领域,都陆续展开大规模的公私计画。吉本的团队善用这个政治环境,将 30 亿年的演化成果压缩在 20 年的人类高度努力中。

  到了 1950 年代初期,他的动物实验已将死亡率从 80% 降到 12%,因此吉本认为,把他设计的这部机器试用在人类身上的时机已然来临。


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