探秘心臟手術工具充滿波折的發展之路
在過去的一個世紀裡,曾經無法想象的心臟手術已變得司空見慣。每天都有成千上萬次,外科醫生進行動脈移植、修復結構缺陷或者整個心臟的移植。
像這樣的手術之所以成爲可能,是因爲醫療團隊可以在手術期間讓患者的心臟停止跳動,用機器爲其泵血,然後在術後重新啓動修復後的心臟。
這種通常被稱作心肺分流術的過程的發展,是科學與工程領域的一次勝利,其中所涉及的冒險方式在如今是難以想象的。絕望的外科醫生承擔了這些風險,因爲風險巨大:人們,通常是患有先天性心臟缺陷的兒童,正在死亡。外科醫生知道,只要他們能夠進入心臟內部,就能拯救生命。
阿拉巴馬大學伯明翰分校心胸外科的前主任詹姆斯·K·柯克林博士表示,心肺分流術的創立顯然是“現代醫學的主要里程碑之一”,他如今領導着從該校分拆出來的一家公司。他與人合寫了一篇2022 年的文章發表在《美國心臟病學會雜誌》上,講述了心肺分流術是如何發展的。
他說,這項努力涉及研究人員之間的“巨大合作”。他們共同努力的動力是“儘可能純粹的動機”——希望給面臨必死命運的兒童帶來完整壽命的希望。“我的意思是,誰會不想參與這樣的項目呢?”
心肺分流術的完整歷史至少可以追溯到 19 世紀末,當時德國科學家學會了如何通過膜將血液注入氧氣。現代的故事可能始於小約翰·H·吉本博士。1931 年,他在馬薩諸塞州綜合醫院擔任研究助理,被指派照看一名因肺部血塊(稱爲肺栓塞)而瀕臨死亡的婦女。她在緊急手術嘗試中去世。
吉本後來講述了“在患者身邊的 17 個小時裡,不斷出現這樣的想法,如果能將患者擴張靜脈中的一些藍色血液持續抽入一個裝置,讓血液吸收氧氣並排出二氧化碳,然後將這些血液泵回患者的動脈,患者的危險狀況可能會得到改善。”
同事們都認爲這是個糟糕的主意。“普遍的印象是,一個聰明的年輕研究者着手這樣一項幾乎不可能完成的任務,很可能是對時間和精力的巨大浪費,”費城科學歷史研究所援引他的妻子瑪麗·“瑪莉”·霍普金森·吉本的話說。她成爲了重要的合作者。
在第二次世界大戰服役後,吉本最終與托馬斯·J·沃森成爲社交熟人,沃森從他擔任董事會主席的 IBM 提供了工程幫助。由此產生的心肺裝置被比作打卡機。
這場戰爭讓外科醫生明白,與當時的傳統觀念相悖,修復心臟是有可能的。“基本上,二戰前的理念是,在心臟上動手術會給患者帶來極大風險,”明尼阿波利斯明尼蘇達大學的外科教授保羅·A·艾佐博士說,他在那裡領導着可視心臟實驗室。
這場戰爭也是加拿大的威爾弗雷德·G·比格洛博士對低溫影響產生興趣的地方,低溫可以減緩身體的代謝率並降低對氧氣的需求。在心肺機可用之前,一些早期的心臟手術僅僅通過給患者降溫得以實現,這給外科醫生提供了一個短暫的手術窗口。
20 世紀 50 年代初,在明尼蘇達州,拼圖的所有碎片開始拼合起來。要明白這些碎片有多麼具有開創性,瞭解一下當時外科醫生所處的相對原始的工作條件會有所幫助。
伊亞佐說:“沒有電腦,也沒有數字設備,”並且也沒有電子傳感器。體溫是用玻璃溫度計記錄的。有人看着牆上的鐘,用手檢查脈搏。爲了誘導低溫,患者被用冰包裹起來,放置在那種給馬供水的金屬槽裡。麻醉是通過手動泵壓一個袋子來調節的,有時甚至會出問題。
沒有有效的除顫器,這使得冷卻過程很危險。而且心臟在升溫時可能會開始不規則地跳動。
醫生們幾乎是在盲目操作,除了在手術室外面拍攝的一張靜態胸部 X 光片;沒有便攜式 X 光機或其他成像設備。
“他們是邊摸索邊進行的,”伊亞佐說,並補充道,鑑於情況可能極其危險,醫生們有充分的理由成爲“特立獨行者”。
當旁路技術在病情危急的患者身上試用時,早期的死亡率相應很高。柯克林說:“最初的數據簡直是災難性的。”
但醫生們一直在嘗試。
1952 年,當時在費城托馬斯·傑斐遜醫學院的吉本,使用心肺機爲一名被認爲患有房間隔缺損(即嬰兒出生時心臟內有一個洞)的 15 個月大的嬰兒進行手術。診斷錯誤,孩子去世了。
1953 年 5 月 6 日,吉本再次嘗試,這次是爲 18 歲的塞西莉亞·巴沃萊克修復房間隔缺損。她在心肺機上待了 45 分鐘。手術成功了,吉本被認爲是使用機械心肺機進行首次成功心臟手術的人。
“這臺機器並非能包治所有的心臟疾病,”在手術後的幾天裡,他對《時代》雜誌說道。但這是第一次,“有可能看到心臟內部。這有點像把井弄乾,以便在井底做一些工作。”
不幸的是,在四到六次的嘗試裡,巴沃萊克是唯一的倖存者。當時,醫生們對於心臟直視手術能否成功感到悲觀。吉本停止進行心臟手術,並把他的機器計劃交給了位於明尼蘇達州羅切斯特市的梅奧診所的一個團隊。
“他是一位出色的紳士,一位傑出的胸外科醫生,顯然還是一位創新者,不過他主要對心臟手術不感興趣,”柯克林說道。
與此同時,就在伊亞佐如今工作的這棟大樓裡,歐文·旺根斯廷博士領導着一個外科部門,他要求自己的醫生取得博士學位,伊亞佐說。這營造出了一種重視創新的文化,在那個沒有聯邦政府監管醫療器械的時代,醫生們有可能冒出一個主意,‘在實驗室裡做三四個實驗,然後上樓在人身上試試,’他說。
伊亞佐說,如今的法規提供了重要的安全保障措施。但那個時候更看重速度。
明尼蘇達州的一位名叫 C. 沃爾頓·利爾海伊的博士和同事們研究出了一種被叫做交叉循環的技術。當外科醫生試圖修復患兒的心臟時,血液會在年輕患者和成年人(通常是父母)之間進行泵送。實際上,父母充當了孩子的心肺機。
運用這種技術的第一次成功手術是在 1954 年 3 月 26 日。這個患兒是一個 13 個月大、心室有缺陷(心臟的下腔之一)的嬰兒,11 天后因肺炎離世。但第二個孩子,一個 3 歲、有類似缺陷的孩子,活了 64 年。
利爾海伊使用交叉循環達 45 次;其中 28 名患者活了下來。‘其中有幾個患者到現在還在世呢,’伊亞佐說。
但柯克林說,交叉循環存在侷限性。關鍵是,它有可能造成 200%的死亡率——孩子和父母都死亡。
所以,在羅切斯特那邊,有一個團隊正在採用吉本的模型並對其加以改進。
在成功完成實驗之後,梅奧團隊得到了他們理事會的許可,嘗試在八次手術中運用該機器,哪怕前七次手術都失敗了。手術於 1955 年 3 月展開。
第一位患者是一名患有心室缺陷的 5 歲女孩,她活了下來。柯克林說:“總的來看,這些病例中有一半存活了下來,這相當令人驚訝。”這是世界上第一批使用心肺分流術成功進行的一系列心臟直視手術。“然後事情就迅速發展起來了。”
柯克林說,此時心肺分流術成功的部分原因在於參與的外科醫生並非全科醫生。“沃爾特·利萊希和我的父親確實是前兩位心臟外科醫生,在這個開創性時期,他們的主要關注點就在心臟本身。”所以當外科醫生開始最初的這八個病例時,“他們確切地知道自己計劃要做什麼。”
柯克林說,一旦成功的手術得到展示,“就沒有回頭路了。”梅奧 - 吉本裝置是 20 世紀 50 年代和 60 年代初期使用最廣泛的心肺機。
回到明尼阿波利斯,交叉循環被放棄了。明尼蘇達大學外科講師理查德·德沃爾博士一直在研究一種心肺機,它使用聚氯乙烯管,防止血液中形成氣泡。利萊希從食品行業的一個朋友那裡瞭解到這種管子,它曾被用於製作蛋黃醬。
1955 年 5 月進行了使用這臺機器的第一次手術。組裝它的成本不到 1000 美元,其設計一直使用到 20 世紀 70 年代。
“它真的改變了全世界的心臟手術,”艾佐說。
儘管許多其他人對分流技術的發展做出了貢獻,但毫無疑問,這些發展使明尼蘇達州成爲了心臟直視手術的中心。1955 年和 1956 年,提供此類手術的唯二地方相距約 90 英里,分別在明尼阿波利斯和羅切斯特。
德沃爾在 2011 年發表於《胸心血管外科雜誌》的文章中說,這在一定程度上是由於研究人員之間的合作。“(約翰)柯克林博士和利萊希博士的團隊之間就他們在心臟直視手術中不斷增加的經驗進行了自由交流。明尼阿波利斯團隊的成員訪問了梅奧診所,梅奧診所的人員也訪問了明尼蘇達大學的心臟直視手術項目。”
伍斯特的麻省大學陳醫學院教授萊奧拉·巴爾薩姆博士說,談到心臟手術,情況永遠不可能是“常規的”。她說,患者“指望你確保他們手術後的狀況比手術前好。那顆心臟之後必須重新跳動起來。”
但現在心肺分流術非常普遍,巴爾薩姆也是麻省大學紀念醫療中心心室輔助裝置項目的外科主任,她使用它進行手術的次數多得數不清。“也許有幾千次,”她估計。
在每一個手術過程中,巴爾薩姆都會連接一根大管子,通常連接到患者心臟的右上方腔室,來泵出血液。然後,旁路設備會過濾掉二氧化碳並添加氧氣。血液通過她連接的另一根管子迴流,通常連接到患者的升主動脈,這是將血液從心臟輸送到身體其他部位的大血管。
這臺機器配有一個熱交換器,能讓她調節血液溫度。因此,在心臟停止跳動之前,她可以給患者降溫,以限制其心臟的代謝需求。
要讓心臟停止跳動,她夾住給心肌本身供血的動脈,然後注入一種鉀溶液,使心臟的電活動停止。“然後心臟就會變得靜止不動,電活動也會安靜下來。不活動。呈直線。”她說。
修復心臟可能需要不到一個小時,也可能需要幾個小時。時間很重要。隨着血液的循環,血液的成分可能會被稀釋或粘在管子上。心臟停止的時間越短越好。“如果心臟一開始很強壯,就能承受更長時間。如果心臟虛弱,就不能承受那麼久”,巴爾薩姆說。
當修復完成時,她恢復心臟動脈的正常血流,這會沖洗掉鉀溶液並重新喚醒心臟的電搏動。
巴爾薩姆說,隨着時間的推移,這個過程變得更加安全了。心臟停搏液的配方已得到改進,她說,未來的進展可能在於製造在泵送血液時對血液造成更少損害的設備。
一種稱爲體外膜氧合(ECMO)的簡化型心肺旁路在 20 世紀 70 年代被開發出來。它已被用於支持患有嚴重心肺併發症的患者。
柯克林說,與其他複雜的醫學突破一樣,心肺旁路的存在是由於“機會、偶然發現、技能和準備共同促成了成功”。
但他和巴爾薩姆一樣表示,即使這些機器將曾經不可能的事情變成了日常事件,心臟手術也絕非常規操作。“從患者和公衆的角度來看,它需要是常規的,”他說,“但對於那些對結果負責的人來說並非如此。”
柯克林將其比作駕駛噴氣式飛機或將宇航員送入太空。“僅僅因爲他們安全地做到了這一點,並不意味着這很容易。”