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在這個春天，“呼吸機”已是一件人人皆知的偉大的醫療設備。
說一下呼吸機是如何發明的。
與呼吸機相近的設想，至晚可以追溯到安德烈亞斯·維薩留斯（Andreas Vesalius）。維薩留斯是近代人體解剖學的創始人。1543年左右，他在論文裏描述了這樣一種治療方法：
遺憾的是，因為對“人為什麽要呼吸”、“為什麽脈搏會消失”之類的問題尚缺乏正確認知，這種治療方法在此後的數個世紀裏，並沒有得到重視。直到拉瓦錫發現了氧氣在呼吸中的重要性。
Andreas Vesalius
世界上的第一台呼吸機，是美國人阿爾弗雷德·瓊斯（Alfred Jones）1864年發明的。這是一種“負壓呼吸機”。簡單說來，就是讓患者坐進一個密閉的箱子裏，頭部裸露在外，然後在患者的身體周圍，製造高低氣壓，來填補本該由膈肌引起的呼吸運動。在瓊斯之前，英國醫生約翰·達齊爾（John Dalziel）在1838年也構想過相似的機器。
這種機器的大致結構，如下圖所示：
Alfred Jones發明的呼吸機
1876年，法國人尤金·沃耶茲（Eugene Woillez）設計了一種叫做“Spiroscope”的負壓呼吸機，它用一個罐體將人的身體全部包裹起來，僅以可調節的橡膠項圈讓頭部留在外麵，患者的胸部放置有一根垂杆，操作者可以通過垂杆的上升與下降，來觀測患者胸腔的膨脹與收縮狀況。
沃耶茲放棄為該項發明申請專利。他說自己的理想是這種機器可以遍布塞納河兩岸，讓所有的溺水者都可以得到及時的救助。但因救治溺水者的效果不佳，該發明未能得到推廣。
Eugene Woillez發明的“Spiroscope”
自19世紀後半期至20世紀上半期，負壓呼吸機誕生了許多樣式。下圖是其中比較著名的幾種。它們的特點分別是：（1）利用蒸汽；（2）專供嬰兒使用；（3）患者可在機器內自行操作；（4）患者的頸部與四肢獲得了自由。
負壓呼吸機的多種樣式
上述負壓呼吸機有一個共同缺點，那就是醫生很難對患者進行護理，尤其是無法對患者實施手術。為了解決這個難題，1908年，美國人彼得·羅德（Peter Lord）設計了一款可供醫生、護士進出的“呼吸室”。但這種“呼吸室”實在太過龐大，一般醫院無法配備。
其大致結構，如下圖所示：
Peter Lord設計的呼吸室
負壓呼吸機在近代的大規模使用，與對抗脊髓灰質炎疫情有直接關係。
脊髓灰質炎是一種由病毒引起、存在了千年之久的傳染病。1900年前後，該病在歐洲與美國出現集體性爆發，隨後的10年時間裏，又傳播到了澳大利亞和新西蘭。感染者會出現四肢疼痛、膈肌無力，難以正常呼吸等症狀。
為了幫助脊髓灰質炎患者維持呼吸，1928年，菲利普·德林克（Philip Drinker）與路易斯·肖（Louis Shaw）合作發明了一種新的負壓呼吸機“鐵肺”（Iron Lung）。這種機器可以幫助患者持續正常呼吸幾個小時乃至幾天。
德林克發明的“鐵肺”，是這個樣子的：
Philip Drinker與Louis Shaw發明的“鐵肺”
1930年代是脊髓灰質炎全球肆虐的時代。當時的醫學對這種疾病的認知還相當有限，誤以為它是一種主要經由空氣傳播的疾病，病毒可以通過鼻咽進入人的體內（實際上主要是糞口傳播）。傳播機理判斷錯誤，又沒有特效疫苗，在這種情況下，使用呼吸機來維持生命正常運轉，進而自愈，就成了脊髓灰質炎患者最重要的希望。
這期間，許多醫生與工程師，比如詹姆斯·威爾遜（James L. Wilson）、約翰·艾默生（John Haven Emerson），都加入到了改進“鐵肺”的工作當中。威爾遜與德林克合作，改進了“鐵肺”的箱體。艾默生改善了“鐵肺”的功能，不但增加了氣密的透明圓頂，還使得醫生可以打開箱體對患者進行緊急護理，便利了抽血與臨床觀察，製造成本也下降了一半（當時的售價是1000美元）。艾默生沒有給自己的設計申請專利，因為他希望讓更多的人可以用得起該設備。
下圖是艾默生改進的鐵肺：
圖：John Haven Emerson改進的鐵肺
中國人第一次見識到“鐵肺”，是在1937年。
這一年，一位做環球旅行的美國年輕人“施拿脫”，在從上海前往北平的途中，感染了某種疾病，全身肌肉僵化難以呼吸，被送至北平協和醫院，恰好該院有新引進的“鐵肺”。經過一番醫治，“施拿脫”的病情有所好轉，又連人帶“鐵肺”從北平來到上海，計劃乘輪船返回美國。上海媒體追蹤這一新奇事物，做了許多報道。
下圖是上海《良友》雜誌對此事的整版報道。可以清楚看到，這款“鐵肺”是經艾默生改進後的版本。這種鐵肺出現後，其他同類原理的負壓呼吸機，基本上就消失了。“鐵肺”能夠在1930年代-1950年代被醫院廣泛應用，艾默生的改進至為關鍵。
《良友》雜誌對“鐵肺人”的報道
當年中國的醫學媒體，對這款“鐵肺”的原理和樣式，已有相當準確的描述：
遺憾的是，盡管中國也是脊髓灰質炎的重災區，但“鐵肺”並沒有在中國流行開來。在之後的十餘年間，1937年的“鐵肺人”新聞越傳越玄，離科學越來越遠，成了大眾媒體筆下的一種奇聞怪談。人們津津樂道的，是“鐵肺人在鐵肺中生存了十餘年不死，且已結婚生子”之類來曆不明的胡言亂語。
1949年《珠江報》刊登的“鐵肺人傳說”
1952年，美國爆發了史上最嚴重的脊髓灰質炎疫情。有報道的病例達到了5.8萬餘例，其中有3145名患者死亡，21269名患者不同程度出現身體癱瘓。“鐵肺”呼吸機廣泛用於這次疫情，挽救了許多人的生命。少數人選擇在“鐵肺”中走完自己的一生，最著名的是Martha Mason博士，她生於1937年，11歲患上了脊髓灰質炎，在“鐵肺”中生活了整整60年，2009年去世。她留下了一本回憶錄，叫做《呼吸：鐵肺中的生命節奏》（Breath: Life in the Rhythm of an Iron Lung）。
下圖是美國加利福尼亞州的某脊髓灰質炎專用病房，拍攝於1953年。
1953年，美國某脊髓灰質炎專用病房
同期的中國，也於“衛生大躍進”中發明了一種“土製鐵肺”，由一件內側裝有氣囊的背心、一個鼓風的皮老虎和幾根氣管組成，具體樣式如下圖。這種呼吸機的使用方法是：“以帆布背心迅速套在病人身上，扣好紐搭，用足踏皮老虎，以每分鍾18-20次的速度一踏一放，……以達到人工呼吸之目的。”
發明者承認，它很粗糙，不如國外的“鐵肺”精致美觀；需要患者自己用腳踩踏，也不如“使用電力自動的方便”。也沒有資料表明這種土製鐵肺得到了較大規模的推廣。
“土製鐵肺”，見1959年出版的《江蘇省衛生展覽會資料匯編：技術革命部份》
1950年代是“負壓呼吸機”的極盛期，也是它的衰落期。因為“正壓呼吸機”在這一時期出現了長足的發展。
人工呼吸，大約可以算作最原始的“正壓輸氣”治療手段。但它在18世紀的歐洲應用不廣，因為醫學界有觀點認為，口對口的輸氣方式不衛生，且吹入患者體內的空氣含有更多的二氧化碳，對患者有害。
1780年，法國醫生弗朗索瓦·庫西爾（François Chaussier）發明了第一台“正壓呼吸機”，它的主體部分，是用幹淨的動物膀胱製成的氣袋，和扣在患者臉上、可以密閉的麵罩。
François Chaussier發明的正壓輸氣設備
當時流行的是負壓呼吸機，這種“正壓輸氣”技術沒有多少臨床醫生願意使用。它更多地出現在生物學家的動物實驗當中。
1885年，為挽救感染了白喉的兒童免於窒息而死，美國醫生約瑟夫·奧德威爾（Joseph O'Dwyer）與喬治·費爾（George Fell）合作，設計了一種叫做喉部插管（Intubation of the Larynx）的正壓呼吸機，這種設備明顯降低了白喉患者的死亡率。
為了可以讓更多的人受惠，奧德威爾拒絕為自己的這項發明申請專利，盡管他的生活相當拮據。1898年，奧德威爾去世，友人感慨他“死於貧困”。
左，約瑟夫·奧德威爾，右：喬治·費爾
Fell-O'Dwyer
20世紀初，因為胸外科手術的需要——尤其是氣管切開術可以有效處理患者上呼吸道的阻塞，正壓輸氣技術得以進入了醫院的手術室。這一時期，出現了多種樣式的正壓呼吸設備，比如可以將患者的頭安放在櫃內的“正壓櫃”，和各種式樣的“正壓麵罩”。不過，在應對脊髓灰質炎疫情時，這些設備遠不如負壓呼吸機“鐵肺”受歡迎。
“正壓櫃”與“正壓麵罩”的具體形態，如下圖所示：
20世紀初出現的“正壓櫃”與“正壓麵罩”
正壓呼吸機首次被證明優於負壓呼吸機，是在1952年。
這年夏天，丹麥的哥本哈根爆發了脊髓灰質炎疫情，每10萬人中有105人感染。許多人認為，疫情與上一年在哥本哈根召開的脊髓灰質炎國際會議有關，是與會者將病毒帶到了哥本哈根，不過，這種猜測從未得到證實。
疫情最嚴重時，哥本哈根每天有約50名患者被確診送往Blegdams傳染病醫院（也是唯一能收治該病患者的醫院），80%的患者死亡。多數醫生認為，在已經使用了“鐵肺”的情況下，患者仍大量出汗，且臨終前有高血壓症狀，應該是死於病毒全方位感染帶來的腎衰竭。
這種意見，遭到了麻醉師比約·易卜生（Bjørn Aage Ibsen）的挑戰。他認為這些症狀與腎衰竭無關，仍是呼吸衰竭的結果，證據之一是死者血液中的二氧化碳含量很高。他建議對病患實施氣管切開術，向肺部做人工輸氣。
Bjørn Aage Ibsen，當代重症監護醫學的創始人
建議得到了醫院首席醫師亨利·拉森（Henry Cai Lassen）的支持，盡管他的見解與易卜生不同。
拉森認為，鐵肺與胸甲呼吸器已經為患者提供了相當程度的氣體輸送，問題出在腦幹已遭病毒侵襲，改用正壓通氣也難以挽救患者的生命。易卜生則注意到，當時的美國空軍已開始使用更先進的正壓呼吸設備，來提升飛行員在高空的耐受能力；1949年的洛杉磯脊髓灰質炎疫情中，也已嚐試使用正壓呼吸設備。
1944年，美國飛行員已經戴上了正壓呼吸器
首個獲得治療的患者Vivi E，是一位14歲的女孩，她正麵臨著窒息的危險。
易卜生對她實施了一種麻醉師的常用技術：將一支導管插入氣管，導管與供應氧氣的充氣袋相連，醫生每隔5到10秒用手按壓充氣袋，模擬正常呼吸，為肺部充氣。但Vivi的肺部積累了太多粘液，氣管也發生了痙攣，氣體難以輸入，她也在輸氣過程中失去了知覺。包括亨利·拉森在內的同事們認為手術已經失敗，離開了病房。易卜生急中生智，給Vivi吃了一片麻醉藥，使其陷入人工昏迷，氣管痙攣得到放鬆，再人工吸走了她肺部的粘液，輸氣得以順利進行。等同事們重返病房時，Vivi呼吸順暢，皮膚也由藍色轉回了粉紅色。她最終活了下來。
圖：Vivi E的病曆首頁
在接下來的幾個月裏，醫院招募了200餘名醫學院的學生，不間斷地手動為患者的肺部輸氣（輸氣裝置見下圖）。較之舊的“負壓鐵肺”，這個新的“正壓輸氣法”可以更方便地解決患者呼吸係統分泌物帶來的幹擾，患者的死亡率從最初的80%降到了40%。
Ibsen設計的輸氣裝置
隨後要做的，便是設計一台機器，來取代學生們的手動操作。1953年，丹麥醫生克勞斯·邦（Claus Bang）製作的正壓呼吸機，開始在斯基沃市（Skive）投入使用。1954年，歐洲出現了多種正壓呼吸機。
Claus Bang設計的呼吸機
1955年，“索爾克疫苗”問世，1957年，“沙賓疫苗”問世。這兩種疫苗以狂風掃落葉之勢，將困擾了人類上千年的脊髓灰質炎消滅殆盡。
在與脊髓灰質炎對抗中發展起來的呼吸機，也在此後與電子技術、計算機技術結合，由機械控製躍升為更精密的自動控製。它們可以被設置成各種不同模式，根據病人的不同需要，在不同的時間，以不同的強度，將氣流送入病人體內。
真正意義上的現代呼吸機，Bird Mark係列與Bennett係列早期版本
與“負壓呼吸機”相比，“正壓呼吸機”有許多優點。比如，它輕巧便捷，可以更好地滿足新興的ICU的需求；它削弱了束縛，患者不必再整天被固定在罐狀體之中；它也改善了患者的休息與睡眠，胸腔不再頻繁受到外力的擠壓與擴張。這些，都是“鐵肺”在1960年代之後被迅速遺忘的緣故。
羅馬不是一天建成的，呼吸機也不是。它的發展演變曆時近兩百年，是現代醫學與諸多其他學科融會貫通後的產物。
參考資料
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.赫爾曼/著、李嬋/譯，《長遠看來，我們都已死去：一個重症監護醫生對生命最後時日的見證》，江蘇鳳凰文藝出版社，2016年，第61-64頁。
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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