Аппараты ИВЛ: краткая история протезирования дыхания. Часть I

#Технологии
АП
Ася Петухова

Про аппараты искусственного дыхания (ИВЛ) слышали, наверное, все. Но это не первый случай столь широкой известности приспособлений для протезирования внешнего дыхания — доставки свежего воздуха (или газовой смеси) в легочные альвеолы и удаления оттуда использованного.  90 лет назад аппараты ИВЛ были столь же многочисленные в больницах и столь же известны населению. Как и сегодня, тогда причиной «популярности» ИВЛ тоже был смертельно опасный РНК-вирус, только другой — возбудитель полиомиелита, а не COVID-19. И аппараты ИВЛ тогда работали по другому принципу, нежели сейчас.

Вообще-то способов принудительного дыхания только два, и оба столь же древние, сколько существует Homo sapiens. Если, как полагают ученые антропологи, человеку врожденно присуща эмпатия (сочувствие, сострадание), то наши предки не могли не пытаться помочь задыхающемуся сородичу вдохнуть и выдохнуть. Как именно, сообразить было несложно, предки вообще были очень сообразительными людьми, иначе не выжили бы. 

Оба способа были изображены на плакатах ОСВОД «Спасение утопающего», которые в недалеком прошлом были обязательными на всех наших пляжах (сейчас арендатора или хозяина пляжа больше заботит иной вид наглядной агитации — «голубой флаг», сертификат «экологической чистоты» места купания).

Первый способ — вдувание воздуха в рот или нос пострадавшего с помощью своего рта. Второй — искусственное дыхание: руки пострадавшего поднимают и заводят назад, за его голову, потом, сгибая их в локтях, прижимают к груди, то есть имитируют естественный вдох и выход. За счет поднятия ребер и уплощения диафрагмы в грудной клетке создается отрицательное давление, и в легкие начинается приток воздуха извне, при опускании ребер использованный воздух выталкивается наружу.

Соответственно, когда дело дошло до механических аппаратов ИВЛ, работающие по первому принципу получили название аппаратов положительного давления (в зарубежной медицинской литературе (positive pressure ventilator  — PPV), вторые — отрицательного давления (negative pressure ventilator  —NPV). 

Понятно также, что первый метод создать технически гораздо проще, и первыми были аппараты типа PPV — в виде мехов, которыми раздувают огонь, или дыхательных подушек сродни тем кислородным подушкам, которые до сих пор продают в аптеках. Такими аппаратами ИВЛ пользовались в античной медицине, средневековой, в Новое время и сейчас. Сейчас, разумеется, это высокотехнологичные аппараты, где контролируется давление и объем воздуха на вдохе (чтобы не травмировать легкое), с пассивным выдохом больного, с переключением на активный выдох (то есть с созданием отрицательного давления), с положительным давлением в конце выдоха и прочими тонкостями более или менее успешной имитации естественного дыхания. 

Всего разновидностей аппаратов ИВЛ типа PPV сейчас примерно дюжина, а число их моделей в продаже несколько десятков. Но их расцвет пришелся на послевоенные годы, когда появились необходимые для них технологии электронного управления и контроля. До этого они мало чем отличались от кожаных мехов Парацельса для вдувания воздуха в легкие при асфиксии. High tech ИВЛ до этого были отрицательного давления, по сути это были в буквальном смысле дыхательные протезы, позволяющие человеку дышать естественным путем — расширением грудной клетки на входе и выдохом при ее спадении. 

Это были чисто механические устройства, производить их технологии Нового времени позволяли. Да и вакуум тут не требовался, перепад давления в легких человека при вдохе и выдохе сравнительно небольшой — около 7 мм ртутного столба, то есть примерно 1% от атмосферного давления. Первые патенты на такие аппараты появились еще в XVIII веке. Принцип их действия был прост и понятен даже неученому человеку. Пациента помещали в герметичную камеру, из которой торчала только его голова, потом в камере понижали давление, грудная клетка у пациента расширялась. Давление сбрасывалось, грудная клетка опускалась. Такие же аппараты кирасного типа надевались только на грудь больного, они были металлические и действительно сильно смахивали на военную кирасу.

Проблема тут была только в непрерывности действия аппарата. Кто-то или что-то должен был регулировать в ритме дыхания давление внутри аппарата. Делали это сначала вручную, пробовали приспособить паровой двигатель и даже водяное колесо. Но понятно, что аппарат ИВЛ с паровым двигателем едва ли мог войти в обиход обычной больницы. Прорыв случился на рубеже XIX и XX после появления доступных электромоторов. Первый серийный аппарат ИВЛ NPV-типа работал от двух стандартных моторчиков пылесоса. Его конструктором был доктор Филип Дринкер из Медицинской школы Гарвардского университета в Бостоне.

Только доктором Дринкер был не медицины, а инженером-химиком с докторской степенью (PhD),то есть кандидатом технических наук по-нашему, и преподавал студентам медикам, специализаровавшимся в области общественной гигиены, азы промышленной вентиляции и освещения. Он закончил инженерный факультет Лихайского университета в Пенсильвании, президентом которого был его отец, а потом его дядя (брат отца) профессор Медицинской школы Гарварда пристроил его к себе на факультет общественного здравоохранения. Подобного рода непотизм в науке никогда не считался зазорным и не считается таковым поныне, напротив, вроде как благотворно влияет на формирование научных династий.

Отец Филипа Дринкера помимо президентства в Лихайском университете был еще генеральным солиситором железных дорог в долине Лихай, то есть представлял интересы в верховном суде штата сети железных дорог, которые в первую очередь обслуживали угольные шахты Пенсильвании с высококачественным антрацитом. Поэтому едва ли случайно его сын занимался проблемой отравления горняков шахтными газами и сконструировал для особо тяжелых пациентов с отравлением сернистым газом аппарат ИВЛ в виде герметичного металлического ящика с регулируемым давлением внутри. 

Аппарат Дринкера пришелся как нельзя кстати для другой, гораздо более многочисленной категории больных — жертв полиомиелита. Полиовирус поражает спинной мозг и центральную нервную систему, в последних случаях он может вызвать необратимый паралич межреберных мышц и мышц диафрагмы, то есть больной при абсолютно здоровых легких не может ни вдохнуть, ни выдохнуть. С 1916 года, когда вспышка полиомиелита впервые достигла в США уровня эпидемии национального масштаба, почти каждый год в той или иной части страны возникали ее эпидемические вспышки. 

«Железные легкие» конструкции Филипа Дринкера, 1928 г.

Сестра Филипа Дринкера Катрин, профессиональный литератор, специализировавшаяся на биографической прозе, в своей книге «Семейный портрет» (Family Portrait) рассказывает, как один из осенних дней 1928 года ее брат, вызванный для консультации по вентиляции в детскую больницу Бостона, увидел там детишек с парализованной полиовирусом диафрагмой. Пораженный видом обреченных на скорую и мучительную смерть крошек с синими лицами он вернулся домой и сел за чертежи аппарата, которые мог их спасти. 

В истории науки и техники и особенно медицины множество подобных апокрифических историй. И в данном случае инженер Дринкер вполне мог увидеть и даже наверняка видел больных полиомиелитом детей в бостонской больнице, и как у любого нормального человека у него, наверное, при их виде сжалось сердце. Но более реальной кажется все же изложенная выше версия его сына Филипа Дринкера-младшего, также как и его отец инженера. Скорее всего, Дринкер просто предложил врачам детской больницы опробовать его аппарат для шахтеров на больных детях. Те согласились, и в октябре 1928 году в в аппарат ИВЛ Дринкера поместили восьмилетнюю девочку с параличом дыхательного центра в безнадежном, как считали врачи, состоянии. 

Схема аппарата ИВЛ из патента Филипа Дринкера и Луиса Шоу.

Она выжила, правда, жить отныне могла только внутри аппарата Дринкера. В следующем 1929 году в The Journal of the American Medical Association была опубликована статья Дринкера и врача-педиатра Чарлза Макханна «Применение нового аппарата для длительной поддержки искусственного дыхания при фатальном случае полиомиелита» (The Use of a New Apparatus for the Prolonged Administration of Artificial Respiration: A Fatal Case of Poliomyelitis). В том же году Consolidated Gas Co купила у Гарварда один экземпляр аппарата Дринкера и подарила его нью-йоркской больнице Бельвью. Нашелся и инвестор: Consolidated Gas Company of New York вложилась в выпуск «железного легкого» (iron lung), как прозвали аппарат Дринкера. 

Сам Дринкер в 1931 году оформил заявку на патент на свой аппарат, и в 1933 году получил патент США №1906 844, 1933. Дело обещало быть прибыльным, аппарат предполагалось продавать по цене $3,6 тыс. цена за штуку, очень внушительные деньги для времен разгара Великой депрессии, когда зарплата рабочего не превышала и $10 в месяц. Но как раз в эти годы у Дринкера появился опасный конкурент, который со временем разрушит его бизнес. Но об этом читайте в продолжении. 

Заглавная картинка: Flickr

Читайте в нашем журнале: 

Корейское экономическое чудо: история компании POSCO. Часть первая

COVID-19 и патенты: что изменилось в 2020 году

Какую роль сыграли патенты в японском экономическом чуде

Ася Петухова
Онлайн Патент
#Технологии
Спасибо! Мы перезвоним вам в ближайшее время!