科學革命的啟蒙 成就溫度與血壓計的興起

作者:Bevis    |   2017 / 04 / 07

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Joseph Wang


體重計莫過於生活中最常見,但卻不敢直視的檢測器材。當然,也有我們熟悉不過的醫療器材,那就是每個人都必然曾使用過的溫度與血壓計。

溫度與血壓計恰巧都誕生在知識以級數增長的科學革命時代;雖然現在,它們早已是常見不過的存在,但在過去這一切可沒那麼容易。

溫度計 — 一場尋找介質之旅

溫度計的開發難度,在於如何找到適合的介質來「反應」並「衡量」特定環境下的溫度。

這就好比,雖然知道空氣與鐵分別是傳遞聲音、導熱溫度最佳的介質;但還是無法藉由聽到聲音就知道有多快,或者看到鐵有多赤紅就知道有多熱。因此發展出一套能夠衡量物理變化的方法,顯得勢在必行。

伽立略率先利用熱漲冷縮的原理,將玻璃管的一端與玻璃球結合一起,另一端開口則置入於水中;當玻璃球一端受熱,膨脹的空氣就會壓縮玻璃管中的水位,從水位相對變化的位置就能推算出溫度的高低。雖然看起來相當簡易,但世界上第一台溫度計也就這麼在 1593 年誕生。

不過,空氣熱脹冷縮的變化幅度仍不夠明顯,且伽立略溫度計的設計在使用上也不夠方便。於是,科學家又接著嘗試以水、酒精作為介質,但同樣的,這些介質熱脹冷縮的變化,仍還不足以達到精確觀測的要求。

1659 年,法國天文學家 – 布里奥 (Boulliau) 將溫度計進行改良,改以體積變化明顯的水銀作為介質。至此,溫度計量測的範圍大幅擴展到 -38℃ 至 357℃,裝置也隨著之後工藝的改良、小巧到能一手掌握。

血壓計 — 從侵入式到表面量測

時序進入到 17 世紀,血壓計也緊隨溫度計的腳步慢慢地發展出來。

威廉·哈維 (William Harvey) 於 1628 年發現心臟是推動血液循環的關鍵,並在量測脈搏的血液輸出量後,進一步提出「血壓」這概念。

血壓即是「血液對於單位面積血管壁的側壓力」。當血壓太低,易出現頭暈、無力、疲倦等症狀;若血壓太高,則會出現心悸、頭痛、失眠等容易與其它疾病混淆的症狀。因此,如何監控這一變動就牽連全身的血壓,便成為當時候的醫學挑戰。

1733 年,英國醫師黑爾斯 (Stephen Hales) 率先挑戰血壓量測的問題;他先把馬綑綁固定在地面上,接著將玻璃管直直插入在馬的頸動脈上,此刻玻璃管裡不斷湧出的血液高度,就是馬的血壓。驚人的是,玻璃管顯示著馬的血壓居然高達 211 公分;此刻,玻璃管裡的血液,還正隨著馬的呼吸而上下起伏……

當然,如此血腥的侵入式量測方法,想必會讓患者在檢查完後又傷得更嚴重。既然手腕的脈搏能透過觸摸來感覺,那麼透過接觸量測的方式,也許就能成功量測到血壓。

1896 年,義大利醫師里瓦.羅奇 (Riva Rocci) 便構想出由水銀壓力表、充氣球與袖帶結合而成的血壓計;透過擠壓氣球來施予袖帶壓力、進而壓迫被包覆住的手臂,就能從壓力錶上觀察到動脈從閉合到舒張的收縮壓與舒張壓。

不過這裡會存在一個盲點,那就是要怎麼判斷何時是收縮壓、還是舒張壓。畢竟血液開始流動的時間點,才算是收縮壓;而血液恢復至正常流動狀態時,才是舒張壓。

這就好比,將水管故意壓緊,迫使水管與水龍頭處的接口分離而爆衝出大量的水一樣;此時,突然沖出來的水流,即為收縮壓;而流速恢復正常後,即是舒張壓。

血液突然爆衝的那一刻,會聽到血液極速流動的聲音,即「柯氏音」;接著,在血管慢慢回復到原本形狀時,柯氏音也隨之消失;這兩個時間點即是判斷收縮壓與舒張壓的依據。

俄國生理學家克羅特克夫 (Nikolai Korotkoff) 便根據這原理,將原本的血壓計再加上聽診器,讓血壓量測上有了更準確的判斷標準。此時已是 1905 年,血壓與溫度計已大致成型。

溫度計的再進化,不只精準還得快速

雖然當時,溫度計已經有一定的精準度,但等待的時間仍還是太長。水銀溫度計一般來說得等到 10 分鐘,才能準確反映出當下溫度;但量測過程中姿勢需要固定,卻也可能讓已經不舒服的病患感到更加不適。

若想更快量測到溫度,選用以光速來極速傳遞的電磁波,想必會是接下來更好的介質選擇。所謂的電磁波,戶外常見的彩色可見光就是一種。而除了外來光源之外,人體其實也會輻射出電磁波,即不可見、但卻擁有熱度的紅外線光。

常溫下,任何物體的原子都會因為熱而產生一定程度的擾動,這些不斷運動的原子會伴隨著電磁波的產生,即紅外線輻射。當溫度越高,原子運動將更加激烈,所輻射出紅外線能量也將越強烈;這就如同烤肉時,明明離烤盤還很遠,但仍可以感受到溫度一樣;這溫度即來自無法看見的紅外線。

科學革命的啟蒙 成就溫度與血壓計的興起-01

可知道,當電磁波波長越長,能量將越小、溫度也越低;波長與溫度兩者間的反比關係,即所謂維恩位移定律 (Wien’s Displacement Law) 。

有了物理理論作為基礎,就能根據人體輻射出的紅外線波長,設計出能判斷溫度的紅外線溫度計。如此好用的介質,也讓能夠測量耳溫、額溫用的紅外線溫度計順利地開發出來,測量時間更也大幅縮短到 1 秒就可完成。

科學革命的啟蒙 成就溫度與血壓計的興起-02

血壓計的再進化,從間接到直接量測

當溫度計也能成為成科技產品時,血壓計當然不能落入其後。

雖然水銀式血壓計能透過「柯氏音」來判斷收縮壓與舒張壓,但這種時間點的判斷仍過於主觀,觀測結果也顯得因人而異。

於是,利用聲音感測器來代替人耳判斷「柯氏音」的電子柯氏音法,便被提了出來;不過,這種透過水銀來判斷血壓的方式,還是顯得過於間接且多餘。

既然血壓就是壓力的一種,那麼透過壓力感測器來直接感應脈搏的震動,就能更直接反應出實際的血壓狀況;這方法即所謂的「示波法」。透過血壓震動的幅度,就能計算出人體週期性的血壓波動。

然而,人體的血壓其實很容易受到自身的生理狀況與外在環境所影響;就糖尿病、高血壓患者來說,除了沒有明顯的血壓週期外、波動幅度更是相當的大;因此若以傳統的平均動脈壓法 (Mean arterial pressure, MAP) 來計算平均週期血壓的話,就會碰到計算錯誤的問題。

相較於血壓的高低變動,血壓波形顯得較為規律且有既定的模式;就如騎單車一樣,左右腳的力量雖然會決定行進速度的快慢,不過基本上,右腳踏出、左腳接著往前踏的規律是不變的。

根據這原理,基於血壓波形發展而來的演算法,便能有效克服血壓週期不規律的問題,甚至還能檢測出原本心電圖才能偵測得到的心房顫動等症狀。

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極具發展空間的血壓計

當溫度計已能快速且精準的量測,血壓計的未來發展反而顯得更令人期待。

血壓計雖然能透過血壓波形的演算法,來偵測出一般難以察覺的心房顫動;但「偵測」並非是「診斷」,其病徵最後仍得透過心電圖來加以確認。

因此,如何就血壓波形特有的特徵波動,來發展出更準確診斷的演算法,勢必將成為血壓計未來發展上的重要方向。

參考資料

  • 國家度量衡標準實驗室
  • 衛生福利部
  • 高醫醫訊

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