How do ventilators work? - Alex Gendler

Переводчик: Ростислав Голод Редактор: Anna Pecot

In the 16th century, Flemish physician Andreas Vesalius

В XVI веке фламандский врач Андреас Везалий

described how a suffocating animal could be kept alive

описал в своём трактате, как можно спасти животное от удушья,

by inserting a tube into its trachea and blowing air to inflate its lungs.

вставив в трахею трубку для нагнетания в лёгкие воздуха.

In 1555, this procedure didn’t warrant much acclaim.

Тогда, в 1555 году, этот метод не вызвал ни у кого большого интереса.

But today, Vesalius’s treatise is recognized

Однако в наше время научный труд Везалия

as the first description of mechanical ventilation—

признан первым описанием искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ) —

a crucial practice in modern medicine.

критически важного комплекса мер в современной медицине.

To appreciate the value of ventilation,

Чтобы оценить значимость искусственной вентиляции,

we need to understand how the respiratory system works.

необходимо разобраться, как работает дыхательная система.

We breathe by contracting our diaphragms, which expands our chest cavities.

Когда человек делает вдох, диафрагма сокращается,

благодаря чему расширяется грудная полость.

This allows air to be drawn in, inflating the alveoli—

При этом в лёгкие поступает воздух и раздуваются альвеолы —

millions of small sacs inside our lungs.

так называются миллионы мельчайших мешочков внутри лёгких.

Each of these tiny balloons is surrounded by a mesh of blood-filled capillaries.

Каждый из этих крохотных мешочков оплетает плотная сеть капилляров.

This blood absorbs oxygen from the inflated alveoli

Из наполненных воздухом альвеол в кровь поступает кислород,

and leaves behind carbon dioxide.

при этом из крови в альвеолы переходит углекислый газ.

When the diaphragm is relaxed,

Когда диафрагма расслабляется,

the CO2 is exhaled alongside a mix of oxygen and other gases.

углекислый газ с примесью кислорода и других газов выводится из организма.

When our respiratory systems are working correctly,

Если наша дыхательная система работает исправно,

this process happens automatically.

этот процесс происходит автоматически.

But the respiratory system can be interrupted by a variety of conditions.

Однако ряд заболеваний могут вызвать сбои в работе дыхательной системы.

Sleep apnea stops diaphragm muscles from contracting.

При апноэ во сне происходит неполноценное сокращение мышц диафрагмы.

При астме наблюдается воспаление дыхательных путей,

Asthma can lead to inflamed airways which obstruct oxygen.

что препятствует движению кислорода.

And pneumonia, often triggered by bacterial or viral infections,

А при пневмонии, которая может быть вызвана

как бактериальными, так и вирусными инфекциями,

attacks the alveoli themselves.

поражаются альвеолы.

Invading pathogens kill lung cells,

Патогены атакуют клетки лёгких,

triggering an immune response that can cause lethal inflammation

и в ответ запускается иммунная реакция,

которая может стать причиной смертельно опасного воспаления

and fluid buildup.

или скопления жидкости.

All these situations render the lungs unable to function normally.

Во всех этих случаях происходит нарушение работы лёгких.

И тогда функцию дыхания берёт на себя

But mechanical ventilators take over the process,

аппарат искусственной вентиляции лёгких,

осуществляющий подачу кислорода,

getting oxygen into the body when the respiratory system cannot.

когда дыхательная система человека не в состоянии выполнить эту задачу.

These machines can bypass constricted airways,

Аппараты ИВЛ помогают, даже когда дыхательные пути сильно сужены,

and deliver highly oxygenated air to help damaged lungs diffuse more oxygen.

и доставляют насыщенный кислородом воздух в лёгкие,

откуда кислород разносится по всему организму.

There are two main ways ventilators can work—

Существует два основных принципа работы аппаратов искусственной вентиляции:

pumping air into the patient’s lungs through positive pressure ventilation,

подача воздуха в лёгкие в режиме положительного давления

or allowing air to be passively drawn in through negative pressure ventilation.

или обеспечение спонтанного вдоха в режиме отрицательного давления.

In the late 19th century,

В конце XIX века

ventilation techniques largely focused on negative pressure,

для искусственной вентиляции чаще применялись методы,

основанные на отрицательном давлении,

which closely approximates natural breathing

которые максимально имитировали естественный дыхательный процесс

and provides an even distribution of air in the lungs.

и обеспечивали равномерное распределение воздуха в лёгких.

To achieve this, doctors created a tight seal around the patient’s body,

Для этого пациенту создавали герметичные условия,

either by enclosing them in a wooden box or a specially sealed room.

помещая его или в деревянный ящик, или в специальную герметичную камеру.

Air was then pumped out of the chamber,

Затем из камеры выкачивали воздух,

decreasing air pressure, and allowing the patient’s chest cavity

давление воздуха снижалось, в результате чего грудная полость расширялась.

to expand more easily.

In 1928, doctors developed a portable, metal device

В 1928 году было разработано передвижное металлическое устройство

with pumps powered by an electric motor.

с насосами, приводимыми в действие электродвигателями.

This machine, known as the iron lung,

Этот аппарат, получивший название «железные лёгкие»,

became a fixture in hospitals through the mid-20th century.

устанавливался во многих больницах вплоть до середины XX века.

However, even the most compact negative pressure designs

Однако даже самые компактные дыхательные аппараты отрицательного давления

heavily restricted a patient’s movement

сильно ограничивали мобильность пациентов

and obstructed access for caregivers.

и затрудняли доступ к ним медицинского персонала.

This led hospitals in the 1960’s to shift towards positive pressure ventilation.

В результате с 1960-х годов

стали применять вентиляторы положительного давления.

For milder cases, this can be done non-invasively.

При относительно лёгкой форме заболевания это можно сделать неинвазивно.

Often, a facemask is fitted over the mouth and nose,

Как правило, на рот и нос пациента надевают маску,

and filled with pressurized air which moves into the patient’s airway.

через которую сжатый воздух попадает в дыхательные пути.

But more severe circumstances

Однако при тяжёлой форме заболевания

require a device that takes over the entire breathing process.

приходится применять аппарат, полностью заменяющий собой процесс дыхания.

A tube is inserted into the patient’s trachea

В трахею пациента вводится трубка,

to pump air directly into the lungs,

через которую воздух подаётся непосредственно в лёгкие —

with a series of valves and branching pipes

делается это при помощи ряда клапанов и разветвлённых трубок,

forming a circuit for inhalation and exhalation.

составляющих дыхательный контур.

In most modern ventilators,

В большинстве современных аппаратов ИВЛ

an embedded computer system

встроенная компьютерная система

allows for monitoring the patient’s breathing and adjusting the airflow.

обеспечивает мониторинг дыхания и регулирует поток воздуха.

These machines aren’t used as a standard treatment,

Данные аппараты не являются частью стандартной лечебной практики,

but rather, as a last resort.

а применяются, скорее, как крайняя мера.

Enduring this influx of pressurized air requires heavy sedation,

Чтобы пациент выдержал поток сжатого воздуха, делается сильный наркоз.

and repeated ventilation can cause long-term lung damage.

Также при длительной вентиляции повышается риск лёгочных осложнений в будущем.

But in extreme situations,

Однако при тяжёлой форме заболевания

ventilators can be the difference between life and death.

использование аппаратов ИВЛ — это вопрос жизни и смерти.

And events like the COVID-19 pandemic

И такие события, как пандемия COVID-19,

доказывают, что аппараты ИВЛ

have shown that they’re even more essential than we thought.

играют более важную роль, чем мы думали.

Because current models are bulky, expensive,

Поскольку существующие модели являются громоздкими, дорогими,

and require extensive training to operate, most hospitals only have a few in supply.

и для работы с ними требуется хорошо обученный персонал,

большинство больниц не располагает достаточным запасом таких аппаратов.

This may be enough under normal circumstances,

В обычных обстоятельствах этого бывает достаточно,

but during emergencies, this limited cache is stretched thin.

но в чрезвычайных ситуациях скудного запаса ИВЛ хватит не всем.

The world urgently needs more low-cost and portable ventilators,

Сегодня мир как никогда остро нуждается в недорогих передвижных аппаратах ИВЛ,

as well as a faster means of producing and distributing

а также в более быстрых методах организации производства и распределения

this life-saving technology.

этих жизненно важных приборов.