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世界科技全景百卷书: “神探”超声波
我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为16～20，000赫兹。因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。 虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢？原因就是蝙蝠能发出2～10万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。 我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。 医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。 目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。 A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。 B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。 M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。 D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。 生物电及其利用 电及电的利用人们早就熟知而习以为常了。在冬天手冷了，只要双手互相使劲地搓就会产生电和热；若用一块毛皮擦一根金属棒，则在金属棒上会产生更多的电荷，此时用它碰碰小纸屑，小纸屑便可被吸引附着在金属棒上。至于现代化的家庭几乎样样都离不开电。电灯、电扇、电冰箱、电话、电视机等等。可是你可知道，我们人体也有电的产生与电的不断变化呢！ 前面我们已经谈到过，我们人体是由许多许多细胞构成的。细胞是我们机体的最基本的单位，因为只有机体各个细胞均执行它们的功能，才使得人体的生命现象延续不断。同样地，我们若从电学角度考虑，细胞也是一个生物电的基本单位，它们还是一台台的“微型发电机”呢。原来，一个活细胞，不论是兴奋状态，还是安静状态，它们都不断地发生电荷的变化，科学家们将这种现象称为“生物电现象”。细胞处于未受刺激时所具有的电势称为“静息电位”；细胞受到刺激时所产生的电势称为“动作电位”。而电位的形成则是由于细胞膜外侧带正电，而细胞膜内侧带负电的原因。细胞膜内外带电荷的状态医生们称为“极化状态”。 由于生命活动，人体中所有的细胞都会受到内外环境的刺激，它们也就会对刺激作出反应，这在神经细胞 （又叫神经元）、肌肉细胞更为明显。细胞的这种反应，科学家们称“兴奋性”。一旦细胞受到刺激发生兴奋时，细胞膜在原来静息电位的基础上便发生一次迅速而短暂的电位波动，这种电位波动可以向它周围扩散开来，这样便形成了“动作电位”。 既然细胞中存在着上述电位的变化，医生们便可用极精密的仪器将它测量出来。此外，还由于在病理的情况下所产生的电变化与正常时不同，因此医生们可从中看出由细胞构成的器官是否存在着某种疾病。 有一种叫“心电描记器”的仪器，它便是用来检查人的心脏有否疾病的一种仪器。这种仪器可以从人体的特定部位记录下心肌电位改变所产生的波形图象，这就是人们常说的心电图。医生们只要对心电图进行分析便可以判断受检人的心跳是否规则、有否心脏肥大、有否心肌梗塞等疾病。 同样地，人类的大脑也如心脏一样能产生电流，因此医生们只要在病人头皮上安放电极描记器，并通过脑生物电活动的改变所记录下来的脑电图，便知道病人脑内是否有病。当然，由于比起心电来，脑电比较微弱，因此科学家要将脑电放大100万倍才可反映出脑组织的变化，如脑内是否长肿瘤、受检查者有否可能发生癫痫（俗称羊癫疯）等。科学家们相信，随着电生理科学以及电子学的发展，脑电图记录将更加精细，甚至有一天这类仪器还可正确地测知人们的思维活动。 “人造隧道”——内窥镜 上面我们讲到的仪器，都是从人体外部进行探测的，那么，我们能否发明一种仪器，它可以像“人造隧道”那样伸进人体内部来直接地检查疾病呢？这种想法真是不错。事实上，科学家们已发明了不少这样的仪器，这就是“内窥镜”。 早在本世纪50年代后期，一种叫纤维内窥镜的仪器便已问世并应用于临床。它主要由光导纤维束与一个探头组成。所谓光导纤维就是极细极细的玻璃纤维，一般只有几微米，比人的头发还要细几倍，它能迅速地传递光信号。主探头也是一个很小的探察装置，一般只有11～13毫米，但探头内有超微型的摄象装置。有了内窥镜医生们便可观察甚至拍摄人体器官内部的情况了，之后随着电子学的发展，于80年代又出现了现代高科技产品——电子内窥镜，这样便不再以纤维传象，而代之以光敏集成电路摄象系统，这样所能显示的不但影象质量好，光亮度强，而且图象大，可检查出更细小的病变。 内窥镜既然可以直接观察人体内部器官的病变，因此可以大大提高疾病早期的检出率，这对于癌症尤为重要，因为癌症早期治疗效果远较晚期为好。此外，内镜对于一些消化性疾病，如胃、十二指肠炎，或是溃疡也能作出准确诊断。近年来，医生们又将内镜技术与超声技术结合起来，可用于消化道肿瘤浸润深度的判断、良性与恶性肿瘤的鉴别，以及对其他一些病变的诊断，都显示出巨大的威力。 此外，内镜还可用于治疗。 内窥镜下局部止血可避免手术下止血的复杂过程，减少病人的痛苦，同时见效快。内窥镜激光治疗可应用于消化道疾病如出血肿瘤等。 内镜激光也适用其他疾病的治疗，如肠息肉的治疗。所谓肠息肉是指突出于肠腔的增生组织团块，多为椭圆形，并有一蒂与肠粘膜相连，少数肠息肉可发展为癌肿，应用内窥镜可以将肠息肉切除。此外，对于晚期内脏肿瘤患者，可应用治疗解除梗阻、缓解症状、延长寿命。近年来，医生们还发展了多种新技术，其中有内窥镜的高频电凝治疗、内窥镜的微波治疗、内窥镜的气囊、水囊扩张治疗等。这些技术一方面可收到更好的治疗效果，一方面又将治疗的范围更加扩大。 在日常生活中，人们不小心吞下异物，可用内窥镜观察，在其引导下，将异物取出，避免了手术的痛苦，迅速而又方便。 放射性同位素及核医学 前面我们讲的内窥镜虽然已是十分精细的仪器，但要送入人体内部，如气管、食管、腹内、胃内、膀胱肉等也还毕竟十分麻烦，而且多多少少使病人感到难受，甚至痛苦。那么有没有办法让“示踪”的物质进入体内，又可在体外看到它们与人体内部组织细胞相互作用的情况，从而知道器官有否疾病呢？有的，这就是放射性同位素与核医学。 首先，让我们讲一下什么是放射性同位素。世界上所有的物质都是由分子组成的，分子又由原子构成。原子则由原子核及其外围的电子构成。原子核带正电，电子带负电。但原子核又由质子和中子组成，中子不带电，而质子则带有正电荷。自然界中有些元素，如镭、铀等，可自动地将原子核中的物质放射出来以保持原于核的稳定性，元素的这种性质便叫放射性。如果同一元素其原子核中的质子数相同，中子数不同，那么这些元素便称为同位素，如氢有氕、氘、氚三种同位素。那么，所谓放射性同位素指的是具有放射性的同位素。现已知道的放射性同位素有一千多种，有的是天然的，有的则是人工制造出来的。 放射性物质对医生们诊断与治疗疾病有很大的帮助，并在此基础上建立起一门新兴的医学学科，这就是核医学。简单地说核医学就是将极其微量的、高度特异的放射性试剂引入人体内，然后用核探测方法从人体外追踪这些试剂参加代谢的情况，以了解体内生物化学的过程。 在我们人体内脊柱两侧各有一个肾脏 （即平时所说的腰子），在肾脏的上面有一个扁平的腺体，这就是肾上腺。肾上腺能合成与分泌一种十分重要的生命物质叫肾上腺皮质激素，但要生成肾上腺皮质激素则需要胆固醇作原料。因此医生们可以用I—131同位素标记的胆固醇注入到人体内，I—131便会浓聚于肾上腺，然后医生们便可用仪器跟踪与显示它们，并将整个肾上腺图象摄影记录下来，这样也就可以知道肾上腺合成肾上腺皮质激素的能力。例如当肾上腺发生肿瘤时，这种合成能力增强便可以从图象里显示出来。同样地，我们的心脏主要以脂肪酸作为能源，正常的心肌会摄取注入人体的以C—11标记的脂肪酸。这样，医生们便可用一种称为正电子发射断层仪来了解心肌的断层图象。一个患有心肌梗塞的病人，由于其氧化脂肪酸的能力下降，此时图象会显示出异常与图像缺损。 放射性同位素在疾病治疗上也显示出巨大威力，它们所放射出来的有三种射线，即α、β和γ。它们都属于电磁波。用于治疗上，以γ、和β为主。医生们常用的同位素放射源有镭源、钴源等。 镭是一种天然放射性同位素，是1898年由世界著名科学家居里夫妇发现的。镭不断地衰变而成为放射性气体氡，氡再继续衰变便可发出α、β、γ三种射线。镭最初用于治疗皮肤癌，现在经过精心制备可将它放入器官腔内，治疗诸如子宫体癌、子宫颈癌、食管癌、直肠癌等十分恶性的肿瘤。此外，还有一种镭针可以直接插入癌瘤内进行治疗，这样可以最大限度地杀死癌细胞，而使正常组织受到较少伤害。 当前，计算机的飞速发展更加促进了核医学的进展。例如十几年前要花几十分钟的核医学图象处理，现在只需两、三分钟，此外分辨率也不断提高，使图象更加清晰。随着特异试剂如单克隆抗体等的问世以及显象剂的改进，核医学必将在下个世纪为人类的防病治病再创辉煌。 医生的“生物武器” 一提到“生物武器”，人们或许会想到“细菌战”。是的，用病菌或细菌产生的毒素伤害人、畜的战争叫“细菌战”，所用的病菌及其携带者、细菌毒素等则称为“生物武器”或“细菌武器”。但在这里我们讲的医生的生物武器是指用当代分子生物学、细胞学、免疫学等理论与技术所建立的用于疾病诊断以及治疗的最新手段，这些手段代表了医学发展新水平以及今后发展的新方向之一。生物导弹 导弹指的是可以依靠控制系统制导的，能十分准确地击中预定目标的高速飞行武器。导弹的种类很多，如地对空、空对空导弹等，这些都是用于真正的战争的。我们这里讲的是用于找出疾病或是治疗疾病，尤其是癌症的医学诊治药物或方法，这便是“生物导弹”，或称为“单克隆抗体”。 那么什么是“单克隆抗体”呢？为什么又称它为“生物导弹”？原来我们人体中存在有一种十分有用的“健康卫士”，它称为B淋巴细胞。当外来细菌、病毒、或是异性物质侵入我们人体时，它们便立即产生一种对抗这些细菌、病毒或异性物质的“抗体”。抗体可把它们溶解或杀灭。正是由于抗体有这种功能，科学家们便想出了一种“细胞杂交”的方法，使这种抗体可以源源不断地产生。什么是“细胞杂交”、它又为什么可不断产生抗体呢？顾名思义，“细胞杂交”就是用两种不同的细胞将它们融合成一种细胞。为了制造特异性的抗体，科学家们将B淋巴细胞与一种瘤细胞融合在一起，于是所产生的“杂交细胞”一方面具有瘤细胞不断生长繁殖的性质（科学家们称之为“永生不死性”），一方面又有B细胞产生专一抗体的性质。科学家们再将这种杂交细胞所产生的抗体提纯出来，这便是单克隆抗体了。 由于单克隆抗体是B细胞针对某一细菌、或某一特殊癌细胞而产生的，因此它就会像“导弹”一样只跟踪激发B细胞产生抗体的目标 （或为细菌、癌细胞等），而不会伤及“无辜”的其他细胞。另外，为了使我们能看到单克隆抗体与目标（如癌细胞）的结合，以便医生作出准确诊断，科学家们让单克隆抗体与可以显示的物质结合在一起，如荧光素、放射性核素等，这样医生们便知道疾病（如癌症）的部位、大小等。若是将单克隆抗体与抗癌药物、毒素等结合在一起，然后将这种结合用于人体，那么单克隆抗体就会追踪目标，并且将抗癌药物或毒物带到癌症部位，将癌细胞杀死。 目前单克隆抗体在医疗中正起着巨大的作用，然而也还存在着一些问题。例如由于提纯很困难，有时难免带有杂质，这样诊断与治疗效果便不会太好，此外，癌细胞等坏家伙还会发生“变异”，就像孙悟空七十二变那样，让你不认识它，这样单克隆抗体也就会找不到目标了。最后，外来人侵者如细菌、病毒及癌细胞还会产生“抗抗体”来中和单克隆抗体，就如“反导弹”一样来对付“导弹”。如何克服这些难题，还需要经过人们长期不懈的努力。基因探针诊断技术与基因治疗 汉弗莱是美国1963～1969年的副总统。1967年他发现尿血（小便中有血液），医生用膀胱镜检查，诊断为“慢性增生性膀胱炎”，就是说不是癌症。不幸地是10年后他再检查时已确诊为“浸润性膀胱癌”了，就是说癌症已到了晚期，最终不治而谢世。 时隔十几年后的今天，美国新一代的医生将汉弗莱当年尿细胞标本，以及活组织标本和手术后的肿瘤标本再用一种最新的技术检查，发现这些标本 53中都存在一种称之为P基因的突变，从而证实汉弗莱早在第一次尿血时已罹患膀胱癌了。那么为什么当年诊断不出汉弗莱生膀胱癌呢？原因就是那时还没有一种先进的称之为“聚合酶链反应”（简称为PCR）技术。 在我们人体细胞中至少存在有两种与癌症发生、发展密切相关的脱氧核糖核酸 （即DNA）片段，即癌症相关基因。其中之一是导致肿瘤形成的“癌基因”，另一种是抑制肿瘤发生与发展的“肿瘤抑制基因”，平时人们称为 “抑癌基因”或“抗癌基因”。如果细胞中癌基因过分活跃了，或是抑癌基因“丢失”了或某种原因而失去功能了，细胞便会恶变成癌。迄今科学家们 53已发现一百多个癌基因与十几个抑癌基因，其中一个称为P的抗癌基因引起医生们的特别重视，原因是它的失活或突变与50％的人类肿瘤发生有关，其中包括肺癌、乳腺癌、膀胱癌、结肠癌等。PCR法主要原理是将癌细胞中DNA提取出来，再让它扩增，再通过与已知的探针杂交进行分析便知道被检查的细胞DNA有否异常了。因此，PCR法可以在细胞发生明显的形态改变之前便知道它是否恶变。 除了基因诊断外，基因治疗目前也正成为医生们治疗疾病的一种最新武器。 数年前美国有位小姑娘生了一种被称为“先天性腺苷脱氨酶缺陷病”，这种病人抵抗力是极为低下的，外来的致病因子如病菌、病毒等极易侵袭病人的机体而致使病人死亡。于是这位小姑娘接受了基因治疗。其方法是将病人体内的白细胞抽吸出来，在科学家的实验室里培养，然后将正常的腺苷脱氨酶基因导入白细胞，最后再将这种带有正常腺苷脱氨酶基因的细胞输回小姑娘体内。经治疗后不久，这位小姑娘不但完全正常，而且可以滑冰、舞蹈了。 基因治疗有两条途径，其一是生殖细胞的基因治疗。这是将正常基因导入遗传病患者的生殖细胞内。目前最常用的方法是微注射法。即在显微镜下，用一支很细很细的玻璃针将正常的遗传基因注入到受精卵内。目前这种方法在动物实验中已取得极大成功，甚至可产生有新特性的品系动物。但这种途径在人类还不成熟，因为还要考虑到许多复杂的伦理问题。 另一种方法就是体细胞的基因疗法。它是将正常基因导入患有遗传性疾病患者的体细胞内 （如上述那样腺苷脱氨酶患者的白细胞），治疗患者的遗传缺陷。 尽管基因治疗目前还存在许多问题，但它代表了“根治”疾病的一种方向。今后需要人们努力去解决的问题是：导入的基因要正确地插入受体细胞基因组的某一位置上，不然地话要么不起作用，要么会使插入部位相邻的基因受到影响，反而产生不良作用。此外，外来基因虽然插入进去了，但它是否会有功能，即科学家讲的它是否能“表达”，就是说它是否能“指导”细胞产生我们所期望的蛋白质，从而起到治疗疾病的目的？还有，即使外来基因插入到受体细胞中了，它会不会又“掉出来”？这是科学家们又一担心的问题，就是它“是否能稳定地整合”。上述这些问题都是需要我们在21世纪共同努力去解决的难题。未来医学的三大战役 人类疾病的种类很多，至少不下数千种，而且当人们消灭了一种疾病之后，往往又会出现新的疾病。因此，人类与疾病的斗争是永远不会完结的。但就从目前医疗水平及认识程度看，人类在本世纪末及下个世纪初至少还有三个硬仗要打，因为至少有几种疾病仍是威胁人类生命的主要杀手，这便是癌症、老年病，以及最近十几年来出现并流行起来的获得性免疫缺陷综合症——艾滋病。 |
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