苏静静

早期负压呼吸机的大致结构。

中国人会用“咽气”和“断气”来形容死亡，可见呼吸之重要！通过机械通气来延续呼吸，彻底改变了人们对死亡和身体的定义，极大地拓展了医学的边界。如今，人工呼吸机已经成为抢救危重病人不可缺少的设备，广泛地出现在医学影像之中。在此次新冠肺炎疫情中，人工呼吸机更是长期居于热搜排行榜之首。某些汽车公司改做呼吸机，效率令人震惊……其实这些，历史上早有前车之鉴。

认识呼吸有多难

早在公元2世纪，通过动物解剖，古希腊医学家盖伦就提出，呼吸是维持人体“生命灵”所必需。在之后的1500年，人类对于通气的理解和研究几乎没有任何进步。直到16世纪中期，解剖学之父维萨里通过人体解剖，为我们揭示了外呼吸的过程，即将空气或另一种气体混合物通过气道推入肺部来促进呼吸。

维萨里发现，用中空材料插入气管，再吹入气体，可以促进肺部的上升，以促进动物的生命复苏。但是，他并未提出肺的活动是维持生命所必需的，也并未认识到氧气对于呼吸的重要性。

1670年，约翰·马约借助膀胱模型进行了肺部气体交换的模拟实验，验证了呼吸生理学原理。在此基础上，人们开始采用口对口人工呼吸的方式来帮助病人复苏。1782年，英国开始使用风箱通气来辅助人工通气，这一方法在国际上畅行了40多年。但风箱的使用缺乏控制性，不能根据患者的具体特征，如体型、重量等进行调节，使用不当会造成气胸等严重后果。风箱的方法逐渐失去支持与信任，并最终在1837年左右停止使用。

可见，早期的机械通气方式主要是正压通气，但由于技术条件和认知水平的限制，正压通气发展非常缓慢，甚至还出现过一定程度的倒退。

形形色色的呼吸机

在17世纪～18世纪，许多医生仍然认为人体失去知觉是因为缺乏刺激，并采用很多刺激性的方法来促使病人复苏，例如鞭打病人、倒挂病人等。不过，化学家拉瓦锡发现了氧气对于呼吸的重要性。他的发现使得人们对于口对口人工呼吸法的有效性产生了质疑，以为人呼出的气体经过肺部循环已经缺乏氧气，对病人的呼吸复苏没有用处了。

从约翰·马约发现外部负压通气的原理，到1832年，Daiziei设计出一款负压呼吸机，让病人坐在密闭的箱子中仅露出头颈部，医生通过在箱外操纵内置于密封箱的风箱产生负压实现通气。相似的装置也可见于1864年Alfred Jones发明的身体封闭装置，同样也是通过活塞控制箱内的压力来促使病人呼吸，但大多不具有临床上的可行性。直到1876年，Alfred Woillez发明了名为“spirophore”的负压呼吸机，并正式用于救助溺水者。

Alexander Graham Bell在19世纪80年代发明的“真空夹克”，是一种带有手动风箱的封闭式胸甲。这是一种类似贝壳的装置，紧紧地绑在胸部上，泵在胸部产生真空，迫使患者呼吸。

1919年，杜兰大学的Felix P.Chillingsworth和Ralph Hopkins成功发明了一种可以适用于狗的体积描记器。该机器通过一个产生压力节律变化的电动泵来生成通气。如果该装置采用颈部密封完全加压，就可以作为呼吸机使用。

爱默生改进后的“铁肺”。

“铁肺”诞生

1926年，纽约联合天然气公司从员工的人身安全考虑，成立了复苏研究委员会。在委员会成员、哈佛大学生理学教授Cecil K.Drinker的建议下，委员会同意资助他的兄弟、哈佛大学研究工业卫生的Philip Drinker及其同事5000美元，支持他们进行人工复苏的研究。

他们试图通过实验来验证负压通气的可行性：如果受试者无法独立呼吸，那么增加和降低盒子的压力会引起呼吸。他们给猫注射了南美箭毒，以产生全身肌肉松弛的状态，然后把猫放在带有颈环的密封铁盒中，使其处于完全加压的环境中，并用手动活塞手动控制压力。实验表明，在密封环境中，可以通过控制压力诱发呼吸。

实验成功后，二人又获得了2000美元的额外资助，将研究进一步扩展到更大规模的设备，针对人体进行研究。如图所示，这款“铁肺”的尺寸可容纳所有类型的患者，从小孩到身高2米的成年男子。使用呼吸器时，患者仰卧平躺，头部躺在箱体外侧的架子上，脖子处有一个密封橡胶圈以维持加压环境。

在成功测试人工呼吸机之后，纽约联合天然气公司从哈佛购买了一台可操作的Drinker呼吸机，并将其捐赠给贝尔维尤医院。很快，这台呼吸機就挽救了一条生命——一位因意外吃药而失去知觉、停止呼吸的患者。1929年，Philip Drinker和儿科医生Charles F.McKhann发表了重症脊髓灰质炎患者使用“铁肺”长时间进行人工呼吸的案例报告。他们试图在必要时用呼吸机来辅助脊髓灰质炎患者恢复正常呼吸。他们的研究发现，人工复苏方法无法保证必要的氧气交换，且不能长时间使用。

挽救“幸存者”

有学者认为，“铁肺”取得成功的原因在于美国的电力供应、脊髓灰质炎大流行和工程师对工艺的改善。

20世纪上半叶，在美国和其他工业国家，每年6月～9月都会准时发生大规模的脊髓灰质炎流行。1915年～1945年，每年发生的病例都超过1500例。其中有至少一半的年份，病例超过5000例。据记载，1916年～1917年，美国暴发了世界上最严重的脊髓灰质炎流行，全国共发生病例27000例，6000人死亡;仅纽约市就有病例9000多例，其中大多数是儿童。此病又称“小儿麻痹症”。

脊髓灰质炎的流行引起了极大的恐慌，患者一旦确诊就意味着毫无希望、无药可医，原因还不明。人们将它归罪于夏季水果、冰激凌、糖果、结肠中的蛆、昆虫、污水、垃圾、灰尘、有毒的毛虫、腐败发霉的面粉、被污染的奶瓶，甚至是被鸟蛛污染过的香蕉。也有人建议父母不要与孩子亲密接触，认为这种病可以通过打喷嚏、咳嗽、吐痰和亲吻传播。疑似携带者的猫、狗一律被放逐或杀戮，公共场所一律关闭或禁止出入，移民家庭遭到指责和孤立。整个夏天，为了控制这场神秘的疾病，每座城市都飘散着消毒水的味道。

1921年，当时美国民主党内政治新星、后来连任四届美国总统的富兰克林·德拉诺·罗斯福也染上了脊髓灰质炎。罗斯福活了下来，但终生都在与疼痛和残疾做斗争。感染脊髓灰质炎病毒的结果因人而异。有的患者会出现颈部和背部僵硬以及肌肉无力。这些症状是中枢神经系统遭到破坏的结果，而且这种破坏是永久性的，并会引起麻痹。有些重症脊髓灰质炎“幸存者”由于呼吸肌瘫痪，存在严重的呼吸和吞咽困难，命悬一线。

对有些患者来说，“铁肺”可提供暂时的帮助，让他们有时间恢复呼吸肌的功能。还有一些患者，一生都在充满恐惧和孤寂的机器中度过。

共享挽救生命的技术

疫情期间，为了应对大批儿童患者造成的呼吸机短缺，Drinker和Roy尝试改用相对方便、廉价的家用和五金店材料来加工应急呼吸机，以增加“铁肺”的产量，包括用汽车内胎代替橡胶套圈，用普通真空泵作为压力泵等。这种呼吸机只能容纳小孩，仅限紧急情况下使用。

1931年，约翰·黑文·爱默生通过改善与患者的接触改进了Drinker的设计。他使床可以滑入和滑出柜子，并在侧面增加了舷窗，以便在不损失气压的情况下接触患者。

Drinker和哈佛大学认为，爱默生呼吸机与原始呼吸机太相似，因此起诉爱默生侵犯其专利。在法庭上，爱默生的律师证明，Drinker使用的所有技术已经存在，因此无法申请专利。爱默生胜诉，法官还同意爱默生的观点，认为挽救生命的技术应该由所有人共享。

“铁肺”具有十分明显的缺陷，比如病人护理难度大、设备昂贵、占地面积大、适用范围窄、病人死亡率高等。几年后，Drinker呼吸机的进一步改良版——Both呼吸机诞生。

1937年，澳大利亚暴发脊髓灰质炎流行，考虑到从美国购买和运输的成本过高，南澳大利亚卫生部找到了生物医学工程师Edward Both。Both呼吸机由胶合板制成，不仅造价低，而且易于建造和运输，从生产到使用可以控制在一个小时之内。莫里斯汽车公司创始人纳菲尔德勋爵就责令自己的汽车工厂生产了大约1700台Both呼吸机，捐赠给世界各地的医院。

多種样式的负压呼吸机。