1910年12月，伍连德医生在东北疫病暴发区通过流行病学调查、病尸解剖、细菌学观察等研究手段，确定了所发疫病是通过飞沫与空气传染的“肺鼠疫”。这是国际上未曾发现和确认的一种新型鼠疫。伍连德医生采取了有效的应对措施，快速控制了疫情。事实证明，伍连德医生领导的东北抗疫胜利，是世界抗疫史上第一次以现代医学手段结合社会行政手段主动地、有组织地战胜了的大规模疫情，从而揭开中国与世界抗疫史的新篇章。
发明现代医学口罩的前身——伍氏口罩。伍连德医生将口罩制作标准化，使用规范化、制度化、普及化，使得处于疫情威胁下的人们得以用这种最简便的方式有效防护，此举也造福于后世。
对于1910年在中俄边境发生并扩散至东北及华北地区的肺鼠疫，伍连德医生亲率中俄联合考察队到西伯利亚进行溯源考察。1913年6月，首次向世界宣布这次肺鼠疫传染源为旱獭，并在The Lancet发表论文《旱獭与鼠疫关系之调查》。
1911年4月，在奉天（今沉阳）伍连德医生以大会主席身份主持了“奉天万国鼠疫研究会”。这是世界上第一次有关“肺鼠疫”的科学研讨会，获得中外专家高度评价。
世界第一个国际禁毒公约于1912年1月在海牙一次国际禁毒会议上签署，伍连德医生及驻德大使梁镇东、清华学校校长唐国安共同代表清政府签字确认。这也是清朝政府对外签署的最后一个国际公约。
1912年11月，伍连德医生在哈尔滨组建东三省防疫总处，伍连德医生任总办兼总医官。这是中国第一个常设防疫机构。伍连德医生还在东北的安东（今丹东）、三姓（今依兰）、拉合苏苏（今同江）、满洲里、黑河、牛庄（今营口）等城市与口岸设置了防疫检疫处及防疫医院。“东三省防疫总处”当时是国际防疫与微生物学的着名专业机构，不仅在防疫上国际领先，科研也达到世界先进水平。这里收集的鼠疫患者的样本和野生啮齿类动物标本在世界独一无二，其收集的鼠疫流行病数据也是其他研究机构无法比拟的。同时这里还聚集了一批各国科学家组成的精英团队，成为全球防疫与微生物学研究的顶尖机构之一。
通过抗疫实践和科学研究，1926年5月，伍连德医生的《肺鼠疫论述》在日内瓦由国际联盟出版并创立了“肺鼠疫”学说。这部480页的鼠疫理论专着被誉为“鼠疫防治理论的里程碑”，从此才有各型鼠疫的分类，包括淋巴腺鼠疫、肺鼠疫、败血型鼠疫等。伍连德医生在肺鼠疫方面的实践和研究，创造性地丰富和发展了流行病学、公共卫生学、检疫学、防疫学等诸多相关学科。1927年3月，国联卫生组织授予伍连德医生“鼠疫专家”称号，被聘为该组织的中国委员，派遣考察欧洲12国及印度等国。
1927年5月，伍连德医生在参加巴黎狂犬病国际会议时作为发起人之一，创立了国际微生物学会联合会。伍连德医生多次代表中国参加国际卫生与医学会议，不仅与各国平等进行学术交流，更大大提升了中国在世界卫生与医学领域的地位。
1930年7月1日，中国海港检疫管理处及上海海港检疫所在上海海关大楼内隆重挂牌成立，伍连德任处长兼所长。同月召开的中国第一届检验检疫的会议确认了中国自己制定的《海港检疫章程》《海港检疫所组织章程》等，规范了中国海关检疫工作，其文本也在世界多国多地流传与借鉴，成为多国多地海港检疫的标准与范本。
为向世界介绍中国上下五千年的宏伟医药史，伍连德医生与医史学家王吉民先生合着了英文版《中国医史》，经16年努力于1932年由天津印字馆出版，1936年卫生署海港检疫处再版。这是唯一一部以英文撰写的中国医史，是近代三部中国医学史经典着作之一。该着作第一次向世界医药界及史学界发出强有力的中国声音，纠正了国外一些医史学家的无知与偏见，向世界弘扬宣传了中国医学的悠久历史和伟大成就。
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