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青蛙腿、小火车……一百年前的人用什么奇葩设备测心电?

用各种奇怪方式追寻电的真相的科学家们:路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)、亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta)和卡洛·马泰乌奇(Carlo Matteucci)
 
撰文 | 李莘莘
 
责编 | 惠家明
 
在现代社会,我们要想检查心脏健康,最方便的办法之一就是做心电图。而在现代心电仪没有发明之前,人们为了测量心电信号可是用尽了各种 “奇葩” 设备。从青蛙腿到玩具小火车,再到用金属丝捅进心脏,科学家们的想象力总是一次又一次地突破人类认知边界。
 
一蛙两吃:又当电源又当电流计的青蛙腿
 
人类发明心电仪的前提是要先认识到 “心脏带电”。可光是论证生物体带电这回事,就耗费了科学家们半个多世纪的口舌之争。
 
1786年,意大利科学家路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)发现,真空环境中的青蛙腿在被导体小棍触碰时会抽动。由此,伽伐尼提出了 “生物电” 的概念。简单地说,就是生物体内存在着电。
“电蛙腿” 第一人,路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani,1737-1798),图源:Wikipedia
 
然而,伽伐尼的理论受到了意大利科学家亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta)的质疑。伏打认为,造成青蛙腿抽动的电流来自于触碰青蛙腿的导体小棍。在试图证伪生物电的过程中,伏打还顺手发明了电池,也就是伏打堆——把一块锌板和一块铜板分别浸泡在盐水中,两种不同导体间电压差产成了电流。伏打希望以此说明,造成青蛙腿抽动的电流来自金属而非生物体自身。
发明电池第一人,亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta,1745-1827)。图源:Wikipedia
 
虽然伏打发明的电池具有跨时代的意义,但是他对于生物电的批驳却是错的。除了伽伐尼自己,后续还有不少科学家用实验证明了生物电的存在,其中一位是卡洛·马泰乌奇(Carlo Matteucci)——看名字就知道这还是位意大利科学家。在一次实验中,马泰乌奇想用电流计测量青蛙腿产生的生物电强度,值得一提的是,此时是1843年,距离伽伐尼去世差不多50年,电流计(galvanometer)正是以伽伐尼命名的。但是,使用电流计难免需要接入金属导体。这样的话,金属和蛙腿之间也会因电压差而产生电流,那么电流计的读数可能就不完全是生物电。
 
马泰乌奇的神来之笔来了,既然 “伏打堆” 可以串联多个金属单元,那我也可以堆一个 “青蛙堆”。于是,马泰乌奇把多个青蛙腿串联在了一起,并且证明了电流计读数会随着蛙腿数量而增加。由于整套装置的金属导线是不变的,电流计读数每次增加的部分则是百分百的生物电了。
 
生物电的争议虽然尘埃落定,而青蛙腿和心电的渊源还不止于此。1846年,马泰乌奇的下一个神来之笔来了,他把一条青蛙腿封在试管里面制成了简单的电流计,然后把这个电流计直接捅到了青蛙自己的心脏上。结果表明,青蛙心脏每一次跳动会造成试管里的青蛙腿抽动。换句话说,青蛙用自己腿证明了自己的心脏存在电流。这个颇有 “煮豆燃豆萁” 意味的实验开启了科学家们对心电信号的追寻。
卡洛·马泰乌奇(Carlo Matteucci,1811-1868)(上左)和他的青蛙腿电流计(上右)和他的青蛙腿电池组(下)。图源:Wikipedia
 
小火车+毛细静电计=史上第一张实时心电图
 
显然,用青蛙腿测量生物电不是个长远之计。人们迫切需要更加精准的设备来观测心电信号。
 
1872年,法国物理学家李普曼(Gabriel Lippmann)发明了毛细静电计,这种电流计的核心是一个高度会随着电流变化的水银柱,其精度和灵敏度就不是青蛙腿能够相提并论的了。1887年,英国生理学家奧古斯都·沃勒(Augustus Desiré Waller)采用了这种毛细静电计,首次绘出了人的心电图。
 
或许你会觉得沃勒只是拿过来一个现成的发明,这个过程好似没什么技术含量,而事实并非如此。在沃勒之前,已经有不少科学家尝试用这种电流计测量心电,然而他们只是在离体的动物心脏上进行了测量。而沃勒是第一个意识到心脏上的电流可以从身体内部传导至身体表面,并在身体表面被测量的人。但是,水银柱只能反映一个瞬间的电流强度,无法实时记录不断变化的心电信号。
 
为了解决这个问题,别出心裁的沃勒把成像板装在一辆玩具小火车上。我们可以设想一下,一个人拿着一只粉笔只做上下移动,而另一个人水平抽动黑板,最后呈现在黑板上的就是一条连续的曲线。同理,每一个瞬时的水银柱高度被投影到成像版上,而成像版则被小火车拉着以固定速度移动,就这样,史上的第一个实时测量的连续心电图诞生了。
坐着小火车的成像版,现存英国科学博物馆。图源:sciencemuseumgroup.org.uk
 
可惜的是,在完成这项历史性的实验之后,沃勒并明没有深入思考这种心电图在临床上会有什么用途,而是开开心心地带着他的狗狗 “吉米”(Jimmy)四处讲座。吉米每次总是十分配合地把脚泡在盐水里面,随后由主人接上设备,现场演示心电图测量。所幸的是,有一名观众从狗狗的心电图上看到更广阔的未来,他就是荷兰生理学家威廉·爱因托芬(Willem Einthoven)。
奧古斯都·沃勒(Augustus Desiré Waller,1856-1922)和忠实的实验对象吉米(Jimmy)。来源:Wikipedia
 
爱因托芬经过研究发现,坐着小火车的毛细静电计的响应速度还是太慢,无法及时反映电流变化,导致反映出来的心脏活动也十分有限。于是他放弃了毛细静电计,自己发明了专门的弦线电流计,利用放置在磁铁两极中的极细石英丝来检测电流的变化,极大地提升了电信号测量的灵敏度和精度。1902年,爱因托芬发表了由这种新型弦线电流计记录的心电图。虽然爱因托芬的初代弦线电流计重达500斤,需要5个人同时操作,并且试验对象还是需要像吉米那样把手脚泡在盐水中,但是它测得的心电图质量非常高,能与当下的心电图仪媲美。
威廉·爱因托芬(Willem Einthoven,1860-1927) 和早期的心电图仪。图源:Wikipedia
 
心电图上奇奇怪怪的字母究竟是什么?
 
除了硬件设备,爱因托芬还发明了一套心电图符号术语。
 
可能有很多人拿到自己的心电图之后,会觉得图纸上标注的什么 “导联I、II、III”,“PQRST波” 像密码一样,很复杂很神秘的样子。其实,所谓的导联就是指测量心电图时,采用多个位置不同的正负电极组,而 “I,II,III” 等编号则代表了电极的位置。
 
目前的标准心电图包括了12组导联,有人或许会问,为什么我们需要那么多电极组呢,只测一个位置的信号不行吗?其实,这跟我们照相的道理一样。打个比方说,我们想在网上了解某一款车,一张照片只能反映一个特定的角度,我们需要看多个角度的照片才能充分了解这辆车全貌。同样地,我们的心脏是一个三维物体,电信号遍布于整个心脏表面,一组正负极电极只能提供一个特定角度的一维快照。通过多个角度的测量,我们才能更全面了解心脏活动。
导联指的是在不同位置贴电极测量心电图,不同位置的正负极组意味着对心电不同角度的观测。图源:Wikipedia
 
导联编号包含的是空间信息,而PQRST则心电图在时间上的标记。我们的每一次心跳并不是一蹴而就的,而是心房先收缩,心室再收缩,随后心室电极复位,这个过程反映到心电图上就是几个高低不同的波。爱因托芬在1895年首次对心跳的波形进行了标注:P波代表了心房的收缩,QRS波群代表了心室的收缩,而T波代表了心室的电极恢复到初始状态,而这个标注也一直沿用到了今天。
一次心脏跳动对应的心电图波形。来源:Wikipedia
 
可是为什么爱因托芬选择了PQRST而不是ABCDE?有一个说法是,爱因托芬一开始标注心电图的时候先标了一个 “O”,代表坐标原点,然后 “O” 的下一个字母 “P” 就被用上了。
爱因托芬首次标注的PQRST波。图源:参考文献3
 
给心脏开后门的科学家
 
爱因托芬的研究就像是为人类了解心脏打开了一扇窗,而有几位科学家却打起了给心脏开 “后门” 的主意。既然我们可以从皮肤表面测得心电信号,那么如果想办法把探头从血管伸进心脏的内部,是不是可以更加准确地获取心电信号呢?这就是德国生理学家维纳·福斯曼(Werner Forssmann)盘算的 “后门”。
 
1929年,年仅25岁的福斯曼只是一个名不见经传的实习医生,除了本职工作工作之外,福斯曼心心念念的只有一件事:如何在不被领导发现的情况下把一根导管顺着血管捅进心脏。不知道用了什么 “花言巧语”,福斯曼还说服了一名叫作迪岑(Gerda Ditzen)的护士协助他完成这项明显违背医院规定的实验。而当时,迪岑答应的前提是福斯曼要用她作为试验对象。
 
1929年5月的一个下午,福斯曼和迪岑偷偷摸摸地溜进了手术室,迪岑本来正等着福斯曼划开她的胳膊,然而福斯曼却趁她不注意划开了自己的胳膊,并迅速地把预先准备好的65厘米长的金属导管捅进了自己的血管里。迪岑顿时慌了,看到因失血而略显虚弱的福斯曼,又气又急的她本想阻止继续实验,但是福斯曼坚决不罢休,对她又踢又叫。最终,迪岑还是妥协了。在她的帮助下,福斯曼用隔壁的X光机拍下了这历史性一刻的证据:一根导管稳稳地扎进了他的心脏内部。
 
维纳·福斯曼(Werner Forssmann,1904-1979)和人类历史上第一次被捅进心脏的导管。来源:Wikipedia
 
然而,接下来等待福斯曼的却不是光明的前途。
 
福斯曼随后发表了这张珍贵的X光片,并在文章中阐述了这项技术的应用前景,比如从心脏内部获得的信号更加准确,可以更好地揭示一些疾病的机理,但他的观点没有被医学界所接受。不仅他接下来重复的几次实验都在学术界遇冷,他还一度因导管研究的争议被医院开除。最后,屡经挫折而最终心灰意冷的福斯曼放弃了心脏导管技术的研究。接下来二战爆发,福斯曼加入了纳粹,而后被俘于美国,直到1945年才出狱。
 
在福斯曼被俘期间,两位美国科学家迪克森·理查斯(Dickinson W. Richards)和安德鲁·寇纳(André Frédéric Cournand)无意中读到了福斯曼的文章,他们以此为基础进行了更加深入的研究,使得这项技术最终没有淹没在历史的尘埃中。
 
一个心脏,两个诺奖
 
今天,无论是标准的12导联心电图还是心脏导管手术,都是临床诊断和治疗中不可或缺的技术手段。
 
依托心电图,爱因托芬相继分析描述了心房颤动、心房扑动、室性早搏等疾病。1924年,爱因托芬因为心电图的相关研究获得了诺贝尔生理学奖。在获奖致辞中,谦逊的爱因托芬不仅肯定了是沃勒给了他启发,还感谢了使用心电图进行大量诊断研究的英国生理学家托马斯·刘易斯(Thomas Lewis)。后来,当得知助手去世的消息时,爱因托芬主动将诺奖奖金的一半分给了助手的姐妹。可以说,从心电图之父爱因托芬的身上,我们可以看到一位科学家无私伟大的品格。
 
而经历曲折的福斯曼,作为心脏导管技术第一人,与后续将心脏导管技术发扬光大的理查斯和寇纳一同获得了1956年的诺贝尔生理学奖。时光无法倒流,福斯曼无法回到过去,他无法说服当年反对他的人而重拾研究生涯,他的纳粹经历也是一个无法回避的污点,但是他对医学的贡献依然值得我们记住。
 
参考资料:
 
[1]Piccolino M, Wade NJ. Carlo Matteucci (1811-1868), the "frogs pile", and the Risorgimento of electrophysiology. Cortex. 2012 Jun;48(6):645-6. doi: 10.1016/j.cortex.2011.08.002. Epub 2011 Sep 2. PMID: 21925654.
 
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[7]https://ecglibrary.com/ecghist.html
 
[8]Jauhar, Sandeep. Heart: A History, Oneworld Publications, 27 Sept. 2018



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