你的心脏听话吗?

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你的心脏听话吗?
图片来源。unsplash

浑然天成的非线性系统
医生聆听心跳,会听到流体和流体如潮汐升降呼唤,流体拍击固体,固体牵动固体。血液四方穿梭心房、心室,蠕动的肌肉从后压挤,撑开四壁。纤维瓣膜怦然有声开启,阻挡血液回流,而肌肉胀缩本身,则受複杂的三维电流波控制。模拟心脏运动的任何部分,皆会让一部超级电脑不胜负荷,若要模拟整套循环网路,更是根本束手无策。至于流力学家为波音公司设计机翼,或为美国航太总署设计引擎时,视为家常便饭的那种电脑模拟,对于医技工作者,尚属前所未闻。

尝试与发现错误,才是医技传统的手法。例如:设计人工心脏瓣膜,使用金属和塑胶来取代被损坏的器官,藉以延长生命。先从工程观点审视,由三块像小降落伞的杯状透明柔韧薄膜,组成的天然瓣膜,势必要放在工程事典中大书特书。当血液需要流入心脏的帮浦室,瓣膜必须巧妙的收起来,清出通道。而当心脏将血液推涌出来,为了防止血液回流,瓣膜又必须在压力下猛然关紧,如此反覆进行二、三十亿次,但不至于撕裂成隙漏。这是人类工程师望尘莫及之处。人工瓣膜则大致像铅管匠的作品:标準设计彷彿像抽水马桶,还经过耗资无数的动物试验,光是为了隙漏和应力失效这些显而易见的困难,就已经历经艰辛了。再面对其他棘手问题,早已力不从心。

人工瓣膜改变了心脏之血流方式,造成紊流区和滞流地带,而血液滞流时会结成凝块,凝块一旦破裂,流入脑部,立刻引致中风。这些凝块就是人工心脏的致命障碍。直到1980年代中期,纽约大学库朗学院(Courant Institute)的数学家,採用新式电脑模拟技术,此时人工心脏瓣膜的设计才开始赶上时代。他们製作出电脑模拟的活生生心脏电影,虽然是平面的,但栩栩如生。数百颗光点代表血液颗粒,流经瓣膜,扩张心脏的弹性肌壁,造成涡流。数学家发现,心脏更加深标準流体问题的複杂性,因为任何逼真的模拟,需要将肌壁本身的弹性因素考虑进去。血液不像空气流过机翼的坚硬表面,血液会以动力及非线性方式,让心脏接触面变形。

心律不整的问题尤其奥妙又危险。美国每年有数十万人因心室性震颤而猝死。其中大部分病例,可以归咎于确切而众所周知的成因:动脉栓塞导致收缩肌肉坏死。服用古柯硷、神经紧张、失温,也统统都会招致心肌震颤的病变。但仍然有许多心肌震颤的成因神祕难解。医生宁愿发现一位熬过心肌震颤侵袭的存活病人,心脏有所损伤,因为病因可水落石出。一位心脏外表健康的病人,其实更可能会再次发作。

心肌震颤的心脏就像一袋子蠕虫。这种心脏不能像正常心脏反覆又规律收缩、舒张、收缩、舒张,它的肌肉组织挠曲,协调失措,送血乏力。正常跳动的心脏,电讯串成和谐的电波,通过心脏的三维组织。当讯号流过,每颗细胞开始收缩,经过一段绝对不反应期,然后舒张,在这小段期间,细胞不能被刺激,太早重新运作。心肌震颤的心脏中,电波则断断续续,心肌无法整体收缩或整体舒张。

心肌震颤往往显示让人困惑的特色,也就是心脏中许多单独的部分皆能正常运作。通常,心律调整的节点,依然会送出规律的电子脉冲,个别的肌肉细胞也能正常反应。每颗细胞受到刺激,收缩,然后将讯号传递下去,于是乎舒张,等待下次讯号来临。解剖检验时,往往找不出肌肉细胞受到任何损伤。基于此点,混沌理论专家相信必须採取全新的整体观点,找出各组件健健康康,但合起来就凶险致命的原因。心肌震颤属于複杂系统的失常现象,就像心智失常(不管是否有化学成因),同样代表複杂系统的失常现象。

心脏无法自行消除震颤,这种混沌现象的标誌即为稳定。只有使用除颤器奋力发出电击,也就是任何一位动力学家立刻会辨认出的一种巨量干扰,才能使心脏恢复到正常状态。除颤器相当有效。但其设计一如人工心脏瓣膜,需借助大量猜测。一位理论生物学家温弗瑞(Arthur T. Winfree)说:「决定这一击的强弱和波形,一向靠经验。毫无理论可循。现在看来,有些假设靠不太住。除颤器似乎可改头换面,还有提高效能的极大余地,同时可大幅提高成功率。」其他心律异常的病症尝试过各种药物治疗,一点一滴的累积尝试与错误的经验,就像温弗瑞形容的:「旁门左道。」

对于心脏动力学,若缺乏健全的理论知识,往往对某种药物的效果不明所以。「过去二十年来,对薄膜生理学已了如指掌,心脏中每一小块零件,所有複杂的机能,我们都已经摸得一清二楚了。大部分精髓已经掌握住了,惟有一面还未经过校验,那就是全局综观整体运作。」

摘自《混沌》

数位编辑整理:林柏安,邱千瑜


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