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醫療技術創新獎─從夢想到實現:評估心臟功能新境界!

﹝醫師節專刊﹞每年的十一月十二日是醫師節,各醫院皆會盛大舉行相關慶祝活動,而行政院退輔會為提高醫療水準及服務品質,確保榮民、榮眷及民眾健康,並宏揚博愛精神,樹立醫師楷模,激勵工作士氣、砥勵醫德,特別舉行優良醫師表揚大會,會中將頒發「94年會屬各級醫療及安養機構優良醫師獎」及台北榮總94年度「醫教奉獻獎」、「醫師學術研究論文獎」、「醫療技術創新獎」、「臨床教學績優獎」共五個獎項。

醫師並不是只有看病而已,常不為人知的還有努力專研病例及研發更好的醫病關係,有鑒於一般大眾對醫師之印象為呆板、嚴肅,因此特地開闢專刊,希望藉由醫師的醫療技術創意,來破除一般人對醫師負面的刻板印象,展現他們多才多藝、築夢踏實的一面,讓網友更加認識醫師細膩的一部份!


文�台北榮民總醫院心臟科 陳震寰醫師
  國立陽明大學醫學系教授兼系主任

當我在醫學院讀書的時候,對心臟血管方面的理學診斷特別有興趣。我還記得那時姜必寧教授是台北榮民總醫院心臟科主任,在四年級臨床診斷學課堂上講解各種心雜音的形成機轉和聽診技巧,聽得我如癡如醉;五年級去台北榮總心臟科見習時,正巧長庚醫院吳德朗院長應邀做專題演講,會後現場示範理學檢查的各種步驟,吳院長的風冞和完美的技巧令人景仰;六年級再去心臟科實習,又適逄美國的心臟科大師來訪,親眼目睹大師單憑聽診就能診斷並不常見的肥大性心肌病變合併左心室出口徑阻塞,更令我驚嘆不已!於是我下定決心,將來要做一個心臟科醫師。實習那一個月,心臟總醫師為我們安排了一堂M-型心臟超音波簡介,雖然M-型超音波只能呈現一度空間的心臟動態影像,需要我們發揮豐富的想像力才能判讀,對心臟科醫師而言,已經是很大的突破了!

心臟超音波:心臟病學的啟蒙

心臟實在是一個奧妙的器官,從解剖學的觀點來看,其實並不複雜,主要結構包括四個腔室連接兩條大動脈和六條靜脈,由外到內,則為心包膜、心肌和四個瓣膜;功能層面則比較複雜,包括電生理、心跳、血壓、收縮和舒張功能等,而心臟的腔室之間各自獨立又協調合作,再加上心臟與血管之間前後負荷的匹配問題,就更形複雜了。心臟的任何部位都可以發生結構或功能上的變化而導致心臟疾病,心臟疾病的致病因種類繁多,臨床的主要症候郤很類似,不外乎胸痛、氣促、心悸、暈厥、水腫等,因而增加鑑別診斷的困難度。

傳統的心臟病診斷工具,以問診、理學檢查、心電圖和胸部X光片為主,部份患者再輔以心導管檢查,紀錄各腔室和血管的壓力和血氧飽和度變化,並注射顯影劑進行冠狀動脈、左心室、主動脈,必要時再加上肺動脈、肺靜脈和右心室攝影,即可診斷各種缺血性心臟病、瓣膜疾病、先天性心臟病、心肌病變和主動脈病變等。在影像醫學未發達的年代,學習心臟病的診斷相當困難,必須高度仰賴師徒相傳,以有限的客觀資料去想像與理解心臟結構與功能異常的各種變化。
現代的心臟超音波結合了M型、雙面、和杜卜勒超音波等功能,可提供完整的心臟「結構」和「功能」的診斷資料,因其不具侵襲性,可以反覆檢查而不會造成任何危險或不適,不僅是臨床心臟病最重要的診斷工具,也為心臟病學的初學者提供了一個「自我學習」的利器。

每一種心臟病,對心臟的結構和功能都會產生若干程度的異常,這些異常會表現在病人的症狀、理學檢查、心電圖、胸部X光片、實驗室檢查和心導管檢查之中。分開學習心臟疾病的各種表徵不是理想的學習模式,心臟超音波提供立即的動態影像,是最好的整合平台,「眼見為信」,可以融會貫通心臟疾病的各種表現,因此,我在學習心臟病學時,都儘可能地親自為病人做心臟超音波,除了立即驗證問診、理學檢查、心電圖和胸部X光片的發現外,還可以邊做邊思考深入理解複雜的病態生理學。由於我對心臟超音波的投入,升上心臟科主治醫師以後,很自然地就以心臟超音波做為我的研究專長領域。

心臟衰竭:心臟病的不歸路

近年來心臟學領域各種診斷、治療和照顧技術進步神速,許多心臟疾病的患者得以存活。社會富裕加上老化,高血壓和冠狀動脈疾病的盛行率亦逐年增加,於是心臟衰竭的患者愈來愈多。心臟一旦曾經受傷(高血壓、心肌缺血或梗塞),大部份的心臟將不可避免地逐漸擴大,功能愈來愈衰弱,臨床上也出現運動性氣促,肺積水,全身水腫等症狀。嚴重心臟衰竭的患者,其死亡率甚至高過一般的癌症患者,世界上的學者專家,莫不傾全力開發各種新藥和器材以挽救這些患者。

心臟超音波可以很容易就判斷出心臟的收縮或舒張功能異常,也能幫助判斷造成這些異常的可能致病因,對於心臟衰竭的嚴重程度,也可以提供一些量化的指標以供臨床參考,因此,對於心臟衰竭的患者,心臟超音波是一項不可或缺的診斷工具。

以往,用來治療心臟衰竭患者的藥物和技術不多,心臟科醫師沒有太多的選擇,因此,對於評估心臟功能的診斷工具要求不高,只須粗略的判斷心臟收縮力好還是不好還是很差就足夠了,有經驗的心臟科醫師只要做個詳細的理學檢查也可以得到類似的訊息,如果再做個心臟超音波,那更是綽綽有餘了。然而,近年來在心臟衰竭的治療上,有許多突破性的發展,包括許多的藥物,心導管技術,外科手術,和左心室輔助器材等。心臟科醫師手上有這麼多的武器可以運用,反過來就需要對病患的心臟衰竭的細部機轉和功能評估有更高的需求,以幫助醫師善用這些利器,給每一位心臟衰竭患者提供個人化的最佳治療,以這個觀點來看,傳統的心臟超音波就略顯不足了。

最精密的心臟功能評估需要做心導管檢查。目前已經發展出非常精密的特殊心導管,可以精確的紀錄心臟腔室內的壓力和容積訊號,分析這些高傳真的生理訊號,就可以準確且完整的評估心臟的收縮和舒張功能,然而,前已述及,心導管畢竟是一項侵襲性檢查,有一定的風險和不適,沒有病人願意反覆的接受心導管檢查以追蹤病情和評估療效。

心臟超音波檢查沒有風險,可以反覆施行,但對於心臟功能評估的準確性有其限制。精確的心臟功能評估,必須結合心臟腔室內的壓力和容積訊號,以計算所謂的左心室收縮末期彈性指數(end-systolic elastance, Ees),Ees是目前可以應用於臨床研究的理想心臟收縮功能指標。心臟超音波所提供的影響可以用來計算心臟腔室內的容積變化,但無法提供心臟內壓力的訊息。水銀柱血壓計能夠準確的測量上臂動脈的收縮壓和舒張壓,動脈的收縮壓在大多數的情況下和左心室的收縮壓近似,若能結合心臟超音波所得的左心室容積訊號和水銀柱血壓計測量的收縮壓和舒張壓,是否也可以提供準確的左心室功能指標,供心臟衰竭患者長期追蹤,幫助心臟科醫師調整各種藥物或選擇各種新療法呢?

夢想:將侵襲性的複雜心導管技術轉移到非侵襲性的心臟超音波檢查

1994年底,心臟科主任請我開始籌劃出國進修事宜,很自然地,我希望能夠去美國一流的心臟超音波研究室,學習或開發新技術,能夠將侵襲性的複雜心導管技術轉移到非侵襲性的心臟超音波檢查,那個時候,在美國匹次保大學醫學中心從事心臟超音波研究的格克森醫師(Gorcsan,J.,III)正開始嘗試利用美國惠浦公司新開發的心臟超音波音響定量技術(acoustic quantification)來估計Ees。我心中也大致推想,我應該會去他那裡進修。然而,正當我準備寫信給格克森醫師請求他允許我去他的心臟超音波研究室進修時,突然間收到一份來自美國約翰霍浦金斯醫院心臟科大衛凱斯醫師的傳真,大意是,他得知我正計劃去美國進修,希望我還沒做最後決定,因為他剛獲得美國國家研究院的一項兩年研究計劃,探討老化和心臟血管功能之間的關係,希望我能夠去他的實驗室參與他的研究。大衛凱斯醫師是心臟血管血流動力學領域非常傑出的研究學者,對Ees有非常豐富的研究經驗,他曾訪問台北榮總心臟科幾次,我與他有數面之緣,因為他做心導管,而我的專長是心臟超音波,所以我從未想到將來共事的機會。由於他熱情的邀請,我就帶著開發非侵襲性Ees這份「願景」,於1995年赴美國約翰霍浦金斯醫院心臟科,追隨大衛凱斯醫師從事心臟血流動力學研究,開啟了一段未曾想像的研發體驗。

有夢最美,有夢就有應驗

到了美國約翰霍浦金斯醫院,前半年,研究的實質進展非常有限,我開始憂慮會不會空手而回?美國的研究環境實在令人羨慕,取之不竭的物質和人力資源,完全不受雜事干擾的空間,可以讓自己的創意和潛能完全發揮出來。因為我的一般電腦能力很強,也有豐富的研究經驗和臨床能力,所以一到美國,凱斯醫師立即就交給我好幾項臨床試驗研究計劃同時進行。為了找適當的病患參加臨床研究,我必須每天去醫院的病歷室查住院新病人,也搜尋心臟超音波室的檔案,尋找合適的病人;一旦找到符合條件的病人,我就必須先打電話給病患的家庭醫師,告知研究計劃概要,徵求他的同意後,我才能拿著心導管同意書去和病患和家屬懇談,請求病患允許我們在進行診斷性心導管檢查時,順便進行精密的左心室功能測量和心臟超音波檢查,也許是文化的差異,也許是約翰霍浦金斯醫院的名氣太大,通常家庭醫師和病人都會同意參加我們的研究。

每週我們大概會做一到兩次精密的心導管研究,我則利用所收集的心臟壓力和容積等生理訊號,進行各種分析。分析資料需要用到凱斯醫師所寫的一些程式,這些程式有時出現錯誤,必須請凱斯醫師親自修正除錯,由於凱斯醫師很忙碌,無法即時幫忙修正程式,剛好和我同一研究室的以色列醫師會使用MATLAB程式,在他的鼓勵下,我便開始使用MATLAB自行撰寫一些小程式,愈寫愈多,也激發了我將許多小程式整合成一個大程式的靈感,因而,在美國的第二年,我便獨立完成了一個大型的分析血流動力學訊號的程式,這一段經驗,讓我真正能夠獨立從事一些深度的研究,也開啟了個人研究的另一個境界!

由於我掌握了分析資料的核心技術,因而有能力快速設計並測試各種想法。在美國的實驗室,我和以色列同事曾嘗試各種非侵襲性的方式去估計Ees,然而都因為測量方式太麻煩或是不夠準確而放棄。那時,一位來自日本的同事,在凱斯醫師的動物實驗室從事基礎研究,他提出了一種利用「單一心跳」的方式估計Ees,由於初步結果好像還不錯,凱斯醫師非常興奮,我也立即幫忙測試,結果發現一些潛在問題,影響了準確度。我利用大量的臨床血流動力學資料去尋找修正方法,終於將準確度提升到臨床可以接受的程度,因而,我們三人將所開發的技術請約翰霍浦金斯醫院協助,申請了我個人的第一項專利,研究結果,也隨後發表在Circulation的一流期刊上。利用單一心跳估計Ees有了很好的理論基礎,仍需要臨床驗證,才能令人信服。然而,我在美國兩年的進修已經接近尾聲,只能利用在美國的最後幾個月,做了幾個病歷之後,於1997年回國復職。

1997年自美返國,在張茂松院長、王石補主任和徐粹烈大夫的支持下,成立了臨床血流動力學研究室,這個研究室中,除了一台當時最先進的HP5500超音波系統以外,還陸續配備了動脈壓力器,杜卜勒超音波血流器,二十四小時行動血壓計,類比訊號轉數位訊號系統,可以將生理訊號,包括心電圖,各種壓力曲線,血流訊號等,即時數位化,以方便利用自己撰寫的分析程式進行訊號處理及運算,有了這些配備,就可以完整地評估心臟血管結構和功能的變化,探索各種疾病的致病機轉。

臨床血流動力學研究室成立之初,亟需新血投入研究陣容,高雄榮總心臟科邱寬饒醫師那時正在台北榮總心臟科做總醫師,對血流動力學研究很有興趣,腎臟科林堯彬醫師適時加入,我們便一起從事心導管的血流動力學研究,每週做一例左心室壓力容積研究,終於完成了單一心跳評估Ees的臨床驗證研究,研究成果也發表在2001年的美國心臟學院雜誌。

好的研究成果必須經得起時間的考驗,我們所開發的單一心跳評估Ees的方法,自2005年起開始被一些知名的研究學者採用。台北榮總的血流動力學研究室也繼續利用這項獨特的技術,從事各項研究。將心導管常用的左心室功能指標,轉移至利用心臟超音波技術和水銀柱血壓計求得,這個新技術已經完成臨床的驗證,期待能廣泛地應用於臨床,提供心臟科醫師另一個診斷利器,造福心臟衰竭患者。

本文由台北榮民總醫院提供,作者為台北榮總94年度「醫療技術創新獎」第一名得主為:該院「內科部」陳震寰醫師,獲獎主題為:以單一心跳非侵襲性評估左心室收縮末期彈性指數。

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