光学显微镜简史及手术显微镜的发展

微尘QL 2016-12-13

展开全文

一、光学显微镜简史

1、从放大镜到微生物学诞生

我们儿时去小溪边玩耍，就可以发现，在安静清澈的水池里，石头看起来比在空气里看着大。可以猜测，人类很早就观察到了凸透镜放大现象，只是无法解释。有记载的人类开始刻意利用这种放大现象，可追溯到公元前1世纪的罗马：古罗马暴君Nero的老师Seneca记录了“信件上的字无论多小，透过一个装满水的玻璃球瓶都会变得很大，被清晰看到”。直到公元13世纪，人们才开始有意识地磨制镜片，用于生活中。一份佛罗伦萨1299年的手稿记录了“凸透镜可帮助那些视力欠佳的老年人”。

如果不用考虑放大倍数，把显微镜定义为“具有放大作用的镜片组”，即至少是两个镜片的组合，那么人类第一台显微镜诞生于1590年（图1），发明者是两位整天与透镜打交道的眼镜商父子眼镜商Zacharias Lipperhey和Hans Janssen(图2)。为什么是两个人？因为根据记载两人当时都同时拥有这样的显微镜，但究竟谁先造出来无据可查。

图1. 世界第一台显微镜

图2. ZachariasJanssen (1558 - 1638)和Hans Lipperhey(1570 - 1619)

很多人都知道，意大利著名的科学家伽利略(Galileo Galilei)独立制作并改进了望远镜（第一台望远镜也是由荷兰人在1609年发明，1年后伽利略听闻此事，才开始自己制作）。他把自己发明的显微镜反过来看，发现“苍蝇看起来和母鸡一样大”——他就这样意外地改进了显微镜（图3）。对于这种“随便玩玩”就能完成一件载入史册之事的伟大人物，笔者只能说一个字：服！

图3. 伽利略(1564.2.15– 1642.1.8)肖像画以及他改进的显微镜

25年后，伽利略在罗马林琴科学院（Accademia dei Lincei）的同事Giovanni Faber以希腊语为词根发明了microscope一词，他感兴趣的领域是植物学、医学和解剖学。

再次回到荷兰，接下来要介绍的是一名17世纪的亚麻布商：列文虎克(Antonvon Leeuwenhoek)（图4）。

图4. Anton vonLeeuwenhoek (1632.10.24－1723.08.26)及其家乡荷兰的Delft市

1648年，16岁的列文虎克到阿姆斯特丹一家布店当学徒，20岁时回代尔夫特(Delft)做个体户，用放大镜鉴定麻布品质是亚麻布商的基本技能。中年以后被代尔夫特市长指派做市政事务工作，这份工作收入不少且很轻松，于是他有了充足的时间、精力和财力去做自己喜欢的事情。列文虎克对显微世界非常感兴趣，这使得他有强大的动力去改进自己熟悉的放大镜。

列文虎克做出了当时最强的“显微镜”。如果按照前文的定义，他做出的只是一个放大能力超强的放大镜，因为他的“显微镜”的光学部分只是一个直径2~4mm的透镜，而非透镜组（图5），但由于曲率很大，该镜片可将物体放大近300倍。而且，这个放大倍率称霸了一个世纪。

Delft市有一个湖，湖水四季颜色不同，这引起了列文虎克的兴趣。透过他的显微镜观察湖水样本（图5），他看到了很多在活动的小生命，这是新发现！1674年，他把观察结果描述并绘图寄给伦敦皇家学会。皇家学会拥有自己的显微镜，却从未观察到类似的东西，因此，对这位未接受过正规教育的生物学门外汉，皇家学会的多数科学家们认为其观察结果不可信。列文虎克的信件和资料至今完好保存在伦敦皇家学会，向世人证明他是观察到单细胞生物的第一人——尽管列文虎克当时只认为他看到的东西是微缩版的动物，没有意识到这是生命的最基本单位。

图5. 正在透过显微镜观察的列文虎克及其制作的显微镜

尽管多数会员不相信，伦敦皇家学会还是把资料送到了他们当时最富盛名的会员——以严谨著称的科学家胡克(Robert Hooke)那里（图6）。对，就是那位发现了“胡克定律”的人。对于显微镜，胡克的贡献是引出了焦距粗调、微调以及球窝关节。胡克自己也有显微镜，并且颇有研究，也从未观察到类似的东西，但胡克没有因此否定列文虎克的发现，对于两人不同的观察结果，他认为有两种可能：（1）自己的显微镜放大能力不及列文虎克的；（2）荷兰的湖水不同于英格兰的。只有排出了第一种可能，讨论第二种可能才有意义。于是胡克开始奋力改进自己的显微镜，最终证明列文虎克是正确的，而且发现英格兰的湖水里也有这些小生命。特别值得一提的是，胡克出版了人类第一本微生物学著作，在该书中他首次引入了’cell’一词，微生物学由此诞生。1680年，列文虎克成为伦敦皇家学会会员，与胡克成为同事。

图6. RobertHooke (1635-1703)及其发明的显微镜

列文虎克一生制作了超过500枚镜片，制作的“显微镜”超过400个，如此高产，制作的镜片和显微镜又如此精细强力，人们以为列文虎克的业余生活应该是在日夜不停地磨制镜片。但列文虎克从未和别人分享自己制作镜片的方法，“列文虎克镜片”之谜也一直吸引着世界各地的光学爱好者。直到250年后（上世纪五十年代）真正的“列文虎克镜片”才通过美国人之手再次人间显现：其实，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉，拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴“小扁豆”，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。

2、显微镜史上的划时代人物：卡尔·蔡司

前面提到的人都是在业余或兼职尝试显微镜的研究和改进，接下来要介绍的，是一位德国人，他一生都致力于制造出更好的显微镜，以他名字命名的公司不停地书写着光学显微镜历史。他就是大家熟悉的卡尔·蔡司(Carl Zeiss)（图7）。

图7. Carl Zeiss (1816.911 – 1888.12.3)肖像及他逝世100周年时德国发行的纪念币

1846年，蔡司从耶拿大学毕业。1847年开始全职做显微镜，并招收学徒。1848年在耶拿创办显微镜工厂，是当今蔡司集团的前身。1857年其工厂的第一台复式显微镜Stand I 投入市场，出色的性能，使该产品获得1861年图林根工业展览会金奖。1866年，蔡司卖出了第一千台显微镜，可他并未因此止步。

尽管显微镜此前在不断获得改进，但图像球面化及色差问题一直没有得到彻底解决。

1872年，物理学家阿贝(Ernest Abbe)（图8A）以研究导师的身份加入蔡司。他们联合制作出的复合式显微镜是现代所有复合式显微镜的始祖。根据阿贝发现的阿贝方程(Abbé's equations)，透镜的性能是可以预测的，工人们可以根据具有高度执行性的设计去磨制镜片和制作显微镜，蔡司公司由此成为第一家可以批量生产高品质显微镜的厂商。两人合力发现了“阿贝正弦条件”(Abbe sine condition) ，满足该条件的显微镜可以突破一般可见光理论上的极限，极大提高显微镜的性能，但他们一时找不到满足条件的玻璃。

1879年，阿贝认识了施奥特(Otto Schott)（图8B），一位刚得到博士学位的玻璃化学家。通过合作，他们于1886年生产出了能满足阿贝正弦条件的新型玻璃，色差问题由此解决，新一代显微镜诞生（图8C）。耶拿玻璃也因此成为世界上最有名的玻璃。

图8. (A) ErnestAbbe ()；图8(B) Otto Schott ()；图8(C)蔡司公司早期生产的复式显微镜。

1888年，卡尔·蔡司辞世，但以他名字命名的公司仍在继续创造历史。

那时候，显微镜的最佳照明是自然平行光。如果用人工光源（灯泡）照明，最终的成像会出现灯泡轮廓。1893年，27岁的柯勒(August K?hler)（图9）发表了他为显微照相设计的照明方法，随后他加入蔡司公司，贡献出其照明系统。直到今天，柯勒照明(K?hler illumination)（图9）依旧是显微镜的最佳照明设计。

图9. August K?hler(1866.3.4 – 1948.3.12)及其设计的显微镜照明系统

也是在1893年，蔡司公司发明了双目显微镜，这为人们去思考如何获得立体成像显微镜提供了可能。

1896年，阿贝结识了格里纳芙(Horatio S. Greenough)，一位美国生物学家。他们谈到了各自的本行，格里纳芙希望拥有立体成像显微镜，两人都认为这是可以实现的。格里纳芙为阿贝画了一张极具吸引力的草图。1897年伊始，格里纳芙的发明成为蔡司的一个产品。这就是立体显微镜，也就是我们现在常用的体视镜或解剖镜（图10）。

图10. 立体显微镜原理图（带分光镜和拍照接口）

1930年，荷兰物理学家Frits Zernike在用反射光栅做实验时观察到光的相位。他遂与蔡司公司合作，致力于将这一现象应用于显微镜。1936年他们研制出第一台相差显微镜原型。这一技术避免了化学染色对细胞的影响，从而使得对活体细胞观察成为可能。

3、其他人的贡献

除了蔡司，当今世界还有一家公认的顶级手术显微镜生产商——徕卡(Leica)，其历史同样久远。不难猜到，徕卡对光学显微镜的发展亦有重大贡献。

1849年，徕卡公司的前身生产出第一台工业用显微镜，1872年，发明并生产出第一台偏光显微镜。目前荧光显微镜在基础研究和手术室中都发挥着非常重要的作用。世界上第一台荧光显微镜于1876年出现，制造商也是徕卡公司的前身。

二、手术显微镜的出现和发展

1、早期探索

放大镜很早就有，第一个应用放大镜来辅助手术的外科医生已无法考证。1876年，眼科医生Edwin Seamisch制作了第一副辅助手术的配戴式放大镜，这类放大镜有个专门的英文单词：Loupes（图11），放大倍数只有2~8倍，而现今显微镜的放大倍数是2~20倍。现在仍有医生在使用配戴式手术放大镜。

图11. 配戴式手术放大镜

显微镜诞生后，当然也会有人尝试把他应用到手术中。1921年，辅助手术的显微镜由瑞典卡罗林斯卡医学院的耳科医生Carl Nylén（图12）引入耳科，他当时只有30岁。其灵感来自Maier和Lion发表的观察研究：利用蔡司的解剖显微镜观察鸽子内耳内淋巴的流动。Nylén虽然年轻有为，但他对改进手术显微镜和发展显微外科的兴趣并不长久。他后来成为了Upsala大学的主席，他业余热爱打网球，曾代表瑞典参加奥运会的男双比赛。

图12. CarlNylén (1892–1978)及其设计的耳科手术显微镜

Nylén的科主任Gunnar Holmgren（图13）则没有止步，通过与蔡司公司合作，他于1922年将双目显微镜引入耳科手术。当时的手术显微镜有以下几个主要问题：（1）重量大，只能固定到坚硬的骨头上，这种固定限制了显微镜的活动，而手术需要有灵活的观察角度；（2）当时的手术显微镜视野只有6-12mm；（3）最好能有共轴光源；（4）改变放大倍数必须伴随着物距的改变，物距常常太小而影响手术操作。Holmgren预言：上述问题终将被解决！当时的很多医生认为这是天方夜谭。

图13. GunnarHolmgren (1875–1954)

2、通用型手术显微镜的诞生和改进

第二次世界大战期间，蔡司公司遭受重创，战后很快浴火重生，开始动手书写手术显微镜的历史。

1952年，蔡司公司的设计师Hans Littman在改进耳科手术显微镜的过程中解决了改变放大倍数必须改变物距的问题。1953年，Hans Littman设计的OPMI 1 (Operating Microscope Number One)（图14）问世，Holmgren的预言实现了！虽然这台显微镜是为中耳手术设计的，但仍被认为是通用型显微镜的鼻祖。

图14. 世界第一台通用型手术显微镜OPMI1

J.J.Barraquer是一名眼科医生，他先尝试把耳鼻喉科用的蔡司手术显微镜引入眼科手术，然后和Littman合作改进眼科手术显微镜。1955年，与蔡司公司合作研制出第一台天花板悬挂式显微镜，同年，研制出第一台配有电视显示的显微镜。

自第一台手术显微镜诞生，其主要使用者一直是耳鼻喉科和眼科医生。美国南加州大学的神经外科医生Theodore Kurze（图15A）在观看了著名耳鼻喉科医生William House（人工耳蜗植入的先驱）的手术录像后，有了将显微镜应用到神经外科手术的想法。他先在实验室进行了充分的试验，终于在1957年应用显微镜切除了一名5岁患者的面神经鞘瘤（也有说法是颞骨下经内耳道入路切除听神经瘤）。1960年，依靠一位三叉神经痛患者的捐赠，Kurze建立了世界上第一个颅底显微神经外科实验室（图15B）。此外，应对无菌原则，Kurze设计了手术显微镜的第一张“布套”（图15C）。

图15. A: TheodoreKurze (1922.5.18 - 2002.5.10)；B: Kurze建立的颅底显微神经外科实验室；C: Kurze设计的手术显微镜布套。

1958年，神经外科医生RaymondDonaghy（图16）克服了上级的不理解及经费上的困难，在美国佛蒙特州(Vermont)伯灵顿(Birlington)市建立了全世界第一个显微神经外科研究和训练实验室。两年后，伯灵顿市的另一个人Julius Jacobson（图17）创造了显微血管外科史上的里程碑式成果。

图16.Raymond Donaghy (?)

图17. JuliusJacobson (1922 – 2003.3.8)

1960年，吻合狗颈外动脉（3.0mm）遇到困难的JuliusJacobson和同事Ernesto Suarez医生在实验室走廊的角落里发现了一台OPMI 1显微镜于是他们决定尝试在显微镜下手术，以提高颈动脉的通畅程度。结果令人兴奋不已，颈动脉吻合术的每一个操作步骤都能精确地完成（图18）。

图18. Jacobson和Suarez不用（上）和用（下）显微镜进行狗颈外动脉端端吻合的结果对比

外科手术大多需要助手，于是Jacobson希望能有双人双目的手术显微镜。他先联系了美国的显微镜厂商，但本土厂商均不感兴趣。于是他又联系蔡司公司，多次书写光学显微镜历史的Hans Littman立刻从德国飞到美国会见Jacobson。不久后，迫不及待的Jacobson从美国飞到德国的蔡司工厂，看到了上市前的世界第一台双人双目显微镜鼻祖： diploscope（图19）。

图19. Jacobson与蔡司公司合作设计制造世界第一台双人双目显微镜：diploscope

也是在1960年，纽约州大学眼科医生Richard Troutman把蔡司的手术显微镜装在一把特制的“椅子”上（图20），从此电动和液压控制被引入手术显微镜的移动和固定系统。

图20. RichardTroutman改进的手术显微镜

“显微神经外科之父” Gazi Yasargil（图21A）和将双极电凝改进引入神经外科的Leonard Malis（图21B）对改进手术显微镜亦有贡献。早期的手术显微镜变换物镜观察角度和位置时显得非常笨拙，而且时间长了容易移位。Malis最先提出重力抵消平衡法(counterbalance)，70年代，Yasargil团队与Contraves公司合作，耗时5年，应用重力抵消平衡法攻克该难题，并在每个关节装上电磁闸，显微镜的活动灵活性大大提高。