修理“机器”人

（文 / 袁越）

( 医疗人员用MRI为患者扫描 )

是人还是机器？

“大家注意，我现在要把肚子上的这层皮揭开，露出内脏，如果你觉得自己有可能受不了，请闭眼。”

大屏幕上，伯纳德·赫特（Bernhard Hirt）医生将一具尸体的肚皮整个掀开，就像掀开一层棉被那样，露出了里面的脏器。“这是肺，这是心，这是肝，这是横膈膜……”赫特医生用戴着橡胶手套的手指拨弄着各种器官，一一向大家介绍它们的名称，然后又拿起一根金属管，向大家展示管子一端的聚光灯和内藏的一个微型摄像机。此时导播将信号切换到微型摄像机镜头，屏幕上出现了一个被放大了无数倍的小肠，表面的沟回清晰可见。赫特医生拿起一把小镊子放到微型摄像机的镜头前，屏幕上出现了两根巨大的柱体。“通过这个摄像机镜头，医生们可以在不完全切开病人肚子的情况下通过操纵微型手术器材完成手术，我相信这种微创手术将越来越普及。”

这是德国图宾根大学（University of Tubingen）的一间大教室，来自全球14个国家的17名科学记者应德意志文化交流中心（DAAD）的邀请来德国考察医疗技术的发展。赫特医生通过这套实时视频传输设备向大家演示了微创手术的大致过程，这套设备平时用来教学，学生们可以不必挤在手术室就可以近距离观察到医生做手术的所有细节。

演示完后，记者们被带到设备展示厅，通过游戏方式体验了一把微创手术。工作人员事先制作了一个密闭容器，模仿人体腹腔，容器内放着一堆彩色积木，一根带3D摄像头的探针插到容器内部，将视觉信号传送到一台监视器上，记者们戴着特制的3D眼镜，一边观察屏幕一边操纵机械手臂，将容器内的积木一块块搭好。

( 医生在演示微创手术设备 )

就这样，五脏六腑在这里被简化成了一块块积木。而人体，这个在古代文明中被无限神圣化的东西，在摄像机注视下变成了一台机器。医生，这个人类最古老的职业，逐渐演变成了工程师。德国，这个全世界公认的盛产优秀工程师的国家，成了医疗技术领域的领跑者。

核磁共振还是正电子断层扫描？

今年初，一段视频在YouTube上流传开来，视频里一位医生手拿iPad，上面显示着病人的腹腔脏器和探针的位置，虽然是二维图像，却有三维效果。另一位医生一边参照着iPad上显示的图像，一边操纵那个插入病人身体里的探针，为病人做手术。看过这个视频的人都惊呆了，纷纷打听哪里可以下载到这个酷毙了的应用程序。

原来，这是德国癌症研究中心（DKFZ）的汉斯－彼得·梅茵泽（Hans-Peter Meinzer）教授和朋友一起鼓捣出来的一个小玩意儿，目的是为了帮助医生在做微创手术时能够实时看到手术器材在病人腹腔中的位置。

这个应用程序说起来简单，用起来挺复杂的。iPad肯定没有透视功能，病人腹腔脏器的位置数据都是事先扫描好存在电脑里的。手术前医生先在病人肚皮上安放几个有颜色的标记物，iPad的摄像头通过识别这几个标记物，定下病人脏器的相对位置。手术器材（比如手术刀）露在体外的手柄上也有标记物，通过对手柄长度的计算，就可以判断出刀尖在肚子里的相对位置。当然了，iPad的计算能力不足以完成如此复杂的运算，所有数据都是通过无线连接的方式传送到一台高级电脑上，电脑计算后再把结果传回iPad，并显示在屏幕上。

这套系统看上去似乎是在开玩笑，但梅茵泽教授可是认真的。他打算进一步完善这套程序，并将其商品化，方便医生们做手术。

说到做手术，大家都不陌生。在很多人心目中，这是技术含量最高的一种治疗方式，但传统手术那种把患病处全部切开的做法正被越来越多的医生所抛弃，微创手术，以及一些不需要开刀的治疗方式越来越受到大家的青睐。但是，所有这些新的手术方式都必须先对患病之处进行透视扫描成像。

最早的成像技术用的是X光，但是传统X光片精度低，成像速度慢，而且只能是二维的，用处有限。后来科学家们又发明了超声波成像仪，可以显示动态图像，但精度还是非常有限。计算机断层扫描仪（CT）的出现标志着医疗成像技术进入了一个新阶段，但CT的缺点很明显，一来需要用到高能射线，对照射次数有严格的限制；二来成像精度还是略显不足，尤其是对软组织细微结构的分辨率很不理想。下一代成像技术很好地弥补了这两个缺点，这就是核磁共振成像（MRI）。简单说，这种技术是将人体置于超强的磁场内，然后用适当的电磁波照射，使其中的氢原子发生共振，分析氢原子释放的电磁波，就可以绘制出人体内部结构的细微图像。由于人体的70%是水，MRI技术基本上测量的就是水分子在人体中的分布状况。

MRI最适合用来对软组织进行拍照，图像精度取决于磁场的强度，目前比较流行的1.5T（磁场强度单位特斯拉）和3T这两种强度都能够照出相当细致的照片，后者的精度已经可以达到毫米级了。另外，目前没有证据表明强大的磁场对人体有害，所以MRI比CT要安全得多。

MRI成像技术可以精确地测量出实体肿瘤的位置，对于重离子放射疗法（Heavy Ion Therapy）来说非常有用。重离子放射疗法是化疗的一种，普通化疗用的是高能量X射线，穿透力太强，对沿途所有细胞都会带来伤害。而重离子射线用的是脱去电子的原子核（比如碳或者氮原子的原子核），原子核中的质子使其成为带正电的重离子。重离子在粒子加速器中被加速，成为质子射线。高能量的质子射线可以轻易地穿透人体组织，不会产生麻烦。但当重离子到达射程末端后，会突然释放剩余的大部分能量，同时对周围组织产生巨大的杀伤力。科学家通过精密的计算，让重离子射线正好在到达肿瘤内部时停止前进，这样就可以特异性地杀死肿瘤细胞而不误伤好的。

如果只看效果，这是目前最好的针对实体肿瘤的抗癌疗法。但这个方法太昂贵了，需要专门建造一台粒子加速器，所以一般人玩不起。目前全世界只有6台重离子治疗仪，日本有3台，中国（兰州）、德国和意大利各有一台，德国的重离子治疗中心建在海德堡大学医学院内，该医院专门建造了一台直径60米的粒子加速器与之配套。记者们专程前往医院参观了这个治疗中心，从各方面看这里都更像是一个高能物理研究所，和医院没啥关系了。

前面介绍的三种成像技术都是基于组织结构的不同，和生理功能没有关系。但是，很多癌症在初期结构和其他健康组织没有差别，用这三种方法很难鉴别出来。于是科学家们发明了正电子断层扫描技术（PET），将放射性氟18标记过的脱氧葡萄糖注射进人体，肿瘤细胞代谢旺盛，吸收得最多，但这种脱氧葡萄糖不参加代谢，便留在了肿瘤细胞里。氟18释放出的电子对被扫描仪吸收，就能发现肿瘤细胞的位置。

PET属于功能性成像技术，只能看见代谢活跃的细胞，其他组织的信息太少，这就为肿瘤定位带来了一定困难，难免出现误读。于是，有人想到可以将PET与MRI结合起来，将两种扫描图像叠加，互相印证，增加肿瘤诊断的准确性。但是，MRI需要用到高强度磁场，比如3T的磁场强度相当于地球磁场强度的6万倍，传统PET设备对磁场很敏感，而且MRI磁场线圈很小，中间很难给PET设备留出足够的位置，只能分开做，但这就要求患者在两种扫描仪之间保持固定姿势，太困难了。

德国工业巨头西门子公司接受了这个挑战。通过对PET的改进，使之能在高磁场环境下运行，西门子终于将两者结合起来，制造出了全世界第一台PET/MR扫描仪。德国癌症研究中心就有一台这样的扫描仪，该中心放射疗法部门的负责人海因茨·史莱姆（Heinz Schlemmer）教授演示了用这种扫描仪扫出来的图像，可以清楚地看到病人体内所有恶性肿瘤的大小和相对位置。

更宝贵的是，这台联合扫描仪可以帮助医生判断肿瘤的状态，以便决定应该采取何种治疗方案。

史莱姆教授认为，癌症诊断领域未来的方向就是利用这种联合扫描仪进行全身扫描，无论是发现早期肿瘤，还是判断恶性肿瘤的扩散程度，这种扫描都能为医生提供详细而又准确的信息。此法最大的障碍就是费用太过昂贵，希望将来能降低成本，让普通人都能做得起。

“过去的医生是先切开，再检查，如今则是先检查，再切开，尽量减少对人体的伤害。”史莱姆教授说，“这就是医疗技术带来的进步。”

假体还是再生？

人这台机器，老化得越来越严重了。

随着生活水平的逐年提高，世界人口老龄化的现象越来越普遍，而且越是发达国家这个趋势就越明显。拿中国来说，1964年时全中国超过50岁的人口仅有2500万，现在已经超过了1.2亿，预计到2050年时这个数字将超过3.5亿！也就是说，将有越来越多的人需要修理老化的“部件”。

一台机器坏了一个部件，最简单的办法就是换一个，过去的医生们就是这么做的，于是就有了假发、假牙和假肢（统称假体）。上世纪30年代有人开始尝试人造髋关节，这是第一种可以植入到人体内部的假体，具有划时代意义。此后经过多年的改进，如今的人造髋关节和“原装货”的差别已经很小了。

2002年，《科学》（Science）杂志以封面报道的形式刊登了一组文章，题目叫做《假体还是再生》（Prosthetics versus Regeneration）。这组文章首次将再生医疗放到了和假体移植同等重要的位置，而此事之所以成为可能，完全是拜干细胞所赐。众所周知，干细胞领域近年来取得了一系列惊人的成就，如今大多数医生都相信，再生医疗将代替假体，成为未来之星，毕竟人造的东西再好也肯定不如天然长出来的更可靠。

但是，再全能的干细胞也需要帮手，周围神经系统（Peripheral Nervous System）损伤的修复为我们提供了一个绝佳的案例。人的神经系统包括中枢神经系统和周围神经系统两大类，后者天生就有一定的再生能力，但是这种再生能力非常有限，过去医生们用的是拆东墙补西墙的办法。比如，一个人手指的神经断了，就从腿部切下一小段神经移植接上。不用说，这么做除了增加手术次数外，还会牺牲腿部的部分功能。

图宾根大学自然科学和医学学院（Natural and Medical Sciences Institute，简称NMI）神经发育学教授布克哈德·施洛斯豪尔（Burkhard Schlosshauer）为我们介绍了一种全新的方法，他和该校材料系合作，研制成一种直径为1毫米的微型管子，能将断裂的神经接上，并加快神经细胞的生长速度。

“这根管子就相当于脚手架，可以引导神经细胞按照我们设计好的方向生长。”施洛斯豪尔介绍说，“我们还在每根管子里安装了800多根极细的人造纤维丝，并在纤维丝上预先‘种’上施旺细胞，加快神经细胞的生长速度。”

原来，每根神经的周围都被一层髓鞘包裹着，髓鞘中的施旺细胞（Schwann Cell）能够分泌生长因子，对于神经细胞的生长起到了促进作用。微型管子模仿髓鞘的功能，为神经细胞营造了一个适宜的微环境，预先安置在内的施旺细胞沿着管子内的人造纤维丝迅速生长，为神经细胞建立一个通路。研究显示，这根管子使得神经细胞的生长速度加快了14倍，有望在不远的将来代替神经移植，成为修复周围神经系统断裂的新方法。

“这个方法从概念上说很简单，但实际操作起来非常复杂。”施洛斯豪尔补充道，“制作管子所用的材料十分特殊，不但要让施旺细胞和神经细胞得以健康生长，还必须能让毛细血管顺利通过，为其中的细胞提供养分。更重要的是，它还必须在一定时间后自动降解，这样的材料是很难找的。”

如此复杂的问题，只能依靠多学科协作。施洛斯豪尔教授和一家专门制造凝胶材料的化学公司合作，共同开发出了一种胶原类似物，满足了诸多苛刻的条件。

类似的案例还有很多。事实上，不但很多人造假体需要用到新材料，大部分组织再生疗法也都需要事先构建一个“脚手架”，帮助干细胞按照特定的方式生长，于是材料科学就派上了用场。距离图宾根只有半小时车程的纺织技术和工艺研究所（Institute of Textile Technology and Process Engineering，简称ITV）就是这方面的佼佼者，该所副所长迈克尔·多塞（Michael Doser）教授向记者们展示了他们研制的人造血管和人造食道，摸上去像纸一样柔软，却又极富弹性，非常神奇。

这家研究所原本就是一个普通的纺织品研究机构，后来认准了医疗设备这个高端市场，专门成立了医疗部，开始研发相关产品。除了人造血管和食道外，他们还在研究人造软骨，以及适用于软骨干细胞再生的可降解填充物，这将大大缓解中老年人因磨损而导致的膝关节疼痛。

最让大家称奇的是该所研制成功的一种人造皮肤，不但弹性和延展性都和真的皮肤相似，而且还具备了皮肤的多项生理功能。比如，它既不妨碍呼吸和汗液蒸发，又能像皮肤那样降低周围环境pH值，防止病菌入侵，加快皮肤干细胞的生长速度。更可贵的是，它是一次性产品，无需更换，而且不会和新生皮肤发生粘连，一旦新皮长好了，它便自行脱落，没有任何痛感。这种人造皮肤非常适合浅二度和深二度烧伤患者使用，部分三度烧伤也可采用。售价也不贵，小块的每平方厘米只卖1欧元，大块的更便宜。

“我见到过一位80%二度烧伤的病人，使用这种人造皮肤后很快恢复了健康。”多塞教授为大家展示了烧伤病人治疗前后的对比图，几乎看不出任何疤痕。

“为什么我们国家的医院没有卖的呢？”一位来自巴西的记者问。

“这种人造皮肤只需使用一次病人就可以回家养伤了，医生们是按治疗次数收钱的，自然不愿意使用，所以很多国家没有引进。”多塞回答。

据介绍，像这样的医疗产品从研制成功到被市场接受通常需要7至10年的时间，没有足够的经费撑不下来。另外，这类高科技产品往往需要多学科通力协作。为了适应医疗技术的这两个特点，德国政府不但加大了相关研究的资助力度和时间，而且还对研究机构进行了整合，NMI就是这样一家机构。这家研究所成立于1985年，它以图宾根大学为核心，与附近多家医院和相关公司建立合作关系，联合攻关。研究所还鼓励科研人员“下海”，以自己的研究成果为基础创立新公司，借助资本力量完成最后的冲刺。

视网膜移植公司（Retina Implant AG）就是一家这样的小公司。这家公司成立于2003年，花了近10年时间研制成功一种人造视网膜，并于今年初为二十几名患有视网膜色素变性（Retinitis Pigmentosa）的盲人进行了移植，使他们恢复了部分视力。公司CEO沃特·罗贝尔（Walter Wrobel）博士向大家详细介绍了这项神奇技术的研究始末。

原来，视网膜色素变性患者的感光细胞坏掉了，但他们的眼球，以及视觉信号的传递路径都是完好的。于是，研究人员设计了一种类似于数码相机CCD的感光芯片，将光信号转变成电信号，并和患者的视觉信号传输神经建立了一一对应的联系。这块芯片只有3毫米×3毫米大，上面有1500个像素，虽然精度不高，但足以辨别大件物体的轮廓和明暗了。可惜的是，试验发现芯片本身产生的电信号太弱了，需要被放大才能被神经细胞接收。于是研究人员又设计了一块硬币大小的电池，安置到盲人脑后的皮肤内，通过一根电线和眼球中的芯片相连，为之供电。

罗贝尔博士为大家播放了一段录像，接受了手术的盲人们在做各种视觉测试，当他们分辨出了桌子上的香蕉后，那种溢于言表的喜悦之情真的让人非常感动。

技术也许是天底下最没有人情味的东西，但当一项技术用对了地方时，所产生的效果却充满了人性之美。

结语

让我们再回到那节解剖课，赫特医生虽然像拨弄玩具那样摆弄着尸体的脏腑，但尸体的头部自始至终被一席床单盖住了。这位病人为医学研究贡献了自己的身体，医生们则维护了她作为一个人的尊严。 机器修理