如虚如实说 - 呼吸机是如何救命的？

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人要活着必须呼吸。

《圣经•创世记》中说上帝用泥土创造了人，并将生气吹入他的鼻孔里，人因此得到了生命。据考证，《创世记》源自公元前1000年左右成书的希伯来文《旧约》，距今已经有3000多年的历史了。当时的人们已经清楚地意识到呼吸的重要性。

世界上的几个古老文明都对呼吸十分重视。在我们中国，战国时期的庄子（约公元前369年—约公元前286年）就有“吹呵呼吸，吐故纳新”的养生方法（《庄子•刻意》）。在印度的瑜伽术中也有特别的呼吸法。

最早用科学方法研究呼吸的是比利时医生安德雷亚斯•维萨里（Andreas Vesalius，1514—1564）。他是当时的名医，曾任国王与教皇的御医。他还是解剖学的创始人之一，他仔细研究了肺部与喉管的结构（图1），并详细地描述了发声机理。

图1，维萨里手绘的人体肺部和喉管结构图

首先发现肺泡的是西班牙人米格尔•塞尔维特（Michael Servetus，1511—1553）。塞尔维特的父亲在政府任公职，家境小康。他开始学习法律，期间也研究神学，后来才到巴黎去学医。

当时欧洲的宗教正面临巨变，开尔文（John Calvin，1509—1564）开创了新的宿命论教派（Predestination），与梵蒂冈教廷传统的三位一体论（Trinity）对抗，双方已现剑拔弩张之势。

塞尔维特认为《圣经》中没有三位一体论，主张一神论（Unitarianism）。他写了两篇批判文章，并与开尔文通信交流。但开尔文认为他的思想与自己不符，是个危险的另类。

1553年，教廷把他抓了起来，公开审讯，幸得朋友帮忙，他才以“证据不足”逃过一劫。他逃到开尔文新教的地方避难，结果反被抓进监狱，受尽了折磨（图2），最后被当众烧死。后人把他尊为一神论教派的创始人。

图2，塞尔维特在狱中受尽折磨，最后被当众烧死

塞尔维特在他的著作中描述了肉眼难以看见的肺泡（直径约0.2毫米）。但是由于他的著作主要讨论的是神学，所以他关于肺泡的论述直到一百多年后才被引起注意。

同一时期发现肺泡的还有意大利医生里铎•科隆博（Realdo Colombo，1515—1559）。他继安德雷亚斯•维萨里之后任意大利帕多瓦大学（Padua University）的解剖学教授，这所大学建校于1222年，是世界上最早的大学之一。

科隆博仔细地描述了肺与肺泡的结构，但却未能发现呼吸的机理。

科隆博还发现摩擦定律：重物在平面上运动时，摩擦系数等于推力与压力之比。这一定律是机械工程中的基本定律之一。

1628年，英国医生威廉•哈维（William Harvey，1578—1657）发现了血液循环，但未能发现血液循环与呼吸的关系。

著名的罗伯特•胡克（Robert Hooke, 1635—1703）也曾经研究过呼吸（参见「如虚如实说」| 那个和牛顿有过纷争的男人）。他做了一个动物实验（图3）：

把狗的气管接在一个罐子上，罐子可以通气，也可以关闭。他的实验证明，即使没有呼吸，通过气管流入的空气也可以维持生命，但没有新鲜空气就会致死。

图3，胡克的狗呼吸实验

到了18世纪中，肺脏的结构已经清楚（图4），氧气也被发现了（参见如虚如实说 | 氧气与氧气机）。但还是没人能够破解呼吸的秘密。

图4，气管与肺的结构

直到1904年，丹麦科学家克里斯蒂安•波尔（Christian Bohr，1855—1911）和他的博士导师一起研究鱼的生理学。他们发现鱼鳔中的氧气含量比鱼血管中的氧气含量要高得多。

那么氧气到哪里去了呢？

波尔深入研究，提出了波尔效应：氧的分解与二氧化碳浓度及环境酸碱度有关。这一重要的发现把动物吸入氧气与呼出二氧化碳联系在一起。波尔一门英俊，他的儿子尼尔斯•玻尔（Niels Bohr，1885—1962）是量子力学的奠基人，1922年获得诺贝尔奖。

孙子奥格•玻尔（Aage Bohr，1922—2009）发现了粒子运动的规律，1975年获得诺贝尔奖。

1908年，克里斯蒂安•波尔回到丹麦哥本哈根大学任教。他聘用了丹麦科学家奥古斯特•克罗（August Krogh，1874—1949）。克罗是一个造船工人的儿子，他在哥本哈根大学学习医学和生理学。克罗的妻子玛丽（Marie Jorgensen Krogh，1874—1945）是他的同班同学。玛丽有9个兄弟姐妹，但只有4个活到成年。所以她决定学医。克罗和妻子志同道合，琴瑟和鸣，做出了许多杰出的贡献（图5）。

在波尔的指导下，克罗开始研究人体中的气体交换及氧气在全身的流动。他发现氧流量是由毛细血管调节的。当身体处于休息状态时，许多毛细血管关闭；在运动时，毛细血管扩张开，让更多的氧气被输送到肌肉。这一发现完整了氧气和二氧化碳在人体中的周期循环。

1914年，玛丽进一步证明克罗发现的氧气传输机制足以在各种各样的条件下维持身体的新陈代谢。

1920年克罗荣获诺贝尔奖。

1922年，克罗夫妇访问加拿大时注意到了刚刚发现的胰岛素，玛丽患有II型糖尿病，于是两人立即买下胰岛素在欧洲生产与销售的专利。回到丹麦后，克罗与朋友一起建立公司。这个公司至今还在成功地营运，使玛丽和无数糖尿病患者受益终身。

图5，丹麦科学家家奥古斯特•克罗和妻子玛丽•克罗夫妇

今天，我们已经清楚地了解呼吸的原理。如图6所示，人的呼吸由大脑皮层的自动控制系统主导（voluntary control），同时也受其它感受器（receptor）的影响，包括：

·呼吸神经系统（通过延髓、脑桥和脊柱作用）；

·肺部伸张感受器；

·肺部及气管刺激感受器；

·肌肉及关节感受器；

·中枢生化感受器（在二氧化碳增加（CO₂ ）、氢离子（H ）增加时做出响应）；

·外周生化感受器（在氧气减少（O₂ ）、二氧化碳增加（CO₂ ）、氢离子（H ）增加时做出响应）；

·其它感知及感情感受器，其它感知包括疼痛、冷热等等，感情包括喜怒、惊吓、激动、主观意念等等。这些感受器均通过下丘脑起作用。

图6，呼吸的控制系统，其中，“+”表示呼吸加快，“-”表示呼吸减慢

呼吸系统包括气管、肺及胸腔（图7）。肺包裹在胸腔的胸膜和膈膜里。胸腔包括胸廓，胸骨，胸椎，肋骨和肋间肌。胸膜连接着肋间肌，中间有胸膜腔和胸膜囊。

图8所示，呼吸过程分三步：

第一步，神经系统驱动肋间肌使胸腔扩张，肺随之扩张，产生负压吸入新鲜空气。

第二步，新鲜空气在肺泡中与血液混合，将氧气送入血液中，然后通过心脏将饱含氧气的血液经动脉血输送到全身，再通过毛细血管析出氧气，供给各个组织器官。各个组织器官新陈代谢产生的二氧化碳由毛细血管吸收，形成二氧化碳含量高的血液，经静脉回流到心肺，最后由肺泡将血液中的二氧化碳吸析出。

第三步，神经系统驱动肋间肌使肺部恢复原状，挤出空气，把肺泡中二氧化碳含量高的气体排出体外。

人大约每分钟会呼吸12~20次左右。这个频率与海浪的频率相似。所以，当我们漫步在海滩上倾听海浪的声音时，就会引起心灵的共鸣，感到特别的舒畅。

图7，呼吸系统图示

图8，呼吸周期图示意（动画）

呼吸系统日以继夜地不断工作，日复一日、年复一年，不管是坐卧跑跳，还是吃喝醒睡，喜怒激动，通常能够很好地自我调节。但也有生病的时候。肺部疾病有好几种，包括

·感染性肺部疾病（细菌感染、病毒感染、霉菌感染等）；

·与大气污染和吸烟有关的疾病；

·与职业有关的疾病；

·与免疫有关的疾病；

·与遗传有关的疾病；

·肺部肿瘤，等等。

病了要静养、吃药、打针、甚至手术。当病情严重，难以自主呼吸时，就要使用呼吸机了（生命十分顽强，病人度过难关后可以逐步撤离呼吸机，慢慢恢复自主呼吸）。

1930年代，小儿麻痹症在美国流行。大部分的受害者都是小孩子（美国总统富兰克林•罗斯福（Franklin Roosevelt，1882—1945）是个例外）。许多患者会因此导致呼吸系统瘫痪。

为了解救这些病人，哈佛大学医学院发明了“铁肺”呼吸机（图9）。这个呼吸机是个长方形的金属盒子，病人躺在盒子里面，只露出头部。呼吸机有两台真空气泵，一台抽气、一台充气，从而让盒子内部的压力像呼吸过程一样一张一弛。在接下来的30年里，铁肺成为治疗小儿麻痹症的主要方法之一。

1939年，美国国家小儿麻痹症基金会开始大规模分发铁肺，每台的价格约为1500美元（这是当时一套房子的平均价格）。

今天的呼吸机用管道直接向呼吸系统供气排气（图10）。呼吸机分吸入与排出两个步骤。吸入时，真空泵排气，从而带入新鲜空气，并通过吸入阀门（inspiratory valve）将新鲜空气推入一个湿度控制箱，然后推送给病人，此时，排出阀门（expiratory valve）关闭（图11（a））。排出时，真空泵抽气，但吸入阀门关闭，病人呼出的气体通过排出阀门及滤器排出（图11（b））。呼吸机通常还能检测呼吸和心跳并调节吸入及排出的气压及速度。

自新冠病毒Covid-19在全球爆发以来，呼吸机广泛使用，拯救了无数人的生命。

图9，“铁肺”呼吸机

图10，现代呼吸机

（a）吸入

（b）呼出

图11，呼吸机（动画）