当物理结合医学:科学家如何利用「磁场」降低高血压?


编译:林中一

由于自从1900年初起许多常见的疾病都已经可以被治癒,人的寿命大增了20到30年。然而更长的寿命时常不经意的给人类产生了一堆新的负担,特别是对人的心脏。从1930年代起就名列死亡原因第一名的心血管疾病,其完全防治仍然遥遥无期。即使现代医学已经将心脏疾病的致死率由1979年的64%降到2014年的23%,但每4个美国死亡人口之中仍有一个是心脏病发作造成的,而中风也仍是高居现今死亡原因的第五名。

阿斯匹灵长久以来就是做为那些尚未发病的高风险病人避开心脏病发作的处方药,但是依据天普大学(Temple University)物理系的陶荣佳(Rongja Tao)教授,阿斯匹灵的使用是有其极限的:「在目前,许多人藉着吃药来降低血液的黏性,但这会有严重的副作用。从物理学的观点来看,当黏性降低,血液中的湍流会因之而加剧……这会产生对心脏更大的压力……我们需要一种新技术能在降低血液的黏滞性的同时也抑制其中的湍流。」

在美国物理学会三月大会里,陶教授描述了一个暴露在强磁场中的心脏病患的血液是如何能在显着的长时间里持续的保持着被降低后的黏稠度,而伴随着降低的血液黏性的是降低了的血压。这种陶教授用来把血液弄得稀一点的新方式,是汇集了天普大学的医学与物理系的科学家所产生的,这个在与心脏疾病战斗的创新工作显得越来越有优势。

「由于红血球中的铁质对磁场是很敏感的,」陶教授解释道:「所以当我们外加一个平行于血流方向的强磁场时,红血球们会被极化而首尾相吸连成一条短鍊。」陶教授认为这个「磁流变学(magneticrheology)」(MR)技术是有希望能治疗那些有心脏病与中风危险的人。

当物理结合医学:科学家如何利用「磁场」降低高血压?
研究者看到了在照了高磁场之后血压持久的降低。(Photo: R. Tao)

当血球聚集成链时,血液在不同的方向会显现出不同的黏性,这是血流方向与外加磁场方向之间的关係造成的。陶教授指出,若要抑制血流中的湍流,就必须让平行于血流方向的血液黏性变得较低。这样做是能让血流儘量的以层流方式流动,所以对应的作法就是将外加磁场加在平行于一条主动脉的方向。这样也会使得垂直于血流方向的血液黏性较高,进而降低产生湍流的副作用,使得红血球形成的短鍊向动脉的中央靠拢。

「在加入磁场之前,红血球在血浆之中的分布是没有什幺次序的,」陶教授说:「但当你加了一个大约1.3特斯拉强度的磁场之后,红血球就会排成短链……。在实验室里量到的平行于血流(也就是在短链的方向)的血液黏性降低了超过25%,而垂直血流方向的黏性增加了95%──几乎是原来黏性的两倍。」

加进去的1.3特斯拉的磁场大约是地磁强度的百万倍。这在日常尺度而言是个颇强大的磁场,其所带来的效果的确惊人:它在短短的一次4秒钟的疗程里就产生了持久的改变──在较低血液黏性血流方向所增加的红血球带氧量,持续了超过24小时。

有了这些成果,陶教授和他的团队决定调整他们的实验装置以开始初步的临床测试。测试的对象是有高血压的志愿者。在临床的测试中,病患将右臂沿着磁轴方向伸进一具强力电磁铁,这样,前臂的大动脉就会与磁场方向平行。

「我们的结果比预期的还要好,」陶教授以一组疗程之前与之后的实验数据做为例子说明:「一位志愿者在疗程之前的血压为140/99 mm汞柱,然后我们每隔一分钟就量一次他的血压,而10分钟之后,病患的血压降为115/75 mm汞柱。」

这个变化是相当于在10分钟之内由第一期高血压,改善到正常的血压範围。而且测试者在治疗之后8个小时的血压,也只比正常的高了一点点。

「这位志愿参与测试的患者已经有好多年的高血压病史,现在他说『我希望每天早上都能来进行一次疗程!』,」陶教授说:「每一位,百分之百,来做测试的志愿者的血压都在5到10分钟之内下降了10%到20%,而且他们的血球带氧量也都增加了。」

陶教授的学术生涯有很大部分都在研究电流变流体(ER)与磁流变流体(MR)的应用,这个领域的研究在于运用电场与磁场以改变流体的流动。从以输油管输送石油到重写低脂巧克力棒的配方,陶教授在ER与MR的非典型运用上已经为各式的问题开发了创新的门径。

利用磁场成功降低血压的成果,受到美国心脏协会的注意,该协会现正帮助陶教授及其团队去得到官方的批准以进行正式的临床实验。陶教授表示他很期待有一天,心血管疾病的危险群能够不必使用处方药物或是侵入性的手术,只要透过这种类形的物理疗法就能降低他们的血压。

「在这个时刻,这个技术看来还挺棒的……而且从物理的观点来看,我们解决了更大的问题。」

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