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不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」?
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不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」?

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时间:2020-06-14 16:34:15
没被全身麻醉过,也要看过全身麻醉走路

正所谓本土剧三宝──除了外遇、失蹤,再来就是开刀。当主角同父异母的妹妹因突如其来的昏倒而被推进手术房后,医师总是会走出来,向主角解释妹妹病情有多严重,必须赶快全身麻醉并进行手术。此时,手术室里的麻醉科医师就会将妹妹放倒,并且接上一台祖传「麻醉机」,并由外科医师接手开始进行手术……

不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:作者提供
八点档手术前后示意图(咦?)

你知道吗?麻醉机除了可以防止妹妹肚子还没缝起来的时候就醒过来,其实它也可以防止妹妹一被放倒就先窒息而死喔。究竟是怎幺一回事呢?我们今天将以工程师的角度,介绍麻醉机当初是怎幺被发明出来的。

从麻醉到麻醉机不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:GE公司
GE公司所生产的麻醉机

上图为今天要介绍的主角麻醉机。麻醉机在现代医疗中扮演着不可或缺的角色,当外科医师进行开刀时,根据动刀的位置以及严重程度,医师们可能会选择对患者施行全身麻醉。此时,麻醉机就会对病患提供稳定的吸入式麻醉药物,以及维持病患的呼吸。

早在1750年代乙醚就被科学家发现,开启了吸入性麻醉的时代。继吸入性麻醉之后,全身麻醉的另一种方法是静脉麻醉术,1934年静脉注射麻醉剂第一次被应用于外科手术上。

静脉麻醉剂中另一项伟大的发现,是肌肉鬆弛剂的应用。肌肉鬆弛剂可让患者的肌肉于手术期间完全地放鬆,使医师的手术过程更加顺畅。在这之后现代麻醉医学所追求的「麻醉三位一体」的概念就此展开,也就是一个好的麻醉应包含三项要素:

让病人沈睡让病人免于疼痛让病人肌肉鬆弛

但是,肌肉鬆弛剂有个致命的缺点,当患者全身肌肉都放鬆后,同时也代表着其无法靠自己的力量呼吸,若不由实习医师拿着一颗气球反覆的把空气打进患者的肺部里,连续剧里的角色下一集就可以领便当了。

当医师发现这些不便之处后,工程师们便着手解决这些问题,也相应的製造出现今手术房内常见的「麻醉机」。

作者在此试着模拟了一遍工程师们一路从定义需求(needs)到提供解决方法(solution)的过程,并使用一些生活较常见的工具做为比喻,期望使读者们可以更了解麻醉机的开发逻辑。

定义需求不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:作者提供

为了让患者能顺利的离开手术房,以下的需求便纵然而生:

提供病人麻醉药物达到麻醉三位一体提供病人氧气以避免缺氧不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:作者提供寻求解法

针对第一项需求「提供病人麻醉剂达到三位一体」,可搭配不同药物以提供多种解决方法,但大致上可分为两种:

    使用静脉注射麻醉使用吸入性气体麻醉

使用静脉注射虽然可达到专一性,不必担心手术房内所有人一起睡死的窘境。但静脉注射剂量难以控制,一个闪失,可能就会对病人产生不良效果。

使用吸入性气体麻醉则刚好相反,虽然剂量好控制,但存在着专一性的隐忧。

针对第二项「提供病人氧气以避免缺氧」也有许多解决方法,我们这里也取其中两种作举例:

    传统上手术房内常用的「实习医师人肉帮浦」或者是近年很常在电视上看到的「体外心肺循环系统」,也就是所谓的「叶克膜」

以上两种方式,都可以提供病人麻醉后所需的氧气。但实习医师也是人,再怎幺千锤百鍊,要持续按压气球三个小时还是相当累人的。

叶克膜虽然有明星光环,但其实使用叶克膜过久会有生成血栓的危机,因此除非心肺功能整组坏光光,不然临床上医师都会尽量避免使用叶克膜。

从生活取材不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:作者提供

考虑到以上各点,工程师决定使用一个闭锁式的气体循环机构,作为我们的麻醉机的设计。这种设计可以同时提供氧气以及挥发性麻醉药物,不仅可避免气体麻醉剂外洩,又可以提供病人正压呼吸以避免窒息。而在以上的前提之下,我们将以闭锁循环式的浅水用水肺为借镜,来看此麻醉机的机构设计。主要原因为:

两者皆为用于肺部的气体循环机构两者皆须考虑进气端与出气端分流问题两者皆有出气端再过滤的需求不可或缺的本土剧三宝:临床工程师如何设计「麻醉机」? 图片来源:Wikipedia
闭锁型循环式水肺的设计简图

以上为闭锁型循环式水肺的设计简图,其中构造1是连接使用者口腔的气阀,左右两边各自连接2号及6号构造,分别为吐气及吸气管道。两者前端都有一个单向阀让气体只出不进,2号管将使用者排出的废气透过3号洗涤瓶过滤,移除过多的二氧化碳及水气,再进入4号呼吸袋重新混入氧气。

而麻醉机所需要的机构设计与其极为相似,两者同样需要一个吸气管与吐气管,并且用单向阀以避免两边气体混合,也同样需要一个洗涤瓶过滤二氧化碳和水。差别在于麻醉机的洗涤瓶,还需要去除残余的麻醉剂,以达到精準的药量控制。另外,麻醉机的呼吸袋还须接通一个挥发瓶,以提供挥发性的麻醉药物。

结语

透过以上的逻辑思路,工程师们一路从定义需求(needs)到提供解决方法(solution),其实并不只有给出一种答案。只是在多方考量之下,决定使用以上的方法製造出现今的麻醉机。甚至,就只是没有想到更好的办法而已,任何「可能的解法」都有可能成为「可行的解法」,这不是第一次有人提出解法,也绝不是唯一的一次。

医疗器材的演进便是不断的长江后浪推前浪,永远有人提出更加方便、更加人性化的方法,以上便是前人辛苦走出来的道路。而接下来,我们诚挚地邀请阅读这篇文章的你,发挥自己的创意,从生活的周遭取材,创造出更有价值的事物。

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