從麻醉機的設計一窺臨床工程師的設計思維
工程演進的腳步絕不是一步登天，一個昨天剛上市的產品，內部的設計其實可能早在500年前就已經存在了，今天我們將以麻醉機為例，簡介工程師是怎麼從一個完全不相關的應用獲取設計靈感的。沒被全身麻醉過，也要看過全身麻醉走路
正所謂本土劇三寶 — 外遇、失蹤、開刀。當主角異父異母的妹妹因突如其來的昏倒而被推進手術房後，醫師總是會走出來，向主角解釋妹妹病情有多嚴重，必須趕快全身麻醉並進行手術。此時，手術室裡的麻醉科醫師就會將妹妹放倒，並且接上一台祖傳 『麻醉機』 並由外科醫師接手開始進行手術……
你知道嗎？
麻醉機除了可以防止妹妹肚子還沒縫起來的時候就醒過來之外，其實它也可以防止妹妹一被放倒就先窒息而死哦～究竟是怎麼一回事呢，我們今天將以工程師的角度介紹麻醉機當初是怎麼被發明出來的。
從麻醉到麻醉機
上圖為今天要介紹的主角麻醉機。麻醉機在現代醫療中扮演著不可或缺的角色。當外科醫師進行開刀時，根據動刀的位置以及嚴重程度，醫師們可能會選擇對妹妹施行全身麻醉。此時，麻醉機就會對病患提供穩定的吸入式麻醉藥物以及維持病患的呼吸。早在 1750 年代乙醚就被科學家發現，開啟了吸入性麻醉的時代。繼吸入性麻醉之後，全身麻醉的另一種方法是靜脈麻醉術，1934年靜脈注射麻醉劑第一次被應用於外科手術上，靜脈麻醉劑中另一項偉大的發現是肌肉鬆弛劑的應用。肌肉鬆弛劑可讓妹妹的肌肉於手術期間完全地放鬆，使醫師的手術過程更加順暢。在這之後現代麻醉醫學所追求的”麻醉三位一體”的概念就此展開，也就是，一個好的麻醉應包含三項要素：一是讓病人沈睡，二是讓病人免於疼痛，三是讓病人肌肉鬆弛。但是，肌肉鬆弛劑有個致命的缺點，當妹妹全身肌肉都放鬆後，同時也代表者其妹妹無法靠自己的力量呼吸，若不由可憐的實習醫師拿著一顆氣球反覆的把空氣打進妹妹的肺部裡，妹妹下一集就會領便當了。
當醫師發現這些不便之處後，工程師們便著手解決這些問題，也相應的製造出現今手術房內常見的麻醉機。作者在此試著模擬了一遍工程師們一路從定義需求（needs）到提供解決方法（solution）的過程，並使用一些生活較常見的工具做為比喻，期望使讀者們可以更了解麻醉機的開發邏輯。
定義需求
為了讓妹妹能順利的離開手術房，以下的需求便縱然而生
1. 提供病人麻醉藥物達到麻醉三位一體
2. 提供病人氧氣以避免缺氧
尋求解法
針對第一項需求『提供病人麻醉劑達到三位一體』可搭配不同藥物以提供多種解決方法，但大致上可分為兩種：
1.使用靜脈注射麻醉
2.使用吸入性氣體麻醉
使用靜脈注射雖然可達到專一性，不必擔心手術房內所有人一起睡死的窘境，但靜脈注射劑量難以控制，一個閃失，可能就會對病人產生不良效果。
使用吸入性氣體麻醉則剛好相反，雖然劑量好控制，但存在著專一性的隱憂。
針對第二項『提供病人氧氣以避免缺氧』也有許多解決方法，我們這裡也取其中兩種作舉例：
1. 傳統上手術房內常用的『實習醫師人肉幫浦』
2. 或者是近年很常在電視上看到的『體外心肺循環系統』也就是所謂的『葉克膜』
以上兩種器材（？）都可以提供病人麻醉後所需的氧氣，但實習醫師也是人，再怎麼千錘百鍊，要持續按壓氣球三個小時也是相當累人的。
葉克膜雖然有明星光環，但其實使用葉克膜過久會有生成血栓的危機，因此除非心肺功能整組壞光光，不然臨床上醫師都會盡量避免使用葉克膜。
從生活取材
考慮到以上各點工程師決定使用一個閉鎖式的氣體循環機構作為我們的麻醉機的設計，這種設計可以同時提供氧氣以及揮發性麻醉藥物，不僅可避免氣體麻醉劑外洩，又可以提供病人正壓呼吸以避免窒息。而在以上的前提之下，我們將以閉鎖循環式的淺水用水肺為借鏡來看此麻醉機的機構設計，主要原因為:
1. 兩者皆為用於肺部的氣體循環機構
1. 兩者皆須考慮進氣端與出氣端分流問題
2. 兩者皆有出氣端再過濾的需求
以上為閉鎖型循環式水肺的設計簡圖。其中構造1是連接使用者口腔的氣閥，左右兩邊各自連接2號及6號構造分別為吐氣及吸氣管道，兩者前端都有一個單向閥讓氣體只出不進，2號管將使用者排出的廢氣透過3號洗滌瓶過濾，移除過多的二氧化碳及水氣，再進入4號呼吸袋重新混入氧氣。而麻醉機所需要的機構設計與其極為相似，兩者同樣需要一個吸氣管與吐氣管並且用單向閥以避免兩邊氣體混合，也同樣需要一個洗滌瓶過濾二氧化碳和水，差別在於麻醉機的洗滌瓶還需要去除殘餘的麻醉劑，以達到精準的藥量控制，另外，麻醉機的呼吸袋還須接通一個揮發瓶以提供揮發性的麻醉藥物。
結語
透過以上的邏輯思路，工程師們一路從定義需求（needs）到提供解決方法（solution）其實並不只有給出一種答案。只是在多方考量之下決定使用以上的方法製造出現今的麻醉機，甚至，就只是沒有想到更好的辦法而已，任何『可能的解法』都有可能成為『可行的解法』，這不是第一次有人提出解法也絕不是唯一的一次，醫療器材的演進便是不斷的長江後浪推前浪，永遠有人提出更加方便、更加人性化的方法，以上便是前人辛苦走出來的道路，而接下來……我們誠摯地邀請閱讀這篇文章的你，發揮自己的創意，從生活的周遭取材，創造出更有價值的事物。
撰稿：蕭精誠
