« Железное легкое» — это тип аппарата искусственной вентиляции легких с отрицательным давлением , механический респиратор , который охватывает большую часть тела человека и изменяет давление воздуха в замкнутом пространстве для стимуляции дыхания. [1] [2] [3] [ чрезмерное цитирование ] Он помогает дыханию, когда теряется контроль над мышцами или работа по дыханию превышает возможности человека. [1] Необходимость в таком лечении может возникнуть из-за таких заболеваний, как полиомиелит и ботулизм , а также некоторых ядов (например, барбитуратов , тубокурарина ).
Использование железных легких в современной медицине в значительной степени устарело, поскольку были разработаны более современные методы дыхательной терапии [4] и в связи с ликвидацией полиомиелита в большинстве стран мира. [5] Однако в 2020 году пандемия COVID-19 возродила некоторый интерес к устройству как к дешевой, легко производимой замене аппаратов искусственной вентиляции легких с положительным давлением , которые, как опасались, будут превосходить по численности пациентов, потенциально нуждающихся во временном искусственном дыхании. [6] [7] [8] [ чрезмерное цитирование ]
Железное легкое — это большой горизонтальный цилиндр, предназначенный для стимуляции дыхания у пациентов, которые потеряли контроль над своими дыхательными мышцами. Голова пациента находится снаружи цилиндра, в то время как тело запечатано внутри. Давление воздуха внутри цилиндра циклично, чтобы облегчить вдох и выдох. Такие устройства, как респираторы Drinker, Emerson и Both, являются примерами железных легких, которые могут приводиться в действие вручную или механически. Меньшие версии, такие как вентилятор кирасы и вентилятор куртки, охватывают только туловище пациента. Дыхание у людей происходит за счет отрицательного давления, при котором грудная клетка расширяется, а диафрагма сокращается, заставляя воздух поступать в легкие и выходить из них.
Концепция наружной вентиляции с отрицательным давлением была введена Джоном Мейо в 1670 году. Первым широко используемым устройством было железное легкое, разработанное Филиппом Дринкером и Луисом Шоу в 1928 году. Первоначально использовавшееся для лечения отравления угольным газом , железное легкое получило известность для лечения дыхательной недостаточности, вызванной полиомиелитом в середине 20-го века. Джон Хейвен Эмерсон представил улучшенную и более доступную версию в 1931 году. Респиратор Both, более дешевая и легкая альтернатива модели Drinker, был изобретен в Австралии в 1937 году. Британский филантроп Уильям Моррис финансировал производство респираторов Both–Nuffield, пожертвовав их больницам по всей Британии и Британской империи. Во время вспышек полиомиелита 1940-х и 1950-х годов железные легкие заполнили больничные палаты, помогая пациентам с парализованной диафрагмой в их выздоровлении.
Программы вакцинации от полиомиелита и разработка современных аппаратов ИВЛ почти искоренили использование железных легких в развитых странах. Системы вентиляции с положительным давлением , которые вдувают воздух в легкие пациента через интубацию, стали более распространенными, чем системы с отрицательным давлением, такие как железные легкие. Однако вентиляция с отрицательным давлением больше похожа на нормальное физиологическое дыхание и может быть предпочтительнее в редких случаях. По состоянию на 2024 год [обновлять], после смерти Пола Александра , только один пациент в США, Марта Лиллард , все еще использует железные легкие. В ответ на пандемию COVID-19 и нехватку современных аппаратов ИВЛ некоторые предприятия разработали прототипы новых, легко изготавливаемых версий железных легких.
«Железное легкое» обычно представляет собой большой горизонтальный цилиндр, в который помещают человека, высовывая его голову из отверстия в конце цилиндра таким образом, чтобы вся его голова (вплоть до голосовых связок) находилась снаружи цилиндра, подвергаясь воздействию окружающего воздуха, а остальная часть тела была запечатана внутри цилиндра, где давление воздуха непрерывно циклически повышается и понижается, стимулируя дыхание. [2]
Чтобы заставить пациента сделать вдох, из цилиндра откачивают воздух, создавая небольшой вакуум, который заставляет грудь и живот пациента расширяться (втягивая воздух снаружи цилиндра через открытый нос или рот пациента в легкие). Затем, чтобы пациент выдохнул, воздух внутри цилиндра слегка сжимают (или позволяют ему выровняться с давлением окружающей среды в помещении), в результате чего грудь и живот пациента частично спадают, вытесняя воздух из легких, поскольку пациент выдыхает воздух через открытый рот и нос за пределы цилиндра. [2]
Примерами устройств являются респиратор Drinker, респиратор Emerson и респиратор Both. Железные легкие могут приводиться в действие вручную или механически, но обычно приводятся в действие электродвигателем, соединенным с гибкой насосной диафрагмой (обычно противоположной концу цилиндра от головы пациента). [9] Также были разработаны более крупные «комнатные» железные легкие, позволяющие одновременно вентилировать легких нескольким пациентам (головы каждого из которых высовываются из герметичных отверстий во внешней стене), с достаточным пространством внутри для медсестры или респираторного терапевта, которые могут находиться внутри герметичной комнаты, ухаживая за пациентами. [9]
Более мелкие, рассчитанные на одного пациента версии железного легкого включают так называемый вентилятор-кирасу (названный в честь кирасы , бронежилета, покрывающего туловище ). Вентилятор-кираса охватывает только туловище пациента или грудь и живот, но в остальном работает по сути так же, как и оригинальное полноразмерное железное легкое. Легкая вариация вентилятора-кирасы — вентилятор- куртка или вентилятор- пончо или плащ , в котором используется гибкий, непроницаемый материал (например, пластик или резина), натянутый на металлическую или пластиковую раму над туловищем пациента. [6] [10] [11] [ чрезмерное цитирование ]
Люди, как и большинство млекопитающих, дышат с помощью отрицательного давления : [12] грудная клетка расширяется, а диафрагма сокращается, расширяя грудную полость . Это приводит к снижению давления в грудной полости, и легкие расширяются, заполняя пространство. Это, в свою очередь, приводит к снижению давления воздуха внутри легких (оно становится отрицательным по отношению к атмосфере), и воздух поступает в легкие из атмосферы: вдох . Когда диафрагма расслабляется, происходит обратное, и человек выдыхает . Если человек частично или полностью теряет способность контролировать задействованные мышцы, дыхание становится затруднительным или невозможным.
В 1670 году английский ученый Джон Мейоу выступил с идеей наружной вентиляции с отрицательным давлением. Мейоу построил модель, состоящую из мехов и пузыря для втягивания и выталкивания воздуха. [13] Первый аппарат искусственной вентиляции с отрицательным давлением был описан британским врачом Джоном Далзилем в 1832 году. Успешное использование подобных устройств было описано несколько лет спустя. Ранние прототипы включали ручной приводимый в действие мехами «Спирофор», разработанный доктором Войлезом из Парижа (1876), [14] и герметичный деревянный ящик, разработанный специально для лечения полиомиелита доктором Стюартом из Южной Африки (1918). Ящик Стюарта был запечатан на талии и плечах глиной и приводился в действие моторизованными мехами. [15]
Однако первое из этих устройств, получившее широкое распространение, было разработано в 1928 году Филиппом Дринкером и Луисом Шоу из США. [16] «Железное легкое», часто называемое в первые дни «респиратором Дринкера», было изобретено Филиппом Дринкером (1894–1972) и Луи Агассисом Шоу-младшим, профессорами промышленной гигиены в Гарвардской школе общественного здравоохранения . [17] [18] [19] [ чрезмерное цитирование ] Машина работала от электродвигателя с воздушными насосами от двух пылесосов. Воздушные насосы изменяли давление внутри прямоугольной герметичной металлической коробки, втягивая и вытягивая воздух из легких. [20] Первое клиническое применение респиратора Дринкера на человеке состоялось 12 октября 1928 года в Бостонской детской больнице в США. [18] [21] Объектом исследования была восьмилетняя девочка, которая была на грани смерти в результате дыхательной недостаточности , вызванной полиомиелитом. [19] Ее резкое выздоровление менее чем через минуту после помещения в камеру помогло популяризировать новое устройство. [22]
Бостонский производитель Уоррен Э. Коллинз начал производство «железных легких» в том же году. [23] [24] Хотя изначально он был разработан для лечения жертв отравления угольным газом, наиболее известное применение он получил в середине 20-го века для лечения дыхательной недостаточности, вызванной полиомиелитом. [17]
Датский физиолог Август Крог , вернувшись в Копенгаген в 1931 году из Нью-Йорка, где он увидел машину Дринкера в действии, сконструировал первый датский респиратор, предназначенный для клинических целей. Устройство Крога отличалось от устройства Дринкера тем, что его двигатель работал на воде из городских трубопроводов. Крог также сделал версию респиратора для младенцев. [25]
В 1931 году Джон Хейвен Эмерсон (1906–1997) представил усовершенствованное и менее дорогое железное легкое. [26] [27] Железное легкое Эмерсона имело кровать, которая могла вдвигаться и выдвигаться из цилиндра по мере необходимости, а резервуар имел портальные окна, которые позволяли обслуживающему персоналу залезать внутрь и поправлять конечности, простыни или горячие компрессы. [20] Дринкер и Гарвардский университет подали в суд на Эмерсона, утверждая, что он нарушил патентные права . Эмерсон защищал себя, утверждая, что такие спасательные устройства должны быть доступны всем. [20] Эмерсон также продемонстрировал, что каждый аспект патентов Дринкера был опубликован или использован другими ранее. Поскольку изобретение должно быть новым, чтобы быть патентоспособным, предыдущая публикация/использование изобретения означало, что оно не было новым и, следовательно, непатентоспособным. Эмерсон выиграл дело, и патенты Дринкера были признаны недействительными. [ необходима цитата ]
Первое железное легкое в Соединенном Королевстве было разработано в 1934 году Робертом Хендерсоном, врачом из Абердина . Хендерсон видел демонстрацию респиратора Дринкера в начале 1930-х годов и построил собственное устройство по возвращении в Шотландию. Через четыре недели после его создания респиратор Хендерсона был использован для спасения жизни 10-летнего мальчика из Нью-Дира , Абердиншир, который болел полиомиелитом. Несмотря на этот успех, Хендерсон получил выговор за тайное использование больничных помещений для создания аппарата. [28] [29]
Респиратор Both, аппарат искусственной вентиляции легких с отрицательным давлением, был изобретен в 1937 году, когда эпидемия полиомиелита в Австралии создала немедленную потребность в большем количестве аппаратов искусственной вентиляции легких для компенсации дыхательного паралича. Хотя модель Drinker была эффективна и спасала жизни, ее широкому использованию препятствовал тот факт, что аппараты были очень большими, тяжелыми (около 750 фунтов или 340 кг), громоздкими и дорогими. Взрослый аппарат стоил около 2000 долларов в США в 1930 году (что эквивалентно 36 000 долларов в 2023 году) и около 1500 фунтов стерлингов в Европе в середине 1950-х годов (что эквивалентно 50 000 долларов в 2023 году). Стоимость одного аппарата, доставленного в Мельбурн в 1936 году, составляла 2000 австралийских фунтов (что эквивалентно 216 000 долларов в 2022 году). Следовательно, в Австралии и Европе было мало устройств Drinker. [30]
Департамент здравоохранения Южной Австралии попросил братьев Аделаиды Эдварда и Дона Бота создать недорогое «железное легкое». [31] Биомедицинский инженер Эдвард Бот спроектировал и разработал респиратор-кабинет из фанеры, который работал аналогично устройству Дринкера, с добавлением двухклапанной конструкции, которая позволяла временно получить доступ к телу пациента. [30] Гораздо более дешевый в производстве (всего 100 фунтов стерлингов), чем машина Дринкера, респиратор Бота также весил меньше и мог быть изготовлен и транспортирован быстрее. [30] [32] Спрос на аппараты был настолько велик, что они часто использовались пациентами в течение часа после изготовления. [33]
Посетив Лондон в 1938 году во время очередной эпидемии полиомиелита, Бот изготовил там дополнительные респираторы, которые привлекли внимание Уильяма Морриса (лорда Наффилда), британского производителя автомобилей и филантропа. Наффилд, заинтригованный дизайном, профинансировал производство около 1700 машин на своем автомобильном заводе в Коули и пожертвовал их больницам по всей Британии и Британской империи. [33] Вскоре респираторы Бота-Наффилда можно было производить тысячами примерно за одну тринадцатую стоимости американской конструкции. [31] К началу 1950-х годов в Соединенном Королевстве насчитывалось более 700 железных легких Бота-Наффилда, но только 50 устройств Дринкера. [34]
Ряды железных легких заполнили больничные палаты в разгар вспышек полиомиелита в 1940-х и 1950-х годах, помогая детям и некоторым взрослым с бульбарным и бульбоспинальным полиомиелитом. Больной полиомиелитом с парализованной диафрагмой обычно проводил две недели внутри железного легкого, пока восстанавливался. [36] [37]
Программы вакцинации от полиомиелита практически искоренили новые случаи полиомиелита в развитых странах. Из-за этого, разработки современных вентиляторов и широкого использования интубации трахеи и трахеотомии , железные легкие практически исчезли из современной медицины. В 1959 году в Соединенных Штатах 1200 человек использовали танковые респираторы, но к 2004 году это число сократилось до всего лишь 39. [36] К 2014 году только 10 человек остались с железными легкими. [38]
Системы вентиляции с положительным давлением сейчас более распространены, чем системы с отрицательным давлением. Вентиляторы с положительным давлением работают, вдувая воздух в легкие пациента через интубацию через дыхательные пути; они были впервые использованы в больнице Блегдамс, Копенгаген, Дания, во время вспышки полиомиелита в 1952 году. [39] [40] Это оказалось успешным, и к 1953 году они вытеснили железные легкие по всей Европе. [41]
Аппарат искусственной вентиляции легких с положительным давлением имеет то преимущество, что дыхательные пути пациента могут быть очищены, и пациент может находиться в полусидячем положении в острой фазе полиомиелита. Уровень смертности при использовании железных легких у пациентов с респираторным параличом может достигать 80–90%, большинство пациентов либо тонут в собственной слюне, поскольку их глотательные мышцы парализованы, либо отключаются из-за ацидоза из-за накопления углекислого газа в кровотоке из-за засорения дыхательных путей. Используя аппараты искусственной вентиляции легких с положительным давлением вместо железных легких, команда больницы Копенгагена смогла снизить уровень смертности в конечном итоге до 11%. [42] Первым пациентом, которого лечили таким образом, была 12-летняя девочка по имени Виви Эберт, у которой был бульбарный полиомиелит.
Железное легкое теперь занимает второстепенное место в современной респираторной терапии . Большинство пациентов с параличом дыхательных мышц используют современные механические вентиляторы , которые нагнетают воздух в дыхательные пути с положительным давлением. Они, как правило, эффективны и имеют то преимущество, что не ограничивают движения пациентов или способность лиц, осуществляющих уход, осматривать пациентов так значительно, как это делает железное легкое. [ необходима цитата ]
Несмотря на преимущества систем положительной вентиляции, вентиляция с отрицательным давлением является более верным приближением к нормальному физиологическому дыханию и приводит к более нормальному распределению воздуха в легких. Она также может быть предпочтительна при некоторых редких состояниях, [1] таких как синдром центральной гиповентиляции , при котором отказ медуллярных дыхательных центров в основании мозга приводит к тому, что у пациентов отсутствует автономный контроль дыхания. По крайней мере, у одного пациента с полиомиелитом, Дайанн Оделл , была деформация позвоночника, из-за которой использование механических вентиляторов было противопоказано . [43]
По крайней мере, несколько пациентов сегодня все еще используют старые машины, часто у себя дома, несмотря на периодические трудности с поиском запасных частей. [44]
Джоан Хедли из Post-Polio Health International заявила, что по состоянию на 28 мая 2008 года около 30 пациентов в США все еще использовали аппараты искусственного дыхания. [45] Эта цифра может быть неточно заниженной; в 2008 году только в Хьюстоне было 19 пациентов с аппаратами искусственного дыхания, проживавших дома. [46]
Марта Мейсон из Латтимора , Северная Каролина , умерла 4 мая 2009 года, проведя 61 из 72 лет своей жизни в аппарате «железные легкие». [47]
30 октября 2009 года Джун Миддлтон из Мельбурна, Австралия, которая была занесена в Книгу рекордов Гиннесса как человек, который провел самое длительное время в аппарате «железные легкие», умерла в возрасте 83 лет, проведя в нем более 60 лет. [48]
В 2013 году организация Post-Polio Health International (PHI) подсчитала, что в Соединенных Штатах было всего от шести до восьми пользователей аппаратов «железного легкого»; по состоянию на 2017 год ее исполнительный директор не знал ни об одном. Однако затем в прессе появились сообщения о по крайней мере трех (возможно, последних трех) [49] пользователях таких устройств, [50] вызвав интерес среди членов сообщества мейкерспейсов , таких как Наоми Ву [51], к производству устаревших компонентов, в частности прокладок. [52] [53]
В 2021 году в программах Radio Diaries и All Things Considered Национального общественного радио был сделан репортаж о Марте Лиллард, одной из последних оставшихся американцев, зависящих от ежедневного использования железного легкого, которым она пользовалась с 1953 года. В своем аудиоинтервью она сообщила, что у нее возникли проблемы с получением запасных частей для поддержания нормальной работы ее аппарата. [54]
11 марта 2024 года Пол Александр из Далласа, штат Техас, США, умер в возрасте 78 лет. Он был прикован к железному легкому в течение 72 лет с шестилетнего возраста, дольше, чем кто-либо другой, и был последним человеком, живущим с железным легким. После его смерти Марта Лиллард стала единственным человеком в США, который, как известно, использовал железное легкое. [55]
В начале 2020 года, реагируя на пандемию COVID-19, чтобы решить острую глобальную нехватку современных аппаратов ИВЛ (необходимых для пациентов с прогрессирующим, тяжелым COVID-19 ), некоторые предприятия разработали прототипы новых, легко изготавливаемых версий железных легких. Эти разработки включали: