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外科的诞生：从文艺复兴到移植手术革命 第十五章心脏外科
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1896年，著名的英国外科医生斯蒂芬·佩吉特断言：“心脏外科可能已经达到了自然界给所有外科手术设下的极限：人类没有新方法也没有新发现来攻克心脏创伤治疗面临的难题。”[1]
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第一款植入型心脏装置的故事彰显了科学和医学的进步。从初期令人失望的结果，到一批具有牺牲精神的患者同意在自己身上展开无畏的医学探索，再到遭遇灾难性失败后重新调查研究，最终一小群研究人员凭着近乎病态的决心获得了成功。
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从20世纪50年代开始的数十年里，电子元件仅在心脏外科使用。如今，植入型电子装置广泛应用于普通外科、泌尿科、耳鼻喉科、神经外科、骨科甚至妇科。这些植入手术的故事倚赖外科技术的改善、麻醉学的进步、抗生素的问世、冶金技术的提升以及现代电子学的发展，尤其是晶体管的出现。
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20世纪30年代，尽管治疗消化系统与骨骼肌肉的手术取得了进步，但没有人敢动心脏。脑部受损、猝死和手术失败的风险如此之大，根本没有理由选择手术。1938年，波士顿儿童医院的罗伯特·格罗斯进行了动脉导管结扎术。动脉导管是胎儿时期连接肺动脉与主动脉的小动脉，帮助胎儿绕过没有功能的肺，动脉导管应该在出生几天后自然闭合，但如果没有闭合，持续开放的动脉导管会使婴儿患病。
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1944年，阿尔弗雷德·布莱洛克在约翰斯·霍普金斯医院为一名患有“法洛四联症”（tetralogy of Fallot）的儿童进行了姑息性手术治疗。法洛四联症是一种先天性心脏缺陷，肺动脉瓣过窄，导致右心室肥大，室间隔缺损，以及主动脉骑跨，即主动脉排空左右两心室，而不只是左心室。简单地说，法洛四联症患者的心脏所具有的一系列器质性缺陷，使它无法为血液充分供氧，婴儿的氧合功能严重受累，导致皮肤呈青紫色，也即“新生儿发绀”。要治疗这种疾病，医生必须切开心肌壁，看到心脏内部，但是当时的世界上还没有任何外科医生能想出一种“打开”心脏却不杀死病人的方法。法洛四联症等于死刑，而布莱洛克进行了一种姑息性手术——从心脏外部 接通大血管——这个权宜之计确实提高了患者的生存率。
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1952年9月2日，F. 约翰·刘易斯在明尼苏达大学进行了世界上首例心内直视手术，他通过全身降温和血流停滞的方法打开了一名五岁女孩的心脏。在手术室里，医护人员把这名儿童安置在盛满冰水的饮马箱中，将其体温降至28摄氏度，打开胸腔后，夹住流入心脏的血管，使血流停滞。他通过手术迅速封闭室间隔的病理性孔隙，再进行加温使患者复苏，从而平安渡过手术难关。50多名心室间通路异常的儿童接受了这种手术治疗。然而，由于担心加温复苏不一定能够恢复正常心率，明尼苏达的外科医生们开始思考另一种打开心脏的方法。
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刘易斯所取得的进步鼓舞了费城杰斐逊医学院的约翰·吉本医生，他于1953年用人工设备为血液供氧，给一名同样患有这种心脏缺陷的18岁少女进行了手术。垂屏式氧合器（screen oxygenator）后来又叫“梅奥-吉本心肺机”（Mayo-Gibbon heart-lung machine），虽然大而笨重、结构复杂且造价昂贵，但首次应用确实取得了成功。这台机器的大小与一辆卖热狗的小货车相当，通过一系列塑料管与患者连接起来，用持续运转的德贝基滚轮泵实现血液的体外循环。患者不仅平安渡过了世界上首例使用心肺转流术的心内直视手术，她的人生又继续了47个年头，直至65岁才去世。[2] 不幸的是，吉本接下来的三位患者或死于手术室，或术后立即死亡。该设备的研发历经19年，其间有数不清的动物手术、数不尽的调查研究，然而，到了1954年，他决定暂停所有心内直视手术至少一年，同时试着改善结果。对于吉本医生来说，那一定是十分沉痛的打击；事实上，他再也没有做过心内直视手术。[3]
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明尼阿波利斯的外科医生们也在研究自己的心肺机（进展甚微），他们还以生物学方案进行了创新。1954年初，在一次临床医师献计献策的讨论会上，一名年轻的外科医生说，自己怀孕的妻子能够以流入子宫的血液来支持胎儿的心肺功能，给出了另一种思考角度，于是“交叉循环”的概念诞生了。研究小组尝试以一只狗作为“外部生物性心血管设备”来为另一只狗做手术。在狗的身上做过几十次实验之后，明尼苏达大学的沃尔顿·李拉海（Walton Lillehei）医生为一名一岁男孩进行了手术，而作为“生物性氧合器”与患儿连接在一起的是他的父亲。我们只能想象，母亲痛苦地看着自己的丈夫和孩子躺在病床上，被推往手术室去做交叉循环手术，勇敢的父亲冒着生命危险维持着幼子的生命。那一天，“对心内直视手术的普遍悲观态度发生了巨大的转变”，[4] 尽管患儿在11天后死于肺炎。李拉海并没有被困难吓倒，在接下来的一年中，他带领着自己的医护组通过交叉循环的方法进行了45例手术，每次患儿都在父亲或母亲冒着生命危险的支持下渡过难关，2/3的患者手术成功并出院。重大心脏缺陷得到了治疗，其中包括心房和心室缺损（心内孔隙），甚至还有法洛四联症。得这些病在一年前还等于死罪难逃。1955年，也就是阿尔弗雷德·布莱洛克初次进行发绀婴儿手术的11年之后，李拉海医生积累了一年的手术经验，在费城的美国外科协会的会议上，就首批法洛四联症患者的数据做了报告，布莱洛克也在听众席中。
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在连续接受手术治疗的10名患者中，6例结果极好，4例死亡，死亡全部在术后几小时内发生。如今的我们是无法容忍这种失败率的，但在1955年，这却是一场伟大的胜利。沃尔顿·李拉海读完文章之后，布莱洛克评论道：“作为一名保守的老外科医生，我可能不应该评论这篇论文。不得不说，我从未想过自己能见到这种手术操作得以实现的一天。我要赞扬李拉海医生、瓦尔科（Varco）医生及其同事们的想象力、勇气和事业上取得的成绩。”[5] 在科学领域，当朗读一篇开创性报告的声音在灯光幽暗的会议厅中回响，在座的每位同行都体会着那一历史时刻的分量。如同航空工程师在火箭发射成功后挥舞着旗帜相互拥抱，费城那间会议室中的外科医生们一定也擦着幸福的泪水，重获乐观的力量。30年后，在1985年的胸外科医师学会的会议上，李拉海医生介绍了45名患者的长期结果。惊人的是，在27例患有室间隔缺损的病人中，有17人还活着，如果没有手术，他们根本不可能活下来，所以这一发现令人赞叹。丹顿·库利医生是心脏外科史上伟大的先驱之一，报告结束后，他在讲台上说道：“李拉海医生为胸外科医生能够遇到的最大规模的野餐提供了开罐器。”[6] 尽管交叉循环心肺支持这种方法使用的时间很短，但它打开了心内直视手术的大门。到20世纪50年代末期，世界各地的外科医生都受到了启发，开始思考这种“不可能”的手术……或许，一切 皆有可能。
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沃尔顿·李拉海及其医护组向世人证明，严重的心脏缺陷是可以是治疗的，这重新唤醒了研究人员继续完善人工心肺机的追求。大家都认为，经梅奥医学中心改装的吉本心肺机，实际使用起来过于昂贵。李拉海医生找到自己年轻的实验室研究团队，希望可以研制出一台更好的设备。设计负责人是理查德·德瓦尔，他刚从医学院毕业，准备一生与实验室研究设备为伴。德瓦尔从一块干净的石板开始，用弯弯曲曲的软管、泵、针和氧气罐组装出一台“鲁布·戈德堡”[7] 式的奇特装置，成为“机械设备领域的麦吉弗[8] ”。[9] 德瓦尔没有使用易碎的玻璃管，而是选择了聚乙烯塑料软管。与玻璃管相比，塑料软管具有双重优势：它更廉价，而且与血液发生反应的概率低得出奇。德瓦尔的小额预算实际上成了一种优势，促使他以开放的态度去看待聚合物革命。他使用的聚乙烯管来自附近一家工厂的泵蛋黄酱的管道。
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德瓦尔的鼓泡式氧合器造价低廉，可重复生产，更重要的是有效果。在1954年的试验性手术阶段，李拉海通过使用交叉循环向世人展示了心内直视手术的可行性；到1955年中期，鼓泡式氧合器已经成为这种开创性手术中维持生命的主要方法。如今，西方国家的每家大医院里，心肺转流机都是心脏外科手术中维持患者生命的工具。转流机研发的完整历史在这本书里是写不下的，不过研发过程与其他医疗器械的研发没有什么不同，也是由各大洲的精工巧匠自筹资金，进行开荒性质的研究，几经失败，终成正果。心内直视手术曾经只能在明尼苏达大学以及90英里外的梅奥医学中心进行。尽管手术本身很成功，但仍然存在一个关键问题：术后完全性心脏传导阻滞。
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几百年来，科学家们为人体带有生物电的性质深深吸引，其中最能体现人体生物电概念的就是心脏。电脉冲来自被称为天然“心脏起搏器”的窦房结，向房室结传达讯号，从而推动心室的收缩。大脑并没有告诉心脏要收缩——心脏有自己的节拍器，像一个内置的电子计时器，有节奏地激发整个心肌（见彩插15.1）。把手放在胸前，你所感到的怦怦颤动就来自正在收缩并将血液挤向全身的心脏。把手移向颈部，可以感觉到气管旁边的脉动，那有节奏的敲打声是心脏瓣膜猛然关闭的回响，整齐而均匀地响应着心脏肌肉的切分收缩。完全性心脏传导阻滞发生时，心脏的电脉冲传导失去了控制，患者出现严重的心动过缓、低血压以及心功能极度减退。实际上就是心脏这个肌肉泵的功能不协调，除非使电脉冲传导正常化，否则无法维持生命。明尼苏达的外科医生团队一直在寻找应对心脏起搏发生紧急情况的方法，并且用一种简单的实验室电测试设备“格拉斯刺激器”（Grass Stimulator）挽救了一名儿童的生命。
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1957年1月，在明尼阿波利斯市，一名儿童经心内直视手术修复室中隔缺损后，发生了严重的完全性心脏传导阻滞 。明尼苏达大学的一名生理学家曾经建议过心脏科用他们的实验室设备“格拉斯刺激器”刺激患儿心脏收缩，该设备会产生小幅电压。在全球生理实验室和时至今日的小学课程中，还有用刺激器通过电线向测试对象发送小幅电脉冲的实验。想使一只青蛙的腿做出跳跃动作，生理学家需要先把细小的电线戳进青蛙的腿部肌肉，将青蛙腿与格拉斯刺激器连接起来，再通过调压调速，使肌肉产生收缩。经过对狗的初步测试，李拉海小组希望刺激器能对儿童的完全性心脏传导阻滞有效。
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于是在1957年，当一名儿童在心内直视手术后出现完全性心脏传导阻滞，李拉海医生带领其医护组将一根绝缘线插入了患儿的心脏肌肉中，与刺激器连接起来，他发现自己成功了——他可以控制心脏的跳动。通过调动表盘，李拉海可以使病人的心跳频率增加。威廉·哈维应该会十分欣赏这精妙的装置。尽管刺激器取得了巨大的成就，但是在现实当中，用电流来维持生命需要考虑非常庞杂的组织统筹工作。格拉斯刺激器与一台微波炉一样大，需要交流电源插座和延长线。在实际操作中，从手术室到病房之间需要一根100英尺长的延长线，才能保持设备通电以维持患者生命。想象一下，在心内直视手术后，心脏科的医生们用病床推着一个还处于无意识状态的小孩子走出手术室，孩子还插着管，麻醉师监视着孩子的呼吸，外科医生们沿着走廊一路拉着橙色延长线，以确保心脏起搏的频率可以维持生命。
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对于出现完全性心脏传导阻滞的患者来说，交流电力式心脏刺激器就是他们的生命线，然而，1957年10月31日，明尼阿波利斯发生了医疗灾难事件，一次全市范围的停电波及医院病房，结果导致一名年轻的患者死亡。对李拉海来说，这是一次沉重的打击，患者的生命竟然绑定在墙壁的电插座上，这令他感到十分懊恼。他咨询了当地的电气工程师和电子学专家，研究是否有可能缩小刺激器，生产出一种由电池驱动的微型产品。李拉海发现，大多数出现完全性心脏传导阻滞的患者在几周内就会恢复自己的窦性心律，他希望某种创新发明可以使患者摆脱电插座的束缚，帮助他们过渡到心功能恢复正常的阶段。李拉海找到了年轻的工程师厄尔·巴肯（Earl Bakken）——这是医学史上又一个伟大时刻。
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1949年，厄尔·巴肯和他的姐夫帕尔默·赫蒙斯利（Palmer Hermundslie）创立了一家公司，专门维护和维修明尼阿波利斯地区医院的电子设备，然而，工作第一个月的收入只有8美元，他们做了一台离心机的检修。[10] 新兴电子工业和晶体管的蓬勃发展，使这些维修工意识到，城镇的医院需要有人为他们维修所有的小设备。巴肯是明尼阿波利斯本地人，1941年从高中毕业后，他应征入伍，成为陆军通信团的一名雷达指导员兼维修技术员。他一生对家用电子产品的爱好，自然而然地引导他在部队中从事了相应的工作。90多岁的巴肯仍然说，他发现“看到、听到、触摸到甚至闻到老收音机、老机器和电子设备，都会使他的内心深处感到无以言表的快乐。只有明白电子产品来龙去脉的人，才能欣赏它们所具有的魔力。他热爱这些设备，不仅因为它们的功能，更因为它们实现了这些功能”。[11] 这种情感让我们想起史蒂夫·乔布斯等创业能手，同时也证实了这样的观点：几乎所有的发明创新者都是“在车库里折腾的人”，他们在脑子里翻来覆去地琢磨着一个想法，并亲手打造解决方案。
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战争结束后，厄尔·巴肯回到明尼苏达，进入明尼苏达大学学习电子工程专业并获得本科和硕士学位。所有认识他的人都不会对其职业选择感到惊讶，他从小就擅长发明各种小装置。厄尔小时候看过电影《弗兰肯斯坦》，对故事中赋予生命的电力深深着迷。他后来回忆道：“合理地运用电力，不仅能够点亮房间或者按响门铃，还能实现许多事，我对此深感敬畏。我意识到电定义了生命。当电流动起来，我们就活着；没有电流时，我们就死去。”[12]
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厄尔·巴肯上大学时，经常穿过马路去学校的医学院，认识了许多科学家和技术人员，他们的工作正越来越依赖电子设备。这些交往也促使巴肯在1949年创建了自己的公司，但是，多年来低报酬的承包工作和残酷的商业竞争使他的公司经营状况不佳。突破困境的机遇出现在1957年停电事件之后，李拉海医生委托他负责研发方案，设计电池驱动的电子起搏器，他立刻就产生了一种想法，并着手制作起来。
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厄尔·巴肯想起一年前的一期《大众电子》上有一篇文章讲解了如何制作一台电子晶体管节拍器，他从那篇文章中得到了灵感。对于酷爱电子装置的巴肯来说，主要挑战是找到他能建构的一种电路。1956年4月的那篇文章展示了一张带有两个晶体管的简化电路图，而他巧妙地对这个娱乐产品进行了创新，发明出一种救命装置。
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电路是一张电子网，由电线、电阻器、电容器和晶体管组成。电路中的晶体管部分彻底改变了所有的电子产品、通信方式以及医学。晶体管的发明是“电子时代的核心产物”。[13] 早期电子工业的真空管是靠不住的，因为它耗电量巨大，产生的热量也过多。人们需要一种能够放大电子信号的设备，但它同时要更小、更节能。贝尔实验室（Bell Laboratories）是美国电话电报公司的工业研究部门，当亚历山大·格雷厄姆·贝尔的电话发明专利即将到期，贝尔实验室开始迫切地研究起改善洲际通信的技术，结果使贝尔实验室蜕变为世界上首屈一指的科学研发机构。贝尔实验室的研究人员获得过许多诺贝尔奖，也研发出许多革命性的技术，包括激光、太阳能电池、通信卫星以及晶体管。[14] 关于晶体管的发明者是存在争议的，最终诺贝尔奖授予了威廉·肖克利（William Shockley）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和约翰·巴丁（John Bardeen）三个人，不过他们都没有从发明中获利。肖克利去了加利福尼亚的帕洛阿尔托，并在那里创立了肖克利半导体公司（Shockley Semiconductor），其员工最终创建了仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）和英特尔公司（Intel Corporation）。这些致力于革新电报和无线电技术的公司形成了硅谷，20世纪50年代建立的半导体和计算机公司使这片土地进一步成长。晶体管和集成电路可以实现微型化，降低能量消耗并提高计算能力，这一切为太空探索提供了动力，也使个人计算机成为可能，更为医学和植入物的现代化奠定了坚实的基础。
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厄尔·巴肯把自己设计的双晶体管电路装进一个简陋的铝盒里。这个小铝盒长宽都是4英寸，厚1.5英寸——大约相当于一小叠杯垫或一副牌的大小。格拉斯刺激器有多个操控点，而厄尔的装置只有一个拨动开关、脉冲频率和电流输出变阻器。装置顶端是接触终端，通过电线与患者相连，里面放着一块9.4伏特的锌汞电池。从装置中伸出来的电线能够穿过皮肤连接到心脏，当患者不需要这一个装置时，可以简单地在床旁把电线拔下来（见彩插15.2）。
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经过四周的试验，这一装置走进了大学动物实验室。在狗的身上进行了一天的实验后，研究人员看到了希望，他们认为这个装置经过改进，或许可以植入人体。在自传中，厄尔·巴肯回忆道，第二天他回到医院去研究另一个项目，“我刚好走过一间病房，看到李拉海的一名患者。我当时肯定是一副错愕的表情，定了定神，确定自己没看错，那个小女孩正用着我前一天才交给他们的装置原型！我惊呆了。我赶紧找到李拉海，向他询问情况。他以其一贯的谨慎冷静言简意赅地解释说，实验室告诉他起搏器有效，所以他不想再浪费一分钟。他说他不能因为我们没有使用最好的技术就让孩子送命”。[15]
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在1957年，美国外科医生可以在没有美国食品和药品监督管理局设备许可的情况下，就为病人植入装置，这使我感到惊愕不已，不过那时候根本就不存在医疗器械批准这回事。20世纪50年代是医疗器械发展的“西部拓荒时代”，没有法律，也没有“治安官”。尽管李拉海和巴肯担着个人风险为患者植入了一个就地取材发明的装置，但他们并不违法。今天这种行为属于犯罪，肯定会坐牢。然而，在1957年，植入医疗器械靠的是英勇的大无畏精神，是以乐观的心态迎接未来，依据人身伤害法索赔的事情尚未发生。
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世界上第一个电池驱动的可穿戴式心脏起搏器的发明，得益于以下几个互相融合的因素：晶体管和聚合物等新技术的出现，电池和新型涂料的进一步发展，以及厄尔·巴肯这一有准备的头脑。厄尔那家挣扎前行的小型医疗电子服务公司叫什么名字？美敦力。现在它已经成长为全球最大的医疗器械公司，年收入近300亿美元，员工超过8万人，坐拥市值1 000亿美元。[16] 起搏器迅速成为一种可植入装置，主要应用于患有年龄相关性心律失常的老年人。每年有将近50万个起搏器被植入心脏。亲爱的读者，你在现实中肯定认识体内装有起搏器的人，在他们的胸腔里，一个微型装置悄悄地颤动着。它们的工作如此高效，个人几乎看不出其中有什么革命性巨变，但它确实是一个奇迹。
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