机械通气的发展和BIPAP呼吸机的诞生

•引子•

　　人体的呼吸是机体与外界环境之间进行气体交换的过程。早在公元前400年，古希腊名医希波克拉底就曾经指出，人体吸入的空气中含有某种人体必需的物质，进入鼻腔后经过心、肺的作用传遍全身。这一观念虽然模糊但却认识到了呼吸对于人体的重要性。

　　现在我们知道，通过呼吸，人体可以从空气中获得生命活动必需的氧气，同时排出体内代谢产生的二氧化碳废气，保证新陈代谢的正常进行。人每时每刻都需要呼吸。正常的呼吸是人体维持生命的必要前提。

永不停止的呼吸

　　人们对“呼吸”的生理机制的认识经过了一个漫长的过程。文艺复兴时期的科学巨匠达•芬奇认为，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。人们意识到病人情况危急时，首要的就是维持其正常的呼吸。

　　我国古代有许多人工呼吸的记载。如医学经典《金匮要略》里有着这样的记录：“一人以脚踏其两肩，手少挽其发，常弦弦勿纵之； 一人以手按揉胸上，数动之；一人摩捋臂胫屈伸之。若已僵，但渐渐强屈之，并按其腹，如此一炊顷。气从口出，呼吸，眼开，而犹引按莫置。”这是我国现存的最早关于人工呼吸的记录。

　　在国外，人工呼吸的记载最早可见于《圣经》。在《列王纪下》中，先知以利沙利用类似人工呼吸的方式救活了一个呼吸衰竭的孩子。《出埃及记》中也有关于希伯来女子Pauh通过对口吹气最终救活婴儿的记载。当然这些记载带有太多的“神迹”的倾向，还不能视为真正的医案。

　　1732年12月3日，位于苏格兰阿罗亚的一座煤矿发生了火灾。一位名叫詹姆斯•布莱尔的矿工因吸人太多烟雾而窒息，生命垂危。为他诊治的医生威廉•托撒（William Tossach)采取了口对口吹气的办法对他进行了抢救。1小时后，布莱尔恢复了知觉，4小时后就自己步行回家了。这是西方医学史上第一次有正式记录的人工呼吸。

　　但这种人工呼吸的方法在面对病情复杂的患者时，就显得无能为力了。怎样才能做到一种效率更高的持久性的人工通气呢？

　　英国医生约翰•福斯吉尔（John Fothegil)意识到了托撒的重大功绩。他于1745年发表了自己的论文，在肯定托撒成绩的基础上，建议在人工呼吸不力的情况下，可以尝试风箱鼓气。

　　早在古罗马帝国时代，医生盖伦就发现，通过置于死亡动物咽部的芦苇向气管内吹气，可使动物的肺达到最大的膨胀。这就使得医生们认识到不光生物体自己可以呼吸，在患病的情况下，通过其他途径也可以使呼吸循环得以持续。伟大的哲学家和医师阿芬那（Avicenna)就曾提出过将气管插人金属管来维持病人呼吸的想法。在此基础上，人们开始尝试在活的动物上进行人工通气实验。

　　1543年，比利时著名医学家、人体解剖学创始人维萨里（A.Vesalius，1514—1564)第一次对猪进行了气管插管实验。这次实验证实了通过建立“人工气道”，施以正压就能够使动物的肺膨胀，从而维持正常的呼吸。同时，维萨里还描述了人工通气有关的心脏功能。

　　维萨里以后，1667年，英国科学家罗伯特•胡克也做了一次动物插管实验。这次的实验对象是狗，采用了风箱鼓气进行正压通气。实验成功后，胡克向英国皇家学会提交了自己的论文。该论文成为了后来福斯吉尔提出风箱鼓气理论的基础。

　　由于福斯吉尔的大力提倡，一个致力于抢救溺水患者的组织于1767年在阿姆斯特丹成立了。1774年伦敦也成立了皇家慈善协会，积极推行风箱技术。

　　但当时的风箱技术过于粗糙，加之经验不足，导致许多患者在进行人工通气后出现了气胸，甚至死亡。因此，到了19世纪初期，这种仅仅切开气管进行简单人工通气的做法基本上停止了。医学界开始思考如何进行更加安全、有效的人工气道建立方法。

嗡嗡作响的“铁肺”

　　《星球大战》系列是科幻电影史上的杰作之一。看过这一系列电影的朋友一定会对影片中的“黑武士”印象深刻。他浑身被黑色的铠甲所包裹，其胸部装有一个布满各色按钮的机器。每当“黑武士”呼吸的时 ， 这部机器就会发出空气通过金属管道的声音。这个装置的创意实际上来自于当时医院里的呼吸机，也就是俗称的“铁肺”。

　　当简单人工通气的方法在临床上受挫之后，科学家们一直在研制更安全、稳定的机械通气设施。从19世纪中叶开始，体外负压通气方式开始成为了研究的热点。常规的人工通气需要气管插管或气管切开（有创通气)，给患者带来一定痛苦，亦会引起多种并发症（如气胸症等)。“无创通气”是指无须建立人工气道的人工通气方法，包括胸外负压通气和无创气道内正压通气等。

　　体外负压通气的原理并不复杂。医生把病人放在一个压力可以降低的密闭容器内，只把病人的头部露在外面。然后对这个容器进行抽空，使其内部产生负压。当容器内的气压低于病人胸腔内的气压时，胸腔就会膨胀（吸气）。这时，大气中的空气就会通过露在外面的鼻和口腔，沿着气道内的压力递减度进到肺腔内。当达到一定量时，使这个密闭容器内的压力恢复到大气压。这时，胸廓和肺组织就会收缩，同时也将进人到肺内的空气排到体外。

　　这种人工通气方式的建立也经历了一段不短的时间。早在1832年，苏格兰医生达尔齐尔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，动能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，美国医生菲利普•德林克（Philip Drinker)和同事路易斯•肖研制出了世界上第一个“铁肺”。德林克设计的通气机直径0.56米，长1.68米，由金属制成。其实这个通气机与以前的机器在原理上并无差异，只是安装了电动装置，不再需要人力而已。为了试验通气机的安全性，两位发明者，德林克和路易斯亲自体验了一把。结果令他们很满意，而真正的考验也很快到来了。

　　1928年10月13日下午4时，德林克的通气机接待了它的第一个病人——一个因脊髓灰质炎呼吸衰竭而昏迷的8岁女孩。上了呼吸机后仅仅几分钟，女孩就恢复了正常的神智。这一“奇迹”使得当时在场的人们激动得热泪盈眶。1929年5月18日美国医学会杂志(JAMA)报道了这一事件。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。

正压通气的复兴和BIPAP呼吸机的诞生

　　“铁肺”最大的优点就是不用对病人进行气管插管，因此产生并发症的可能性也最小。但它的缺点也很明显，其效率低下，病人的病死率高达80%；应用范围较为狭窄，并且不能用于外科手术麻醉中；再者，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。德林克的第一位病人虽然暂时恢复了呼吸，但并不是每一位脊髓灰质炎病人都像她那么幸运。

　　1948年，美国暴发了脊髓灰质炎的大流行。面对成千上万呼吸衰竭的病人，“铁肺”等负压通气机第一次暴露了其致命的缺陷。次年，Bennett对“铁肺”进行了一番改进，增添了一个由马达驱动的风箱，在箱内产生负压的同时，也可通过气管内插管实施正压通气。负压通气与正压通气同步进行，大大提高了呼吸机的效率，使病死率降到了12%。

　　1952年，丹麦首都哥本哈根也暴发了脊髓灰质炎的大流行。由于该地区的医院并没有预备大量的“铁肺”，这种紧急的状况反而促使人们转换了陈旧的思路。在麻醉学专家比约•易卜生的倡议下，医院采取了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，并组织了大量的人力为病人手动输氧。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病死率由87%降至25%。

　　上述的两次脊髓灰质炎事件实际上成了负压通气向正压通气回归的契机。而美国和丹麦也成了研制新型机械通气设备的基地。20世纪50-80年代，各种各样的正压通气机相继问世。电子计算机引人呼吸机的设计，出现了以微处理机为基础的功能更完善的、有报警、监测系统的正压呼吸机。

　　值得注意的是，随着连接人机界面的鼻和口鼻面罩的材料和造型的不断完善，无创通气也越来越受到重视。1989年，美国伟康公司推出新一代双水平气道内正压呼吸机（全称Bi -Level Positive Airway Pressure，BIPAP)，标志着机械通气进人了全新的时代。

　　BIPAP呼吸机根据压力-容积（P-V)曲线的变化原理，气道压力选择在P-V曲线的陡直段，用较小的气道支持压力带来较大的通气量的变化；并且通过鼻面罩采用双水平气道正压来提供压力支持通气，采用特制的电磁阀来控制呼气和吸气的转换。“吸气时提供一个较高的吸气压（IPAP)，可帮助患者克服气道阻力，增加肺泡通气量，降低吸气肌负荷，减少患者呼吸肌做功和耗氧量，有利于呼吸肌的休息；呼气时机器自动转换至一个较低的呼气压（EPAP)相当于呼气末正压（PEEP)，可对抗内源性呼气末正压，起到机械性支气管扩张作用，防止细支气管的气道陷闭，增加通气量，增大功能残气量，防止肺泡萎陷，改善通气/血流比例，提高PaO₂，使肺泡内CO₂有效排出，从而达到提高PaO₂、降低PaCO₂的目的。”

　　这种新型呼吸机的体积小、重量轻，操作方便灵活，非常适合家庭及野外急救使用。由于BIPAP呼吸机采用了鼻面罩通气，治疗期间不影响患者的说话和进食，大大改善了患者的生活质量。而且整个过程中呼吸肌均需用力，有利于患者呼吸肌的锻炼。

　　而BIPAP呼吸机给临床带来的最大益处是大大减少了传统有创机械通气的时间，对已经插管的病人可辅助提前拔管，使临床插管率和插管时间明显减少，病人的住院时间明显缩短。它一经上市，立即得到呼吸界临床专家的广泛好评，在临床迅速推广，取得了极大成功。 目前，BIPAP呼吸机广泛应用于睡眠呼吸障碍疾病、急性呼吸窘迫综合征和慢性阻塞性肺疾病等主要呼吸疾病的治疗，对于肥胖型低通气症、驼背引起的低通气以及神经肌肉病变的康复和替代治疗也有很好的疗效。

　　在这里需要澄清的是，BIPAP并非一种单纯的通气模式，而是一种通气方式。这是由德国Dragger公司于1988年提出的一种机械通气概念，是一种时间切换一压力控制的机械通气模式。可以从两个方面理解BIPAP: —方面它可以提供通过设置高水平压力或吸气相压力(Phigh/Pinsp)和低水平压力或呼气相压力（Plow/Pexp)，并按设定的吸、呼时间进行切换；另一方面它可被看作是两个不同CPAP水平(Pinsp和CPAP)之间时间周期切换的混合CPAP系统，呼吸机通过对一个CPAP阀施加两个不同层次的阻力或两个CPAP阀产生两个CPAP水平，而这两个压力水平各自的工作时间由设定的吸、呼时间决定。

　　生产BIPAP呼吸机的伟康公司于1992年进人中国市场，BIPAP呼吸机也随之进人了中国医院。特别是在“非典”以后，BIPAP呼吸机开始大规模进入基层医院。

　　BIPAP机械通气虽然压力较低，但仍具有正压通气时的副作用，由于在呼气时仍保持气道内正压：①可造成气压伤，即可使肺泡内气压明显增高，易出现肺间质气肿、纵隔气肿、颈胸部皮下气肿、张力性气胸及肺大泡。②同时气道内正压亦可经肺组织传送到胸膜腔、肺血管和心脏，使胸膜腔内压力增高，外周静脉血循环障碍；肺血管床受压，右心负荷增加，导致心衰和循环障碍加重。患者肺顺应性越高，则正压通气对循环影响越大，对存在血容量不足和（或）心功能不全的患者，机械通气对循环功能的抑制更为明显。

我国呼吸机事业的发展

　　我国呼吸机的研制起步较晚。中华人民共和国成立之前，我国少数大型医院的呼吸机全部进口。1958年，上海研制出了我国第一台钟罩式正负压呼吸机，1971年制成电动时间切换定容呼吸机。而这时在国外，高频通气技术已得到实验和临床的验证。瑞典的Sjostrand在1967年就提出了低潮气量和高频率通气的高频通气（HFY)模式，1977年Klain和Smith又提出了高频喷射通气（HFJV)(此后HFJV成为临床最常用的一种HFV形式）。所以那时我国的呼吸机生产水平要比国际水平落后一二十年。

　　直到20世纪90年代中期以后，国产呼吸机加大了开发力度，质量也得到了逐步提高，但相关的核心技术仍掌握在西方手里。目前国产呼吸机以中低档为主，多为电动电控型，基本上能满足临床需要。

　　呼吸机是一种高技术机电产品，其技术难点是精密机械加工、耐磨合金、压力及流量传感器，亦即在机械加工领域。目前国内研发呼吸机的企业并不多，有一定影响力的不超过10家，大都没有什么技术上的突破。在呼吸机类型上，国产机多数为有创呼吸机，无创呼吸机因为技术攻关难度大，发展非常缓慢。

.尾声.

　　我国县级以上医院有15 000多家，呼吸机总需求量为15万台左右。其中年需求量大约为7 000台，其中低档呼吸机为3 000台左右，主要由国内厂商提供；中高档呼吸机4 000台左右，80%左右为进口产品，高档呼吸机几乎被进口产品垄断，每年国家需要使用4 000万美元外汇进口中高档呼吸机。

　　加入WT0后关税下降，国际品牌呼吸机大量涌入，给我国呼吸机产业造成了巨大的压力。国产呼吸机要想在激烈的竞争中站稳脚跟，就必须加大研发力度，力争研制出具有自主知识产权的产品，尤其是要掌握住最关键的核心技术。另外，售后服务等“软实力”的提高对于增强国产呼吸机的竞争力同样非常重要。全面完善的销售和有效及时的售后服务是今后努力的方向。

(审稿专家：黄绍光)

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