Oddychanie (łac. respiratio) jest jak wiadomo jedną z podstawowych czynności życiowych, to proces zachodzący w organizmie bezustannie, którego dłuższe wstrzymanie prowadzi najpierw do bezdechu a następnie – jeśli nie zostanie on przywrócony – do niedotlenienia mózgu, skutkującego zwykle nagłą śmiercią sercową. Przyczyną śmierci może być również pewien rodzaj zaburzeń oddychania, jakim jest zespół ostrej niewydolności oddechowej (ang. ARDS skrót od Acute Respiratory Distress Syndrome). Obecnie najczęstszą przyczyną zespołu ostrej niewydolności oddechowej jest wirus COVID-19, sepsa oraz ciężkie urazy płuc. Jak się jednak okazuje największy procent zgonów na świecie, spowodowany jest nagłym zatrzymaniem krążenia i pracy serca w wyniku niedotlenienia organizmu. W skutek wtórnego zatrzymania oddechu dochodzi do nieodwracalnego uszkodzenia mózgu, dlatego tak ważne jest podjęcie szybkiej resuscytacji oddechowo-krążeniowej, dającej szansę na przeżycie. Zastosowanie odpowiednio skonstruowanych aparatów prowadzących pozaustrojowe wsparcie pracy płuc i serca, okazało się więc najbardziej skuteczną metodą ratującą życie. Urządzenia te choć znane są w medycynie już od ponad 40 lat, w dobie pandemii nabrały zdecydowanie większego znaczenia.
Z pewnością jednym z najbardziej wartościowych aparatów wspomagających czynności życiowe pacjenta jest tak zwane płuco-serce (ang. CPB skrót od Cardio-Pulmonary Bypass). Aparat ten podczas operacji na otwartym sercu przejmuje funkcję płuc oraz serca realizując krążenie pozaustrojowe. Leczenie nieprawidłowości w budowie serca bardzo często wymaga zabiegów na otwartym i unieruchomionym organie, stało się to jednak możliwe dopiero w połowie XX wieku dzięki skonstruowaniu aparatu, który przejął funkcję serca oraz zapewniał zaopatrzenie organizmu w natlenioną krew. Rolę płuc w urządzeniu przejmuje oksygenator realizujący wymianę gazową. Krew pobrana z żył pacjenta przetłaczana jest do utleniacza, gdzie następuje jej utlenowanie przez usunięcie dwutlenku węgla. Doprowadzony do przestrzeni oksygenatora tlen zajmuje miejsce dwutlenku węgla we krwi, natomiast krew oddaje swój ładunek dwutlenku węgla przejmując w zamian tlen. Drugim najważniejszym elementem urządzenia jest układ kilku (2-4) pomp zastępujących pracę serca, głównie pomp rolkowych naśladujących perystaltykę jelit i utrzymujących prawidłowe krążenie krwi w organizmie oraz wspomagających transport krwi natlenionej, gdzie wysycona tlenem krew jest rytmicznie wtłaczana pompą do aorty lub innej dużej tętnicy. Podczas zabiegu krew może być celowo chłodzona, co umożliwia wykonywanie dużych operacji w nielimitowanym czasie. Sztuczne płuco-serce to aparat wykorzystywany nie tylko w kardiochirurgii podczas operowania nabytych oraz wrodzonych wad serca czy wszczepiania zastawek i przeprowadzania transplantacji serca, ale także podczas zabiegu przeszczepiania innych organów. Zabiegów tych nie dałoby się jednak przeprowadzić bez długotrwałego unieruchomienia narządu i zastąpienia jego pracy tym właśnie aparatem.
Historia prób skonstruowania aparatu zaczyna się jednak znacznie wcześniej niż w ubiegłym wieku. W 1885 roku austriacko-niemiecki fizjolog Maximilian (Max) Ruppert Franz von Frey napisał przełomową pracę na temat układu krążenia człowieka i opracował prototyp aparatu płuco-serce, niestety był on całkowicie bezużyteczny aż do 1916 roku, kiedy odkryta zastała heparyna zapobiegająca tworzeniu się zakrzepów. Substancja ta produkowana jest przez komórki tuczne występujące między innymi w płucach, sercu oraz w wątrobie. Z uwagi na właściwości zapobiegania krzepnięciu krwi wykorzystywana jest w medycynie od 1938 roku, kiedy po raz pierwszy wyodrębniona została jako lek. Od tamtego czasu leki z heparyną stosowane są u chorych poddanych zabiegom chirurgicznym oraz unieruchomionym z powodu żylnej choroby zakrzepowo-zatorowej i ostrych zespołów wieńcowych. Heparyna działa przeciwzapalnie, przeciwobrzękowo, przeciwwysiękowo i antykoagulacyjnie a więc przeciwzakrzepowo. Pomimo wielu osiągnięć na polu medycznym i farmaceutycznym, prototyp aparatu nie spełniał jednak swojej roli, zaś próby użycia go podczas operacji nadal okazywały się daremne. Pierwsze faktycznie dobrze działające płuco-serce skonstruował w 1935 roku amerykański chirurg i pionier kardiochirurgii John Heysham Gibbon jr. Konstrukcją tego aparatu był cylinder dodatkowo pokryty od wewnątrz drucianą siatką tworzącą zawirowania, w którym na cienką warstwę krwi nadmuchiwany był tlen. Wprowadzone zmiany skutkowały w 1953 roku wykonaniem przez niego pierwszej uwieńczonej sukcesem operacji na otwartym ludzkim sercu. W połowie lat 50. inny amerykański chirurg – John Webster Kirklin usprawnił aparat Gibbona i zaczął rutynowo używać go podczas swoich operacji. Zastosowanie heparyny i znaczne postępy w diagnostyce oraz rozwój opieki pooperacyjnej i nowych technologii, sprawiły iż w latach 50. i 60. XX wieku możliwe stało się przeprowadzenie wielu niezwykle skomplikowanych operacji kardiologicznych i przeszczepów.
Próby skonstruowania polskiego aparatu do realizacji krążenia pozaustrojowego powzięte były już na początku lat 50. XX wieku. Zanim jednak aparat na stałe pojawił się w powszechnym zastosowaniu, zaczęto również prowadzić pierwsze w Polsce zabiegi na otwartym sercu bez sztucznego wspomagania. Warto nadmienić, iż jedną z pierwszych takich operacji był zabieg zamknięcia ubytku w przegrodzie międzyprzedsionkowej serca w stanie hipotermii powierzchniowej, wykonany we Wrocławiu w 1958 roku przez prof. Wiktora Brossa. Kilka lat później za sprawą tego znakomitego kardiochirurga sprowadzony został wyjątkowy dar Polonii amerykańskiej, jakim był aparat płuco-serce typu Kay-Cross, dzięki któremu w 1961 roku nestor polskich chirurgów wykonał jedną z pierwszych w kraju operacji z udziałem krążenia pozaustrojowego. Pierwszym polskim prototypem urządzenia wspomagającego krążenie było natomiast tak zwane poznańskie płuco-serce, które jeszcze w 1953 roku skonstruował prof. dr hab. med. Jan Moll we współpracy z inżynierami Franciszkiem Płużkiem i Władysławem Szymkowiakiem z Zakładów Przemysłu Metalowego im. Hipolita Cegielskiego w Poznaniu, tak powstał polski aparat MPS-1 o nazwie zawierającej pierwsze litery nazwisk konstruktorów. Urządzenie cały czas było udoskonalane, dzięki czemu w kolejnych latach powstało kilka modeli tego obiektu. W roku 1967 Zarządzeniem Ministerstwa Oświaty i Szkolnictwa Wyższego w strukturach Politechniki Śląskiej w Gliwicach powołany został Zakład Doświadczalny Optyki i Mechaniki Precyzyjnej (w 1972 roku nazwę zmieniono na Zakład Doświadczalny Elektroniki i Mechaniki Precyzyjnej), w którym rozpoczęto prace nad konstrukcją aparatu opartą całkowicie na materiałach i częściach dostępnych w Polsce. W owym czasie Śląsk stanowił najgęściej zaludniony region Polski, jednak mimo odpowiedniego zaplecza lekarskiego oraz silnej bazy dydaktycznej w postaci ówczesnej Śląskiej Akademii Medycznej w Katowicach, całkowicie pozbawiony był tego typu aparatów. Warto wspomnieć, że jakość opieki zdrowotnej w PRL była dość zróżnicowana i bardzo często pozostawiała ona wiele do życzenia, mianowicie we wczesnych latach 60-tych ubiegłego wieku jedynie Warszawa, Kraków i Wrocław wyposażone były w płuco-serca z importu. Prężny rozwój śląskiego przemysłu elektrotechnicznego w tamtym czasie sprawił, że zaistniały wręcz idealne warunki do tworzenia wielu nowatorskich przedsięwzięć również w dziedzinie szeroko pojętych nauk medycznych. Zespół lekarzy Śląskiej Akademii Medycznej wystąpił więc z inicjatywą skonstruowania takiego urządzenia do naukowców z Politechniki Śląskiej. W głównym składzie projektowym znalazł się prof. Tadeusz Paliwoda jako kierownik zespołu kardiochirurgicznego, anestezjolog dr Zygmunt Antoszewski oraz lek. med. Edward Klarewicz ze Szpitala Miejskiego nr 1 w Zabrzu a także inżynierowie Józef Wajchenig i Andrzej Zembala wraz z gronem konstruktorów, do którego należał: Zygmunt Katlewicz, Rudolf Wojnar, Romuald Stefanicki, Karol Mosler oraz Günter Völkel. Prace nad sztucznym płuco-sercem realizowano łącznie w trzech etapach, w ramach których powstały kolejne trzy modele urządzenia. Pierwszym z nich był Model 1968 „Zabrze” wykonany w oparciu o poznański prototyp „MPS-1” i przekazany jako dar czynu społecznego Klinice Chirurgicznej Śląskiej Akademii Medycznej, gdzie przy jego pomocy wykonywano wiele udanych zabiegów. Pierwszą operację na otwartym ludzkim sercu z wykorzystaniem „śląskiego płuco-serca” przeprowadzono we wrześniu 1968 roku, jednak wcześniej zostało ono dokładnie wypróbowane na psach, gdzie doświadczenia wykazały bezawaryjną i bezbłędną pracę urządzenia. Aparat ten z powodzeniem służył podczas ponad 100 operacji aż do 1972 roku, kiedy wymieniono go na model 1972 „Seria” tej samej produkcji. Pierwszy model z Zabrza używany był jeszcze jakiś czas w Klinice Chorób Zakaźnych, ostatecznie znalazł jednak swoje miejsce w pracowni swego współtwórcy dr Zygmunta Antoszewskiego w Katowicach Ligocie jako egzemplarz muzealny. Urządzenie posiadało zestaw trzech pomp oraz moduł pomiarowy umieszczone na podwoziu jezdnym, zaś w tylnej części podwozia zlokalizowane były maszty, służące do zawieszenia oksygenatora a także mocowania mierników przepływu i butelek z płynami infuzyjnymi. Kolejnym aparatem był Model 1970 „Białystok”, w którym odstąpiono od budowy modularnej dla uzyskania minimalnych rozmiarów urządzenia.
Prezentowany na fotografiach aparat to unikatowy Model 1972 „Seria” szerzej znany jako „śląskie płuco-serce”, był on udoskonaloną wersją poprzednich modeli. Warto dodać, że to niezwykłe urządzenie pamięta jeszcze czasy pierwszych operacji genialnego kardiochirurga i transplantologa prof. dr hab. n. med. Zbigniewa Religi, stanowiąc tym samym jeden z najbardziej wartościowych eksponatów Muzeum Medycyny i Farmacji SUM. Aparat wytwarzany był w serii ok. 25 sztuk, które wystarczająco pokryły krajowe potrzeby i znalazły się we wszystkich największych klinikach kardiochirurgicznych w Polsce. Model seryjny prezentowany jako eksponat muzealny wykonany był w wersji modułowej na platformie jezdnej wyposażonej w fortepianowe kółka ułatwiające manewrowanie aparatem i przygotowany do alternatywnego stosowania różnego typu oksygenatorów: jednorazowego workowego lub płytkowego wielokrotnego użytku, pełniących funkcję płuc i odpowiedzialnych za wymianę gazową w organizmie pacjenta. Z uwagi na małą objętość i małe zapotrzebowanie krwi do wypełnienia, najbardziej korzystne były workowe utleniacze krwi, niestety wadą ich było jednorazowe użycie. Aparat ten wyposażony był także w butlę z tlenem oraz łatwy w odpowietrzaniu wymiennik ciepła, umożliwiający operację pacjenta w hipotermii. Z uwagi na fakt, iż zapotrzebowanie na tlen zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem temperatury ciała, właściwość ta wykorzystywana była przy dłużej trwających operacjach, gdzie pompowaną przez organizm krew stosować można do zmiany temperatury ciała. Wymiennik ciepła to metalowy zbiornik, w którym krew szczelnie graniczy z wodą na dużej powierzchni w dwóch oddzielnych obwodach, co daje bardzo dokładne zrównanie temperatury krwi z temperaturą opływającej wody. Zadaniem wymiennika ciepła jest obniżenie temperatury ciała do około 28 stopni oraz utrzymanie jej podczas operacji czyli wprowadzenie pacjenta w stan hipotermii, zaś pod koniec trwania operacji stosowany jest on do ogrzewania krwi a wraz z nią także pacjenta. Element ten składa się z dwóch niezależnych termometrów, z których jeden mierzy stale temperaturę wody zasilającej wymiennik ciepła, drugi natomiast jest termometrem przełączalnym i mierzy temperaturę ciała pacjenta w dowolnym miejscu lub też temperaturę zewnętrzną. Zespół pomiaru temperatury zbudowany jest jako samodzielna jednostka zasilana z baterii akumulatorów, która stale ładowana jest w czasie pracy aparatu. Czujniki temperatury ciała przystosowane są do umieszczenia w przełyku lub odbycie pacjenta. Kolejnym ważnym elementem budowy tego modelu płuco-serca był kompatybilny zastaw dwóch pomp perystaltycznych do przetaczania krwi, w którym rolki elementu obrotowego dociskając wąż lateksowy do ścianki pompy, przesuwały w nim krew utrzymując krążenie w krwiobiegu pacjenta. Dodatkową funkcją pomp było także odsysanie krwi z pola operacyjnego oraz ponowne wprowadzenie jej do krwiobiegu po wcześniejszym filtrowaniu i odpowietrzaniu. W przypadku braku napięcia każda z pomp pracować mogła z napędem ręcznym. Aparat ten posiadał także zbiornik krwi zapasowej, wyposażony w filtry siatkowe dla zatrzymania skrzepów zasysanych z pola operacyjnego oraz dodatkowy wlew dla dostarczenia kroplówek i uzupełnienia krwi w krwioobiegu. Istotnym elementem urządzenia był również zespół mierników do pomiaru i regulacji temperatury oraz ciśnień, obrotów pomp w celu ustalenia szybkości przepływu krwi i czynników chłodzących oraz ilości dawkowanych gazów a także ssaków z układem zasilania, w którym energia elektryczna doprowadzona była kablem stanowiącym jedyne stałe połączenie z otoczeniem. Walorem modułowego rozwiązania było łatwe czyszczenie oraz serwis poszczególnych zespołów przy produkcji których zastosowano wyłącznie krajowe materiały. Przygotowanie płuco-serca do użycia polegało na dokładnej sterylizacji części, które mają bezpośredni kontakt z krwią chorego, a więc wymiennika ciepła, zbiornika zapasowego, oksygenatora płytkowego oraz drenów doprowadzających. Każdorazowo dobierano także średnice kaniul, służących do połączenia obiegu sztucznego z naczyniami pacjenta. Po wysterylizowaniu tuż przed operacją aparat napełniano świeżą krwią pobraną bezpośrednio od dawców. Do jednej operacji przy użyciu tego aparatu potrzeba było około 12 dawców krwi. Dawcy umawiani byli na określoną godzinę, gdyż ze względów medycznych do aparatu nie można było stosować krwi z banku. Krew do transfuzji musiała mieć tę samą grupę i ten sam czynnik Rh co krew chorego. Zabieg operacyjny z wykorzystaniem aparatu nie należał zatem do najłatwiejszych, jednak sama zasada działania pompy perystaltycznej w sztucznym płuco-sercu była stosunkowo prosta. Na dwóch ramionach pompy mocowano specjalne rolki, które podczas obrotu dociskały elastyczny dren do twardego podłoża i w ten sposób przetaczały krew. Ramiona pompy przesunięte są względem siebie mimośrodowo przez co spełniają one jednocześnie rolę zaworów i tłoczków. W tego typu pompie regulacja przeprowadzana jest przy pomocy krzywki, która zapewnia jednoczesny równy docisk obu wałków. Docisk ten musi być odpowiednio wyregulowany, aby krew przetłaczana była równomiernie i nie cofała się z powrotem oraz nie była walcowana. Walcowanie krwi powodowałoby hemolizę czyli zgniot czerwonych krwinek oraz izolowanie z nich substancji chemicznych. Szczególnie niebezpieczny jest wydzielony potas, który wpływa hamująco na pracę mięśnia sercowego, uniemożliwiając tym samym pobudzenie serca po zabiegu. W celu zapobiegania hemolizie zwrócono również uwagę na to by naczynia i kanały, którymi przepływa krew miały minimalną ilość zagięć i aby krew na swej drodze nie napotykała na żadne ostre kanty mogące stać się przyczyną wirów krwi. Podłączana do serca kaniula w postaci tak zwanego wenflonu z tworzywa sztucznego przez którą transportowana jest krew ma zwykle grubość kciuka, zaś przepływ krwi uzależniony jest głównie od wagi pacjenta i wynosi od 60 do 80 mililitrów na kilogram masy ciała. Poziomy układ pomp gwarantuje dobre odpowietrzanie krwi, ponieważ nawet minimalne ilości gazu we krwi mogą być przyczyną śmierci pacjenta. Układ zasilania silnika pompy płuco-serca sprzęgnięty jest z pompą przez sprzęgło jednokierunkowe nieprzełączalne, umożliwiające w razie potrzeby natychmiastowe przejście na napęd ręczny.
Obsługą aparatu podczas operacji na otwartym sercu oraz kontrolą wszystkich innych urządzeń wspomagających czynności życiowe w trakcie zabiegu kardiochirurgicznego i po nim zajmuje się specjalna grupa zawodowa, jaką są perfuzjoniści. Personel ten odpowiada w szpitalu za prawidłową obsługę pozaustrojowego układu krążenia (ang. ECC skrót od Extracorporeal Circulation) oraz za kardioplegię polegającą na wprowadzeniu pacjenta w stan hipotermii i na podawaniu środków farmakologicznych w postaci zimnego płynu kardiologicznego z potasem w celu czasowego zatrzymania pracy serca, gdyż operacja na otwartym organie wymaga zatrzymania krążenia a wówczas krew omijając serce rozprowadzana jest po całym ciele przez maszynę. Do podstawowych obowiązków perfuzjonisty należy także aseptyczne złożenie aparatury oraz jej sprawdzenie i dokładne przygotowanie urządzeń pod względem mechanicznym a ponadto zdobycie pełnej informacji o pacjencie oraz asekuracja podczas zabiegu i podczas badań w pracowni hemodynamiki. Perfuzjoniści zajmują się także obsługą aparatury do dializoterapii i hemodiafiltracji. Zabiegi z wykorzystaniem sztucznego płuco-serca bywają niestety bardzo ryzykowne i obciążające dla organizmu, same w sobie nie leczą, ale pomagają ratować ludzkie życie, dlatego też nazywane są “terapią ostatniej szansy” stanowiąc niejako „ostatnią deskę ratunku” dla pacjenta. Wysoki poziom śląskiej kardiochirurgii wypracowany przez lata w zabrzańskiej Klinice Chirurgicznej prof. Stanisława Szyszko, zaowocował jednym z najcenniejszych wynalazków w powojennej Polsce, jakim było „śląskie płuco-serce”. Udoskonalony przez prof. Tadeusza Paliwodę model aparatu okazał się nie tylko ogromnym sukcesem na polu techniki i medycyny, ale także otworzył nowy rozdział śląskiej chirurgii. W ten sposób z pomocą urządzenia możliwe stały się pionierskie operacje oraz przeszczepy organów. Aparat ten niczym „czasowa proteza” i „magiczny wehikuł” przenosi ciężar wymiany gazowej z osłabionych płuc na technikę pozaustrojową. Pomaga choremu zastąpić pracę narządów do czasu, aż nastąpi poprawa ich funkcji. Lekarzom zaś daje czas do momentu, w którym zadziała leczenie przyczynowe albo narząd zastąpiony zostanie przeszczepem. Zastosowanie metody pozaustrojowego wspomagania oddychania stało się szczególnie pomocne w czasie pandemii COVID-19, gdy nie pomagają już zwykłe respiratory a jedynie dzięki inwazyjnym metodom terapii pojawia się szansa na poprawę stanu zdrowia pacjenta. W tym celu stosuje się terapię polegającą na pozaustrojowym natlenianiu krwi (ang. ECMO skrót od Extracorporeal Membrane Oxygenation – pozaustrojowa oksygenacja membranowa inaczej ciągłe pozaustrojowe natlenianie krwi). Metoda ta trafiła do oddziałów intensywnej terapii z kardiochirurgii, gdzie pierwowzorem ECMO było CPB czyli sztuczne płuco-serce. Różnica w prowadzeniu wyżej wymienionych terapii polega na tym, że stosowane w kardiochirurgii krążenie pozaustrojowe za pomocą CPB służy zwykle do krótkotrwałego zastąpienia pracy serca i płuc jedynie na czas trwania operacji. Celem terapii ECMO jest natomiast w pierwszej kolejności długotrwałe wspomaganie oddychania trwające czasem od kilku dni do nawet kilku tygodni. Najważniejszym kryterium, które decyduje o zastosowaniu “terapii ostatniej szansy” jest potencjalna odwracalność procesu chorobowego, będącego powodem ostrej niewydolności oddechowej lub ostrej niewydolności serca. Kilkadziesiąt lat temu urządzenia te zajmowały znaczną część sali operacyjnej, zaś w chwili obecnej przypominają mobilną walizkę o wymiarach 60 na 40 cm z ekranem wyświetlającym parametry życiowe pacjenta. Koszt samego urządzenia to kwota ponad 300 tys. złotych, zaś terapia nim wynosi mniej więcej 30-35 tys. złotych. W obliczu zagrożenia życia okazuje się, że kwoty te nie mają jednak większego znaczenia.
Ostatnie kilka dekad intensywnego rozwoju techniki, medycyny i farmacji wystarczyło, aby dokonał się niemalże cud wskrzeszania obłożnie chorych. Szczegółowe poznanie anatomii i fizjologii człowieka oraz rozwój nowoczesnej anestezjologii i chemii klinicznej, pozwoliły na wdrożenie coraz bardziej skutecznych metod ratujących życie, które są sukcesem wielu dziedzin nauki oraz ciężkiej pracy lekarzy i naukowców. „Powrót z krainy umarłych” stał się możliwy nie tylko dzięki zastosowaniu urządzeń typu sztuczne płuco-serce, ale także innych maszyn i aparatów medycznych wspomagających pracę ludzkiego organizmu. Wśród nich na szczególną uwagę zasługuje tak zwane „żelazne płuco” będące rodzajem respiratora czyli sztucznego płuca generującego podciśnienie w celu wspomagania lub zastępowania mięśni chorego przy wykonywaniu trudu pracy oddechowej. Skonstruowane w XX wieku urządzenie to jednak efekt końcowy wielowiekowych prac konstrukcyjnych, które powzięte zostały już w XV wieku. Pierwsze projekty zbudowania maszyny umożliwiającej wymuszone oddychanie i opracowanie koncepcji jej działania, poczynił bowiem genialny malarz Leonardo da Vinci. W kolejnym wieku inny uczony, twórca nowożytnej anatomii, flamand Andreas Vesalius, opracował zwierzęcy model respiratora i dokonał opisu wspomagania wentylacji płuc przerywanym ciśnieniem. W XVII wieku podejmowano próby zbudowania respiratora, dzięki któremu możliwe byłoby ratowanie życia ofiarom utonięć. Prototypy urządzeń przypominały skórzane miechy wtłaczające powietrze do płuc, jednak nie dało się jeszcze kontrolować ich siły, co groziło uszkodzeniem narządów wewnętrznych. Próby powzięcia resuscytacji za pomocą mechanicznej wentylacji płuc podejmował również żyjący w XVIII wieku angielski lekarz, filantrop i botanik John Fothergill, któremu udało się w ten sposób uratować życie jednego górnika. Za wynalazcę pierwszego respiratora uznaje się jednak francuskiego fizyka, jednego z pionierów lotów balonem, twórcę maski gazowej i skafandra nurkowego, prowadzącego doświadczenia z gazami w latach 80. XVIII wieku, jakim był Jean-François Pilâtre de Rozier. Stworzone przez niego urządzenie pozwalało górnikom na pracę w szkodliwej atmosferze dzięki tłoczonemu pod ciśnieniem powietrzu, jakie dostarczane było przez długi wąż. Respirator był więc wtedy jeszcze urządzeniem do pracy, nie zaś aparatem medycznym. Model ten następnie z powodzeniem wykorzystał na potrzeby pruskiego górnictwa w 1799 roku niemiecki wynalazca, przyrodnik, geograf i podróżnik Alexander von Humboldt. Kilka lat wcześniej prowadząc badania z zakresu geologii, zaniepokojony ciężkimi warunkami pracy w kopalniach, wynalazł dwa narzędzia zwiększające szanse przeżycia górników w razie niebezpieczeństwa pod ziemią: lampę górniczą, która mogłaby działać bez tlenu oraz aparat oddechowy. Wszelkie spostrzeżenia na ten temat zawarł w rozprawie „O gazach podziemnych i sposobach ograniczania ich szkodliwych skutków”. W XIX wieku kolejne próby ratowania ludzkiego życia za pomocą sztucznego płuca doprowadziły do zbudowania drewnianej skrzyni, gdzie zamykano chorego zaś do jego ust przyciskana była membrana z rurką, przez którą operator 20 do 30 razy na minutę wdmuchiwał powietrze. Na początku XX wieku wraz ze wzrostem zagrożenia wojną oraz zwiększoną ilością ataków gazami bojowymi naukowcy zadawali sobie wiele trudu, aby udoskonalić wcześniejsze formy aparatów wspomagających oddychanie. Jednym z autorytetów w tej dziedzinie był szkocki lekarz fizjolog i wykładowca uniwersytecki John Scott Haldane, który w swojej pracy naukowej „Zapobieganie chorobie sprężonego powietrza” przedstawił zasady dotyczące dekompresji, oprócz tego zaprojektował i skonstruował również pierwszą komorę dekompresyjną dla nurków zwaną trumną Haldane’a. Współcześnie komory tej używa się także do ratowania osób zatrutych tlenkiem węgla lub do leczenia choroby dekompresyjnej dawniej zwanej chorobą kesonową, występującej u osób zbyt szybko wystawionych na zmniejszające się ciśnienie zewnętrzne. Proces leczenia, w którym chorego zamyka się w kapsule pod zwiększonym ciśnieniem i w atmosferze o zwiększonym udziale tlenu nazywa się hiperbarią tlenową. Warto wspomnieć, że przeprowadził on ogromną ilość eksperymentów, do których wykorzystywał wszelkie możliwe środki, również z udziałem własnej osoby oraz najbliższej rodziny. W tym celu zamykał się w skrzyniach z potencjalnie trującymi gazami a następnie sprawdzał ich oddziaływanie i zapisywał rezultaty badań. Wielokrotnie odwiedzał miejsca katastrof górniczych badając ich przyczyny, w szczególności zaś udział toksycznych gazów, które zabijały górników przez wybuchy metanu oraz pyłu węglowego. W trakcie badań odkrył, że efektem spalania gazów w kopalniach jest śmiertelny tlenek węgla powszechnie znany jako czad. Z uwagi na ten fakt, wprowadził więc stosowanie w kopalniach małych zwierząt (ptaków lub myszy), jako sposobu na wykrywanie niebezpiecznego stężenia tlenku węgla. Patent ten stosowano aż do późnych lat 80-tych XX wieku, kiedy to wyjątkowo wrażliwego kanarka zastąpiono wreszcie precyzyjnym elektronicznym wykrywaczem gazu. W trakcie swych badań zauważył, że w krwi niedotlenionej znacznie zwiększa się pojemność buforująca dla dwutlenku węgla – jest to tak zwany efekt Haldane’a. Prowadził również intensywne prace dotyczące nowych sposobów analizowania krwi, które z kolei doprowadziły go do wynalezienia hemoglobinometru. Haldane był sławą w dziedzinie chorób pulmonologicznych wywołanych toksycznością gazów i pionierem w dziedzinie dekompresji oraz wynalazcą wczesnej formy respiratora skrzynkowego i maski przeciwgazowej, używanej przez żołnierzy podczas I wojny światowej.
Najbardziej spektakularnym rodzajem respiratora, ważącym niekiedy prawie 700 kg, okazało się jednak wspomniane wcześniej „żelazne płuco” o formalnej nazwie „respirator generujący podciśnienie”. Była to duża upiornie wyglądająca metalowa tuba, w której zamykano ciało pacjenta, pozostawiając na zewnątrz tylko jego głowę otoczoną wokół szyi uszczelniającym kołnierzem. Urządzenie napędzane silnikiem elektrycznym z pompą ssąco-tłoczącą i próżniowym cylindrem, działające na zasadzie zmian ciśnienia wokół klatki piersiowej, zaprojektował w 1928 roku Philip Drinker oraz Louis Agassiz Shaw z Uniwersytetu Harvarda w Cambridge koło Bostonu. Zasadę działania maszyny porównać można do silnika parowego. Tylna ściana kapsuły połączona była systemem dźwigni z silnikiem elektrycznym i pełniła rolę tłoka, powodując tym samym podciśnienie w cylindrze poprzez rytmiczny ruch, co natomiast skutkowało unoszeniem się klatki piersiowej chorego. Znajdujące się w maszynie okienka i otwory umożliwiały obserwację oraz dostęp do pacjenta, podobnie jak ma to miejsce w inkubatorach. Formę znacznie tańszą, bardziej usprawnioną i nieco lżejszą zaproponował w 1931 roku amerykański wynalazca John Haven Emerson, dzięki czemu stała się ona urządzeniem produkowanym seryjnie i na większą skalę. Początkowo respirator ten leczyć miał ofiary zatrucia gazem koksowniczym, jednak swoje największe zastosowanie znalazł w ratowaniu chorych zarażonych wirusem polio. „Żelazne płuco” wymuszało podnoszenie lub ściskanie klatki piersiowej u pacjentów dotkniętych paraliżem mięśni i było dla nich jedyną szansą na podtrzymanie oddechu.
Polio to choroba zakaźna (łac. poliomyelitis anterior acuta, ostre nagminne porażenie dziecięce, wirusowe zapalenie rogów przednich rdzenia kręgowego, choroba Heinego-Medina) w wyniku której bardzo często pojawią się porażenia mięśni przepony i zagrażające życiu duszności, z tego względu w szybkich interwencjach korzystano z wojskowych resuscytatorów w postaci tak zwanych worków Ambu czyli samorozprężalnych przyrządów umożliwiających ratownikom wentylację wysokimi stężeniami tlenu. Odwrót pandemii skutecznie zatrzymało dopiero wynalezienie szczepionek w latach 50. i 60. ubiegłego wieku, opracowanych między innymi przez światowej sławy polskiego wirusologa profesora Hilarego Koprowskiego. Zanim jednak nastąpiły masowe szczepienia, wiele dzieci dotkniętych już zostało chorobą i zmuszonych było egzystować z żelaznej kapsule przez wiele lat do momentu poprawy ich zdrowia, choć niestety jednak część chorych pozostać w niej musiała do końca życia. Obecnie jednym z najdłużej żyjących dzięki tej aparaturze osób jest 75-letni Paul Alexander z Dallas w Teksasie, który zachorował na polio w wieku 6 lat i od 69 lat żyje zamknięty w maszynie. „Żelaznego płuca” używa on więc nieprzerwanie od 1952 roku, kiedy to w ciągu roku zachorowało prawie 60 tys. osób. Respirator pompujący tlen do płuc w momencie, gdy pacjent nie może oddychać samodzielnie to jak wiadomo urządzenie często wykorzystywane nie tylko w medycynie ratunkowej, oddziałach intensywnej terapii i salach operacyjnych, ale i bardzo przydatne w czasach pandemii wirusa COVID-19. Maszyny podtrzymujące czynności życiowe są rozwiązaniem tymczasowym, jednak jak widać w niektórych przypadkach ich pomoc okazuje się nieodzowna niemal całe życie. Znaczący postęp w naukach medycznych rozpoczął się już pod koniec XIX wieku, jednak dopiero w XXI wieku powiedzieć wypada, że wiele funkcji ludzkich narządów i układów z powodzeniem zastąpionych może być sprzętem medycznym. Płuco-serce zastępuje pracę serca realizując krążenie pozaustrojowe nawet przez 10 godzin trwania operacji na otwartym organie, respirator działający jak sztuczne płuco zapewnia oddychanie, dializator przejmuje pracę nerek i za pomocą sond dostarcza organizmowi odpowiednie składniki odżywcze oraz płyny, zaś gdy ustanie nagle praca serca za pomocą defibrylatora i leków podejmuje się akcję resuscytacyjną. Transplantacje organów oraz operacje z użyciem robotów chirurgicznych, jak również rozwój inżynierii genetycznej i wykorzystanie nanotechnologii w medycynie – skuteczne pozwoliły przedłużyć ludzkie życie. Rozwój medycyny jest chyba jednym z największych sukcesów, jakiego dokonał człowiek w toku swojej ewolucji. Osiągnięcia te sprawiły bowiem, że średnia długość życia zwiększyła się nawet o kilkadziesiąt lat. Dzięki temu, możemy dłużej cieszyć się zdrowiem, a tym samym czerpać z egzystencji znacznie więcej przyjemności niż wcześniejsze pokolenia.