第一节 呼吸机的发展沿革

一、呼吸机的萌芽

人工呼吸的历史可溯源至史前时代，但呼吸机的雏型于公元15世纪文艺复兴时代之后才诞生。1543年，Vesalius首次对猪进行气管切开并置入气管导管成功，进而证实通过气管导管施以正压能使动物的肺膨胀。1667年，Hooke在狗身上成功重复了这一实验并首次应用风箱技术成功地进行了正压通气。1792年，Curry首次在人身上成功进行了气管插管，此后，这种简单的由手动进行人工通气的风箱技术在欧洲较广泛地被用于溺水者的复苏。但由于该技术极其粗糙并且缺乏应用经验，致使应用后并发症多，成功率低。

二、近代呼吸机

自19世纪中叶至20世纪初，人们为了避免早期的有创人工通气而在体外负压技术领域进行了广泛的研究。1832年Dalziel设计出一个密封的风箱装置，通过箱内的压力变化而进行通气。但由于这种箱式负压通气机需人工提供动力，因而其发展和应用大为受限。至20世纪初，随着电力的广泛应用，体外负压通气技术的研究和发展得以空前推进。

近代呼吸机的发展，最早始于1915年哥本哈根的Mol-gard和Lund，以及1916年，斯德哥尔摩的外科医师Giertz。可惜他们的成就缺乏资料记载，仅见于科学通讯报道。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积描记仪的箱内，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0.56m，长1.68m。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，从而开创了机械通气史上的一个里程碑。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”。在20世纪30～40年代欧美脊髓灰质炎大流行时，铁肺、双人铁肺、胸甲式等个体负压通气机大量应用于临床，尽管取得了一些效果，但其固有的缺陷暴露无遗：一是疗效极低，其治疗呼吸衰竭的总死亡率高达80%，对战伤所致的急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的治疗未获成功；二是气道管理困难，气道分泌物难以排出；三是不能应用于外科手术麻醉中。

三、早期现代呼吸机

事实上，正压通气自能建立人工气道始就已引起部分学者（主要是外科和麻醉学科领域）的兴趣。19世纪末20世纪初，由于人工气道技术的完善和喉镜直视下气管插管方法的建立，正压通气方法在外科和麻醉学科领域得到较为迅猛的发展。1934年Frenkner研制出第一台气动限压呼吸机——“Spiropulsator”，它的气源来自钢筒，气体经2只减压阀，产生50cm水柱的压力。呼气时通过平衡器取得足够的气流，吸气时间由开关来控制，气流经吸入管入肺，当内压力升至预计要求时，阀门关闭，呼吸停止。1940年，Frenkner和Crafoord合作，在“Spiropulsator”的基础上进行改进，使之能与环丙烷同时使用，成为第一台间歇正压通气（IPPV）麻醉机呼吸机（apiropulsator），它被应用于胸外科手术患者和战伤ARDS的抢救中，获得成功。1942年美国工程师Bennett发明一种采用按需阀的供氧装置，供高空飞行使用。以后由加以改进，于1948年研制成功第一台初具现代呼吸机基本结构的间歇正压呼吸机——间歇正压呼吸机TV-2P，并应用于临床，以治疗急、慢性呼吸衰竭。自此“气控—气动”压力限制型呼吸机一度成为正压通气机的主流形式。这一时期的主要代表机型为Bennet PR-1A和Bird mark VII等，属于现代第一代呼吸机。但在临床实践中发现这类正压呼吸机常常不能保证有效的潮气量。为弥补这一不足，设计者们首先开发了容量监测功能装置，然后开始探索研制容量限制型呼吸机。1950年，瑞典的Engstrom Medical公司研制出世界上第一台容量转换型呼吸机Engstrom100取代了当时的“铁肺”，救治了大量的由流行性小儿麻痹引起的呼吸衰竭病人。此后，许多工程师、医师等投入呼吸机的研究，欧洲各国纷纷生产出代表呼吸机达到10种类型。标志着第二代现代呼吸机的诞生。自此，正压通气技术达到了一个新的水平。

20世纪50年代开始，由于心脏外科的发展越来越多的医师认识到机械呼吸的优点。1955年Jefferson呼吸机是美国市场上首先使用最广的呼吸机之一。此外，还有Morch、Stephenson、Bennett和鸟牌呼吸机等四种类型。

这些早期的现代呼吸机采用的是活塞、风箱等“气控—气动”机械性技术，灵敏性不高，监测功能不完善。20世纪60～70年代，随着物理学的发展，电子技术被引进到呼吸机的设计中，气动能源实现了电子设备控制；由电位计所控制的容量压力监测系统和报警系统亦被开发出来，这些都大大方便了临床实践。1964年Emerson的术后呼吸机，是一台电动控制呼吸机，呼吸时间能随意调节，配备压缩空气泵，各种功能均由电子调节，根本改变过去呼吸机纯属简单的机械运动的时代，而跨入精密的电子时代。这类由电子设备控制的第二代呼吸机具有代表性的主要有Bennett MA、Engstrom 200和Servo 900等型呼吸机。这一时期，随着大量临床经验的积累和研究，一些新的机械通气观念和技术得以发展和应用，如呼气末正压（PEEP）、持续气道正压（CPAP）、间歇指令通气（IMV）、同步间歇指令通气（SIMV）和T型管技术。

四、第三代现代呼吸机

1970年利用射流原理的射流控制的气动呼吸机研制成功，是以气流控制的呼吸机。全部传感器、逻辑元件、放大器和调节功能都是采用射流原理，而无任何活动的部件，但具有与电路相同的效应。自20世纪80年代以来，随着人们对呼吸生理的深入了解，新的设计思想（如流体控制原理）的采用，以及电子计算机技术的引进，设计者们研制出多种第三代新型呼吸机。这类新一代多功能电脑型呼吸机具备了以往不可能实现的功能，如监测、报警、记录等。它们的功能齐全，性能先进，可靠耐用，集定压定容于一体，兼容多种新的大有前途的通气模式，部分机型还具备智能化功能。其特点具体表现在：①活塞风箱和机械性活瓣应用减少，代之以电子模拟装置，重要部件具有双重性结构，故障发生率低，安全可靠。②附属加温加湿功能更加充分，部分机型还带有气道雾化给药装置。③吸入氧浓度的调节更加灵活，随意性更大。④辅助通气的功能元件灵敏度提高，反应时间缩短，多不超过150ms；开发出流速触发时的阻力和呼吸功消耗，使自主呼吸更易与呼吸机协调同步。⑤增加了吸气流速波型变化、吸气暂停、深吸气等有益的特殊功能。⑥开发出多种新的通气模式，其中部分模式具有智能化功能，如压力支持通气（PSV）、压力调节容积控制通气（PRVCV）、容积支持通气（VSV）、压力释放通气（PRV）、双相气道正压通气（BiPAP）、适应性支持通气（adaptive support ventilation, ASV）、适应性压力通气（adaptive pressure ventilation, APV）和容积保障压力支持通气（VAPSV）等，其共同特点是较以往辅助通气模式更加接近生理状态。⑦监测、警报系统更加完善，应用了自动反馈调节系统和自动校正系统，使调节更加简单，增加了安全性。部分机型还具有相应的通讯接口，可连接计算机和监护仪，为临床提供更多的资料和数据。⑧一机多能，同一型号呼吸机既适用于成人又可用于儿童，集压力、容积、时间及流速切换于一身，扩大了应用者的选择范围。这一类呼吸机的代表机型有Servo900c, Servo 300, Newport E-200, Bennett 7200和7200ae, Engstrom Elrira和Hamilton Galileo等型呼吸机。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。

在20世纪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。Zapol于1992年首次提出“容积损伤”（Volutrauma）的概念，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。认为适当限制通气容量可避免肺的损伤。

我国呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971年制成电动时间切换定容呼吸机。改革开放以后，我国呼吸机的制造水平得到长足的进步，各种类型的呼吸机已接近国外先进水平，代表机型有SH系列呼吸机、HVJ-880同步呼吸机、SC型电动呼吸机和KTH系列呼吸机。