Konstgjord andning – från järnlungan till respiratorn

2021-05-22 08:00  

TEKNIKHISTORIA. Det började med en otymplig låda kopplad till två vanliga dammsugare. I dag används den svenskutvecklade respiratorn på sjukhus över hela världen. Järnlungan och dess ersättare har räddat liv i nästan 100 år, och förändrat vår syn på döden.

Den amerikanske industriforskaren Philip Drinker var ung, ambitiös och helt inriktad på luftföroreningar i fabriker och kraftverk. Att hans uppfinning kom att rädda livet på tiotusentals barn och vuxna under 1900-talets stora polioepidemier var närmast en slump.

Som lektor i industriell ventilation vid Harvard experimenterade han under tidigt 1920-tal med olika tekniker för konstgjord andning. Bland annat placerade han en nedsövd katt, med andningsorganen förlamade av curare, i en lufttät låda kopplad till en manometer. Drinker lyckades hålla djuret vid liv i flera timmar genom att för hand pumpa luft in i och ut ur lådan med en kanyl.

Principen var enkel: det undertryck som skapades i lådan när luften pumpades ut fick kattens bröstkorg att vidgas och luft att dras ner i lungorna. När luft pumpades in i lådan och undertrycket försvann, åstadkoms en konstgjord utandning.

Läs mer: Innovatören bakom livräddande masken

Med 500 dollar i finansiering från ett gasbolag i New York började Philip Drinker och en Harvardkollega, fysiologiprofessorn Louis Shaw, vidareutveckla tekniken i mänsklig skala. Målet var en apparat för att behandla personer som förgiftats av industriella gaser. 

Parallellt med detta anlitades ventilationsexperten Drinker av barnsjukhuset Boston Children’s Hospital, som ville att han skulle utveckla ett säkert och hygieniskt luftkonditioneringssystem till deras neonatalavdelning. Men den inledande inspektionen av barnsjukhusets lokaler blev en skakande upplevelse:

”Phil såg barn som långsamt dog av kvävning, orsakad av polio; han kunde inte glömma de små blå ansiktena och deras fruktansvärda flämtande efter luft”, skulle hans syster Catherine Drinker Bowen långt senare skriva i sin memoarbok Family Portrait.

Konstgjord andning kunde komma till nytta

Innan effektiva vacciner utvecklades var polio en av världens mest fruktade sjukdomar, som infekterade hundratusentals människor varje år. Sjukdomen, som också kallas barnförlamning, orsakas av ett mycket smittsamt virus som i de flesta fall är ofarligt.

Men hos ungefär en procent av de smittade angriper viruset ryggmärgen, och kan då orsaka varierande grad av förlamning. I värsta fall leder infektionen till livshotande förlamning av andningsorganen.

Philip Drinker och Louis Shaw insåg att deras teknikidé för konstgjord andning kunde komma till nytta i poliovården. De byggde en prototyp bestående av en rektangulär låda, invändigt klädd med vanliga soffkuddar, där patienten låg med bara huvudet utanför. Halsen omslöts av en lufttät krage, tillverkad av innerslangen från ett bildäck. För det alternerande luftflödet in i och ut ur lådan, som omväxlande skapade över- och undertryck, svarade två modifierade hushållsdammsugare.

Drinker och Shaw testade uppfinningen på sig själva, och hösten 1928 placerade de ut den på barnsjukhusets polioavdelning för vidareutveckling på plats. De ansåg ännu inte apparaten färdig för klinisk prövning, men snart ringde en uppjagad läkare till Philip Drinker: en åttaårig flicka hade slutat andas, och i brist på andra alternativ hade hon placerats i den konstiga mackapären. Vad gör vi nu?

Läs mer: Biokemistens nobla upprättelse

”När Phil kom till sjukhuset var flickan medvetslös, men vårdpersonalen hade inte vågat sätta på maskinen. Han startade den, och efter mindre än en minut vaknade hon till liv. Phil stod där och bara grät”, skriver Catherine i memoarerna.

Den döende flickans mirakulösa återhämtning gav enorm uppmärksamhet åt den nya behandlingsmetoden. Redan samma år började en förbättrad, cylindrisk version av apparaten serietillverkas med namnet Drinker & Shaw Tank – men i folkmun fick den mekaniska andningsmaskinen heta ”iron lung”, eller järnlungan.

Den första versionen av järnlungan var en rektangulär låda som patienten placerades i, med huvudet utanför apparaten. Luftflödet reglerades med två modifierade hushållsdammsugare, som skapade omväxlande över- och undertryck. På bilden syns en senare version av järnlungan använd av en ung poliodrabbad flicka. Foto: AP/TT

Redan de första versionerna av apparaten var anmärkningsvärt effektiva. Patienter med förlamad diafragma, vilket tidigare betraktats som en dödsdom, kunde i de flesta fall hållas vid liv tills andningsförmågan kom tillbaka efter ett par veckor.

Men spridningen till andra länder hämmades av höga produktionskostnader, och av att den 350 kilo tunga maskinen måste återsändas till USA varje gång den behövde service och underhåll. Billigare och smidigare varianter började snart lanseras på flera håll.

Motorn drevs med vattenkraft

Den danske fysiologen och Nobelpristagaren August Krogh konstruerade en modell där motorn drevs med vattenkraft från Köpenhamns stamledningsnät – antagligen för att säkra driften vid strömavbrott. Han formgav också en järnlunga i spädbarnsstorlek.

Innanmätet i en Emerson-järnlunga som visar madrassen som patienten placerades på. Foto: CENTER FOR DISEASE CONTROL AND PREVENTION

John Haven Emerson, en ung innovatör i New York, utvecklade en modell där fläktar och ventiler ersatts av ett elastiskt membran vid cylinderns fotände. Över- och undertryck åstadkoms genom att membranet omväxlande drogs ut och fördes tillbaka av en mekanisk arm, vilket var både tystare och effektivare än de brummande fläktmotorer som Drinker och Shaw använde.

Emersons järnlunga hade dessutom skjutbar patientbrits och glasluckor i sidorna, så att sjukhuspersonalen kunde se om filtar och värmedynor behövde justeras.

Verklig massproduktion kom dock först 1937, när den australiske uppfinnaren Edward Both lanserade sin ”Both portable cabinet respirator”. Metallhöljet hade ersatts av plywood, vilket gjorde maskinen så lätt att den kunde ställas på hjul och bli flyttbar. Den var så enkelt konstruerad att sjukhuspersonalen kunde montera ihop den från en byggsats, och själva byta reservdelar vid behov.

Under en akut period i Boston, USA, år 1955 nådde antalet samtidigt sjuka i polio 480 personer. Följderna av det syns i den överfulla salen med patienter som vårdades i järnlungor. Foto: AP/TT

Priset låg på en tjugondel av vad en Drinker & Shaw Tank kostade. Nu spreds tekniken över världen, och räddade oräkneliga liv.

Läkaren bakom Engström-respiratorn

Men även i de mer sofistikerade maskinerna hände det att patienter dog, trots att luften strömmade genom deras lungor. En som funderade på detta problem var den svenske infektionsläkaren Carl Gunnar Engström.

Han hade extraknäckt åt Flygvapnet med att mäta gashalterna i blodet på stridspiloter, och där låg nyckeln till hans insikt: dödsfallen i järnlungan berodde på förhöjda koldioxidhalter. Detta orsakades av den externa undertrycksprincipens begränsningar. Med den kunde man inte kalibrera hur mycket luft patienterna fick i och ur sig, med resultat att kroppen inte alltid vädrade ut tillräckligt mycket koldioxid.

Lösningen blev den så kallade Engström-respiratorn, vars första prototyp stod klar 1950. Respiratorns princip var den motsatta mot järnlungans: med övertryck genom ett rör i luftstrupen pressas luft in i lungorna, och när apparaten släpper på övertrycket pressar lungans elasticitet ut luften igen.

En uppenbar nackdel var förstås att patienten inte kunde prata eller äta med ett rör i halsen. Men genom att luften från respiratorns mekaniska kolv överfördes till ett separat system, där man kunde ställa in andningsvolym och -frekvens, kunde man reglera patientens luftgenomströmning med mycket större precision än vad järnlungan förmått.

Stockholmsföretaget Mivab började serietillverka Engström-respiratorn 1951, och när Sverige ett par år senare drabbades av ett stort polioutbrott slog den igenom brett. Över 3 000 personer drabbades av förlamning under denna den sista polioepidemin i vårt land, och omkring 5 procent av dem dog. Utan Engströms uppfinning hade dödsfallen sannolikt blivit många fler.

Snart breddades användningsområdet, och respiratorn blev standardutrustning vid operationer och andra ingrepp där patienten måste sövas. Mivab blev med tiden en del av det multinationella jättekonglomeratet General Electric Health Care.

Vår syn på döden kom att skifta

Tekniken fortsatte att vidareutvecklas och förbättras, och på 1970-talet togs ett betydelsefullt tekniksprång hos Siemens-Elema i Sverige. I samarbete med fysiologiprofessorn Björn Jonson utvecklade ingenjörerna Sven-Gunnar Olsson och Georgios Psaros den så kallade Servo-ventilatorn, som inte bara stöder andningen utan också ger mätvärden som kan användas för att diagnosticera andningsproblemen.

Det bidrog till utvecklingen av specialiserade intensivvårdsavdelningar, och tack vare Servo-Ventilatorns förbättrade sensorer kunde man reglera tryck, volym och flöde med ökad precision. Detta gjorde att man kunde börja ventilera även mycket små barn, till och med för tidigt födda som var så små att de tidigare inte kunnat räddas.

Hundratusentals människor infekterades av polio under 1900-talets stora epidemier. De värsta fallen av sjukdomen ledde fram till livshotande förlamning av andningsorganen. Framtagandet av järnlungan gjorde det möjligt att rädda liv på ett sätt som innan dess inte var möjligt. Här övervakar sjuksköterskor en mängd poliopatienter placerade i järnlungor i Kalifornen, USA. Foto: EVERETT COLLECTION/TT

En annan förändring som kom med respiratorn, var att man med tiden kunde hålla även svårt hjärnskadade människor vid liv. Detta gjorde att vår syn på döden kom att skifta: under 1980-talet blev hjärndöd det kliniska kriteriet på död i de flesta västländer inklusive Sverige, vilket haft stor betydelse för organdonationer och transplantationer. Numera kan organ tas från en donator där hjärtat fortfarande slår, vilket var omöjligt så länge hjärtslag i sig innebar att en person definierades som levande.

Med några få undantag har respiratorn, sedan länge, konkurrerat ut järnlungan. Men under 2020 har brittiska ingenjörer börjat utveckla en moderniserad järnlunga vid namn Exovent. Orsaken: i den globala covidpandemins härjningar befaras att respiratorn, och den specialutbildade vårdpersonal den kräver, kommer att bli en bristvara.

Din bonus som Ny Teknik-läsare: En del av teknikhistorien

Du som är prenumerant på Ny Teknik digitalt får som en extra bonus ett urval av artiklarna från Teknikhistoria, ett magasin om den tekniska och industriella utvecklingen som lett fram till samhället som det ser ut i dag – med fokus på den svenska utvecklingen.  

Vill du få en bit av historien direkt hem i brevlådan? Teckna din prenumeration redan i dag på: teknikhistoria.prenservice.se

Gilla Teknikhistoria på Facebook för att få senaste nytt ur historien! 

Gilla Teknikhistoria på Instagram!

Tommy Harnesk

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt