蘇靜靜

早期負(fù)壓呼吸機(jī)的大致結(jié)構(gòu)。

中國(guó)人會(huì)用“咽氣”和“斷氣”來(lái)形容死亡，可見(jiàn)呼吸之重要！通過(guò)機(jī)械通氣來(lái)延續(xù)呼吸，徹底改變了人們對(duì)死亡和身體的定義，極大地拓展了醫(yī)學(xué)的邊界。如今，人工呼吸機(jī)已經(jīng)成為搶救危重病人不可缺少的設(shè)備，廣泛地出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)影像之中。在此次新冠肺炎疫情中，人工呼吸機(jī)更是長(zhǎng)期居于熱搜排行榜之首。某些汽車(chē)公司改做呼吸機(jī)，效率令人震驚……其實(shí)這些，歷史上早有前車(chē)之鑒。

認(rèn)識(shí)呼吸有多難

早在公元2世紀(jì)，通過(guò)動(dòng)物解剖，古希臘醫(yī)學(xué)家蓋倫就提出，呼吸是維持人體“生命靈”所必需。在之后的1500年，人類(lèi)對(duì)于通氣的理解和研究幾乎沒(méi)有任何進(jìn)步。直到16世紀(jì)中期，解剖學(xué)之父維薩里通過(guò)人體解剖，為我們揭示了外呼吸的過(guò)程，即將空氣或另一種氣體混合物通過(guò)氣道推入肺部來(lái)促進(jìn)呼吸。

維薩里發(fā)現(xiàn)，用中空材料插入氣管，再吹入氣體，可以促進(jìn)肺部的上升，以促進(jìn)動(dòng)物的生命復(fù)蘇。但是，他并未提出肺的活動(dòng)是維持生命所必需的，也并未認(rèn)識(shí)到氧氣對(duì)于呼吸的重要性。

1670年，約翰·馬約借助膀胱模型進(jìn)行了肺部氣體交換的模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了呼吸生理學(xué)原理。在此基礎(chǔ)上，人們開(kāi)始采用口對(duì)口人工呼吸的方式來(lái)幫助病人復(fù)蘇。1782年，英國(guó)開(kāi)始使用風(fēng)箱通氣來(lái)輔助人工通氣，這一方法在國(guó)際上暢行了40多年。但風(fēng)箱的使用缺乏控制性，不能根據(jù)患者的具體特征，如體型、重量等進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用不當(dāng)會(huì)造成氣胸等嚴(yán)重后果。風(fēng)箱的方法逐漸失去支持與信任，并最終在1837年左右停止使用。

可見(jiàn)，早期的機(jī)械通氣方式主要是正壓通氣，但由于技術(shù)條件和認(rèn)知水平的限制，正壓通氣發(fā)展非常緩慢，甚至還出現(xiàn)過(guò)一定程度的倒退。

形形色色的呼吸機(jī)

在17世紀(jì)～18世紀(jì)，許多醫(yī)生仍然認(rèn)為人體失去知覺(jué)是因?yàn)槿狈Υ碳ぃ⒉捎煤芏啻碳ば缘姆椒▉?lái)促使病人復(fù)蘇，例如鞭打病人、倒掛病人等。不過(guò)，化學(xué)家拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了氧氣對(duì)于呼吸的重要性。他的發(fā)現(xiàn)使得人們對(duì)于口對(duì)口人工呼吸法的有效性產(chǎn)生了質(zhì)疑，以為人呼出的氣體經(jīng)過(guò)肺部循環(huán)已經(jīng)缺乏氧氣，對(duì)病人的呼吸復(fù)蘇沒(méi)有用處了。

從約翰·馬約發(fā)現(xiàn)外部負(fù)壓通氣的原理，到1832年，Daiziei設(shè)計(jì)出一款負(fù)壓呼吸機(jī)，讓病人坐在密閉的箱子中僅露出頭頸部，醫(yī)生通過(guò)在箱外操縱內(nèi)置于密封箱的風(fēng)箱產(chǎn)生負(fù)壓實(shí)現(xiàn)通氣。相似的裝置也可見(jiàn)于1864年Alfred Jones發(fā)明的身體封閉裝置，同樣也是通過(guò)活塞控制箱內(nèi)的壓力來(lái)促使病人呼吸，但大多不具有臨床上的可行性。直到1876年，Alfred Woillez發(fā)明了名為“spirophore”的負(fù)壓呼吸機(jī)，并正式用于救助溺水者。

Alexander Graham Bell在19世紀(jì)80年代發(fā)明的“真空夾克”，是一種帶有手動(dòng)風(fēng)箱的封閉式胸甲。這是一種類(lèi)似貝殼的裝置，緊緊地綁在胸部上，泵在胸部產(chǎn)生真空，迫使患者呼吸。

1919年，杜蘭大學(xué)的Felix P.Chillingsworth和Ralph Hopkins成功發(fā)明了一種可以適用于狗的體積描記器。該機(jī)器通過(guò)一個(gè)產(chǎn)生壓力節(jié)律變化的電動(dòng)泵來(lái)生成通氣。如果該裝置采用頸部密封完全加壓，就可以作為呼吸機(jī)使用。

愛(ài)默生改進(jìn)后的“鐵肺”。

“鐵肺”誕生

1926年，紐約聯(lián)合天然氣公司從員工的人身安全考慮，成立了復(fù)蘇研究委員會(huì)。在委員會(huì)成員、哈佛大學(xué)生理學(xué)教授Cecil K.Drinker的建議下，委員會(huì)同意資助他的兄弟、哈佛大學(xué)研究工業(yè)衛(wèi)生的Philip Drinker及其同事5000美元，支持他們進(jìn)行人工復(fù)蘇的研究。

他們?cè)噲D通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證負(fù)壓通氣的可行性：如果受試者無(wú)法獨(dú)立呼吸，那么增加和降低盒子的壓力會(huì)引起呼吸。他們給貓注射了南美箭毒，以產(chǎn)生全身肌肉松弛的狀態(tài)，然后把貓放在帶有頸環(huán)的密封鐵盒中，使其處于完全加壓的環(huán)境中，并用手動(dòng)活塞手動(dòng)控制壓力。實(shí)驗(yàn)表明，在密封環(huán)境中，可以通過(guò)控制壓力誘發(fā)呼吸。

實(shí)驗(yàn)成功后，二人又獲得了2000美元的額外資助，將研究進(jìn)一步擴(kuò)展到更大規(guī)模的設(shè)備，針對(duì)人體進(jìn)行研究。如圖所示，這款“鐵肺”的尺寸可容納所有類(lèi)型的患者，從小孩到身高2米的成年男子。使用呼吸器時(shí)，患者仰臥平躺，頭部躺在箱體外側(cè)的架子上，脖子處有一個(gè)密封橡膠圈以維持加壓環(huán)境。

在成功測(cè)試人工呼吸機(jī)之后，紐約聯(lián)合天然氣公司從哈佛購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)可操作的Drinker呼吸機(jī)，并將其捐贈(zèng)給貝爾維尤醫(yī)院。很快，這臺(tái)呼吸機(jī)就挽救了一條生命——一位因意外吃藥而失去知覺(jué)、停止呼吸的患者。1929年，Philip Drinker和兒科醫(yī)生Charles F.McKhann發(fā)表了重癥脊髓灰質(zhì)炎患者使用“鐵肺”長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行人工呼吸的案例報(bào)告。他們?cè)噲D在必要時(shí)用呼吸機(jī)來(lái)輔助脊髓灰質(zhì)炎患者恢復(fù)正常呼吸。他們的研究發(fā)現(xiàn)，人工復(fù)蘇方法無(wú)法保證必要的氧氣交換，且不能長(zhǎng)時(shí)間使用。

挽救“幸存者”

有學(xué)者認(rèn)為，“鐵肺”取得成功的原因在于美國(guó)的電力供應(yīng)、脊髓灰質(zhì)炎大流行和工程師對(duì)工藝的改善。

20世紀(jì)上半葉，在美國(guó)和其他工業(yè)國(guó)家，每年6月～9月都會(huì)準(zhǔn)時(shí)發(fā)生大規(guī)模的脊髓灰質(zhì)炎流行。1915年～1945年，每年發(fā)生的病例都超過(guò)1500例。其中有至少一半的年份，病例超過(guò)5000例。據(jù)記載，1916年～1917年，美國(guó)暴發(fā)了世界上最嚴(yán)重的脊髓灰質(zhì)炎流行，全國(guó)共發(fā)生病例27000例，6000人死亡;僅紐約市就有病例9000多例，其中大多數(shù)是兒童。此病又稱(chēng)“小兒麻痹癥”。

脊髓灰質(zhì)炎的流行引起了極大的恐慌，患者一旦確診就意味著毫無(wú)希望、無(wú)藥可醫(yī)，原因還不明。人們將它歸罪于夏季水果、冰激凌、糖果、結(jié)腸中的蛆、昆蟲(chóng)、污水、垃圾、灰塵、有毒的毛蟲(chóng)、腐敗發(fā)霉的面粉、被污染的奶瓶，甚至是被鳥(niǎo)蛛污染過(guò)的香蕉。也有人建議父母不要與孩子親密接觸，認(rèn)為這種病可以通過(guò)打噴嚏、咳嗽、吐痰和親吻傳播。疑似攜帶者的貓、狗一律被放逐或殺戮，公共場(chǎng)所一律關(guān)閉或禁止出入，移民家庭遭到指責(zé)和孤立。整個(gè)夏天，為了控制這場(chǎng)神秘的疾病，每座城市都飄散著消毒水的味道。

1921年，當(dāng)時(shí)美國(guó)民主黨內(nèi)政治新星、后來(lái)連任四屆美國(guó)總統(tǒng)的富蘭克林·德拉諾·羅斯福也染上了脊髓灰質(zhì)炎。羅斯?；盍讼聛?lái)，但終生都在與疼痛和殘疾做斗爭(zhēng)。感染脊髓灰質(zhì)炎病毒的結(jié)果因人而異。有的患者會(huì)出現(xiàn)頸部和背部僵硬以及肌肉無(wú)力。這些癥狀是中樞神經(jīng)系統(tǒng)遭到破壞的結(jié)果，而且這種破壞是永久性的，并會(huì)引起麻痹。有些重癥脊髓灰質(zhì)炎“幸存者”由于呼吸肌癱瘓，存在嚴(yán)重的呼吸和吞咽困難，命懸一線(xiàn)。

對(duì)有些患者來(lái)說(shuō)，“鐵肺”可提供暫時(shí)的幫助，讓他們有時(shí)間恢復(fù)呼吸肌的功能。還有一些患者，一生都在充滿(mǎn)恐懼和孤寂的機(jī)器中度過(guò)。

共享挽救生命的技術(shù)

疫情期間，為了應(yīng)對(duì)大批兒童患者造成的呼吸機(jī)短缺，Drinker和Roy嘗試改用相對(duì)方便、廉價(jià)的家用和五金店材料來(lái)加工應(yīng)急呼吸機(jī)，以增加“鐵肺”的產(chǎn)量，包括用汽車(chē)內(nèi)胎代替橡膠套圈，用普通真空泵作為壓力泵等。這種呼吸機(jī)只能容納小孩，僅限緊急情況下使用。

1931年，約翰·黑文·愛(ài)默生通過(guò)改善與患者的接觸改進(jìn)了Drinker的設(shè)計(jì)。他使床可以滑入和滑出柜子，并在側(cè)面增加了舷窗，以便在不損失氣壓的情況下接觸患者。

Drinker和哈佛大學(xué)認(rèn)為，愛(ài)默生呼吸機(jī)與原始呼吸機(jī)太相似，因此起訴愛(ài)默生侵犯其專(zhuān)利。在法庭上，愛(ài)默生的律師證明，Drinker使用的所有技術(shù)已經(jīng)存在，因此無(wú)法申請(qǐng)專(zhuān)利。愛(ài)默生勝訴，法官還同意愛(ài)默生的觀點(diǎn)，認(rèn)為挽救生命的技術(shù)應(yīng)該由所有人共享。

“鐵肺”具有十分明顯的缺陷，比如病人護(hù)理難度大、設(shè)備昂貴、占地面積大、適用范圍窄、病人死亡率高等。幾年后，Drinker呼吸機(jī)的進(jìn)一步改良版——Both呼吸機(jī)誕生。

1937年，澳大利亞暴發(fā)脊髓灰質(zhì)炎流行，考慮到從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)輸?shù)某杀具^(guò)高，南澳大利亞衛(wèi)生部找到了生物醫(yī)學(xué)工程師Edward Both。Both呼吸機(jī)由膠合板制成，不僅造價(jià)低，而且易于建造和運(yùn)輸，從生產(chǎn)到使用可以控制在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)。莫里斯汽車(chē)公司創(chuàng)始人納菲爾德勛爵就責(zé)令自己的汽車(chē)工廠生產(chǎn)了大約1700臺(tái)Both呼吸機(jī)，捐贈(zèng)給世界各地的醫(yī)院。

多種樣式的負(fù)壓呼吸機(jī)。