为纪念保姆,他发明了心电图仪

来源:蝌蚪五线谱
作者:朱磊

 

心脏是人体最忙碌的器官之一,它每天要搏动近10万次,可谓"忆君心似西江水,日夜东流无歇时"。心脏有活力,我们也有精气神,但如果心脏生病了呢?

这时,心电图仪便闪耀登场了。心电图仪诞生至今已有百余年,早已成为确诊急性冠脉综合征必不可少的辅助诊断工具,是诊断室内阻滞和心律失常的方法之一。心电图仪为人类健康做出了巨大贡献,发明人荷兰生理学家威廉·爱因托芬(Willem Einthoven)也因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。


威廉·爱因托芬,1860-1927(网络图)


心电波动画(来源:en.wikipedia.org)

1

1860年,爱因托芬出生在荷属东印度(今印度尼西亚)的一个医学世家,他的父亲是一名军医,母亲是一位法国医生的女儿。耳濡目染,爱因托芬自然也立志长大后做一名医生,至于主攻何种病症,他一时还没想好。

爱因托芬一家是殖民者家庭,典型的土豪,他们拥有大片土地,雇佣了很多下南洋的华侨种植甘蔗、木棉等经济作物。在众多雇工中,有一位来自广东新会的洪姓保姆主要负责爱因托芬的饮食起居。洪妈心地善良,待他视如己出,从他出生起便一直悉心照料。四岁起,爱因托芬先是跟着洪妈跑到上海住了六年,然后又到广东乡下小住半月,两人产生了母子般的深厚感情。


爱因托芬和家人(来源:www.metealpaslan.com)

然而,慈祥勤劳的洪妈没能一直陪在爱因托芬身边。他17岁时,洪妈因心脏病离开了人世,这让从小跟随洪妈的爱因托芬十分悲痛。

泪水是解决不了问题的,爱因托芬决定"报仇",他下定决心:毕生研究心脏病。

爱因托芬带着对洪妈的无限怀恋回到了荷兰,进入了以医科闻名于世的乌得勒支大学,然后开启了学霸模式。

有道是"学渣千篇一律,学霸各有所长",除了学习医学,爱因托芬还是一位狂热的运动员。他是体操和击剑学会主席,还一手创立了学生划船俱乐部,爱因托芬最爱和朋友说的一句话是"不要让身体枯萎"。不过,狂热也是有代价的,他在一次运动中摔倒了,摔坏了腕关节。

学霸的信条是:在哪里摔倒,就在哪里写一篇论文。爱因托芬对自己受伤的手腕仔细研究了一番,然后,新鲜的学士学位论文就出炉了。

手腕痊愈了,大学毕业了,工作也有了,但爱因托芬心里始终有件事儿放不下——研究心脏病。为此,他找到了当时荷兰著名的医学家杜德。杜德年事已高,有人继承衣钵当然高兴,他把自己所有的病理研究资料都给了爱因托芬,并再三叮嘱:"心脏病的研究现在还很不理想,你要大胆走,莫回头!"


爱因托芬工作的生理学实验室(来源:www.metealpaslan.com)


莱顿大学的爱因托芬楼(来源:www.flickr.com)

想到洪妈的遭遇,想到杜德的叮嘱,爱因托芬毅然决然地跑到物理学院学习去了……是的,是物理学院,不是医学院。

周围人都说爱因托芬不务正业,但学霸的世界,凡人不懂。

2

牛顿曾说自己是站在巨人肩膀上的,爱因托芬觉得在研究心脏病的事儿上,自己的力量毕竟单薄,也该找几个肩膀。他回头看了看历史,再环顾周围的同行,好像真的有几个不错的肩膀——

1781年,意大利解剖学家伽伐尼在解剖青蛙时,发现当青蛙的神经受到电流刺激时,会产生肌肉的收缩。他猜测是来自生物体内的电流导致了肌肉收缩,并将其命名为"生物电"。尽管这个猜测并不准确,但却勾起了生理学家们的兴趣,铺天盖地的研究过后,人们开始认识到:电能够导致生物神经冲动的传导。


伽伐尼,1737-1798(来源:en.wikipedia.org)

1832年,一个晴朗的日子,还是意大利,还是青蛙,只是做实验的人换成了马泰乌奇。这一次,马泰乌奇探测到损伤和未损伤的肌肉之间存在一种电流,他称之为"肌肉电流"。他发现,包括心脏在内,一切正在收缩的肌肉都会产生肌肉电流。几个德国人对马泰乌奇的实验做了验证,一致认为:马泰乌奇同志是正确的。

既然存在心电,那能否对其进行测量,来推测生物体的心脏健康状况呢?

马泰乌奇最先研制出了这样一台设备。德国人试用后发现它只能记录心脏电活动的有无,但对于电活动的变化情况却无能为力。用户体验太差,负分!于是,德国人对马泰乌奇的设备进行了改造再改造,终于能测出动作电流(注[1])振动时的图解波形,只是,测量的精度依旧粗糙。

1875年,法国物理学家李普曼发明了一种灵敏的毛细管静电计,虽然有法国生理学家意识到它很适合于记录迅速变化的生物电,但在用毛细管静电计研究心电这件事儿上却被英国人捷足先登了。这个英国人名叫沃勒。1886年,天天探测动物心脏的沃勒感到有些厌倦,是时候换成人体了!


李普曼设计的毛细管静电计(来源:文献[2])


英国生理学家沃勒(Augustus Desire Waller,1856-1922)(来源:www.ncbi.nlm.nih.gov)

找不到志愿者?没关系,自己来。沃勒把自己的左脚和右手放到装着盐溶液的盆中,然后将溶液和静电计连通。他兴奋地看到,随着心脏跳动,仪器上的水银柱也发生了搏动。第一幅人类的心电图诞生了!

巨人的肩膀找好了,但学霸爱因托芬却发现自己对电学的基本原理所知甚少。既然如此,就去物理学院学习吧,至于那些"不务正业"的闲言碎语,学霸懒得搭理。

3

一年后,电学基本原理的东风已经具备,爱因托芬开始行动了——他爬到了沃勒的肩膀上。

爱因托芬发现沃勒的仪器对震动很敏感,即使马车经过时产生的轻微震动也会使记录的结果出现误差。思前想后,他在房间里挖了一个几米深的大坑,然后,把仪器放了进去……


爱因托芬(左二)和他的同事及参观者(来源:www.metealpaslan.com)

爱因托芬或许认为这样能使仪器免受地面震动的干扰,不过,辛苦挖坑的效果却是……没有效果。一顿折腾后,他深深感到,必须在巨人肩膀上走独立自主的研发之路了。

在爱因托芬对仪器的不断尝试和改进中,时间来到了1901年,这一年,他终于成功研制出了弦线式电流计。仪器结构并不复杂,主要是一根导线、两个磁极,但在细节上,爱因托芬可是做足了功夫。为了提高灵敏度,他采用了极细的镀银石英丝作导线,将其悬于两个磁极之间,即使有微弱电流通过,也会发生偏转,其偏转程度与电流强度成正比。把电极放在人体的手臂和腿上,便可测到心脏向全身泵送血液时通过心肌的电脉冲。

探测到了,可怎么记录呢?


爱因托芬设计的弦线式电流计(来源:www.medischerfgoed.nl)

爱因托芬想出了一个绝妙的方法。他让电流计在偏移时遮挡一束光,在感光纸上留下一个阴影,通过不停地移动感光纸,心肌活动的电脉冲便跃然纸上了。爱因托芬记录下了人类第一个实用的心电图,图形稳定,波形清晰,爱因托芬很是满意。他还采用P、Q、R、S、T等字母标出了心电图上的几种波形,这种命名法一直沿用至今。


由爱因托芬的弦线式电流计记录的心电图(来源:www.metealpaslan.com)

爱因托芬的心电图仪是当时最灵敏的测量装置,获得了普遍认可,然而,却很难推广。原因是,它有个"大"的问题:重达272千克,占据着2个房间,需要5个人进行操作。直到1911年,在一家仪器公司的帮助下,爱因托芬的心电图仪才得以瘦身成功,摇身变为台式仪器,很快便广泛用于临床,为无数患者带来了福音。


1911年由英国剑桥科学仪器公司改进的心电图仪(来源:thoracotomie.com)


1916年,一位伦敦市民在做心电测试(来源:www.laboiteverte.fr)


正常心电图和房颤心电图(来源:www.webmd.com)

1924年,爱因托芬因发现心电图的产生机制和改进、完善心电图仪,被授予诺贝尔生理学或医学奖。

1925年,爱因托芬重回印度尼西亚,看望长眠在那里的洪妈。他告诉洪妈,他终于完成了能诊断夺去她生命的疾病的发明。


爱因托芬和他的心电图仪(来源:fineartamerica.com)


如今的心电图仪(网络图)

From <http://www.ithome.com/html/discovery/308785.htm>

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