用各種奇怪方式“追尋”心電信號(hào)的科學(xué)家們：路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）、亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）和卡洛·馬泰烏奇（Carlo Matteucci）

撰文 | 李莘莘

責(zé)編 | 惠家明

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在現(xiàn)代社會(huì)，我們要想檢查心臟健康，最方便的辦法之一就是做心電圖。而在現(xiàn)代心電儀沒有發(fā)明之前，人們?yōu)榱藴y(cè)量心電信號(hào)可是用盡了各種 “奇葩” 設(shè)備。從青蛙腿到玩具小火車，再到用金屬絲捅進(jìn)心臟，科學(xué)家們的想象力總是一次又一次地突破人類認(rèn)知邊界。

一蛙兩吃：又當(dāng)電源又當(dāng)電流計(jì)的青蛙腿

人類發(fā)明心電儀的前提是要先認(rèn)識(shí)到 “心臟帶電”?？晒馐钦撟C生物體帶電這回事，就耗費(fèi)了科學(xué)家們半個(gè)多世紀(jì)的口舌之爭(zhēng)。

1786年，意大利科學(xué)家路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）發(fā)現(xiàn)，真空環(huán)境中的青蛙腿在被導(dǎo)體小棍觸碰時(shí)會(huì)抽動(dòng)。由此，伽伐尼提出了 “生物電” 的概念。簡(jiǎn)單地說，就是生物體內(nèi)存在著電。

“電蛙腿” 第一人，路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani，1737-1798），圖源：Wikipedia

然而，伽伐尼的理論受到了意大利科學(xué)家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）的質(zhì)疑。伏打認(rèn)為，造成青蛙腿抽動(dòng)的電流來自于觸碰青蛙腿的導(dǎo)體小棍。在試圖證偽生物電的過程中，伏打還順手發(fā)明了電池，也就是伏打堆——把一塊鋅板和一塊銅板分別浸泡在鹽水中，兩種不同導(dǎo)體間電壓差產(chǎn)成了電流。伏打希望以此說明，造成青蛙腿抽動(dòng)的電流來自金屬而非生物體自身。

發(fā)明電池第一人，亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta，1745-1827）。圖源：Wikipedia

雖然伏打發(fā)明的電池具有跨時(shí)代的意義，但是他對(duì)于生物電的批駁卻是錯(cuò)的。除了伽伐尼自己，后續(xù)還有不少科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明了生物電的存在，其中一位是卡洛·馬泰烏奇（Carlo Matteucci）——看名字就知道這還是位意大利科學(xué)家。在一次實(shí)驗(yàn)中，馬泰烏奇想用電流計(jì)測(cè)量青蛙腿產(chǎn)生的生物電強(qiáng)度，值得一提的是，此時(shí)是1843年，距離伽伐尼去世差不多50年，電流計(jì)（galvanometer）正是以伽伐尼命名的。但是，使用電流計(jì)難免需要接入金屬導(dǎo)體。這樣的話，金屬和蛙腿之間也會(huì)因電壓差而產(chǎn)生電流，那么電流計(jì)的讀數(shù)可能就不完全是生物電。

馬泰烏奇的神來之筆來了，既然 “伏打堆” 可以串聯(lián)多個(gè)金屬單元，那我也可以堆一個(gè) “青蛙堆”。于是，馬泰烏奇把多個(gè)青蛙腿串聯(lián)在了一起，并且證明了電流計(jì)讀數(shù)會(huì)隨著蛙腿數(shù)量而增加。由于整套裝置的金屬導(dǎo)線是不變的，電流計(jì)讀數(shù)每次增加的部分則是百分百的生物電了。

生物電的爭(zhēng)議雖然塵埃落定，而青蛙腿和心電的淵源還不止于此。1846年，馬泰烏奇的下一個(gè)神來之筆來了，他把一條青蛙腿封在試管里面制成了簡(jiǎn)單的電流計(jì)，然后把這個(gè)電流計(jì)直接捅到了青蛙自己的心臟上。結(jié)果表明，青蛙心臟每一次跳動(dòng)會(huì)造成試管里的青蛙腿抽動(dòng)。換句話說，青蛙用自己腿證明了自己的心臟存在電流。這個(gè)頗有 “煮豆燃豆萁” 意味的實(shí)驗(yàn)開啟了科學(xué)家們對(duì)心電信號(hào)的追尋。

卡洛·馬泰烏奇（Carlo Matteucci,1811-1868）（上左）和他的青蛙腿電流計(jì)（上右）和他的青蛙腿電池組（下）。圖源：Wikipedia

狗+小火車+毛細(xì)靜電計(jì)=史上第一張實(shí)時(shí)心電圖

顯然，用青蛙腿測(cè)量生物電不是個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。人們迫切需要更加精準(zhǔn)的設(shè)備來觀測(cè)心電信號(hào)。

1872年，法國(guó)物理學(xué)家李普曼（Gabriel Lippmann）發(fā)明了毛細(xì)靜電計(jì)，這種電流計(jì)的核心是一個(gè)高度會(huì)隨著電流變化的水銀柱，其精度和靈敏度就不是青蛙腿能夠相提并論的了。1887年，英國(guó)生理學(xué)家奧古斯都·沃勒（Augustus Desiré Waller）采用了這種毛細(xì)靜電計(jì)，首次繪出了人的心電圖。

或許你會(huì)覺得沃勒只是拿過來一個(gè)現(xiàn)成的發(fā)明，這個(gè)過程好似沒什么技術(shù)含量，而事實(shí)并非如此。在沃勒之前，已經(jīng)有不少科學(xué)家嘗試用這種電流計(jì)測(cè)量心電，然而他們只是在離體的動(dòng)物心臟上進(jìn)行了測(cè)量。而沃勒是第一個(gè)意識(shí)到心臟上的電流可以從身體內(nèi)部傳導(dǎo)至身體表面，并在身體表面被測(cè)量的人。但是，水銀柱只能反映一個(gè)瞬間的電流強(qiáng)度，無法實(shí)時(shí)記錄不斷變化的心電信號(hào)。

為了解決這個(gè)問題，別出心裁的沃勒把成像板裝在一輛玩具小火車上。我們可以設(shè)想一下，一個(gè)人拿著一只粉筆只做上下移動(dòng)，而另一個(gè)人水平抽動(dòng)黑板，最后呈現(xiàn)在黑板上的就是一條連續(xù)的曲線。同理，每一個(gè)瞬時(shí)的水銀柱高度被投影到成像版上，而成像版則被小火車?yán)怨潭ㄋ俣纫苿?dòng)，就這樣，史上的第一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量的連續(xù)心電圖誕生了。

坐著小火車的成像版，現(xiàn)存英國(guó)科學(xué)博物館。圖源：sciencemuseumgroup.org.uk

可惜的是，在完成這項(xiàng)歷史性的實(shí)驗(yàn)之后，沃勒并明沒有深入思考這種心電圖在臨床上會(huì)有什么用途，而是開開心心地帶著他的狗狗 “吉米”（Jimmy）四處講座。吉米每次總是十分配合地把腳泡在鹽水里面，隨后由主人接上設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)演示心電圖測(cè)量。所幸的是，有一名觀眾從狗狗的心電圖上看到更廣闊的未來，他就是荷蘭生理學(xué)家威廉·愛因托芬（Willem Einthoven）。

奧古斯都·沃勒（Augustus Desiré Waller，1856-1922）和忠實(shí)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象吉米（Jimmy）。圖片來源：Wikipedia

愛因托芬經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，坐著小火車的毛細(xì)靜電計(jì)的響應(yīng)速度還是太慢，無法及時(shí)反映電流變化，導(dǎo)致反映出來的心臟活動(dòng)也十分有限。于是他放棄了毛細(xì)靜電計(jì)，自己發(fā)明了專門的弦線電流計(jì)，利用放置在磁鐵兩極中的極細(xì)石英絲來檢測(cè)電流的變化，極大地提升了電信號(hào)測(cè)量的靈敏度和精度。1902年，愛因托芬發(fā)表了由這種新型弦線電流計(jì)記錄的心電圖。雖然愛因托芬的初代弦線電流計(jì)重達(dá)500斤，需要5個(gè)人同時(shí)操作，并且試驗(yàn)對(duì)象還是需要像吉米那樣把手腳泡在鹽水中，但是它測(cè)得的心電圖質(zhì)量非常高，能與當(dāng)下的心電圖儀媲美。

威廉·愛因托芬（Willem Einthoven，1860-1927） 和早期的心電圖儀。圖源：Wikipedia

心電圖上奇奇怪怪的字母究竟是什么？

除了硬件設(shè)備，愛因托芬還發(fā)明了一套心電圖符號(hào)術(shù)語。

可能有很多人拿到自己的心電圖之后，會(huì)覺得圖紙上標(biāo)注的什么 “導(dǎo)聯(lián)I、II、III”，“PQRST波” 像密碼一樣，很復(fù)雜很神秘的樣子。其實(shí)，所謂的導(dǎo)聯(lián)就是指測(cè)量心電圖時(shí)，采用多個(gè)位置不同的正負(fù)電極組，而 “I，II，III” 等編號(hào)則代表了電極的位置。

目前的標(biāo)準(zhǔn)心電圖包括了12組導(dǎo)聯(lián)，有人或許會(huì)問，為什么我們需要那么多電極組呢，只測(cè)一個(gè)位置的信號(hào)不行嗎？其實(shí)，這跟我們照相的道理一樣。打個(gè)比方說，我們想在網(wǎng)上了解某一款車，一張照片只能反映一個(gè)特定的角度，我們需要看多個(gè)角度的照片才能充分了解這輛車全貌。同樣地，我們的心臟是一個(gè)三維物體，電信號(hào)遍布于整個(gè)心臟表面，一組正負(fù)極電極只能提供一個(gè)特定角度的一維快照。通過多個(gè)角度的測(cè)量，我們才能更全面了解心臟活動(dòng)。

導(dǎo)聯(lián)指的是在不同位置貼電極測(cè)量心電圖，不同位置的正負(fù)極組意味著對(duì)心電不同角度的觀測(cè)。圖源：Wikipedia

導(dǎo)聯(lián)編號(hào)包含的是空間信息，而PQRST則心電圖在時(shí)間上的標(biāo)記。我們的每一次心跳并不是一蹴而就的，而是心房先收縮，心室再收縮，隨后心室電極復(fù)位，這個(gè)過程反映到心電圖上就是幾個(gè)高低不同的波。愛因托芬在1895年首次對(duì)心跳的波形進(jìn)行了標(biāo)注：P波代表了心房的收縮，QRS波群代表了心室的收縮，而T波代表了心室的電極恢復(fù)到初始狀態(tài)，而這個(gè)標(biāo)注也一直沿用到了今天。

一次心臟跳動(dòng)對(duì)應(yīng)的心電圖波形。圖片來源：Wikipedia

可是為什么愛因托芬選擇了PQRST而不是ABCDE？有一個(gè)說法是，愛因托芬一開始標(biāo)注心電圖的時(shí)候先標(biāo)了一個(gè) “O”，代表坐標(biāo)原點(diǎn)，然后 “O”  的下一個(gè)字母 “P” 就被用上了。

愛因托芬首次標(biāo)注的PQRST波。圖源：參考文獻(xiàn)3

給心臟開后門的納粹科學(xué)家

愛因托芬的研究就像是為人類了解心臟打開了一扇窗，而有幾位科學(xué)家卻打起了給心臟開 “后門” 的主意。既然我們可以從皮膚表面測(cè)得心電信號(hào)，那么如果想辦法把探頭從血管伸進(jìn)心臟的內(nèi)部，是不是可以更加準(zhǔn)確地獲取心電信號(hào)呢？這就是德國(guó)生理學(xué)家維納·福斯曼（Werner Forssmann）盤算的 “后門”。

1929年，年僅25歲的福斯曼只是一個(gè)名不見經(jīng)傳的實(shí)習(xí)醫(yī)生，除了本職工作工作之外，福斯曼心心念念的只有一件事：如何在不被領(lǐng)導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的情況下把一根導(dǎo)管順著血管捅進(jìn)心臟。不知道用了什么 “花言巧語”，福斯曼還說服了一名叫作迪岑（Gerda Ditzen）的護(hù)士協(xié)助他完成這項(xiàng)明顯違背醫(yī)院規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。而當(dāng)時(shí)，迪岑答應(yīng)的前提是福斯曼要用她作為試驗(yàn)對(duì)象。

1929年5月的一個(gè)下午，福斯曼和迪岑偷偷摸摸地溜進(jìn)了手術(shù)室，迪岑本來正等著福斯曼劃開她的胳膊，然而福斯曼卻趁她不注意劃開了自己的胳膊，并迅速地把預(yù)先準(zhǔn)備好的65厘米長(zhǎng)的金屬導(dǎo)管捅進(jìn)了自己的血管里。迪岑頓時(shí)慌了，看到因失血而略顯虛弱的福斯曼，又氣又急的她本想阻止繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，但是福斯曼堅(jiān)決不罷休，對(duì)她又踢又叫。最終，迪岑還是妥協(xié)了。在她的幫助下，福斯曼用隔壁的X光機(jī)拍下了這歷史性一刻的證據(jù)：一根導(dǎo)管穩(wěn)穩(wěn)地扎進(jìn)了他的心臟內(nèi)部。

維納·福斯曼（Werner Forssmann，1904-1979）和人類歷史上第一次被捅進(jìn)心臟的導(dǎo)管。圖片來源：Wikipedia

然而，接下來等待福斯曼的卻不是光明的前途。

福斯曼隨后發(fā)表了這張珍貴的X光片，并在文章中闡述了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景，比如從心臟內(nèi)部獲得的信號(hào)更加準(zhǔn)確，可以更好地揭示一些疾病的機(jī)理，但他的觀點(diǎn)沒有被醫(yī)學(xué)界所接受。不僅他接下來重復(fù)的幾次實(shí)驗(yàn)都在學(xué)術(shù)界遇冷，他還一度因?qū)Ч苎芯康臓?zhēng)議被醫(yī)院開除。最后，屢經(jīng)挫折而最終心灰意冷的福斯曼放棄了心臟導(dǎo)管技術(shù)的研究。接下來二戰(zhàn)爆發(fā)，福斯曼加入了納粹，而后被俘于美國(guó)，直到1945年才出獄。

在福斯曼被俘期間，兩位美國(guó)科學(xué)家迪克森·理查斯（Dickinson W. Richards）和安德魯·寇納（André Frédéric Cournand）無意中讀到了福斯曼的文章，他們以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了更加深入的研究，使得這項(xiàng)技術(shù)最終沒有淹沒在歷史的塵埃中。

一個(gè)心臟，兩個(gè)諾獎(jiǎng)

今天，無論是標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)心電圖還是心臟導(dǎo)管手術(shù)，都是臨床診斷和治療中不可或缺的技術(shù)手段。

依托心電圖，愛因托芬相繼分析描述了心房顫動(dòng)、心房撲動(dòng)、室性早搏等疾病。1924年，愛因托芬因?yàn)樾碾妶D的相關(guān)研究獲得了諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。在獲獎(jiǎng)致辭中，謙遜的愛因托芬不僅肯定了是沃勒給了他啟發(fā)，還感謝了使用心電圖進(jìn)行大量診斷研究的英國(guó)生理學(xué)家托馬斯·劉易斯（Thomas Lewis）。后來，當(dāng)?shù)弥秩ナ赖南r(shí)，愛因托芬主動(dòng)將諾獎(jiǎng)獎(jiǎng)金的一半分給了助手的姐妹?？梢哉f，從心電圖之父愛因托芬的身上，我們可以看到一位科學(xué)家無私偉大的品格。

而經(jīng)歷曲折的福斯曼，作為心臟導(dǎo)管技術(shù)第一人，與后續(xù)將心臟導(dǎo)管技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大的理查斯和寇納一同獲得了1956年的諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。時(shí)光無法倒流，福斯曼無法回到過去。他無法說服當(dāng)年反對(duì)他的人而重拾研究生涯，他的納粹經(jīng)歷也是一個(gè)無法回避的污點(diǎn)，但是他對(duì)醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)依然值得我們記住。