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机械通气发展简史

 

 

    【摘要】 简述人工气道建立及机械通气技术发展过程中的主要事件、主要人物及历史贡献,阐明其重要意义。人类在很早以前就认识到呼吸对于生命具有重要意义。圣经中曾就公元前1300年Elisha采用口对口人工呼吸的方法抢救Shunammite儿子的事件做了生动描述,这可能是人类关于人工呼吸的最早记录。

    Hippocrates约于公元前400年曾指出,吸入气中确实存在某些成份,经心脏而扩散至全身。这一概念尽管模糊但却重要,因其提示空气中存在着某种身体所必需的物质,这一物质必须通过呼吸来摄入体内。
    罗马帝国以后,欧洲受封建宗教的统治,致使在长达1000多年的漫长时期内,整个西方医学界,包括呼吸和机械通气的研究均无建树。我国的医学家们在这一时期却对人工呼吸给以高度重视。公元2世纪前后,中医已将人工呼吸作为一种急救技术应用。《金匮要略》文载“救自缢死”者,方法为“……手按胸上数动之……,摩捋臂胫屈伸之……。如此一炊顷,气从口出,呼吸眼开……。”其后的《中藏经》记载:“缢死方,……取葱根末吹入鼻,更令亲人吹气入口,喉喷出涎……。”这大概是我国最早关于口对口人工呼吸的记录。
公元15世纪,随着欧洲文艺复兴时代到来,科学得以迅速发展,作为文艺复兴时代代表人物的Leonardo da Vinci认为:空气通过胸廓风箱式的作用而进入肺内,这对于以后的呼吸生理学及机械通气理论的发展具有重要的启蒙作用。1543年人体解剖学创始人Vesalius首次对猪进行气管切开置入气管内插管成功,而开人工气道建立之先河,同时并证实通过气管内插管施以正压能够使动物的肺膨胀。他写
道:“动物的生命某种程度上可得以恢复,但这必须试图在气管上开一口,将芦苇或竹管插入气管开口内,然后通过管道吹入气体,……动物的肺可膨胀至整个胸腔的容积。"1667年,Hooke在狗身上重复这一技术成功,并首次应用风箱技术成功地进行了正压通气,这一成果当时曾向英国皇家学会(Royal Society)报告。1979年,Curry首次在人体进行了气管内插管,用于人类疾病的抢救。人工气道技术由动物过渡到人类经过了200余年的时间。
    19世纪初,在英国皇家慈善学会(Royal Humanne Society)的赞助下,风箱技术在欧洲被急救人员用于溺水患者的复苏。但这一技术过于粗糙且经验不足,致使许多并发症发生,甚至死亡。因此,1827年Leroy就此问题向法国科学院提出报告,使经气管切开气管内插管进行简单手动人工通气用于复苏的势头得以限制。面对这种局面,关于机械通气的研究很自然沿着两个方向继续展开:①改进原来的原始而粗糙的人工气道技术使之能适用于人工正压通气的广泛应用。②寻找其他的人工通气方法,从根本上避免建立有创的人工气道。前者的探索与19世纪中叶麻醉学的发展密不可分,而后者则促进了体外负压通气技术的出现。
    1846年10月16日Morton在马萨诸塞中心医院当众以乙醚麻醉示范演示成功,标志着现代麻醉学的开始。1858年Snow在伦敦首次应用气管内麻醉在兔的动物实验中获得成功。他将气管内导管与充以氯仿的气囊以一根管子相连,通过压缩气囊的方式进行麻醉。Snow的这一实验在麻醉学和机械通气领域具有两个重要意义:①这一技术标志着具有重要意义的气管内麻醉方法的建立,从而便于呼吸道管理,极大提高了麻醉的安全性。②连接于气管内导管的充满麻醉气体的气囊,实际上是现代正压通气气囊的最初形式。
    1869年,德国的外科学教授Trendelenburg首次将气管内插管麻醉用于人,并对气管切开用的气管内导管加以改进,将一可扩张的气囊套于导管周围使导管与气管壁间密封,防止手术时血液吸入肺内。这一带有气囊的气管导管日后成为保证压力转换型正压机械通气得以顺利实施的前提条件。1880年英国的MacEwen发明了一个可以通过口腔导入气管的金属导管,首次行经口气管插管。1887年,O'Dwyer也发明了一类似导管,其前端稍膨大,可嵌楔入声门内用于白喉患者的治疗,但未能广泛推广。1893年,Eisenmenger对经口气管插管的材料加以改进,以较为柔软的材料代替金属。1895年Kirstein在柏林首次介绍直接喉镜的应用。1907年美国费城的Jackson医师将其加以改进。此后,喉镜直视下气管插管方法便成为气管插管的标准技术方法。
    由于人工气道技术的不断完善,借助于人工气道进行正压通气的方法经过半个多世纪的沉默后再次引起人们极大的兴趣。1893年美国纽约Niagara大学的生理学教授Fell设计了一个由手动驱动的风箱,藉一橡胶管与面罩或与人工气道相连接,进行人工通气。1907年Drager设计了一个自动供氧人工呼吸器Pulmotor),用于心肺复苏。1912年又将其改进为完全空气制动和压力限制,但可惜这一装置当时并未引起医学界的兴趣,仅供警察和消防队员用于复苏的抢救。1909年Janeway发明了一个小型金属装置。可将患者的头部置于该装置内,颈周封以颈圈,通过对该装置内间歇施以正压而提供间歇正压通气。同时亦可用此装置吸入麻醉。也正是Janeway于1913年首次提出呼吸机可由病人自主呼吸触发吸气的假设,以后成为正压呼吸机辅助通气模式的必备条件。于同一时期,曾于1869年首次行气管内麻醉的Trendelenburg在施行开胸手术时,意识到病人常因通气不足而死亡。因此在他指导下,他的助手Lawen和Sievers设计了一个非线性活塞驱动通气机,此设计成为40年后Engstrom呼吸机的最初形式。
    1914年第一次世界大战爆发,关于机械通气的大多数实验均被迫停止。但在此之前,关于人工气道建立和正压通气研究的发展基本是外科学和麻醉学界为能使手术顺利进行而不断探索的结果。战争中大量战伤患者的处理使这些技术得以广泛使用,从而为以后的发展积累了经验。
    另一方面,自19世纪中、下叶至20世纪初关于体外负压通气的研究也逐渐成为机械通气研究所关注的热点之一。早在1832年苏格兰的Dalziel曾设计过一个密闭的风箱装置,通过箱内的压力变化进行通气,这是最早的体外负压通气装置。1885年Ketdrum将这一装置改建得更趋完善。病人可仰卧或坐于箱内,通过一条软管子使外界与患者的面罩连接。箱端的橡胶隔膜板推拉移动,使箱内发生压力变化,病人可通过管道进行呼吸。但这些体外箱式负压通气机均需人工提供动力,故难以形成规模应用。很明显对于体外负压通气而言,电力缺乏成为制约其发展应用的主要原因。20世纪初随着电力的广泛应用,为进一步加快体外负压通气的研究提供了条件。
    1926年,Drinker受其作为生理学家的弟弟Cecil和同事Shaw进行动物实验时所用的体积描记仪的启发,将一只注射箭毒的猫放于体描箱内,发现呼吸肌麻痹的猫可通过体描仪内压力的变化而通气。于是Drinker与Shaw决定制造一个人体大小的箱式通气机。该通气机由金属制成。直径0.56米,长1.68米。患者卧于其内,头位于箱外,颈部以橡胶颈圈密封,箱底板由一电动泵驱动,随箱内压力变化而产生呼吸。Drinker和Shaw同时也成为接受这一通气机治疗的首批实验者。1928年10月13日下午4时,一个因脊髓灰质炎呼吸衰竭而昏迷的8岁女孩,首次接受箱式通气机的治疗,数分钟后患儿神志恢复,这使当时在场亲眼目睹这一奇迹的人激动得热泪盈眶。1929年5月18日美国医学会杂志(JAMA)报道了这一成果。一位不知名的记者将这一装置形象地称为“铁肺”。很快,箱式体外负压通气机,便以“铁肺”的名字传遍了全世界。
    由于正在接受外科手术的患者无法接受铁肺的机械通气治疗,且因其气道管理困难而无法保证麻醉的安全性,在本世纪20一40年代,基本上形成了麻醉学与外科学领域研究和应用正压通气,内科学与流行病学领域研究和应用负压通气技术的格局。30年代以后,在麻醉期间通过手动间歇挤压麻醉气囊给手术病人施以正压间歇通气的方法渐得以推广。1940年,Crafoord设计了一气动、压力限制型吸入麻醉机(Spiropulsator)并首先用于胸外科手术病人。
    随着第二次世界大战的爆发,怎样才能保证潜水艇人员长期安全地在海底活动、如何使飞行员的身体适应长时间的高空飞行以及大批战地伤员所产生的呼吸问题迫切需要解决,从而促进了呼吸生理学和医学机械工程技术的发展。Brewer等人首次应用便携式麻醉机对现代被称之为急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的“湿肺”患者进行了成功的机械通气治疗。1946年Bennett研制成功最早的Bennett型间歇正压呼吸机。该呼吸机已初步具备了现代呼吸机的基本结构。
    1948年,美国发生脊髓灰质炎大流行,铁肺被大量用于并发呼吸肌麻痹患者的抢救。这使得体外负压通气的缺点得以充分暴露。首先,铁肺的疗效较低,使用铁肺治疗的呼吸衰竭患者的死亡率甚至高达80%。其次,应用铁肺时,气道管理困难。因呼吸肌麻痹而无法排出的气道分泌物难以由体外负压通气装置所清除。1949年,Bennett给铁肺增添了一个由马达驱动的风箱,这样铁肺与间歇正压通气同步,不仅可以通过使箱内产生负压,而且也可同时通过气管切开施以正压通气,从而大大提高了机械通气的疗效,使死亡率降至12%。这一事实表明正压通气的疗效优于体外负压通气。1952年斯堪的那维亚半岛亦爆发脊髓灰质炎流行,该地区不象美国那样有大量铁肺以供抢救之用。如丹麦哥本哈根的Blegdam医院当时仅有一个铁肺和6个胸甲式通气机,且所接受其治疗的31例病人竟有27人死亡。这种极为严峻的局面使人们认识到必须寻找负压通气以外的高效机械通气方法。哥本哈根大学流行病学教授Lassen和Blegdam医院的医生们急请麻醉师Ibsen会诊。双方一致认为将麻醉中所应用的压缩气囊间歇正压通气的方法用于脊髓灰质炎呼吸衰竭患者的抢救是可行的。这种以手动加压麻醉气囊进行机械通气的方法需要大量人力,以至当地的医学院校不得不暂时停课,医学生们被动员到医院为病人施行机械通气。由于采取气管切开术及间歇正压通气,使脊髓灰质炎呼吸衰竭的死亡率由87%降至25%。
    本世纪40年代末和50年代初脊髓灰质炎大流行实际上促进了机械通气完全向正压通气方式的过渡。此后,原本属于“手术室技术”的人工气道和正压通气方法,终于走出手术室成为临床医学中重要的治疗手段。在机械通气方式由负压通气向正压通气的过渡中,脊髓灰质炎流行危害最深的两个地区美国和斯堪的那维亚半岛分别成为研制新型正压通气设备的中心。继1946年Bennett生产出第一台初具近代呼吸机功能的定压型呼吸机后,压力切换型呼吸机一度成为正压通气的主流形式。然而,在临床实践中发现,定压呼吸机常不能保证有效的通气量。1950年,在总结脊髓灰质炎流行期间机械通气治疗经验的基础上,Engstrom提出预设容量进行机械通气的新的设计思想,并研制出世界上第一台容量转换型呼吸机。使正压通气达到一个新的高度。
    本世纪60一70年代为机械通气研究发展较快的时期。Gilston于1961年将T形管用于呼吸机撤离过程,并于1962年首次将“Weaning"一词用于描述呼吸机的撤离。同一时期,电子技术被引进机械通气设备的设计。其代表机型Servo 900型呼吸机、Bennett型呼吸机及Engstrom型呼吸机等发展为系列产品,技术性能十分全面。1967年,瑞典的Sjostrand首先提出低潮气量和高频率通气的高频通气(HFV)模式,其目的在于减少正压通气对血流动力学的影响。尽管低于解剖死腔量的潮气量与高呼吸频率相结合可进行有效通气的确切机理至今未明,但HFV作为一种新的通气模式却很快被广泛用于临床。1972年Lunkenleimer首次应用高频振荡通气(HFOV)成功。1977年Klain和Smith提出高频喷射通气(HFJV),此后HFJV成为临床最常用的一种HFV形式。Ashbaugh于1967年试以Barach在1938年描述的呼气末正压(PEEP)技术用于ARDS患者,获得满意疗效。1971年Gregory应用持续正压通气(CPAP)治疗新生儿呼吸窘迫综合征取得成功。此后,PEEP与CPAP成为一种临床常用的通气模式。1973年Bowns首次采用间歇指令通气(IMV)模式使患者顺利脱机,目前IMV的改进模式同步间歇指令通气(SIMV)已成为辅助通气和撤机的常用模式。1972年,机械通气的一种特殊类型—体外膜肺(ECMO)由Hill首次用于救治创伤后急性呼吸衰竭患者,表明其可能取代肺的气体交换功能,但因其耗费较多人力和财力,故未能推广于临床。人工气道技术在70年代亦取得显著进展。低压高容气管导管的问世极大促进了医患双方对机械通气治疗的接受。
    自80年代以来,机械通气技术迅速发展。1981年Servo 900c和Engstrom呼吸机开发出压力支持通气(PSV)模式,PSV与SIMV很快成为部分通气支持的常用模式。1980年Gattinoni采用体外CO2去除(ECco2R)技术与低频正压通气相结合治疗急性呼吸衰竭,可降低急性呼衰的死亡率。Ravizza于1983年发现延长吸气时间可改善氧合,从而提出反比通气模式。美国伟康公司于1989年研制出双水平气道正压通气(BiPAP)模式,尤适宜于睡眠呼吸暂停患者。
    Zapol于1992年首次提出“容积损伤”(Volutrauma)的概念,认为适当限制通气容量可避免肺的损伤。但容量限制则可能导致高碳酸血症,因此“允许性高碳酸血症通气”(Permissive hypercarpnic Ventilation PHV)策略被提出。在90年代,机械通气领域最重要的进展当属液体通气和智能化通气的出现。前者以一种称为全氟化碳( perfluorocarbon)的液体与常规机械通气结合,可明显降低通气压力,改善气体交换。后者则以压力调节容积控制(PRVC)和容积支持(VS)通气为代表,在机械通气过程中呼吸机的电脑可测定每一次呼吸的肺顺应性继之自行调整下一次通气所需要的压力,从而使机械通气更接近生理状态。
    机械通气在现代医学中具有重要地位。回顾历史在于着眼未来,机械通气技术的研究与应用的历史必然对其今后的发展有所启迪。
 

 


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