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感谢他们,发明了伟大的呼吸机

日期:2020-04-11 来源:短史记 编辑:历史君 阅读:

​在这个春天,“呼吸机”已是一件人人皆知的伟大的医疗设备。

说一下呼吸机是如何发明的。

与呼吸机相近的设想,至晚可以追溯到安德烈亚斯·维萨留斯(Andreas Vesalius)。维萨留斯是近代人体解剖学的创始人。1543年左右,他在论文里描述了这样一种治疗方法:

“为了使动物恢复生命,必须在气管主干上切口,在其中插入芦苇或者甘蔗管,然后将气吹入。”

遗憾的是,因为对“人为什么要呼吸”、“为什么脉搏会消失”之类的问题尚缺乏正确认知,这种治疗方法在此后的数个世纪里,并没有得到重视。直到拉瓦锡发现了氧气在呼吸中的重要性。

Andreas Vesalius

世界上的第一台呼吸机,是美国人阿尔弗雷德·琼斯(Alfred Jones)1864年发明的。这是一种“负压呼吸机”。简单说来,就是让患者坐进一个密闭的箱子里,头部裸露在外,然后在患者的身体周围,制造高低气压,来填补本该由膈肌引起的呼吸运动。在琼斯之前,英国医生约翰·达齐尔(John Dalziel)在1838年也构想过相似的机器。

这种机器的大致结构,如下图所示:

Alfred Jones发明的呼吸机

 

1876年,法国人尤金·沃耶兹(Eugene Woillez)设计了一种叫做“Spiroscope”的负压呼吸机,它用一个罐体将人的身体全部包裹起来,仅以可调节的橡胶项圈让头部留在外面,患者的胸部放置有一根垂杆,操作者可以通过垂杆的上升与下降,来观测患者胸腔的膨胀与收缩状况。

 

沃耶兹放弃为该项发明申请专利。他说自己的理想是这种机器可以遍布塞纳河两岸,让所有的溺水者都可以得到及时的救助。但因救治溺水者的效果不佳,该发明未能得到推广。

 

Eugene Woillez发明的“Spiroscope”

 

自19世纪后半期至20世纪上半期,负压呼吸机诞生了许多样式。下图是其中比较著名的几种。它们的特点分别是:(1)利用蒸汽;(2)专供婴儿使用;(3)患者可在机器内自行操作;(4)患者的颈部与四肢获得了自由。

 

负压呼吸机的多种样式

 

上述负压呼吸机有一个共同缺点,那就是医生很难对患者进行护理,尤其是无法对患者实施手术。为了解决这个难题,1908年,美国人彼得·罗德(Peter Lord)设计了一款可供医生、护士进出的“呼吸室”。但这种“呼吸室”实在太过庞大,一般医院无法配备。

 

其大致结构,如下图所示:

 

Peter Lord设计的呼吸室

 

负压呼吸机在近代的大规模使用,与对抗脊髓灰质炎疫情有直接关系。

 

脊髓灰质炎是一种由病毒引起、存在了千年之久的传染病。1900年前后,该病在欧洲与美国出现集体性爆发,随后的10年时间里,又传播到了澳大利亚和新西兰。感染者会出现四肢疼痛、膈肌无力,难以正常呼吸等症状。

 

为了帮助脊髓灰质炎患者维持呼吸,1928年,菲利普·德林克(Philip Drinker)与路易斯·肖(Louis Shaw)合作发明了一种新的负压呼吸机“铁肺”(Iron Lung)。这种机器可以帮助患者持续正常呼吸几个小时乃至几天。

 

德林克发明的“铁肺”,是这个样子的:

 

Philip Drinker与Louis Shaw发明的“铁肺”

 

1930年代是脊髓灰质炎全球肆虐的时代。当时的医学对这种疾病的认知还相当有限,误以为它是一种主要经由空气传播的疾病,病毒可以通过鼻咽进入人的体内(实际上主要是粪口传播)。传播机理判断错误,又没有特效疫苗,这种情况下,使用呼吸机来维持生命正常运转,进而自愈,就成了脊髓灰质炎患者最重要的希望。

 

这期间,许多医生与工程师,比如詹姆斯·威尔逊(James L. Wilson)、约翰·艾默生(John Haven Emerson),都加入到了改进“铁肺”的工作当中。威尔逊与德林克合作,改进了“铁肺”的箱体。艾默生改善了“铁肺”的功能,不但增加了气密的透明圆顶,还使得医生可以打开箱体对患者进行紧急护理,便利了抽血与临床观察,制造成本也下降了一半(当时的售价是1000美元)。艾默生没有给自己的设计申请专利,因为他希望让更多的人可以用得起该设备。

 

下图是艾默生改进的铁肺:

 

图:John Haven Emerson改进的铁肺

 

中国第一次见识到“铁肺”,是在1937年。

 

这一年,一位做环球旅行的美国年轻人“施拿脱”,在从上海前往北平的途中,感染了某种疾病,全身肌肉僵化难以呼吸,被送至北平协和医院,恰好该院有新引进的“铁肺”。经过一番医治,“施拿脱”的病情有所好转,又连人带“铁肺”从北平来到上海,计划乘轮船返回美国。上海媒体追踪这一新奇事物,做了许多报道。

 

下图是上海《良友》杂志对此事的整版报道。可以清楚看到,这款“铁肺”是经艾默生改进后的版本。这种铁肺出现后,其他同类原理的负压呼吸机,基本上就消失了。“铁肺”能够在1930年代-1950年代被医院广泛应用,艾默生的改进至为关键。

 

《良友》杂志对“铁肺人”的报道

 

当年中国的医学媒体,对这款“铁肺”的原理和样式,已有相当准确的描述:

 

“所谓铁肺,记者向医学家方面探得详情,据云,此项铁肺,即名‘呼吸器’,在我国医院中有此项设备者,虽创闻,但在西洋各国,并不足奇,其效用即以电力推动肌肉伸缩,而使肺部起呼吸运动,以是保全患瘫痪病者之生命,其构造乃系一种钢与玻璃合制之箱型圆筒,阔四十四寸,高上七十四寸,重一千一百磅,二侧有洞,顶上开一大洞,病人即仰卧箱内,其头部则伸出箱外,洞之四周复绕以海绵橡皮圈,藉以避免病者头部受苦,更可以使箱中气压不致外泄。……每分钟十五次,病者即赖以帮助呼吸而维持生命。”(《光华医药杂志》第四卷第八期)

 

遗憾的是,尽管中国也是脊髓灰质炎的重灾区,但“铁肺”并没有在中国流行开来。在之后的十余年间,1937年的“铁肺人”新闻越传越玄,离科学越来越远,成了大众媒体笔下的一种奇闻怪谈。人们津津乐道的,是“铁肺人在铁肺中生存了十余年不死,且已结婚生子”之类来历不明的胡言乱语。

 

1949年《珠江报》刊登的“铁肺人传说

 

1952年,美国爆发了史上最严重的脊髓灰质炎疫情。有报道的病例达到了5.8万余例,其中有3145名患者死亡,21269名患者不同程度出现身体瘫痪。“铁肺”呼吸机广泛用于这次疫情,挽救了许多人的生命。少数人选择在“铁肺”中走完自己的一生,最著名的是Martha Mason博士,她生于1937年,11岁患上了脊髓灰质炎,在“铁肺”中生活了整整60年,2009年去世。她留下了一本回忆录,叫做《呼吸:铁肺中的生命节奏》(Breath: Life in the Rhythm of an Iron Lung)。

 

下图是美国加利福尼亚州的某脊髓灰质炎专用病房,拍摄于1953年。

 

1953年,美国某脊髓灰质炎专用病房

 

同期的中国,也于“卫生大跃进”中发明了一种“土制铁肺”,由一件内侧装有气囊的背心、一个鼓风的皮老虎和几根气管组成,具体样式如下图。这种呼吸机的使用方法是:“以帆布背心迅速套在病人身上,扣好纽搭,用足踏皮老虎,以每分钟18-20次的速度一踏一放,……以达到人工呼吸之目的。”

 

发明者承认,它很粗糙,不如国外的“铁肺”精致美观;需要患者自己用脚踩踏,也不如“使用电力自动的方便”。也没有资料表明这种土制铁肺得到了较大规模的推广。

 

“土制铁肺”,见1959年出版的《江苏省卫生展览会资料汇编:技术革命部份》

 

1950年代是“负压呼吸机”的极盛期,也是它的衰落期。因为“正压呼吸机”在这一时期出现了长足的发展。

 

人工呼吸,大约可以算作最原始的“正压输气”治疗手段。但它在18世纪的欧洲应用不广,因为医学界有观点认为,口对口的输气方式不卫生,且吹入患者体内的空气含有更多的二氧化碳,对患者有害。

 

1780年,法国医生弗朗索瓦·库西尔(François Chaussier)发明了第一台“正压呼吸机”,它的主体部分,是用干净的动物膀胱制成的气袋,和扣在患者脸上、可以密闭的面罩。

 

François Chaussier发明的正压输气设备

 

当时流行的是负压呼吸机,这种“正压输气”技术没有多少临床医生愿意使用。它更多地出现在生物学家的动物实验当中。

 

1885年,为挽救感染了白喉的儿童免于窒息而死,美国医生约瑟夫·奥德威尔(Joseph O'Dwyer)与乔治·费尔(George Fell)合作,设计了一种叫做喉部插管(Intubation of the Larynx)的正压呼吸机,这种设备明显降低了白喉患者的死亡率。

 

为了可以让更多的人受惠,奥德威尔拒绝为自己的这项发明申请专利,尽管他的生活相当拮据。1898年,奥德威尔去世,友人感慨他“死于贫困”。

 

左,约瑟夫·奥德威尔,右:乔治·费尔

 

Fell-O'Dwyer

 

20世纪初,因为胸外科手术的需要——尤其是气管切开术可以有效处理患者上呼吸道的阻塞,正压输气技术得以进入了医院的手术室。这一时期,出现了多种样式的正压呼吸设备,比如可以将患者的头安放在柜内的“正压柜”,和各种式样的“正压面罩”。不过,在应对脊髓灰质炎疫情时,这些设备远不如负压呼吸机“铁肺”受欢迎。

 

“正压柜”与“正压面罩”的具体形态,如下图所示:

 

20世纪初出现的“正压柜”与“正压面罩”

 

正压呼吸机首次被证明优于负压呼吸机,是在1952年。

这年夏天,丹麦的哥本哈根爆发了脊髓灰质炎疫情,每10万人中有105人感染。许多人认为,疫情与上一年在哥本哈根召开的脊髓灰质炎国际会议有关,是与会者将病毒带到了哥本哈根,不过,这种猜测从未得到证实。

疫情最严重时,哥本哈根每天有约50名患者被确诊送往Blegdams传染病医院(也是唯一能收治该病患者的医院),80%的患者死亡。多数医生认为,在已经使用了“铁肺”的情况下,患者仍大量出汗,且临终前有高血压症状,应该是死于病毒全方位感染带来的肾衰竭。

这种意见,遭到了麻醉师比约·易卜生(Bjørn Aage Ibsen)的挑战。他认为这些症状与肾衰竭无关,仍是呼吸衰竭的结果,证据之一是死者血液中的二氧化碳含量很高。他建议对病患实施气管切开术,向肺部做人工输气。

 

Bjørn Aage Ibsen,当代重症监护医学的创始人

 

建议得到了医院首席医师亨利·拉森(Henry Cai Lassen)的支持,尽管他的见解与易卜生不同。

拉森认为,铁肺与胸甲呼吸器已经为患者提供了相当程度的气体输送,问题出在脑干已遭病毒侵袭,改用正压通气也难以挽救患者的生命。易卜生则注意到,当时的美国空军已开始使用更先进的正压呼吸设备,来提升飞行员在高空的耐受能力;1949年的洛杉矶脊髓灰质炎疫情中,也已尝试使用正压呼吸设备。

 

1944年,美国飞行员已经戴上了正压呼吸器

 

首个获得治疗的患者Vivi E,是一位14岁的女孩,她正面临着窒息的危险。

易卜生对她实施了一种麻醉师的常用技术:将一支导管插入气管,导管与供应氧气的充气袋相连,医生每隔5到10秒用手按压充气袋,模拟正常呼吸,为肺部充气。但Vivi的肺部积累了太多粘液,气管也发生了痉挛,气体难以输入,她也在输气过程中失去了知觉。包括亨利·拉森在内的同事们认为手术已经失败,离开了病房。易卜生急中生智,给Vivi吃了一片麻醉药,使其陷入人工昏迷,气管痉挛得到放松,再人工吸走了她肺部的粘液,输气得以顺利进行。等同事们重返病房时,Vivi呼吸顺畅,皮肤也由蓝色转回了粉红色。她最终活了下来。

 

图:Vivi E的病历首页

 

在接下来的几个月里,医院招募了200余名医学院的学生,不间断地手动为患者的肺部输气(输气装置见下图)。较之旧的“负压铁肺”,这个新的“正压输气法”可以更方便地解决患者呼吸系统分泌物带来的干扰,患者的死亡率从最初的80%降到了40%。

 

Ibsen设计的输气装置

随后要做的,便是设计一台机器,来取代学生们的手动操作。1953年,丹麦医生克劳斯·邦(Claus Bang)制作的正压呼吸机,开始在斯基沃市(Skive)投入使用。1954年,欧洲出现了多种正压呼吸机。

 

Claus Bang设计的呼吸机

 

1955年,“索尔克疫苗”问世,1957年,“沙宾疫苗”问世。这两种疫苗以狂风扫落叶之势,将困扰了人类上千年的脊髓灰质炎消灭殆尽。

在与脊髓灰质炎对抗中发展起来的呼吸机,也在此后与电子技术、计算机技术结合,由机械控制跃升为更精密的自动控制。它们可以被设置成各种不同模式,根据病人的不同需要,在不同的时间,以不同的强度,将气流送入病人体内。

 

真正意义上的现代呼吸机,Bird Mark系列与Bennett系列早期版本

与“负压呼吸机”相比,“正压呼吸机”有许多优点。比如,它轻巧便捷,可以更好地满足新兴的ICU的需求;它削弱了束缚,患者不必再整天被固定在罐状体之中;它也改善了患者的休息与睡眠,胸腔不再频繁受到外力的挤压与扩张。这些,都是“铁肺”在1960年代之后被迅速遗忘的缘故。

罗马不是一天建成的,呼吸机也不是。它的发展演变历时近两百年,是现代医学与诸多其他学科融会贯通后的产物。

 


 

参考资料

①Arthur S. Slutsky,History of Mechanical Ventilation. From Vesalius to Ventilator-induced Lung Injury.

②http://thewisdomdaily.com/breath-is-life-the-fascinating-history-of-the-iron-lung/

③https://thoracickey.com/negative-pressure-noninvasive-ventilation-npniv-history-rationale-and-application/

④(澳)肯.赫尔曼/著、李婵/译,《长远看来,我们都已死去:一个重症监护医生对生命最后时日的见证》,江苏凤凰文艺出版社,2016年,第61-64页。

⑤Louise Reisner-Sénélar (2009) ,The Danish anaesthesiologist Björn Ibsen a pioneer of long-term ventilation on the upper airways.

⑥https://www.atsjournals.org/doi/full/10.1164/rccm.201503-0421PP

⑦http://rc.rcjournal.com/content/56/8/1170

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