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超音波乳化術的背後功臣 壓電效應

2018-09-02 16:47聯合報 文╱王孟祺

白內障 超音波縮小傷口

在1967年凱爾曼醫師發明白內障超音波乳化手術前,都是直接將硬化的白內障晶核直接取出,因此患者在手術後都能拿到一顆「內障子」回家做為紀念。但要在直徑約24毫米的眼球,將大小約一公分的白內障晶核取出,所需的傷口大小和眼球對比實在太大,因此術後需縫合,縫線鬆緊也可能造成散光,愈大的傷口除復元愈慢,細菌感染機率也會增加。

因此凱爾曼醫師想到,利用類似牙醫洗牙用的超音波探頭伸入眼前房,將堅硬的白內障粉碎乳化後吸除。如此既可縮小傷口又可加速視力恢復,因此超音波乳化術幾乎就是當今白內障手術的代名詞。

壓電效應 經居禮兄弟驗證

細細的探頭如何發出幾萬賀茲的超音波震盪呢?祕密在於內藏的壓電晶體。最早被發現的壓電物質是俗稱「碧璽」的電氣石,在受到壓力時會產生電能,此現象稱為壓電效應,是機械能和電能互換現象。壓電效應是1880年皮耶居禮與雅克居禮兩兄弟所驗證,其中的皮耶居禮是兩度奪得諾貝爾獎的居禮夫人的先生。除了機械能轉換成電能的正壓電效應外,當在壓電材料上施加電場「電壓」,材料就會產生機械形變,如此把電能轉化成機械能的過程稱為逆壓電效應。

壓電效應發現後並沒有太多應用,居禮兄弟也只是拿來測量鐳元素放射出的電荷。直到第一次世界大戰時德國發明潛艇,為了偵測水面下潛艇活動,開始應用聲納系統,初期是偵測員利用聽筒監聽敵人引擎或螺旋槳的聲音,只能辨別方位但很難知道潛艇距離,後來使用聲波反射原理測量。但是長長的聲波,精確度不高。

圖一 圖╱嘎哩喇賽-Pink
圖一 圖╱嘎哩喇賽-Pink

靠超音波 來定位潛艇位置

出生於法國的朗之萬受教於皮耶居禮,第一次世界大戰期間致力於聲納探測發展。他利用兩片金屬夾著具有壓電效應的石英,製作轉換器偵測水中超音波,利用超音波定位潛艇距離和位置。但他發明成功時,第一次世界大戰已結束。卻開啟壓電物質應用大門。此人與中國物理界發展關係密切,除促成中國物理學會在1932年成立,更在國際聲援抗日活動,南京大屠殺之際還以記者身分拍攝了大量照片,可說是中國的摰友。最令人震驚的是恩師過世後他與師母居禮夫人不倫之戀,造成學界轟動,雖然沒有好結果,但多年後,朗之萬的孫子娶了居禮夫人的孫女為妻。

圖二 圖╱嘎哩喇賽-Pink
圖二 圖╱嘎哩喇賽-Pink

王孟祺 醫師珍世明眼科院長
王孟祺 醫師珍世明眼科院長

壓電材料 廣泛運用醫學中

壓電材料發出的超音波也廣泛運用在醫學中。1920年代首次報告超音波的生物效應,且思考應用在醫學上。1933年超音波加熱被使用在癌症醫療,1942年發明診斷用超音波探頭。1967年,超音波乳化了堅硬的晶核,白內障手術才能在極微小傷口下,完成「三不」手術:不需縫線縫合、注射麻醉劑、包紮患眼,更進一步促進可折疊式人工水晶體及各種高階人工水晶體的設計發展,造福全體人類。

白內障
人工水晶體
超音波

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