铁肺史

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang


如今说起“铁肺”,你首先想到的,一定是那些气足音高的女歌手,比如丁当、李佳薇之类的。可是,真正的“铁肺”却没那么欢乐。上个世纪40年代,在美国的许多医院都有“铁肺病房”,里面整齐排满了一个个棺材一样的大铁箱,装着虚弱的儿童,只露出头。这些大铁箱,也就是负压呼吸机,就是真正的“铁肺”——这副图景,也是脊髓灰质炎疫苗发明以前的时代之殇。

1953年,美国加州Rancho Los Amigos Hospital的铁肺病房,里面装满了骨髓灰质炎的患儿

脊髓灰质炎(polio),又称为小儿麻痹症,是由脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)引起的一种疾病,通常为口鼻传播,主要感染五岁以下的儿童。这种病毒极其凶狠,在数日间可导致手脚麻痹,以致残疾,甚至死亡。脊髓灰质炎是不可治愈的。所有的治疗都只能减轻病人的症状。在稳定期过后,患者会逐渐出现肌肉萎缩症,感觉四肢无力、疼痛和疲劳,上肢和肺的功能逐渐衰减,呼吸困难,甚至出现睡眠呼吸暂停。

早在公元前1400年,古埃及人就在绘画中记录下腿脚畸形的人,包括拄着拐杖行走的小孩,被认为是对脊髓灰质炎最古老的描述。

 

一块埃及第十八王朝 (公元前1403 – 1365年)的石碑,上面刻画了残疾人的畸形腿脚,被认为是脊髓灰质炎的后遗症

长久以来,脊髓灰质炎都是一个地方病。然而,进入20世纪之后,欧洲逐渐开始出现较大的疫情,并蔓延到美国。到20世纪40~50年代,脊髓灰质炎的发病率达到高潮,每年病死和致残的人多达50万以上。

 

一个因脊髓灰质炎而右腿残疾的小女孩

由于肌肉萎缩,脊髓灰质炎病人的呼吸十分费力。我们知道,人的呼吸是负压式呼吸——当隔膜收缩,胸腔扩张,降低了胸腔内的气压,扩张了肺部,降低了肺内的气压,使其相对外部大气压来说,成为了“负压”。于是,外部气体就被压入肺部,这就是吸气的过程。当隔膜放松,胸腔收缩,这就是呼气。而脊髓灰质炎病人失去了一部分肌肉的控制力,无法收缩和放松膈肌,造成了呼吸困难。如果无法帮助他们,就会有生命危险。

第一个想出体外负压呼吸机来帮助呼吸困难的病人的,是1670年的英国科学家约翰·梅奥(John Mayow)。

约翰·梅奥

但直到19世纪30年代,才有人做出成功的模型。早期的原型都比较粗糙,比如说,下面这些(图片来自于艾默生公司1978年50周年纪念日时推出的一本讲铁肺发展的小册子,它的图片都来自于专利文件和医学论文):

肯塔基州的Alfred F. Jones发明的铁肺,是最早的将身体完全包裹住的呼吸机。专利号US Patent No.44198

1876年,法国医生Woillez医生制作的呼吸机,是手摇式、风箱驱动的。

1887年,法国医生Charles Breuillard发明的“澡盆式”呼吸机,里面注入蒸汽,由病人自己手动操作一个阀门来控制气压

1889年,维也纳医生Egon Braun设计的“窒息儿童呼吸机”,是一个小小的木头盒子,通过右侧的管子,由医生的呼吸来控制盒子内的气压。尽管这幅图看起来有点滑稽,但这只是一个草图,来自1889年的《波士顿医学与手术期刊》(Boston Medical and Surgical Journal)。据说,他的这个装置持续得到了50个成功案例。

1901年,匈牙利的Rudolf Eisenmenger发明的便携式呼吸机,由两部分组成,只用覆盖病人的胸部和腹部。后来,他去维也纳成为一名医学教授,在那里持续改进自己的发明。

1905年,伦敦的William Davenport申请了一个呼吸机专利。包括一个橡胶脖套,简单的风箱或活塞泵。他还提出了一些相当有前瞻性的建议,比如补充氧气

1908年,美国的Peter Lord设计了一个“呼吸室”,包括一个巨大的活塞,来改变屋子里的气压,并提供新鲜空气。听起来工程量巨大,但这种想法很有用,它使得看护不那么困难

而1916年,美国的Melvin L. Severy申请的这个呼吸机专利,压根不考虑病人的舒适性,因为病人必须站立,并把鼻子和嘴紧靠在门上的三角形空洞处,上面有两个洞,算是照顾眼睛。

1918年,南非的Stueart医生设计的呼吸机是一个木头匣子,把腰部和肩部之间的部位密封在里面。他也是第一个明确提出,为脊髓灰质炎患者提供呼吸机的人。他还设计过一个间歇性抽气的病房。

1926年,德国的Wilhelm Schwake申请的“充气腔”专利,考虑了便携性和病人呼吸的深度和韵律。

第一个广泛使用的铁肺呼吸机,是由波士顿的Philip Drinker和哈佛大学的Louis Shaw共同申请的专利。早期,也因为设计者的名字,而被称为Drinker呼吸机。

这个铁肺使用电动机驱动两个从真空吸尘器上卸下来的气泵。气泵不断改变着一个矩形气密金属腔体内的气压。

Drinker铁肺的第一次临床应用,开始于1928年10月12日的波士顿儿童医院。当时,一名8岁的小女孩,由于脊髓灰质炎引起的呼吸衰竭,已经濒临死亡。在放进Drinker铁肺后不到一分钟,她就奇迹般的生还了。这引起了巨大的轰动。

一名丹麦医师August Krogh在1931年造访了纽约,看到了Drinker铁肺,深受启发。回到丹麦后,他自己设计了一个用于临床的铁肺。但是他的铁肺不是用电驱动,而是用城市管道中的水流驱动。

1931年,艾默生(John Haven Emerson)参照Drinker的设计,开发出一种更便宜的版本。艾默生生产的铁肺还包括了一个可以滑进滑出铁肺的床,铁肺上还有可打开的窗口,方便接触和调整病人的四肢、床单或者进行热敷。如下图所示:

 

艾默生的铁肺

 

于是,Drinker和哈佛大学把艾默生告上了法庭,认为他侵犯了专利权。艾默生的想法和伊隆·马斯克很像,他认为这种救人于水火之中的专利就应该拿出来免费使用。并且,他认为Drinker的专利的每个方面都在早先时候被人发明或描述过,因此Drinker铁肺其实不具有独创性,本来就不应该被授予专利权。后来,艾默生赢得了官司,Drinker的专利被宣告无效。

尽管Drinker铁肺很有用,但非常笨重,重达102千克,也很贵。在美国,一台成人用铁肺在1930年都要花上2000美元,运送成本更高得离谱。1937年,澳大利亚生物医学家兼工程师Edward Both,面对澳大利亚惨痛的脊髓灰质炎疫情,发明出了一种新的铁肺,被称为Both铁肺。这种铁肺十分便宜,只需要花100英镑,也很轻巧,搬运方便。

 

1943,澳大利亚第110陆军医院中,一个病人正在使用Both铁肺。

1938年,在另一次脊髓灰质炎疫情中,Both铁肺引起了英国勒菲勋爵William Morris的注意。Morris是一个汽车制造商,也是一个慈善家。他被Both铁肺所打动,于是在自己的汽车厂里生产了1700台Both铁肺,并免费捐赠给英国及其殖民地的医院。到1950年代,英国本土共有700多台Both铁肺,但只有50台Drinker铁肺。

20世纪40年代和50年代,脊髓灰质炎大面积爆发。为了帮助病人(大多数是儿童)呼吸,医院的病房里塞满了铁肺。每个病人都会在铁肺里待上一个星期。甚至还出现了下面这种多人铁肺,可以节省空间。

 

1951年2月8日,约翰霍普金斯医院的有色人种病区,一位名叫Henrietta Lacks的黑人女性因宫颈癌而接受了组织活检。8个月后,她不治身亡。这件事使铁肺走向了末路——Henrietta的癌变宫颈组织细胞被证实是人类第一个不死的细胞系,后来取她名字的前两个字母,命名为“海拉细胞系”(HeLa Cells)。海拉细胞系因端粒酶基因变异,而可以无限增殖,引发了一场医学研究革命。

一年后,实验医学家乔纳斯·索尔克用海拉细胞系培养出了第一个脊髓灰质炎疫苗,并首次进行临床试验。这个疫苗内含去活性脊髓灰质炎病毒,称为“沙克疫苗”。1957年,阿尔伯特·沙宾也研究出了疫苗,称为“沙宾疫苗”。这两种疫苗几乎将脊髓灰质炎消灭殆尽。1988年,全世界还有35万人感染脊髓灰质炎,而到2012年,仅剩223例。

与此同时,气管插管术和气管切开术的发展,也大大降低了笨重的铁肺的使用率。1959年,美国共有1200人使用铁肺,到了2004年,只有39人依然在使用铁肺。

铁肺逐渐从现代医学里消失了。今天,呼吸肌瘫痪的病人,大多采用现代化的呼吸机,用正压将空气压入呼吸道。这种方式更加有效,也不会像铁肺那样限制病人的行动,看护人员能方便的检查病人的情况。而负压呼吸机,由于其与人类自然呼吸的方式很接近,在一些情况下也会被优先采用,比如先天性中枢性低通气综合征(CCHS)。

2009年5月4日,美国作家玛莎·马森(Martha Mason)在北卡罗来纳州的家中去世,成为历史上在铁肺中生活时间最长的人。1948年,11岁的玛莎患上脊髓灰质炎。从那时起,她就一直生活在铁肺中。她一直不愿意换新的呼吸机,因为她不愿意往气管中插管子,也不希望切开气管。在铁肺中,她以第一名的成绩完成了高中学历。21岁时,她从加德纳韦伯大学获得了副学士学位。1960年,她从维克森林大学获得了英语学士学位。在大学里,她始终是全班第一名。后来,她成为了一名作家,为当地报纸撰写文章。她还写了一本回忆录,叫Breath: Life in the Rhythm of an Iron Lung。

玛莎

Breath: Life in the Rhythm of an Iron Lung

直到玛莎去世,她在铁肺中一共生活了61年。

铁肺,这种完全限制病人行动的机器,却无法禁锢科学的进步和人类的心灵。它最终退下了历史舞台,成为史书的一个不起眼的注脚。但从这锈迹斑斑的活棺材身上,我们可以依稀辨认出人类非凡的意志力和与恶疾战斗的不朽历程。


Reference

  1. wikipedia
  2. J.H. Emerson Company. The Evolution of Iron Lungs.

 

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