不可或缺的本土劇三寶:臨床工程師如何設計「麻醉機」?

不可或缺的本土劇三寶:臨床工程師如何設計「麻醉機」?
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我們想讓你知道的是

工程演進的腳步絕不是一步登天,一個昨天剛上市的產品,內部的設計其實可能早在500年前就已經存在了,今天我們將以麻醉機為例,簡介工程師是怎麼從一個完全不相關的應用獲取設計靈感的。

文:蕭精誠

沒被全身麻醉過,也要看過全身麻醉走路

正所謂本土劇三寶──除了外遇、失蹤,再來就是開刀。當主角同父異母的妹妹因突如其來的昏倒而被推進手術房後,醫師總是會走出來,向主角解釋妹妹病情有多嚴重,必須趕快全身麻醉並進行手術。此時,手術室裡的麻醉科醫師就會將妹妹放倒,並且接上一台祖傳「麻醉機」,並由外科醫師接手開始進行手術……

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八點檔手術前後示意圖(咦?)

你知道嗎?麻醉機除了可以防止妹妹肚子還沒縫起來的時候就醒過來,其實它也可以防止妹妹一被放倒就先窒息而死喔。究竟是怎麼一回事呢?我們今天將以工程師的角度,介紹麻醉機當初是怎麼被發明出來的。

從麻醉到麻醉機

上圖為今天要介紹的主角麻醉機。麻醉機在現代醫療中扮演著不可或缺的角色,當外科醫師進行開刀時,根據動刀的位置以及嚴重程度,醫師們可能會選擇對患者施行全身麻醉。此時,麻醉機就會對病患提供穩定的吸入式麻醉藥物,以及維持病患的呼吸。

早在1750年代乙醚就被科學家發現,開啟了吸入性麻醉的時代。繼吸入性麻醉之後,全身麻醉的另一種方法是靜脈麻醉術,1934年靜脈注射麻醉劑第一次被應用於外科手術上。

靜脈麻醉劑中另一項偉大的發現,是肌肉鬆弛劑的應用。肌肉鬆弛劑可讓患者的肌肉於手術期間完全地放鬆,使醫師的手術過程更加順暢。在這之後現代麻醉醫學所追求的「麻醉三位一體」的概念就此展開,也就是一個好的麻醉應包含三項要素:

  • 讓病人沈睡
  • 讓病人免於疼痛
  • 讓病人肌肉鬆弛

但是,肌肉鬆弛劑有個致命的缺點,當患者全身肌肉都放鬆後,同時也代表著其無法靠自己的力量呼吸,若不由實習醫師拿著一顆氣球反覆的把空氣打進患者的肺部裡,連續劇裡的角色下一集就可以領便當了。

當醫師發現這些不便之處後,工程師們便著手解決這些問題,也相應的製造出現今手術房內常見的「麻醉機」。

作者在此試著模擬了一遍工程師們一路從定義需求(needs)到提供解決方法(solution)的過程,並使用一些生活較常見的工具做為比喻,期望使讀者們可以更了解麻醉機的開發邏輯。

定義需求

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為了讓患者能順利的離開手術房,以下的需求便縱然而生:

  • 提供病人麻醉藥物達到麻醉三位一體
  • 提供病人氧氣以避免缺氧
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尋求解法

針對第一項需求「提供病人麻醉劑達到三位一體」,可搭配不同藥物以提供多種解決方法,但大致上可分為兩種:

  1. 使用靜脈注射麻醉
  2. 使用吸入性氣體麻醉

使用靜脈注射雖然可達到專一性,不必擔心手術房內所有人一起睡死的窘境。但靜脈注射劑量難以控制,一個閃失,可能就會對病人產生不良效果。

使用吸入性氣體麻醉則剛好相反,雖然劑量好控制,但存在著專一性的隱憂。

針對第二項「提供病人氧氣以避免缺氧」也有許多解決方法,我們這裡也取其中兩種作舉例:

  1. 傳統上手術房內常用的「實習醫師人肉幫浦」
  2. 或者是近年很常在電視上看到的「體外心肺循環系統」,也就是所謂的「葉克膜」

以上兩種方式,都可以提供病人麻醉後所需的氧氣。但實習醫師也是人,再怎麼千錘百鍊,要持續按壓氣球三個小時還是相當累人的。

葉克膜雖然有明星光環,但其實使用葉克膜過久會有生成血栓的危機,因此除非心肺功能整組壞光光,不然臨床上醫師都會盡量避免使用葉克膜。

從生活取材

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考慮到以上各點,工程師決定使用一個閉鎖式的氣體循環機構,作為我們的麻醉機的設計。這種設計可以同時提供氧氣以及揮發性麻醉藥物,不僅可避免氣體麻醉劑外洩,又可以提供病人正壓呼吸以避免窒息。而在以上的前提之下,我們將以閉鎖循環式的淺水用水肺為借鏡,來看此麻醉機的機構設計。主要原因為:

  • 兩者皆為用於肺部的氣體循環機構
  • 兩者皆須考慮進氣端與出氣端分流問題
  • 兩者皆有出氣端再過濾的需求
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閉鎖型循環式水肺的設計簡圖

以上為閉鎖型循環式水肺的設計簡圖,其中構造1是連接使用者口腔的氣閥,左右兩邊各自連接2號及6號構造,分別為吐氣及吸氣管道。兩者前端都有一個單向閥讓氣體只出不進,2號管將使用者排出的廢氣透過3號洗滌瓶過濾,移除過多的二氧化碳及水氣,再進入4號呼吸袋重新混入氧氣。

而麻醉機所需要的機構設計與其極為相似,兩者同樣需要一個吸氣管與吐氣管,並且用單向閥以避免兩邊氣體混合,也同樣需要一個洗滌瓶過濾二氧化碳和水。差別在於麻醉機的洗滌瓶,還需要去除殘餘的麻醉劑,以達到精準的藥量控制。另外,麻醉機的呼吸袋還須接通一個揮發瓶,以提供揮發性的麻醉藥物。

結語

透過以上的邏輯思路,工程師們一路從定義需求(needs)到提供解決方法(solution),其實並不只有給出一種答案。只是在多方考量之下,決定使用以上的方法製造出現今的麻醉機。甚至,就只是沒有想到更好的辦法而已,任何「可能的解法」都有可能成為「可行的解法」,這不是第一次有人提出解法,也絕不是唯一的一次。

醫療器材的演進便是不斷的長江後浪推前浪,永遠有人提出更加方便、更加人性化的方法,以上便是前人辛苦走出來的道路。而接下來,我們誠摯地邀請閱讀這篇文章的你,發揮自己的創意,從生活的周遭取材,創造出更有價值的事物。

本文經UnmetNeeds授權轉載,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航