用各種奇怪方式“追尋”心電信號的科學家們：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

責編 | 惠家明

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在現(xiàn)代社會，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量心電信號可是用盡了各種 “奇葩” 設備。從青蛙腿到玩具小火車，再到用金屬絲捅進心臟，科學家們的想象力總是一次又一次地突破人類認知邊界。

一蛙兩吃：又當電源又當電流計的青蛙腿

人類發(fā)明心電儀的前提是要先認識到 “心臟帶電”?？晒馐钦撟C生物體帶電這回事，就耗費了科學家們半個多世紀的口舌之爭。

1786年，意大利科學家路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）發(fā)現(xiàn)，真空環(huán)境中的青蛙腿在被導體小棍觸碰時會抽動。由此，伽伐尼提出了 “生物電” 的概念。簡單地說，就是生物體內存在著電。

“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家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）的質疑。伏打認為，造成青蛙腿抽動的電流來自于觸碰青蛙腿的導體小棍。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)明的電池具有跨時代的意義，但是他對于生物電的批駁卻是錯的。除了伽伐尼自己，后續(xù)還有不少科學家用實驗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家。在一次實驗中，馬泰烏奇想用電流計測量青蛙腿產(chǎn)生的生物電強度，值得一提的是，此時是1843年，距離伽伐尼去世差不多50年，電流計（galvanometer）正是以伽伐尼命名的。但是，使用電流計難免需要接入金屬導體。這樣的話，金屬和蛙腿之間也會因電壓差而產(chǎn)生電流，那么電流計的讀數(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)多個金屬單元，那我也可以堆一個 “青蛙堆”。于是，馬泰烏奇把多個青蛙腿串聯(lián)在了一起，并且證明了電流計讀數(shù)會隨著蛙腿數(shù)量而增加。由于整套裝置的金屬導線是不變的，電流計讀數(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，馬泰烏奇的下一個神來之筆來了，他把一條青蛙腿封在試管里面制成了簡單的電流計，然后把這個電流計直接捅到了青蛙自己的心臟上。結果表明，青蛙心臟每一次跳動會造成試管里的青蛙腿抽動。換句話說，青蛙用自己腿證明了自己的心臟存在電流。這個頗有 “煮豆燃豆萁” 意味的實驗開啟了科學家們對心電信號的追尋。

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

狗+小火車+毛細靜電計=史上第一張實時心電圖

顯然，用青蛙腿測量生物電不是個長遠之計。人們迫切需要更加精準的設備來觀測心電信號。

1872年，法國物理學家李普曼（Gabriel Lippmann）發(fā)明了毛細靜電計，這種電流計的核心是一個高度會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，英國生理學家奧古斯都·沃勒（Augustus Desiré Waller）采用了這種毛細靜電計，首次繪出了人的心電圖。

或許你會覺得沃勒只是拿過來一個現(xiàn)成的發(fā)明，這個過程好似沒什么技術含量，而事實并非如此。在沃勒之前，已經(jīng)有不少科學家嘗試用這種電流計測量心電，然而他們只是在離體的動物心臟上進行了測量。而沃勒是第一個意識到心臟上的電流可以從身體內部傳導至身體表面，并在身體表面被測量的人。但是，水銀柱只能反映一個瞬間的電流強度，無法實時記錄不斷變化的心電信號。

為了解決這個問題，別出心裁的沃勒把成像板裝在一輛玩具小火車上。我們可以設想一下，一個人拿著一只粉筆只做上下移動，而另一個人水平抽動黑板，最后呈現(xiàn)在黑板上的就是一條連續(xù)的曲線。同理，每一個瞬時的水銀柱高度被投影到成像版上，而成像版則被小火車拉著以固定速度移動，就這樣，史上的第一個實時測量的連續(xù)心電圖誕生了。

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

可惜的是，在完成這項歷史性的實驗之后，沃勒并明沒有深入思考這種心電圖在臨床上會有什么用途，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，隨后由主人接上設備，現(xiàn)場演示心電圖測量。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，他就是荷蘭生理學家威廉·愛因托芬（Willem Einthoven）。

奧古斯都·沃勒（Augustus Desiré Waller，1856-1922）和忠實的實驗對象吉米（Jimmy）。圖片來源：Wikipedia

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

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？

除了硬件設備，愛因托芬還發(fā)明了一套心電圖符號術語。

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

目前的標準心電圖包括了12組導聯(lián)，有人或許會問，為什么我們需要那么多電極組呢，只測一個位置的信號不行嗎？其實，這跟我們照相的道理一樣。打個比方說，我們想在網(wǎng)上了解某一款車，一張照片只能反映一個特定的角度，我們需要看多個角度的照片才能充分了解這輛車全貌。同樣地，我們的心臟是一個三維物體，電信號遍布于整個心臟表面，一組正負極電極只能提供一個特定角度的一維快照。通過多個角度的測量，我們才能更全面了解心臟活動。

導聯(lián)指的是在不同位置貼電極測量心電圖，不同位置的正負極組意味著對心電不同角度的觀測。圖源：Wikipedia

導聯(lián)編號包含的是空間信息，而PQRST則心電圖在時間上的標記。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，隨后心室電極復位，這個過程反映到心電圖上就是幾個高低不同的波。愛因托芬在1895年首次對心跳的波形進行了標注：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到初始狀態(tài)，而這個標注也一直沿用到了今天。

一次心臟跳動對應的心電圖波形。圖片來源：Wikipedia

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

愛因托芬首次標注的PQRST波。圖源：參考文獻3

給心臟開后門的納粹科學家

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得心電信號，那么如果想辦法把探頭從血管伸進心臟的內部，是不是可以更加準確地獲取心電信號呢？這就是德國生理學家維納·福斯曼（Werner Forssmann）盤算的 “后門”。

1929年，年僅25歲的福斯曼只是一個名不見經(jīng)傳的實習醫(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：如何在不被領導發(fā)現(xiàn)的情況下把一根導管順著血管捅進心臟。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）的護士協(xié)助他完成這項明顯違背醫(yī)院規(guī)定的實驗。而當時，迪岑答應的前提是福斯曼要用她作為試驗對象。

1929年5月的一個下午，福斯曼和迪岑偷偷摸摸地溜進了手術室，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，并迅速地把預先準備好的65厘米長的金屬導管捅進了自己的血管里。迪岑頓時慌了，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)實驗，但是福斯曼堅決不罷休，對她又踢又叫。最終，迪岑還是妥協(xié)了。在她的幫助下，福斯曼用隔壁的X光機拍下了這歷史性一刻的證據(jù)：一根導管穩(wěn)穩(wěn)地扎進了他的心臟內部。

維納·福斯曼（Werner Forssmann，1904-1979）和人類歷史上第一次被捅進心臟的導管。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技術的應用前景，比如從心臟內部獲得的信號更加準確，可以更好地揭示一些疾病的機理，但他的觀點沒有被醫(yī)學界所接受。不僅他接下來重復的幾次實驗都在學術界遇冷，他還一度因導管研究的爭議被醫(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管技術的研究。接下來二戰(zhàn)爆發(fā)，福斯曼加入了納粹，而后被俘于美國，直到1945年才出獄。

在福斯曼被俘期間，兩位美國科學家迪克森·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，他們以此為基礎進行了更加深入的研究，使得這項技術最終沒有淹沒在歷史的塵埃中。

一個心臟，兩個諾獎

今天，無論是標準的12導聯(lián)心電圖還是心臟導管手術，都是臨床診斷和治療中不可或缺的技術手段。

依托心電圖，愛因托芬相繼分析描述了心房顫動、心房撲動、室性早搏等疾病。1924年，愛因托芬因為心電圖的相關研究獲得了諾貝爾生理學獎。在獲獎致辭中，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行大量診斷研究的英國生理學家托馬斯·劉易斯（Thomas Lewis）。后來，當?shù)弥秩ナ赖南r，愛因托芬主動將諾獎獎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家無私偉大的品格。

而經(jīng)歷曲折的福斯曼，作為心臟導管技術第一人，與后續(xù)將心臟導管技術發(fā)揚光大的理查斯和寇納一同獲得了1956年的諾貝爾生理學獎。時光無法倒流，福斯曼無法回到過去。他無法說服當年反對他的人而重拾研究生涯，他的納粹經(jīng)歷也是一個無法回避的污點，但是他對醫(yī)學的貢獻依然值得我們記住。