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，在这种情况下，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

中国人第一次见识到“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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