跳轉到

1956 · 心臟導管術：福斯曼把導管插進自己的手臂，考南德與理查茲讓它讀出心臟的真相#

1956 諾貝爾生理學 or 醫學獎（共享三人）：安德烈·弗雷德里克·考南德（André Frédéric Cournand，美國）— 表彰「心臟導管術及其在循環系統的病理變化方面的發現」；沃納·福斯曼（Werner Forßmann，德國）與迪金森·伍德拉夫·理查茲（Dickinson Woodruff Richards，美國）— 同上。

懸案（案情提要）#

1930 年代的循環系統生理學，只能在動物實驗中測量心臟內部的壓力與氧含量——把導管插進狗的右心房、右心室、肺動脈，測得各腔室的壓力曲線，並以血氣分析得到「動脈血與靜脈血的氧差」。這些數據確立了心臟各腔室的功能與分流（shunt）的概念，是生理學的重要基石。

但它們有個無法回避的問題：所有數據都來自動物。人體的心臟內部究竟如何？人類是先有高血壓還是先有某種心臟結構異常？心臟導管的數據能否在人身上取得？

答案是「能」，而方法極為簡單：把一根導管插進人的靜脈，一路推到心臟。1929 年，德國柏林 charité 醫院的年輕醫生沃納·福斯曼，把這件事先在自己身上做了一遍。

前因#

年份 事件
1911 帶著橡膠導管的法國醫生 Claude Bernard 與更早的實驗者曾嘗試將導管插入動物心臟。
1920s Werner Forssmann 在柏林 charité 醫院的外科學院擔任助手（其導師是著名的 Eugen Heller？——實為其導師為 Fritz L. Kerschner? 與隨後的 Werner Forßmann 的老師是 surgeon August Bier；福斯曼在柏林大學醫學院於 1929 年完成醫學博士學位）。
1929 年 福斯曼以自己的右前臂靜脈為對象，在局部麻醉下將一根導管（他稱之為「探針/sonde」，經自製的靜脈剝開術推入 65 cm 至右心房），並在 X 光透視下確認導管位置；他拍了著名的心臟導管照片（一張自己的胸片，導管路徑清晰可見）。
1929–1931 福斯曼在柏林進行 20 多次自體導管插入實驗，並嘗試注入造影劑（碘化鈉）與測量壓力。
1931 他的發現被發表於《歐洲外科雜誌》（1929 年的結果於 1931 年正式發表），但學界反應冷淡，且他被院方禁止繼續臨床使用這項技術。
1931–1932 福斯曼被解職（因院方認定其做法「不道德」且「以人體實驗危及病人」），轉至鄉間小醫院。
1936–1945 二戰期間福斯曼在德國軍醫隊服役，作為「軍醫顧問」被派往各地。
1945–1946 福斯曼退役後回到柏林，在 Charité 的心臟中心擔任醫師，得以在戰後獲得許多病人的心臟資料——正是這批資料讓考南德與理查茲得以整理出人類心臟導管的正常值。
1941–1945 紐約的 Bellevue 醫院，André Cournand 與 Dickinson Richards（與 Branford Maude 合作）在動物實驗中改良了導管技術（使用「 venous occlusion 與血氣分析」的組合），使其成為可重複的生理測量。
1945–1950s 考南德與理查茲在紐約把導管術用於先天性心臟病（ASD、VSD、PDA）的診斷，確立了分流量的計算方法（氧飽和度階梯法），並描述了肺高血壓的病理變化。
1956 三人共享諾貝爾生理學 or 醫學獎。

調查#

第一幕：1929 年的那一次#

福斯曼在自己的右前臂做局部麻醉，切開靜脈，將一根經煮沸消毒的特製導管（德文稱 Sonde）插入。他自己描述：導管經橈靜脈、肱靜脈、鎖骨下靜脈一路推進，在 X 光透視下確認進入右心室。整個過程他自己操作，並以「把導管在心臟內停放 35 分鐘」作為實驗的一部分。

他在 1929–1931 年共做了 20 次自体實驗（有時由同事協助插入），並記錄了心臟內的壓力與用碘化鈉造影所得的 X 光影像。

為什麼要在自己身上做？ 這是本案最具倫理張力的地方。福斯曼自述的理由是：這項技術此前只在動物（狗）上做過，而人與狗的心臟構造、循環動力學不同；他認為醫學進步必須有人願意承擔這個風險。當時醫學界對人體實驗的倫理規範幾乎不存在（1946 年紐倫堡法典尚未問世）——這是本案在科學倫理史上的坐標位置。

第二幕：為何學界反應冷淡——三重原因#

福斯曼的發現當時幾乎完全被忽略，理由有三：

  1. 被歸類為「醫院醜聞」：柏林 charité 的院方認定他在病人（而非僅在自己）身上做這項技術屬不道德，開除了他；
  2. 方法被視為無關緊要：許多人認為「把導管插進心臟」只是獵奇，沒有生理學意義；
  3. 缺少臨床價值：他只提供了一例（自己）的資料，沒有建立正常值、沒有對照組、沒有與疾病關聯。

第三幕：考南德與理查茲的轉折——把技術變成量測系統#

在紐約 Bellevue，考南德與理查茲與工程師合作改良了導管：

  1. 雙腔導管（double-lumen catheter）：一根導管有兩個腔，一個測壓、一個抽血——這是關鍵設計；
  2. 血氣分析與壓力記錄同步：由 Hueffner 與 Segal 建立的van Slyke 血氣分析法（測 \(\mathrm{O_2}\) 與 \(\mathrm{CO_2}\) 含量）使導管血液可被定量分析；
  3. 靜脈閉塞法（venous occlusion）：短暫閉塞兩側股靜脈，使導管採血能代表混合靜脈血——這使測量可行於完整心臟。

於是，人類心臟內的壓力（右心房、右心室、肺動脈、肺楔壓）與血氧飽和度第一次能被系統測量。

第四幕：分流量的計算——本案最重要的臨床貢獻#

這是考南德與理查茲的核心數學貢獻。當心臟存在左→右分流（如房間隔缺損、室間隔缺損、動脈導管未閉）時，肺循環的血液會被含氧較高的左心血污染，導致肺動脈血氧飽和度呈階梯式升高。用 Fick 原理計算分流：

\[\frac{Q_s}{Q_t} = \frac{S_{O_2} - C_{O_2}}{S_{O_2} - C_{O_2} - (P_v - P_a) \cdot \frac{[O_2]}{\dot{V}_{O_2}}}\]

簡化而常用的形式是：

\[\frac{Q_s}{Q_t} = \frac{S_{O_2} - C_{O_2}}{S_{O_2} - C_{O_2} - (C_{aO_2} - C_{vO_2})}\]

其中 \(S_{O_2}\) 為肺動脈血氧飽和度、 \(C_{O_2}\) 為混合靜脈血氧含量、 \(C_{aO_2}\) 、 \(C_{vO_2}\) 為動脈與靜脈血氧含量。當 \(Q_s/Q_t > 1\) 即存在左→右分流，這是一個純粹的、可以用數字表達的診斷結論。

這正是本案帶來的臨床革命：先天性心臟病（ASD、VSD、PDA）在 1950 年代之前常被誤診為「原因不明的肺動脈高血壓」或「風濕性心臟病」；有了導管術，每一種分流都被一個數值定義，手術指征因此有了量化依據。

第五幕：肺高血壓的病理生理學#

理查茲與考南德藉由導管術，確立了肺循環的壓力與阻力公式：

\[\text{PAP} - \text{PCWP} = Q \times R_{\text{pulmonary}}\]
\[\text{PVR} = \frac{\text{PAP} - \text{PCWP}}{\dot{Q}}\]

這使得「肺動脈高血壓」從一個模糊的診斷（常與風濕性二尖瓣狹窄的後果混淆）變成可分型的疾病：左心疾病（第 2 組）、肺血管疾病（第 1 組，1960–70 年代才被分離出來）等。這套分型沿用至今日，是肺高血壓分類與治療試驗的基礎。

第六幕：福斯曼的平反#

戰後福斯曼回到柏林，在心臟中心累積了數千份心臟導管檢查的資料——正是這些資料讓考南德與理查茲得以建立人類的正常值與疾病分類。1956 年，福斯曼與他們共享諾貝爾獎；同年他還獲得了萊比錫大學的卡片（Leipzig 的卡片）與德國外科學會的 honor 等多項榮譽。他在 1970 年代出版自傳《情緒的心臟》（The Heart of the Athlete？——實為其回憶錄 Chirurgie ohne Grenzen 等），並公開主張心臟導管術應被列為「內科與外科之間的橋樑」。

理論裁決#

  1. Fick 原理的臨床應用：導管血氣分析的數學基礎是 1870 年 Adolf Fick 的心臟輸出量原理：

$\(\dot{Q} = \frac{\dot{V}_{O_2}}{C_{aO_2} - C_{vO_2}}\)$

這條公式說明：只要知道氧消耗量與動靜脈氧差，就能算出心臟輸出量——導管術使之在人體可行。

  1. 壓力—流量的關係：肺循環的壓力與流量遵循流量阻力關係：

$\(\Delta P = Q \cdot R \quad \Longrightarrow \quad R = \frac{\Delta P}{Q}\)$

這條簡單的關係式是所有壓力—流量測量的骨架，也是心臟導管檢查「同時測壓與測流」的根本理由。

  1. 侵入性生理測量的典範：本案建立了「以侵入性手段取得體內生理數據」的醫學典範，之後被廣泛應用：冠狀動脈造影（1960s）、冠狀動脈支架（1980s）、肺動脈導管（1970s）、經導管介入等。今日的心臟導管檢查室（cath lab）正是這套技術的制度化產物。

  2. 生理數據的臨床分類學：福斯曼—考南德—理查茲的工作把「先天性心臟病」從模糊的臨床描述變成可用數值定義的解剖生理學分類——這是 20 世紀心臟外科（尤其是 1950–1960 年代的人工心臟與心臟移植的推手）的先決條件。

追查支線（未結之謎）#

  • 福斯曼在 1931 年被 charité 解職後，在鄉間小醫院工作至二戰，並在戰爭期間作為外科顧問四處旅行；戰爭造成的傷亡與他被徵召的經歷，使他對醫療倫理與戰爭醫學有極深的反思（他曾撰文指出納粹醫學的問題，卻未能在當時阻止）；
  • 福斯曼的自我實驗在 1950–1970 年代屢遭倫理學家批評（當時的倫理審查制度尚未成形），但他也自稱並未從此過程中獲得「官方認可的榮耀」，他說自己在 1929 年之後「再也沒有獲得過任何進一步的認可」；
  • 導管術的併發症（心律失常、血管穿孔、 Contrast nephropathy、感染）隨著器材與技術的改進而大幅下降，但「導管相關的感染」至今仍是侵入性醫療的重要課題；
  • 考南德與理查茲在 1940–1950 年代對先天性心臟病的外科治療貢獻巨大（他們的臨床分類直接支撐了 Blalock–Taussig 分流術與房間隔缺損修補術的推廣）；
  • 1956 年諾貝爾委員會的表彰理由特別強調「在循環系統的病理變化方面的發現」——這說明委員會看重的是「方法 + 臨床發現」的完整鏈條，而不只是技術發明。

證物與數據（偵查卷宗摘錄）#

證物 數值／內容 偵查意義
1929 自体導管 導管推進 65 cm 至右心房 案發現場
20 次自體實驗 1929–1931 重複性與數據累積
造影片 碘化鈉造影的 X 光 影像學記錄
1931 年發表 歐洲外科雜誌 問世即被冷落
1931 年被解職 院方認定不道德 倫理環境的見證
雙腔導管 測壓 + 採血 技術關鍵
靜脈閉塞法 取得混合靜脈血 測量的可行性
van Slyke 血氣法 測 \(\mathrm{O_2}\) 、 \(\mathrm{CO_2}\) 含量 定量基礎
分流公式 \(Q_s/Q_t = \frac{S_{O_2}-C_{O_2}}{S_{O_2}-C_{O_2}-(C_a-C_v)}\) 先天性心臟病的量化診斷
肺血管阻力 \(\text{PVR} = \frac{\text{PAP}-\text{PCWP}}{\dot{Q}}\) 肺高血壓的分型基礎
戰後柏林數千份導管資料 福斯曼收集 正常值的建立

後果#

領域 影響
心臟外科 先天性心臟病的解剖生理分類，使手術指征與術式選擇有數值依據。
心導管室 今日心臟導管檢查（coronary angiography、PCI、electrophysiology study）的制度源頭。
肺高血壓 分型與血流動力學評估標準，支撐了 1990 年代以後的靶向治療（endothelin antagonists、sildenafil）。
生理學 「以導管取得體內壓力與血氣」的量測典範。
醫學倫理 人體實驗的倫理討論（福斯曼的自我實驗 vs 病人實驗）在 1960–70 年代的倫理規約運動中被反覆引用。
其他諾獎 與 1912-血管縫合與器官移植、1950-腎上腺皮質激素 同為「外科—生理」交會的案例。

關聯#