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.
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 могли 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.
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.
Джон Эмерсон, как и Филип Дринкер, был тоже не из простой семьи, его отец был профессором и заведующим кафедрой управления государственной системой здравоохранения Колумбийского университета и членом многочисленных комиссий по проверке государственных лечебных учреждений на местах, а до этого был комиссаром здравоохранения Нью-Йорка (начальником городского департамента здравоохранения), то есть человеком в медицинских кругах США уважаемым и влиятельным. Старший брат Джона исследовал в Гарвардском университете физиологию растений и впоследствии открыл наличие в хлоропластах двух фотосистем (двух реакционных центров фотосинтеза).
Но Джон Эмерсон, как он сам признавался в 1985 году на своей публичной лекции в Массачусетской больнице общего профиля, одной из старейших и самых известных в Америке клиник: «Учился я не очень хорошо, даже школу не закончил. Но семья послала меня в Гарвард, потому что все мужчины из нашей семьи учились там, а женщины в Рэдклифе (женский колледж при Гарвардском университете, основанный в 1636 году). Это была семейная традиция, и отец сказал, что я буду первым Эмерсоном, который не поехал в Гарвард, с того времени, когда наши предки высадились на американский берег в Ипсвиче в 1630 году».
Эта лекция Эмерсона Some Reflections on Iron Lungs and Other Inventions («Некоторые размышления о «железных легких» и других изобретениях») доступна в интернете на английском языке, и ее стоит почитать, потому что редко кто из изобретателей так подробно рассказывает об изнанке своего труда. Если же коротко, то в Гарварде старший брат устроил его лаборантом в физическую лабораторию, где он год подметал полы и научился смазывать токарные станки, а потом его кузен Александр Форбс, работавший на медицинском факультете, забрал его к себе. У него Эмерсон сначала делал очень тонкие волокна для струнного гальванометра, а потом, освоившись, изобрел микроманипулятор для работы с культурами бактерий, причем такой удачный, что им пользуются до сих пор.
А затем Джон Эмерсон занялся тем, что прославило его имя и принесло немалое состояние. Для начала он помог доктору Джиму Уилсону из бостонской детской больницы смастерить из молочной фляги, купленной Уилсоном в супермаркете Sears Roebuck, кислородную палатку для новорожденных. А потом Уилсон попросил Эмерсона посмотреть аппарат ИВЛ Дринкера. «Это новая штука, — сказал он. — Мы покупаем их по 3600 долларов, а они ужасно шумят». Эмерсон посоветовал заменить диафрагму в аппарате на что-нибудь более простое и вырезал ее из кожи старого автомобильного сиденья.
Доктор Уилсон отнес ее Дринкеру, но он отверг ее с порога, мол, не будет работать, он такое уже пробовал. Эмерсон рассказал об этом случае отцу, тот промолчал, но через несколько дней прислал короткое письмо. Эмерсон-старший писал сыну, что если тот собирается заняться аппаратом ИВЛ, то сейчас самое время для этого, приближается очередная эпидемия полиомиелита. На дворе стоял 1931 год, и как раз в этот год пришла эпидемия. Джон Эмерсон отправился в мастерские Robertson Boiler Works на Ист-Ривер в Нью-Йорке и попросил сделать ему металлическую герметичную емкость в виде трубы диаметром приблизительно 28 дюймов желательно на тележке с колесами, никаких чертежей у него на тот момент не было.
Он показал эту трубу докторам из инфекционной больницы Уилларда Паркера в Нью-Йорке и рассказал им, как будет устроен его аппарат ИВЛ. Те его вежливо выслушали и сказали, что у них всего четыре «Дринкера», один из больных, молодой священник, умер этой ночью, потому что для него не было свободного аппарата. Эмерсон заказал у Роберсона еще пять «труб». В этот момент к нему в мастерскую в Нью-Йорке явился сам Дринкер и предупредил, что Эмерсон зря старается, его все равно не пустят в этот бизнес, мол у него, Дринкера, новые пациенты и влиятельные новые инвесторы на подходе. Через полгода Эмерсон показал свой аппарат ИВЛ на выставке «Американская больница». Там же были аппараты Дринкера, только аппарат Эмерсона стоил $1000, то есть в три с половиной раза дешевле, чем у Дринкера.
Принципиально аппарат ИВЛ Эмерсона и Дринкера не отличались, просто у Эмерсона было несколько усовершенствований, он работал тихо, да и внешне выглядел не столь брутально, как похожий на гроб на колесиках аппарат Дринкера. После выставки в Торонто Эмерсон получил заказ от Массачусетской больницы общего профиля собрать один его аппарат ИВЛ прямо в больнице, кроме того его аппаратами заинтересовалась Consolidated Gas Company. К Эмерсону приехал декан Юридической школы (факультета) Гарварда с просьбой повременить полгода с выходом на рынок, мол, в Гарварде учли недостатки аппарата Дринкера и дорабатывают его. Эмерсон подождал, а в 1932 году подал заявку на патент на свой аппарат ИВЛ, а спустя год получил его.
В те годы в США и других странах были построены и запатентованы еще несколько аппаратов ИВЛ отрицательного давления. Проектировали и строили такие «железные легкие» и в СССР. Конструктивно и внешне они все похожи друг на друга, разница в деталях. Их конструкторы прекрасно это понимали, и патентных склок между собой не затевали. Только один Дринкер подали иск на нарушение его авторских прав Эмерсоном. Эмерсон защищался в суде сам, не прибегая к помощи адвоката, он продемонстрировал несколько десятков патентов XIX и начала XX века на ИВЛ с отрицательным давлением, все, что было там, было у Дринкера. В их числе был даже аппарат ИВЛ конструкции Александра Белла, один экземпляр которого хранился в его музее в Канаде. Трудно сказать, добили ли судью окончательно «железные легкие» изобретателя телефона Белла, но в иске Дринкеру было отказано. Большую часть американского рынка ИВЛ в предвоенные и первые послевоенные годы занимали «железные легкие» конструкции Эмерсона.
Как уже сказано, в послевоенные годы аппараты ИВЛ были вытеснены их антагонистами с повышенным давлением, последние действительно выглядели более эффективными для больных с пораженными легкими не так сильно ограничивают пациентов в передвижениях. К тому же после создания вакцины против полиомиелита, болезнь резко пошла на спад, и теперь встречается редко. Последние пациенты с поражением полиовирусом их дыхательных мышц дожили свой долгий век в аппаратах ИВЛ Эмерсона в нулевые годы нашего века. Так что страницу с «железными легкими» в истории техники и медицины можно перевернуть.
Мешает это сделать только одно. В научной прессе, посвященной проблемам коронавирусной пандемии пока редко, но в последние месяцы все чаще и чаще появляются публикации, которые можно объединить общим заголовком «А не являются ли аппараты ИВЛ с отрицательным давлением альтернативой при лечении COVID 19?» Причем ученые не только рассуждают на эту тему, в Канаде, в университетах Калгари провинции Альберта уже строят такой аппарат ИВЛ для ковидных больных. То же самое происходит в британском университете Уорика в Ковентри, где при содействии Marshall Aerospace & Defence Group и Imperial NHS Trust подобный прибор исследуется уже на уровне прототипа. Очень похоже, что скоро появятся новые патенты на современные реинкарнации старых «железных легких».
Автор: Алексей Кошкин @ko_ya
Источник: https://habr.com/
