APS NEWS: 磁場解心痛

美國物理學會三月大會─由於自從1900年初起許多常見的疾病都已經可以被治癒,人的壽命大增了20到30年。然而更長的壽命時常不經意的給人類產生了一堆新的負擔,特別是對人的心臟。從1930年代起就名列死亡原因金牌的心血管疾病之完全防治仍然遙遙無期。即使現代醫學已經將心臟疾病的致死率由1979年的64%降到2014年的23%─每四個美國死亡人口之中就有一個是心臟病發作造成的,而中風也仍是高居現今死亡原因的第五名!。

阿斯匹靈長久以來就是做為那些尚未發病的病人避開心臟病發作的處方藥,但是依據天普大學(Temple University)物理系的陶榮佳(Rongja Tao)教授,阿斯匹靈的使用是有其極限的。

陶教授說:「在目前,許多人藉著吃藥來降低血液的黏性,但這會有嚴重的副作用。從物理學的觀點來看,當黏性降低,血液中的湍流會因之而加劇…這會產生對心臟更大的壓力…我們需要一種新技術能在降低血液的黏滯性的同時也抑制其中的湍流。」

在美國物理學會三月大會裡,陶教授描述了一個暴露在強磁場中的心臟病患的血液是如何能在顯著的長時間裡持續的保持著被降低後的黏稠度,而伴隨著降低的血液黏性的是降低了的血壓。這種陶教授用來把血液弄得稀一點的新方式是匯集了天普大學的醫學與物理系的科學家所產生的,這個在與心臟疾病戰鬥的創新工作顯得越來越有優勢。

「由於紅血球中的鐵質對磁場是很敏感的,」陶教授解釋道:「所以當我們外加一個平行於血流方向的強磁場時,紅血球們會被極化而首尾相吸連成一條短鍊。」陶教授認為這個「磁流變學(magneticrheology)」(MR)技術是有希望能治療那些有心臟病與中風危險的人。

Photo: R. Tao

研究者看到了在照了高磁場之後血壓持久的降低。

 

當血球聚集成鍊時,血液在不同的方向會顯現出不同的黏性,這是血流方向與外加磁場方向之間的關係造成的。陶教授指出,若要抑制血流中的湍流就必須讓平行於血流方向的血液黏性變得較低;這樣做是能讓血流儘量的以層流方式流動,所以對應的作法就是將外加磁場加在平行於一條主動脈的方向。這樣也會使得垂直於血流方向的血液黏性較高而降低產生湍流的副作用,從而使得紅血球形成的短鍊向動脈的中央靠攏。

「在加入磁場之前,紅血球在血漿之中的分佈是沒有什麼次序的,」陶教授說:「但當你加了一個大約1.3特斯拉強度的磁場之後,紅血球就會排成短鍊…。在實驗室裡量到的平行於血流(也就是在短練的方向)的血液黏性降低了超過25%,而垂直血流方向的黏性增加了95%─幾乎是原來黏性的兩倍!」

加進去的1.3特斯拉的磁場大約是地磁強度的百萬倍。這在日常尺度而言是個頗強大的磁場所帶來的效果的確驚人,它在短短的一次4秒鐘的療程裡就產生了持久的改變─在血流方向較低的血液黏性所增加的紅血球帶氧量持續了超過24小時!

有了這些成果,陶教授和他的團隊決定調整他們的實驗裝置來開始初步的臨床測試,測試的對象是有高血壓的志願者。在臨床的測試中,病患將右臂沿著磁軸方向伸進一具強力電磁鐵,這樣,前臂的大動脈就會與磁場方向平行。

「我們的結果比預期的還要好,」陶教授以一組療程之前與之後的實驗數據為例子做說明:「一位志願者在療程之前的血壓為140/99 mm汞柱,然後我們每隔一分鐘就量一次他的血壓,而10分鐘之後,病患的血壓降為115/75 mm汞柱。」

這個變化是相當於在10分鐘之內由第一期高血壓症改善到正常的血壓範圍。而且測試者在治療之後8個小時的血壓只比正常的高了一點點。

「這位志願參與測試的患者已經有好多年的高血壓病史,現在他說『我希望每天早上都能來進行一次療程!』,」陶教授說:「每一位,百分之百,來做測試的志願者的血壓都在5到10分鐘之內下降了10%到20%,而且他們的血球帶氧量也都增加了。」

陶教授的學術生涯有很大部分都在研究「電流變學(electrorheology)」(ER)與MR的應用,這個領域的研究在於運用電場與磁場以改變流體的流動。從以輸油管輸送石油到重寫低脂巧克力棒的配方,陶教授在ER與MR的非典型運用上已經為各式的問題開發了創新的門徑。

用磁場成功的降低了血壓的成果受到了美國心臟協會的注意,該協會現在在幫助陶教授及其團隊去得到官方的食物與藥品局的批准以進行正式的臨床實驗。陶教授表示他很期待有一天,心血管疾病的危險群能夠不必使用處方藥物或是侵入性的手術,只要透過這種類形的物理療法就能降低他們的血壓。

「在這個時刻,這個技術看來還挺棒的…而且從物理的觀點來看,我們解決了更大的問題。」


References

1. Tao, R. and Huang, K., Reducing blood viscosity with magnetic fields. Phys. Rev. E 84, 011905 (2011).


本文感謝APS NEWS(美國物理學會)同意以中文形式翻譯轉載,原文刊登於APS NEWS網站:http://www.aps.org/publications/apsnews/201705/magnetic.cfm

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