［坡仔跟你一起阅读好书·第十七期］《爆炸医学史》第十七章 医疗技术
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［英］罗伯特·斯奈登◎著
——英国著名作家、出版人，拥有30多年的出版从业经验，科普创作奇才，以将复杂难懂的科学问题展现得有趣且令人发省见长，他的作品深受各年龄段读者的喜爱，无论成人还是孩童，均从中受益。
［中］芦东昕 李力 李青峰◎译
第十七章 医疗技术
一、医疗技术发展时间线
1世纪：埃及贵族的假肢脚趾是用木头和皮革制成的。
1505年：格茨·冯·柏林根在战斗中失
去手后戴上了铁手假肢。
1696 年：彼得·威尔杜恩(PieterVerduyn)发明了一种带有铰链和皮革袖口的膝下假肢，用于改善假肢与身体的连接。
1818 年：彼得·巴利夫(PeterBaliff)发明了一种装置，可使假肢佩戴者利用其躯千和肩膀的肌肉通过皮带系统来移动假肢。
1860年左右： 道格拉斯·布莱(DouglasBly)制作了“球窝脚踝”，增强了活动能力。
1871 年：因战争截肢者詹姆斯·爱德华·汉格(James Edward Hanger)申请了一种由枪管和金属制成的假肢专利，他的公司至今仍然存在。
1881年：塞缪尔·西格弗里德·卡尔·里特·冯·巴斯赫(Samuel Siegfried KarlRitterVonBasch)发明了用于测量血压的血压计。
1928 年：菲利普·德林克(PhilipDrinker)和路易斯·阿加西·肖(Louis Agassiz Shaw)研制了“铁肺”。
1945 年：威廉·科尔夫(WillemKolff)对一名急性肾功能竭患者进行了为期一周的透析。
1961年：海因里希恩斯特(HeinrichErnst)在麻省理工学院人工智能实验室开发出第一台由计算机操作的机械手。同时，威廉·豪斯(WilliamHouse)发明了人工耳蜗，这是第一种有效治疗耳聋的方法。
1982年：巴尼·克拉克(BarneyClark)成为贾维克7号人工心脏的第一个接受者。
1998年：由戴维·高(DavidGow)研发的世界上第一只仿生手臂被安装到爱丁堡的坎贝尔·艾尔德(Campbell Aird)身上。
2007年：戴维·高研发了iLimb，这是第一款具有五个可独立活动的手指的人造手。美国海军陆战队前队员克劳迪娅·米切尔(ClaudiaMitchell)成为第一位安装仿生手臂的女性。
2015年：一款名为Eve的人工智能机器人利用机器学习技术加快了曼彻斯特大学的药物研发进程。
2018年：明尼苏达大学的研究人员开始研制仿生眼。
科技在今天的医学中起着重要的作用，很难想象一家现代化的医院里缺少大量精密的机械设备会是什么样。我们已经看到了科技如何让医生不用切开身体就能看到身体内部。但直到19 世纪，医生才真正开始利用科技来帮助他们诊断和治疗疾病。
19世纪的许多创新在今天仍以改良的形式经常被使用。听诊是一种倾听心肺声音的诊断行为，在此之前是通过将耳朵直接放在患者的胸部来完成的。为了避免对年轻女性患者进行听诊时产生尴尬，法国医生雷奈克使用了一张卷好的纸来做听筒。在接下来的三年里，他用各种各样的材料制作听简，在经过各种尝试后，他最终制作出了一根长25厘米的空心木管听筒。这是现代听诊器的雏形。
尽管测量温度的仪器可以追溯到16世纪，但直到1867年，英国物理学家托马斯·奥尔巴特(Thomas Allbutt)才发明了实用的医用温度计。它是便携式的，只有15厘米长，需要5分钟的时间来测量患者的体温。今天的数字体温计能在几秒内准确地测出患者的体温。
19世纪的另一项伟大发明是血压计，它经过了改良，仍在日常生活中被使用。1881年，奥地利内科医生巴斯赫发明了这种测量血压的仪器。巴斯赫的装置是一个装满水的袋子，包裹着一个橡胶球，橡胶球连接着一根水银柱。橡胶球被放置在上臂的动脉上，水被泵入，直到泵入停止为止。此时，以毫米为单位的水银柱高度数值被记录为血压。
二、假肢
替代人体缺失部分的人造装置叫作假肢。假肢不仅是为了弥补缺损的身体功能，而且是为了美观。最早的假肢装置由木头和金属等材料制成，用皮革带固定在身体上。
希腊人和罗马人都制造了假肢辅助装置，尽管这些装置通常都很粗糙且很重。已知最早的假肢是“卡普亚腿” (Capua Leg)" ，之所以叫“卡普亚腿”，是因为它是在意大利卡普亚出土的，可以追溯到公元前300年左右。它是由铜和铁制成的，有一个木芯。据称，罗马将军马库斯·塞尔吉乌斯(Marcus Sergius)曾被授予一只铁手，以替代在第二次布匿战争中失去的一只手，以便他能够握住盾牌。
德国骑士格茨·冯·柏林根在1505年的一次战斗中失去了手，他被装上了一个可以灵活转动的铁手。假肢使他能够握住缰绳，重返战场。不过这个装置太重了，必须用厚皮带绑在他的盔甲上。
有关假肢的最早的书面资料可能是法国外科医生安布鲁瓦兹·帕尔于1579年出版的一本书。作为一名军医，帕尔曾不得不去切除许多不幸受伤的士兵的胳膊或腿，而有些士兵宁愿结束自己的生命也不愿没有四肢而生存。最终，帕尔开始设计和制造假肢来帮助那些受伤的人。帕尔希望它们具有功能性，并试图使它们尽可能与生物肢体相接近。
1696年，荷兰外科医生彼得·威尔杜恩发明了一种膝下假肢，它有专门的铰链和皮革袖口，可以更好地附着在身体上。威尔杜恩和帕尔设计了许多装置，威尔杜恩的非锁定膝下假肢与现代假肢非常相似。
1818年，德国牙医彼得·巴利夫发明了一种装置，使假肢佩戴者能够利用躯干和肩膀的肌肉通过皮带系统移动假肢。此后，截肢者可以通过自然的身体运动来操作假肢了。19世纪60年代，法国的德·博福特(De Beaufort)采用了这种设计，供受伤的士兵使用。背带的设计可以使截肢者通过调节背带上的张力来弯曲和伸展一只简单的人造手上的拇指。
1860年左右，来自纽约的医生道格拉斯·布莱发布了一项重要的新发明——一个“球窝脚踝”，它是由一个放在橡胶球窝里的象牙球做成的，这可以增强活动能力。布莱在美国内战期间一直在宣传他的这个发明，这场战争使大量的士兵被迫截肢，并加剧了假肢制造商之间的竞争。在美国内战结束后，美国出现了200多家假肢制造商。虽然当时的美国政府认识到假肢是一个好产品，但它太贵了，政府无法把它提供给受伤的士兵。不过，政府愿意支付其所售卖的假肢和布莱的公司所售卖的假肢之间的价格差价。
1863年纽约的化学家杜布瓦·L.帕梅勒(Dubois L. Parmelee)发明了一个吸盘，以改善假肢和残肢之间的连接，并帮助固定残肢。他是在思考假牙是如何固定的时候产生这个想法的。假牙是通过吸力和气压的结合来固定的。他认为，如果制作得足够好，那么假肢可以被固定得很好。1871年，美国内战中第一批截肢者之一詹姆斯·爱德华·汉格申请了一项假肢的专利，他创立的假肢公司至今仍然存在。
20世纪初，假肢设计变得更加专业化。第一次世界大战的大规模伤亡使假肢的需求增加了。美国沃尔特·里德陆军医院生产了大量的假肢，旨在帮助残疾退伍军人重返工作岗位。在第一次世界大战前，来自俄勒冈州的锯木厂老板多伦斯发明了劈钩假肢。
在第一次世界大战后，这种假肢开始受到工人的欢迎，因为它能够抓住和操纵物体。在之后的几年里，假肢开始由更轻的材料制成，如铝，这使得它们更容易操作和使用。1961年，麻省理工学院人工智能实验室的海因里希·恩斯特发明了第一台由计算机操作的机械手。1963年，第一款用于帮助残疾人的机械臂问世。
每个截肢者都是独一无二的，每个假肢都是定制的。假肢可以通过多种方式控制。巴利夫的方法从19世纪开始就一直在被使用，通过背带连接肩膀上的电缆来控制假肢手臂，而肩膀会以某种方式移动来控制假肢装置。由电动机驱动的假肢可以通过开关或按钮来控制，能够执行不同的任务。
三、仿生学
仿生学是一门以生物系统为模型构建人工系统的科学。现在的修复学家在工程学、解剖学和生理学的交叉领域进行研究。人工耳蜗是仿生学早期的伟大成就之一，由威廉·豪斯于1961年发明，它是治疗耳聋的有效方法。内耳耳蜗损伤是听力丧失的主要原因。
人工耳蜗不仅仅是一种助听器，它绕过了受损的内耳耳蜗，直接刺激听觉神经。人工耳蜗由外部麦克风(用于探测声音)、处理器(用于将声音转换成电信号)和发射器组成。手术植入的部件会将电脉冲传输到听神经附近的电极阵列。
2018年，明尼苏达大学的研究人员使仿生眼成为现实。他们使用定制的3D打印机，首先在半球形的玻璃圆顶内部打印了一个银色颗粒的底座。然后他们用半导体聚合物材料打印光电二极管，这种器件可以把光转换成电信号。接着他们在银色颗粒的底座上制造了一个仿生眼，可以将光转化为电。这种“眼睛”暂时还不适合移植到人类身体上，研究人员正在寻找使用更柔软、更有效的替代材料。我们还必须找到一种方法，把眼睛发出的信号转换成大脑可以解释为视觉的东西。
1998年8月，世界上第一个仿生手臂，被称为爱丁堡模块化手臂系统(EMAS)，在爱丁堡玛格丽特王妃医院被安装到坎贝尔·艾尔德身上。
这只手臂是由苏格兰发明家戴维·高研发的，它是第一个通过电子微传感器控制肩膀、肘部、手腕和手指的机械臂，重量只有1.8千克，金属和塑料的EMAS比自然手臂轻，便于移动。戴维在2007年继续研发了iLimb,这是第一个拥有五个可独立活动的手指的人造手。
每根手指都由一个马达提供动力，当传感器显示有足够的压力施加到拿着的东西上时，马达就会自动关闭，这有助于防止使用者意外压碎东西。当手指和拇指一起放下时，它们会形成一种“力量握把”，用来拿较大的东西。i-Limb的内置计算机可以通过预设的握把数量进行编程，用户可以通过特定的肌肉运动学习触发握把。
同样在2007年，美国海军陆战队前队员克劳迪娅·米切尔成为第一位安装了仿生手臂的女性。外科医生将她断臂上的神经重新定向到她的胸肌上，她可以通过收缩胸肌向机器人肢体发送信号。
四、“铁肺”和呼吸机
20世纪，许多机器被用来取代衰竭的器官。“内胆式”呼吸器，也称“铁肺”，是由哈佛大学公共卫生学院的菲利普·德林克和路易斯-阿加西·肖研发的，目的是帮助小儿麻痹症患者。小儿麻痹症的症状之一是胸部肌肉麻痹，患者无法独立呼吸。“铁肺”基本上是一个密封的金属盒子，大到足以容纳一个人，风箱用于将空气吸入和排出。患者的整个身体被包裹在盒子里，患者的头从一个橡胶密封圈里伸出来。风箱降低了箱子内的压力，使患者的胸部膨胀;当压力恢复正常时，胸部再次缩小。1928年，它被用来拯救一个8岁女孩的生命。当20世纪50年代研制出一种有效的小儿麻痹症疫苗后，对“铁肺”的需求就减少了。
如今的医院仍然需要帮助患者呼吸的机器。呼吸机通过插入气管的呼吸管将空气吹入肺部。现代呼吸机多用于重症监护病房和急症病房，与老式的“铁肺”相比，它的优点是更容易接近患者。约翰·黑文·爱默生，对铁肺的原始设计做了很多改进，并在1949年为麻醉患者发明了机械呼吸辅助器。在手术中使用肌松药是为了使手术更加容易进行，同时也使患者的呼吸肌麻痹，所以需要一个呼吸机来保持患者的呼吸顺畅。
典型的“铁肺”，侧面的舷窗使医生能够接近患者
五、人造器官
直到20世纪中叶，如果患者被诊断为肾功能衰竭实际上等于被判了死刑。如果肾脏无法从血液中过滤有害物质(如尿素)，身体就不能正常运转。第一个尝试透析的医生是德国盖森大学的格奥尔格·哈斯，他于1924年尝试通过薄膜对血液进行人工过滤。哈斯的透析器使用的是一种以纤维素为基础的膜管，尺寸大小不一。然而，在实验中没有患者存活了下来。
1945年，荷兰内科医生威廉·科尔夫对一名67岁的急性肾功能衰竭患者进行了为期一周的透析，这是一大突破。科尔夫使用了一个他发明的旋转鼓形人工肾脏，这个肾脏是用一种叫作玻璃纸的新材料制成的。科尔夫使用的材料很容易找到，他从香肠皮中得到玻璃纸，然后利用空的食品罐头盒来制造机器。
科尔夫的机器在波士顿的彼得-本特·布里格姆医院进行了改进。这台改良后的机器被称为“科尔夫·布里格姆人工肾脏”，被运往世界各地的医院。通过治疗肾功能衰竭的士兵，这种机器的价值被证明。1947年瑞典医生尼尔斯-阿尔沃尔(NilsAlwall)开创了超滤技术，用于去除血液中多余的水分。
1960年，美国的贝尔丁·斯克里布纳(Belding Scribner)取得了新的进展。“斯克里布纳分流器”是一个附着在身体上的小板，通常在手臂上，其中一根套管通过外科手术植入静脉，另一根植入动脉。在体外，套管因循环短路或分流而连接，可以打开并连接到透析器。它提供了一种相对简单的进入患者循环系统的方法，能够使慢性肾脏疾病患者接受透析治疗。1962年，完全由柔性材料制成的改进型分流器被引进了。
1966年，迈克尔·布雷西亚(MichaelBrescia)和詹姆斯·西米诺(James Cimino)发明了一种技术，他们把手臂上的动脉和静脉连接起来，使针头可以更容易地被放置在形成的动静脉瘘中。
如今，透析已成为慢性和急性肾功能衰竭的首选治疗方法。1964年，中空纤维透析器问世，它使用许多毛细管大小的中空膜来扩大的表面积，使血液的过滤更加有效。
除了透析，威廉·科尔夫还参与了人工心脏的研究。1950年，在俄亥俄州的克利夫兰诊所工作时，科尔夫发明了一种泵式氧合器，使心脏手术成为可能。科尔夫还与阿库苏合作，于1957年为一只狗植入了人工心脏，这只狗在手术后活了90分钟。1962年，阿根廷的多明戈·利奥塔(Domingo Liotta)研发了人工心脏，术后患者存活了13个小时。1969年，利奥塔和登顿·库勒(Denton Cooley)进行了人工心脏移植手术。
1967年，作为犹他大学(UniversityofUtah)生物医学工程研究所的所长，科尔夫和他的团队开发了一系列人工心脏，这些人工心脏以负责该特定装置的小组成员的名字命名。1982年12月，一位名叫巴尼·克拉克的退休牙医成为贾维克7号(Jarvik-7)人工心脏的第一个接受者，在接受移植后，他活了112天。贾维克7号的主要问题是需要庞大的设备来维护它，因此患者无法离开医院。贾维克7号有两个空气动力泵，可以模仿存活心脏的功能，从而将血液推入人工心脏。不过人工心脏仍然十分昂贵，通常被用作在找到人类供体心脏之前维持生命的替代品。
贾维克7号人工心脏系统的示意图
六、机器学习
机器学习是数学和计算机科学的结合，研究计算机从数据中学习的方式。计算机可以在数据中找到人类不易发现的关系。伦敦帝国理工学院和哥廷根大学的科学家发现，在使用新的仿生手时，基于机器学习的控制能产生更自然、更流畅的动作。这只手包含8个电极，用来接收和放大来自患者残肢的微弱电信号，并将其发送到微型计算机上，而微型计算机也安装在假肢上。
Eve是曼彻斯特大学的人工智能机器人，它利用机器学习技术来加速新药的研发进程。从成千上万的化合物中筛选出一种对人体有积极疗效的物质是一个高度劳动密集型的过程，可能需要数年时间才能完成。Eve机器人每天能够筛选超过10000种化合物，从而找到那些相对有效的化合物作为合适的候选药物。我们可以通过多次重复测试以减少误报的可能性，筛选那些可能有毒或存在副作用的药物，预测可能会在测试中取得更好的效果的新化合物。
机器学习的众多医学用途
未来医疗技术将把我们带向何方是一件值得期待的事。Eve正在加速寻找新药，并绘制传染病传播的地图。干细胞研究开辟了利用人体自身细胞作为修复小组，对受损器官进行“当场”替换的可能性。基因组编辑技术的进步使基因治疗的益处触手可及，有可能阻止囊性纤维化等疾病的发生。尽管现在的技术可能会令过去的医学先驱们感到惊讶，但他们肯定会理解我们试图实现的目标——更好地回答我们一直以来对医学提出的问题:我们为什么会生病?我们该怎样治疗疾病呢?