体外粉碎肾结石机的首创者

唐耀宗　体外粉碎肾结石机的首创者

◎管喜康

唐耀宗教授

唐耀宗（1928—1992），广东中山人。上海交通大学教授，我国肾结石体外粉碎机的首创者，高电压技术专业的创建人之一。1946年入同济大学电机工程系学。1951年毕业，留校任电机工程系助教。1952年院系调整时调入上海交通大学电机工程系。1955年为筹建高电压技术专业，从电机工程系调至电力工程系，任高电压实验室主任。1954年后历任交通大学电力工程系讲师、副教授、教授，对高电压技术专业的建设做出了杰出的贡献。1978年建成装有3000kV冲击电压发生器和1000kV工频试验变压器的现代规模的高电压实验室，对高电压技术领域的科研活动，发挥了重要作用。20世纪80年代，研究和制造成功的肾结石体外粉碎机，开创了高电压学科与医学等学科融合并获得重大科研成果的先例，在全国各大医院中该肾结石体外粉碎机的疗效达到国际先进水平，该科研项目先后获得1986年国家教委科技进步奖二等奖、1987年国家科技进步奖一等奖、1993年国家教委科技成果推广二等奖。曾任中国电机工程学会高电压技术专委会委员，高电压专委委员，能源部电力类教材编审委员会委员，1977年上海市教育战线先进工作者，1987年上海市先进教育工作者，1989年获全国优秀教师奖。

创建交大第一个高电压实验室

1956年以后，人们行走在今交大徐汇校区科学馆南面或西面的道路上时，有时会突然听到一声雷鸣般的巨响。巨响来自科学馆南面新建的高电压实验室（现已拆除）中一台1000kV冲击电压发生器放电时发出来的响声（雷击声）。冲击电压发生器俗称人工雷发生器，也就是在实验室里模拟天然雷电（即打雷）的装置。

唐耀宗主持了该高压实验室的建设，取得了出色的成果。该实验室里配备了1000kV冲击电压发生器，300kV串级工频试验变压器，和230kV、150kV直流高压发生器等主要的高压试验设备，这是交大有史以来的第一个高水平的高电压实验室。

建国初期，建设高压实验室困难重重。在今天看来，要建设以上电压等级的高压试验设备，轻而易举。但在新中国刚建立不久的20世纪50年代，国内制造高压电器设备的电工制造业，和制造高级电子测量仪器的电子工业的力量还很薄弱。国内还没有这样的高压试验设备的产品，也没有与之相应的测量高电压的测量仪器、装置。这就为当时高压实验室的建设带来很大的困难。要从国外进口成套的类似上面的高压试验设备，价格极其昂贵。在建国初期，外汇极为宝贵，要想从国外进口是不可能的。要等待国内工厂生产出以上高压试验设备，在时间上也是来不及的，唯一切实可行的办法，就是靠自己克服困难，进行建设。

面对如此多的困难，唐耀宗和他的同事们，用两条腿走路的办法，一是向国外订购部分最基本的、必需的元器件和设备；二是充分利用实验室自身的力量和争取国内有关单位的支持。经过一年多的努力，终于以最短的时间和最少的投资，建成了交大有史以来的第一个高电压实验室，当时被交大人称为“奇迹”。

在这个实验室建设中，他们克服了设备和技术上的巨大困难。

如设计了灯丝加热变压器。今天要实现高压整流，可以方便地采用半导体整流器件，可以用高压整流硅堆和高压硅可控整流器件，但在20世纪50年代，还没有出现半导体整流器件，为了实现高压整流，还要使用体积庞大的、玻璃外壳的、电真空的高压整流管。整流管的阴极灯丝还要加热，加热功率通常用专门的灯丝变压器供给。根据整流管阴极的工作状态，阴极可能处于对地很高的电位。因此灯丝变压器两个绕组之间，必须具有极高的高压绝缘性能。当时实验室里除了绝缘等级特别高的230kV的灯丝变压器是向国外进口的外，绝缘等级低一点的灯丝变压器，如75kV的干式灯丝变压器等，由唐耀宗与实验室的技工一起，从当时市场上寻找绝缘材料，自行设计制造，既满足了教学实验的需要，又节省了可观的外汇。

又如，自制了测量铜球。在20世纪的五六十年代，国内外高压实验室里还经常用铜球间隙的放电来测量很高的电压。按照国际电工委员会的标准，要测量1000kV冲击电压发生器产生的高电压，铜球的直径至少要50厘米以上。对铜球的直径精度、表面光洁度等技术参数，也都有相应的规定。当时上海的工厂都无法加工这样的测量用的铜球。唐耀宗与实验室人员几经打听、走访，才联系上一家工厂加工，在克服众多的加工困难后，加工好了50厘米的铜球，还解决了调节铜球间隙的传动装置等一系列问题。对于电气专业出身的人员，面对这些并不很熟悉的机械专业问题，他们不是回避，而是刻苦地去补上一课，自己研究。终于把一对直径50厘米的测量铜球，包括铜球的传动装置，在1956年秋天加工完成，为1000kV冲击电压发生器配，备了重要的测量装置。

为了在高压实验室里测量高低不同的电压，需要用不同直径的铜球。对于直径较小的测量铜球，唐耀宗就与实验室的技工一起，指导实验室技工自行加工制造。在以后相当长的时间里，这位技工以他精湛的技术，曾经帮助国内的一些高压实验室加工了为数可观的测量铜球，为填补国内高压测量铜球的制造空白，做出了积极的贡献，也为这些兄弟实验室解决了高电压测量的技术难关。

冲击电压的测量，特别是冲击电压波形的测量，在20世纪50年代的中国并不是件轻而易举的事情。当时国内没有用以显示、记录单次和微秒级脉冲的特种示波器，甚至连传输冲击电压的高频同轴电缆，国内也无合适的产品，很难在市场上买到这类电缆，所以当时国内有些高压实验室虽然拥有了冲击电压发生器，但在相当一段时间里，无法测量冲击电压波形，从而无法对高压电器的绝缘进行冲击电压试验，其主要问题就是没有测量冲击电压波形的特种示波器和高频同轴电缆等有关的测量器材。

为了解决测量冲击电压用的示波器，唐耀宗花了好多精力，自行试制简化的这种示波器。他利用加速阳极电压不太高的普通示波管，经过试验把原来额定电压为（1500—3000V）的直流加速阳极电压，工作在比（1500—3000V）高得多的短时脉冲电压下，这在一定程度上提高了示波管的瞬时亮度，可以勉强满足显示单次脉冲波形时亮度的需要。当然，由此也产生了单次脉冲信号与示波器的触发、扫描、同步等更多的困难问题。经过多次的试验研究，克服了大量的困难，终于取得了初步的效果，并在1956年校庆的科学报告会上，宣读了研究报告，解决了测量冲击电压的技术难题。

与此差不多的时间里，从国外订购的能够显示、记录单次快速脉冲（微秒级）的示波器到货，示波器的直流加速阳极电压高达20kV，大家在一片欢笑声中用这台示波器拍摄到了第一张冲击电压波形。值得一提的是，当时在国内能拍摄到这样一张冲击电压波形照片的，只有国外援建的极个别高压实验室。所以那时拍摄到的这张冲击电压波形的照片，就显得格外珍贵。这应该归功于唐耀宗有预见地注意到了冲击电压测量中的特种示波器的不可或缺性，不惜用宝贵的外汇订购了这样一台示波器。

20世纪五六十年代，社会上对高电压的应用是很有需求的。除了电力、电工类等有关的单位外，经常有市内外的工厂企业来实验室咨询、讨论与高电压技术有关的问题，要求利用交大的高压试验设备做试验研究。例如，纺织行业的静电纺纱、印染行业的静电植绒、自行车行业的静电喷漆、医疗器械行业中X光机的绝缘问题、广告行业中霓虹灯变压器的绝缘问题、电车公司的电车防雷问题、矿山行业中矿石的粉碎问题等。唐耀宗领导下的高压实验室热情接待，积极配合，尽量满足社会需求，而且不像现在市场经济下事先要签订合同、收取费用，而是完全无偿服务。唐耀宗常常参加到具体的试验工作中去，为了赶试验，取得结果，常常废寝忘食地连续工作。

对外服务的结果，除了为社会做出了一定贡献，扩大了学校的影响外，还锻炼和提高了实验室人员的业务水平，培养出了一支能文能武、动手能力强的实验队伍。唐耀宗等在为社会服务时，曾经用高压脉冲在液体中放电产生的冲击波（也称液电效应）粉碎矿石的试验，该项试验不经意地为以后80年代肾结石体外粉碎技术的科研，提供了原始的“科研储备”。

善于观察和思考　教学上循循善诱

唐耀宗善于观察和思考问题，在教学上对学生循循善诱，在系里是出了名的。尤其是在试验教学中，要求严格，一丝不苟。

每次高电压实验课结束后，做完实验的学生都要把实验数据送交他检查，他对实验数据表示满意后，学生们才可以离开实验室下课。但更多的时候是，唐耀宗还要叫学生们留一下，还要提出问题，考考学生是否仔细观察、思考过？有一次，学生做完试验，他把学生们留下，手里拿着实验指导书，手指指向实验指导书中的实验设备部分，问大家对今天实验所用的实验设备都熟悉了吗？学生们心里想，实验都已经做完了，实验设备也会使用了，对实验设备当然都熟悉了。但也有个别学生总觉得唐老师突然问这样的问题，其中一定有“文章”，不敢轻易作肯定的回答。稍微停顿了几秒钟后，唐耀宗就指着刚才实验用的一台加热高压整流管阴极灯丝用的灯丝变压器问，你们知道这台变压器是做什么用的？你们看过这台变压器的铭牌吗？

对前一个问题，学生都回答是加热高压整流管阴极灯丝用的。对后一个问题，多数学生都没有注意看变压器上的铭牌。唐耀宗就让学生再去看看铭牌。看完铭牌后他又问，变压器初级、次级的额定电压是多少？变压器的额定功率是多少？学生们随即回答初级绕组电压220V，次级电压是15V，额定功率是150W。唐耀宗又问，220V、15V，150W功率的变压器，为什么几乎有一个人高大？这一问把学们生都问呆了。是啊，150W的功率又不算大，收音机里的一台电源变压器算它60W，只是占据收音机里的小部分位置，哪里能够和这台150W的灯丝变压器体积相比啊！

问题就这样被提出来了，经过大家的一番议论，唐耀宗在旁逐步启发，学生们终于明白了，高压整流管阴极灯丝工作所处的最高对地电位可达到230kV。所以变压器的次级绕组必须要考虑到按230kV的对地电压等级绝缘。高压实验室里的灯丝变压器额定功率虽然不大，为什么是个庞然大物的“谜底”也就揭开了。他帮助学生建立了变压器次级绕组的端电压与次级绕组的对地电压两个不同的概念。学生们也由此学习到了课本上从来没有讲解过，又很容易被忽略的高电压技术中很基本的但是极重要的知识。

最后，唐耀宗总结性地告诉学生们，做实验不是简单地带一批数据回去画几条曲线的事情，做实验要注意观察，观察细致了就会发现问题，发现了问题就会引发你去思考、去解决问题。

这就是唐耀宗一贯循循善诱，启发学生思考的习惯，这只是他在一次指导学生实验时，体现出来的一个很普通的例子。

开设课程　编写教材　先声夺人

20世纪50年代，全国教育向苏联学习，高电压技术专业的课程设置，教材内容也都按照苏联的教学模式实施。50年代末期，苏联撤走专家，原来所采用的苏联教材改为我们自己编写的教材，于是，高电压技术教研组接受了编写《高压工程》教材的任务。由裘益钟、雷新陶、唐耀宗、管喜康组成的编写小组迅速成立。唐耀宗负责编写教材中《过电压及其防护》和《电力系统的绝缘配合》两大部分。该教材在1961年由中国工业出版社出版。

除了编写我国自己的教材外，高电压专业的3门传统专业课“高电压绝缘”、“高电压试验技术”、“过电压及其防护”，已经不能适应时代前进的步伐，必须及时在专业的课程设置和课程内容上进行改革。

唐耀宗先后为本专业开设过“高电压试验技术”、“过电压及其防护”专业课和多门短小精悍的“模拟理论”、“大气过电压计算”、“有限元素法计算电场”等专题课程。特别是那些短小精悍的专题课程，都做出过先声夺人的成绩。他结合自己的科研实践，查阅大量国内外文献资料后，为本专业的本科生、研究生开设了这些优秀课程。

用有限元素法计算电场，对唐耀宗来说也是一个完全崭新的知识领域。他不耻下问，参加有关的学习活动，为自己补习离散数学，学习使用电子计算机技术。当时电子计算机技术在学校内还处在普及的阶段，学校里根本没有一台如同现在小学生都会使用的微型计算机，学校仅有的几台电子计算机都是纸带打孔的，集中在计算中心内，要上机还要提前向计算中心申请，要等待安排上机时间。由于申请使用电子计算机的人数多，有时候计算中心不得不把上机时间安排在晚上甚至深夜。当时电子计算机的信息输入靠纸带打孔，速度很慢，唐耀宗不厌其烦地在纸带打孔上花费了大量的时间，对任务繁忙的他来说，深夜上机、手工打孔，都是不小的困难，但他都一一克服了。

改革开放以后，唐耀宗是教研组里参加国际学术交流活动最早、最多的一个。其中包括最早的1980年8月在英国举行的第六次国际气体放电及其应用会议。此后，他多次参加在欧洲、美国等地举行的ISH（International Symposium on High Voltage Engineering，国际高电压技术研讨会），建立了我校高电压技术专业与多国高等院校、科研和学术机构的协作关系，和这些机构的教授、学者之间建立了广泛联系。

唐耀宗在专业的教材建设、专业课程的开设、研究生培养和建立国际学术交流活动方面，都表现出他宝贵的敬业精神和开拓精神。

用高电压粉碎肾结石的神奇发明

1957年，交通大学高压专业迁往西安后，教研室的教学、科研和实验室建设进入了欣欣向荣发展的时期。但为了适应和满足上海、华东地区电力与电工制造业急速发展的需要，1959—1960年，雷新陶、唐耀宗、张嘉祥又奉调返回交大的上海部分，会同原来已在上海的管喜康、黄镜明等，与原来电力工程系发电厂电力网电力系统专业的裘益钟、王祖佑等老师，接受筹建上海交大高电压技术专业的新任务。

新建上海交大的高压专业，必然又要建设一个有一定规模的新高压实验室，作为高压实验室主任的唐耀宗，再一次受命建设上海交大的新高压实验室。

唐耀宗在交大整个高压专业的建设历程中，经历了在上海初创、迁校西安、上海再建的3个历史阶段，他是交大高压专业出生、成长、发展功不可没的杰出的创始人之一。

1964年，曾经有一次建设高压实验室的很好的机会。当时，上海交大获准从哈尔滨工业大学无偿调拨两套价值昂贵的高压试验设备，其中包括2500kV冲击电压发生器和500kV工频试验变压器，这次机会将大大加速再建上海交大高压实验室建设的进程。在1964—1965年，就把庞大的两套设备安全拆运抵上海。只待物色建造实验室的合适地理位置，实验室大厅的土建就可上马。

1966年，“文革”开始，上述高压实验室的建设计划被搁置，错过了一次难得的建立高压实验室的良机。运抵上海的两套高压试验设备，因“文革”缺乏正常的维护保养，为了不让设备的绝缘性能受损，不得不把两套设备从交大无偿调拨给浙江和上海的两个单位，这给全体高压专业的人员一心想建设高压实验室的愿望和积极性以极大的伤害，但是唐耀宗和高压教研组的同事们并没有就此放弃重建高压实验室的筹建工作。有心的人们可能会注意到一个与时间有关的问题，新高压实验室在交大的建成是1978年，而十年动乱的结束是1976年，众所周知，十年动乱期间是不可能开展新实验室的建设工作的。这样合计下来，仅用2年不到的时间，就建成了一个投资巨大的现代规模的高压实验室，这样的建设速度快得令人难以置信。原来，实验室建设的准备工作早在十年动乱的后期就已经悄悄地开始了。

十年动乱期间，由于长时间的停课，教师一直没有教学任务，教师们想可以用这段空闲时间为高压实验室建设做些准备工作。于是，在“下乡、下厂劳动”，“生产劳动与科研相结合”活动中，寻找机会，利用教研组的技术优势，到一些以前与高压技术专业有协作关系的工厂劳动，与他们一起讨论工厂急需解决的一些技术问题，并以此问题与工厂合作，作为双方合作的科研课题，得到了厂方的大力支持。

唐耀宗和同事们这种与工厂的科研协作方式，也是一种创新。学校为工厂企业完成科研项目的回报不是直接以科研经费来计量的，而是用科研项目成果折算，换取我校高压实验室建设必须的高压设备的元件、器件，以至整个高压设备。科研项目的双方在项目完成后，在财务上发生的收支数字大体上是平衡的。在计划经济、“文革”后期的年代，这种科研协作方式，很大程度上是工厂利用合法途径对唐耀宗建设高压实验设备的有力支持，他们获得的这些高压实验设备，也就为此后高压实验室的建设，既赢得了宝贵的时间，又获得了牢固的、重要的物质基础。

唐耀宗提出“先塑菩萨后建庙”。在他的牵头下，大家思想上都有了如何建设高压实验室的共识，或者说建设高压实验室的策略，即先塑菩萨后建庙。“菩萨”者是指安装在高压实验室里的高压试验设备，“庙”者是指安装高压试验设备的实验室建筑物。先不伸手向国家申请建设高压设备的专项经费，而是自力更生地通过科研协作，先期自行落实了这些价值昂贵的高压试验设备后，再向国家申请建设高压实验室的基建项目，这就容易获得各级领导的支持。果然，最后获得了国家的批准。上述的与工厂协作的创新方式，实际上就是陆续地在实现“先塑菩萨后建庙”的策略思想。这也就揭开了新高压实验室能够在1978年很快建设起来的谜底。

由于大家利用时机、团结一致、自力更生、艰苦奋斗，新高压实验室终于在1978年建设起来了。新高压实验室的实验大厅拥有一套3000kV冲击电压发生器和一套2*500kV的串级工频电压发生器。试验大厅的长、宽、高分别为36、24、19米。整个试验大厅是全封闭和全屏蔽的。无论是试验设备的电压参数和相应的测量装置、测量仪器、实验室的土建设计都是一流的，在当时国内外高等学校中也是极具先进水平和现代化规模的高压实验室。

1980年2月，德国正式宣布体外冲击波粉碎肾结石机EM-1研发成功，并公布了临床试用报告。1983年，德国Dornier公司以120万美元/台销售到世界各国。唐耀宗等人获悉德国的体外冲击波粉碎肾结石机与高电压技术有关的消息后，立即跟踪，作了初步调查，得知该项技术的核心是液电效应通过能量会聚形成强脉冲作用于肾结石，导致结石的粉碎。唐耀宗对“液电效应”并不陌生，早在20世纪60年代，在为矿山行业做矿石的粉碎试验时，曾经获得过把坚硬的矿石用液电效应粉碎的经验，即把矿石放在水中，用水中高压脉冲放电的能量把矿石粉碎。但是现在要把该项技术应用到人体上去粉碎肾结石，这里需要探讨和解决的问题还真不少。尽管唐耀宗在高电压技术方面是行家，但对其他学科的知识不熟悉，甚至知之甚少。要粉碎人体内的肾结石，而且又与很高的电压联系在一起，首先想到的是要保证高压脉冲放电时人体的绝对安全。这里就涉及高电压技术学科与医疗技术学科的结合，例如，必须先做动物试验，涉及X光检测、应用计算机在线检测技术等多学科融合的问题。

1978年建成的高电压实验室

唐耀宗充分发挥了他在科研工作中的组织、协调能力，开展与校内外多方面的合作，使该科研项目在技术上得以顺利地开展。但是除了技术问题以外，还急需解决巨大的科研经费问题，为了开展这一项目估计至少需要自筹近百万元的经费，在当时条件下，要得到领导部门大量经费上的支持和资助也是很困难的。前进道路上困难重重，真是创业维艰。唐耀宗到处筹划经费，寻求支持，终于感动了“上帝”，在关键时刻，得到了上海市科委发展基金贷款40万元人民币的支持，解决了当时的燃眉之急。这样靠贷款搞科研，自己承担风险的做法，在当时的年代里是十分罕见的。唐耀宗没有犹豫地接受了基金贷款的风险，充分显示了他对该科研项目具有取得完全成功的信心。

有志者事竟成。经过近2年的努力，由唐耀宗为首的课题组，自主研发的我国第一台肾结石体外粉碎机诞生了。1985年12月29日，在上海医科大学附属中山医院泌尿外科等单位的大力合作和支持下，成功地完成了第一例临床试验，正式宣告我国肾结石体外粉碎技术的研究取得了重大的成功。

1986年1月12日的《上海交大报》首次发表消息，高电压脉冲新技术的新应用：从体外粉碎人体内肾结石自行排出，这是医学上治疗肾结石的一大进展。这条消息披露，1985年12月28和31日，交大高压绝缘学科组为两位肾结石患者进行了成功的治疗，这两位患者如红枣和花生米那么大小的两颗肾结石经过高电压脉冲粉碎后，成粉末状随小便排出，避免了手术取石的痛苦，而且整个治疗过程安全可靠。这一治疗中，电压高达1万8千多伏，所产生的冲击波对人体为什么没有危险？原来唐耀宗等研究者采用了一个巧妙的原理：高电压冲击波通过人体的皮肤和软组织时不产生反射，而遇到坚硬的肾结石则产生反射压力和拉力，致使其被粉碎。这套仪器设备很先进，当病人躺在浴缸式的治疗床上后，由X光机和摄像监视仪将肾结石的大小、部位显示荧光屏上，当肾结石的部位与椭圆反射镜第二焦点重合后，计算机即可发出指令放电冲击，肾结石被粉碎后，荧光屏上的肾结石阴影模糊或消失，表示达到了治疗效果。放电时的声音经过消声装置，只发出比爆炒米花声还轻的声响，同时有心电示波器监视心脏搏动情况，整个治疗过程安全、舒适、可靠，只需一两个小时，放电的时间更短，一般不超过半小时。

在肾结石体外粉碎技术的研究取得重大成功的一片欢呼声中，唐耀宗等没有被欢呼声淹没，他们不负众望地对肾结石体外粉碎技术不断地提高，把肾结石体外粉碎机的科研成果及时地转化为生产力，以满足医院和肾结石患者的需求。他们先后研制成功了JT-ESWL（1）型、JT-ESWL（2）型和JT-ESWL（3）型等多个型号的肾结石体外粉碎机。前两型为水槽式，后者为干式水囊型。这些自主研发的肾结石体外粉碎机价廉物美，其价格仅为国外同类产品的1/10。经过专家鉴定，一致认为其结石粉碎效果及碎石排空率都达到国际先进水平，从而广泛地获得了全国各大医院泌尿外科的好评和欢迎，广大肾结石患者也因此免去了手术取石的痛苦，因而在全国广大医院和广大肾结石患者中赢得了很高的声誉，也为上海交大赢得了很大荣誉。

获得国家科技进步一等奖的肾结石体外粉碎机JT-ESWL（3）型

由于以唐耀宗为首的肾结石体外粉碎的重大成果，国家科委和国家教委给予了他们崇高的荣誉：1985年，“肾结石体外粉碎装置的研究”获国家教委科学技术进步二等奖。1987年，“液电冲击波体外粉碎肾结石技术”获国家科学技术进步一等奖。1993年，“体外肾结石粉碎机的推广应用”获国家教委科学技术成果推广二等奖。

陈亚珠院士是肾结石体外粉碎技术研究项目的主要成员，她与唐耀宗共同研制粉碎肾结石多年，取得了巨大的成功。她说，唐老师在肾结石粉碎机的研究中，表现出超人的才能和坚强意志，他能在一无资金二无技术资料的困难条件下，使肾结石体外粉碎机的研发在国内取得领先地位。唐老师有一句名言：“千方百计就是对解决困难要用一千个方法，一万个计，不能一碰钉子就回头。”事实证明，我们从事任何的研究都会遇到困难，只要用这样的一股劲，很多问题可以迎刃而解，对此我深有体会。

1989年，著名的泌尿外科专家吴阶平院士（中）、唐耀宗教授（右）和陈亚珠教授（左）合影