感谢他们，发明了伟大的呼吸机

​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。

EugeneWoillez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 Sha）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 Sha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奇技网介绍明星详情，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（Franois 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。

FranoisChaussier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 ODyer）与乔治费尔（Gee 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-ODyer

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（Bjrn 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。

Bjrn 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Bent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。

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参考资料

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

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

③https://thoracickey./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时日的见证》，江苏凤凰文艺出版社，2016年，第61-64页。

⑤Louise Reisner-Snlar (2009) ,The Danish anaesthesiologist Bjrn Ibsen a pioneer of long-term ventilation on the upper airays.

⑥https://.atsjournals./doi/full/10.1164/rm.201503-0421PP

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