庄有猫，日本北海道大学硕士/ 丁香医生签约作者 阅读原文 牛年第一篇，先祝各位新春快乐，百福骈臻。 今天咱们说一个绝对是黑科技的玩意儿——核动力心脏起搏器。 一 先说一下心脏起搏器。 很多人可能觉得这玩意很复杂，听到心脏起搏器感觉跟要换心脏了似的。 实际上跟你想象的不太一样。 大家都知道心脏是咱们身体里很重要的一个器官。心脏的解剖结构和生理功能说复杂复杂，但说简单也简单，说白了心脏就是个水泵，将从肺脏来的富含氧气的血液（动脉血）泵到身上各个器官，同时也将各器官用过的充满二氧化碳的血液（静脉血）再泵到肺脏。 而这个过程，要求心脏规律的搏动。大多数成年人的心率是每分钟 60~100 次，正常心律是窦性心律（注意「心率」和「心律」是两码事）。窦性心律就是由右心房一个叫「窦房结」的地方发出的心律，那么如果出现心律失常，就可能会影响心脏泵水这个过程。 心律失常有很多不同的类型，可以通过心电图检测出来，心电图就是大多数人看着一头雾水的那个图（不过看不懂很正常，许多医学生和非心内科的医生也看不懂心电图，除了考试前夜）。需要强调的一点是并非所有的心律失常都是病，正常人紧张或者喝太多咖啡也可能出现生理性的心律失常，其中休息好就可以恢复。但有一些比较严重的心律失常就需要干预了，比如药物、射频消融和心脏起搏器植入。 二 心脏起搏器（pacemaker）的基本原理是，它会产生特定的脉冲电流，通过导线和电极刺激心脏。最常见的心脏起搏器主要用于心率过缓，当它感知患者心率低于设定值时，就会发出电信号刺激心脏搏动。此外还有一些功能更强大的起搏器，比如 CRT（Cardiac resynchronization therapy, 心脏再同步化治疗）和 ICD（Implantable cardiac defibrillator, 植入式心脏转率除颤仪），甚至可以在关键时刻救命。 全世界每年有超过 60 万人接受心脏起搏器（pacemaker）植入，有些人以为心脏起搏器就是直接安在心脏上的，其实大多数心脏起搏器植入的地方是左侧锁骨下方，导线通过锁骨下静脉进入心脏，整个手术大概只需要一小时以内，通常采用局麻（感兴趣的朋友可以去看丁香园上的一篇文章，手把手教你做心脏起搏器（精美图文） - 丁香园 ，讲得很详细） 而心脏起搏器作为一个可以用「电」刺激心脏的设备，它自然也需要能源；并且作为一个植入体内的设备，它的体积也不能过大。所以心脏起搏器的运转都是依靠内置电池。 然而，就像你的手机经常得一天一充甚至一天多充一样，续航问题也是心脏起搏器自从问世那天起就面临的一个大问题。 比手机好的一点是，心脏起搏器本身的能耗极低，通常现在的电池可以用 8~10 年；但比手机麻烦得多的一点是，手机可以直接插充电器充电，实在不行了换个电池也不是啥麻烦事，而心脏起搏器是需要通过手术植入的，基本不存在充电一说，电池即将耗尽之时只能整个更换。 但是更换起搏器，意味着需要额外的一笔费用，意味着患者要再进一次手术室，意味着患者还要面临手术的一些风险——更换起搏器的感染率在 1%~5%之间。世界上第一位接受埋藏式心脏起搏器的是瑞典患者的 Arne Larsson（1915-2001），他患有完全性房室传导阻滞。他在 1958 年接受这个手术，而这个起搏器让他多活了 43 年，直至 86 岁时因为黑色素瘤去世，甚至比为他做这个手术的医生 Ake Senning（1915~2000，瑞典著名心脏外科医生）活得更久。 Arne Larsson（1915-2001） Ake Senning（1915~2000） 而在这 43 年中， Larson 总共换了 25 台心脏起搏器。早些年的心脏起搏器续航实在糟糕，电池平均两年就扑街了。后来到了七十年代锂碘电池问世，起搏器的续航延长到了 5 年左右，但这还是意味着一位患者在接收起搏器植入后，一生中仍然可能需要多次更换。 三 但是，有一种能源，可以无视这个问题。 地球上几乎所有的能源都直接或间接来自太阳辐射，而太阳辐射来自于核聚变。核能是目前人类所知的最强大的能源，自从爱因斯坦提出 E = mc2 后，这个公式就对整个世界产生了深远的影响，无论是战争还是能源。1 公斤铀 235 所蕴含的能量，相当于 3000 吨煤炭完全燃烧释放的能量总和。 我一直认为上世纪四十年代到七十年代这 30 年时间，是近几百年来科技进步大的 30 年。从原子弹爆炸到人类登月，这样的成就才是真真正正的跨越式发展。而在这种时代背景下的科学家，思维方式也异常活跃。 所以有科学家和心脏外科医生就在想，可否使用核电池给心脏起搏器供电？ 在上世纪七十年代，这种黑科技还真的发明出来了，而且还不止一种；它们不仅是被发明出来，它们还真的用于临床了。 我找到了 1974 年哈佛大学医学院的研究论文。 HUFFMAN, Fred N.; NORMAN, John C. Nuclear-fueled cardiac pacemakers. Chest, 1974, 65.6: 667-672. 当时主要研究核动力心脏起搏器的主要有美国、英国法国和前联邦德国，所使用的核燃料有不同类型，最常用的是钚 -238（Pu-238），也有少量使用钷 -147（Pm-147）。钚 -238 是钚的同位素，半衰期 86 年，它的大哥钚 -239 通常被用于制造原子弹，而钚 -238 常常被用于制造核电池，比如阿波罗登月计划中的同位素电池用的就是钚 -238。 包括已经飞往太阳系边缘的旅行者 1 号，这 43 年超过 200 亿公里的旅途中，依靠的就仅仅是三颗钚电池（更准确的说是放射性同位素热电机，RTG）。 这些核电池有不同的核 - 电转换原理，简单来说可以分为热式和非热式（thermal and nonthermal）两类，热式就是类似旅行者 1 号那种利用温差发电的，非热式的就是利用同位素衰变时放出的β粒子（就是电子）发电，两种方式各有优缺点，这里暂不赘述。 当然，想把核电池内置到起搏器，还是需要做很多改变的，比如在起搏器的核电池外面，需要有多层防护层防止辐射泄露。起搏器所需要用到的核燃料其实很少，通常不到 1g，在起搏器里只有电线粗细。 四 那么，这些核动力心脏起搏器，到底是否安全可靠呢？ 简单的回答就是——YES 对于这一类型的起搏器来说，医生和患者最主要关心的问题有几个，一是辐射，二是续航。 先说辐射。 在 1974 年哈佛医学院这篇论文中，记载了核动力起搏器的辐射情况。根据当时美国辐射防护委员会的建议，全身职业暴露的限值为 5 雷姆 / 年，而根据哈佛医学院实验室的持续跟踪研究，接受了核动力起搏器的患者，每年全身所接受的暴露剂量约为 0.5 雷姆 / 年。 当然，一种医学设备是否安全，更重要的是时间维度上的验证。 2006 年有一项长达 31 年的跟踪研究（PARSONNET, Victor, et al. Thirty‐one years of clinical experience with “nuclear‐powered” pacemakers. Pacing and clinical electrophysiology, 2006, 29.2: 195-200.），跟踪了 1973 年到 1987 年 139 名患者、总共 164 个核动力心脏起搏器的情况。这 139 名患者平均年龄 49 岁，其中 88 名是男性，51 名是女性。 在 31 年后，这些患者仍然有 12 名（9%）存活，已经去世的患者中，最常见的原因是心脏问题（54%），而他们恶性肿瘤发生率与同龄人类似，部位也是随机的。 时间证明了这种起搏器对于患者而言，并没有很多人预想的那么可怕。 再说续航。 可能有朋友看到，上面有 139 名患者装了 164 个核动力起搏器。实际上这里面一些患者需要换起搏器并非是因为没电了，而是因为这些核动力起搏器和同时代其他起搏器一样，技术相对比较简单，都是单腔起搏器，无法像后来的起搏器那样可以编程以及调节速度，但是正常工作是没有问题的。 在 2006 年，仍然有一些患者正在使用当年的核动力起搏器，而他们如果当年选择普通起搏器的话，这三十年当中可能需要更换 4~5 次。核动力起搏器的使用寿命，显著长于当年锂电池起搏器——毕竟前者所用的是一种半衰期长达 87 年的同位素。 所以整体而言，核起搏器是安全可靠的。它们的寿命长，减少了重新手术的次数，也抵消了其较高的初始成本。 但核动力起搏器之所以慢慢退出历史舞台，主要还是因为公众对核泄漏的担心。比如在枪支泛滥的美国，如果一名装了核动力起搏器的患者遭到枪击，并且子弹正好击穿起搏器，那么这名患者可能就会受到严重的辐射——虽然枪击到这个部位大概率是没法活下来，无论有没有后续的辐射泄露； 再者如果患者去世，起搏器必须在他火化之前被回收，否则后果你懂的——实际上这种事情还真发生过，根据报告有一例核动力起搏器被当做普通的生物垃圾焚烧了，幸运的是外壳可能足够耐操，事后对焚化炉检测没有发现辐射水平增强。 另外更重要的原因是，后来锂电池技术的迅速发展，减少了患者一生中需要更换的次数，人们逐渐意识到并不需要一个半衰期比病人寿命还长的核动力电池，再加之后续可编程、可体外控制以及诸如 CRT 及 ICD 技术的发展，功能相对简单的核动力起搏器逐渐推出了历史舞台。 但是不可否认的是，核动力绝对是人类医学史上的黑科技，它确实为很多患者提供了很好的解决方案。这种技术的问世得益于科技在那个年代的爆炸式发展，那是一个充满想象力的年代。 文章最后，也祝各位和家人在新的一年里身体健康，万事如意，财运如同核动力一样长长久久。 阅读原文
