機械的換気のモード

機械的人工呼吸器のモードは、機械的人工呼吸器の使用において最も重要な側面の 1 つです。モードとは、吸気補助の方法を指します。モードが臨床結果に影響を与えることを示す証拠が不足しているため、一般的にモードの選択は臨床医の習熟度と施設の好みに基づいています。最も頻繁に使用される容量制限機械的人工呼吸器の形式は、間欠的強制換気 (IMV) と持続的強制換気 (CMV) です。 ^[1]機械的人工呼吸器の命名法は長年にわたって大幅に変更されていますが、最近では多くの呼吸器学および呼吸器学グループによって標準化されています。 ^{[2] [3]} モードを記述する場合は、制御変数と戦略の間にダッシュを付けてすべて大文字で記述するのが最も適切です (つまり、PC-IMV、VC-MMV など)。

タクソノミーは人工呼吸器設計の10の原則に基づいた論理的な分類システムである^[4]

1. 呼吸は、フロー時間曲線で定義される正流 (吸気) と負流 (呼気) の 1 サイクルです。吸気時間は、正流の開始から負流の開始までの期間として定義されます。呼気時間は、呼気フローの開始から吸気フローの開始までの期間として定義されます。フロー時間曲線は、人工呼吸器の設定に関連する多くの変数の基礎となります。
2. 呼吸が補助されていると判断されるのは、人工呼吸器が患者に働きかける場合です。補助呼吸とは、人工呼吸器が呼吸の仕事の一部を行う呼吸です。定流量膨張の場合、仕事は吸気圧と一回換気量を掛け合わせた値として定義されます。したがって、補助呼吸とは、吸気中に気道圧（人工呼吸器に表示される）がベースラインを超えて上昇する呼吸を指します。非補助呼吸とは、人工呼吸器が患者が要求する吸気流量を提供するだけで、呼吸中は圧力が一定に保たれる呼吸です。
3. 人工呼吸器は、呼吸器系の運動方程式に基づいて、圧力制御または容量制御を使用して呼吸を補助します。補助を行うということは、患者に作業を行うことを意味し、圧力または容量を制御することによって行われます。この事実を説明する簡単な数学モデルは、受動呼吸器系の運動方程式として知られています。

   圧力 = (弾性 × 体積) + (抵抗 × 流量)

   この式では、圧力、体積、流量はすべて時間の連続関数です。圧力は実際にはシステム全体の圧力差です (たとえば、呼吸圧は気道開口部の圧力から体表面の圧力を引いた値として定義されます)。エラスタンス (圧力の変化をそれに伴う体積の変化で割った値、コンプライアンスの逆数として定義されます) と抵抗 (圧力の変化をそれに伴う流量の変化で割った値として定義されます) は、呼吸中は一定であると想定されるパラメータです。

   ボリューム コントロール (VC) とは、吸気前にボリュームとフローの両方があらかじめ設定されていることを意味します。つまり、運動方程式の右側は一定のままですが、圧力は弾性と抵抗の変化に応じて変化します。
   圧力コントロール (PC) とは、吸気圧力が一定値として、または患者の吸気努力に比例してあらかじめ設定されていることを意味します。つまり、運動方程式の左側は一定のままですが、ボリュームとフローは弾性と抵抗の変化に応じて変化します。
   時間コントロール (TC) とは、まれな状況で、主要な変数 (圧力、ボリューム、またはフロー) のいずれもあらかじめ設定されていないことを意味します。この場合、吸気時間と呼気時間のみがあらかじめ設定されます。

4. 呼吸は、吸気をトリガー（開始）およびサイクル（停止）する基準によって分類されます。吸気の開始はトリガー イベントと呼ばれます。吸気の終了はサイクル イベントと呼ばれます。
5. トリガーおよびサイクル イベントは、患者またはマシンによって開始できます。吸気は、吸気努力を表す信号によって患者がトリガーするか、または患者がサイクルすることができます。吸気は、事前に設定された人工呼吸器のしきい値によってマシンがトリガーするか、またはマシンがサイクルすることもできます。

   患者トリガーとは、マシントリガー信号とは無関係に、患者信号に基づいて吸気を開始することを意味します。マシントリガーとは、患者トリガー信号とは無関係に、人工呼吸器からの信号に基づいて吸気フローを開始することを意味します。患者サイクリングとは、患者が決定した運動方程式の要素 (つまり、弾性または抵抗、および吸気努力による影響を含む) を表す信号に基づいて吸気時間を終了することを意味します。フローサイクリングは、サイクル閾値までのフローの減衰率が患者の力学によって決定されるため、患者サイクリングの一形態です。マシンサイクリングとは、患者が決定した運動方程式の要素を表す信号とは無関係に吸気時間を終了することを意味します。

6. 呼吸は、トリガー イベントとサイクル イベントの両方に基づいて、自発呼吸と強制呼吸に分類されます。自発呼吸とは、患者がトリガーとサイクルの両方を行う呼吸です。自発呼吸は、強制呼吸 (気道圧解放換気など) 中に発生することがあります。自発呼吸は、補助される場合と補助されない場合があります。強制呼吸とは、機械がトリガーおよび/またはサイクルを行う呼吸です。強制呼吸は、自発呼吸 (高頻度ジェット換気など) 中に発生することがあります。強制呼吸は、定義上、補助呼吸です。
7. 呼吸シーケンスには、持続的強制換気 (CMV)、間欠的強制換気 (IMV)、持続的自発換気 (CSV) の 3 つがあります。呼吸シーケンスは、自発呼吸および/または強制呼吸の特定のパターンです。可能な呼吸シーケンスは、持続的強制換気 (CMV、強制呼吸の間に自発呼吸は許可されません)、間欠的強制換気 (IMV、強制呼吸の間に自発呼吸が発生する場合があります)、持続的自発換気 (CSV、すべての呼吸が自発呼吸) の 3 つです。
8. 基本的な換気パターンは 5 つあります: VC-CMV、VC-IMV、PC-CMV、PC-IMV、および PC-CSV。ボリューム コントロールには機械の循環が必要であり、機械の循環によってすべての呼吸が自発的ではなく強制的になるため、VC-CSV の組み合わせは不可能です。6 番目のパターンである TC-IMV は可能ですが、まれです。
9. 各換気パターンには、ターゲティング スキームによって区別できるいくつかのバリエーションがあります。ターゲティング スキームは、人工呼吸器が事前に設定された目標を達成する方法を説明したものです。ターゲットは、人工呼吸器の出力の事前に決定された目標です。呼吸中のターゲットの例には、吸気流量または圧力と上昇時間 (設定点ターゲティング)、一回換気量 (デュアル ターゲティング)、吸気圧力と患者の努力の比例定数 (サーボ ターゲティング) などがあります。呼吸間のターゲットとターゲティング スキームの例には、平均一回換気量 (アダプティブ ターゲティングの場合)、分時換気率 (最適ターゲティングの場合)、および「快適ゾーン」を表す PCO2、ボリューム、および周波数の組み合わせ値 (インテリジェント ターゲティング、たとえば SmartCarePS または IntelliVent-ASV の場合) などがあります。ターゲティング スキーム (またはターゲティング スキームの組み合わせ) は、換気パターンを区別するものです。さまざまな換気モードで見られるさまざまなバリエーションを構成する 7 つの基本的なターゲティング スキームがあります。

   セットポイント: 操作者が圧力波形 (圧力制御モード) またはボリュームとフロー波形 (ボリューム制御モード) のすべてのパラメータを設定するターゲット スキーム。
   デュアル: 人工呼吸器が 1 回の吸気中にボリューム制御と圧力制御を切り替えることができるターゲット スキーム。
   バイオ変数: 人工呼吸器が吸気圧力または一回換気量をランダムに自動的に設定して、通常の呼吸中に観察される変動を模倣できるようにするターゲット スキーム。
   サーボ: 吸気圧力が吸気努力に比例するターゲット スキーム。
   アダプティブ: 人工呼吸器が 1 つの目標 (たとえば、1 回の呼吸内の圧力) を自動的に設定して、別の目標 (たとえば、数回の呼吸にわたる平均一回換気量) を達成できるようにするターゲット スキーム。最適: 全体的なパフォーマンス特性を最小
   化または最大化するように (たとえば、人工呼吸器パターンによる作業率を最小化するように) 人工呼吸パターンの目標を自動的に調整するターゲット スキーム。インテリジェント:ファジー ロジック、ルール ベースのエキスパート システム、人工ニューラル ネットワーク
   などの人工知能プログラムを使用するターゲティング スキーム。

10. 換気モードは、制御変数、呼吸シーケンス、および目標設定スキームに従って分類されます。前述の 9 つの原則は、機械的換気の分類の理論的基礎となります。分類はこれらの理論的構成に基づいており、4 つの階層レベルがあります。

• 制御変数（一次呼吸の圧力または量）
• 呼吸シーケンス（CMV、IMV、または CSV）
• プライマリブレスターゲティングスキーム（CMV または CSV 用）
• 二次呼吸ターゲティングスキーム（IMV用）

「プライマリ呼吸」は、存在する唯一の呼吸（CMV の場合は必須、CSV の場合は自発的）か、IMV の場合は必須の呼吸です。ターゲティング スキームは、小文字 1 文字で表すことができます。set-point = s、dual = d、servo = r、bio-variable = b、adaptive = a、optimal = o、intelligent = i。タグは、PC-IMVs、s などのモード分類の略語です。複合タグも使用できます（例: PC-IMVoi、oi）。

ステップ 1: 主要な呼吸制御変数を特定します。吸気が事前に設定された吸気圧力で始まる場合、または圧力が吸気努力に比例する場合、制御変数は圧力です。吸気が事前に設定された一回換気量と吸気流量で始まる場合、制御変数は量です。どちらも当てはまらない場合、制御変数は時間です。

ステップ 2: 呼吸シーケンスを識別します。トリガー イベントとサイクル イベントが患者によって決定されるか、マシンによって決定されるかを判断します。次に、この情報を使用して呼吸シーケンスを決定します。

ステップ 3: プライマリ呼吸と (該当する場合) セカンダリ呼吸のターゲティング スキームを特定します。

モード名: A/C ボリュームコントロール ( Covidien PB 840): ^{[引用が必要]}

1. 吸気量と流量は事前に設定されているため、制御変数は量になります。
2. すべての呼吸はボリュームサイクルで循環され、これは機械サイクルの一種です。吸気が機械サイクルで循環される呼吸は、強制呼吸として分類されます。したがって、呼吸シーケンスは持続的強制換気です。
3. オペレータはボリュームとフロー波形のすべてのパラメータを設定するため、ターゲット設定スキームはセットポイントになります。したがって、このモードはセットポイント ターゲットによるボリューム制御持続的強制換気 (VC-CMV) として分類されます。

モード名: SIMV ボリュームコントロールプラス ( Covidien PB 840): ^{[引用が必要]}

1. オペレーターは、一回換気量を設定しますが、吸気流量は設定しません。換気量のみの設定は (流量のみの設定と同様に) 換気量制御に必要な基準ではありますが、十分な基準ではないため、制御変数は圧力です。
2. 強制呼吸の間には自発呼吸が許可されるため、呼吸シーケンスは IMV となります^{[説明が必要]}。
3. 人工呼吸器は呼吸間の吸気圧力を調整して、平均プリセット潮流量を達成するため、ターゲット設定スキームは適応型です。モード タグは PC-IMVa,s です。

人工呼吸器には、侵襲的モード（挿管など）と非侵襲的モード（ BPAPなど）の両方があります。侵襲的モードは、患者の体内に医療機器やチューブを挿入するものであり、非侵襲的モードは、患者の鼻と口を覆うぴったりフィットするマスクやその他の機器を使用するなど、完全に患者の体外で行うものです。

機械的人工呼吸器の基本的な区別は、呼吸が患者によって開始されるか (補助モード)、機械によって開始されるか (制御モード) です。この 2 つのモードを動的に組み合わせる (補助制御モード) ことも可能であり、補助なしの制御モードは現在ではほぼ廃止されています。

気道圧解放換気は、2つのレベルの気道陽圧を時間周期で交互に切り替える換気であり、主な時間は高レベルにあり、換気を容易にするために短時間の呼気放出が行われる。^[5]

気道圧解放換気は、通常、逆比換気の一種として利用されます。呼気時間（T _low）は、肺胞の膨張を維持するために通常1秒未満に短縮されます。基本的に、これは短時間の解放を伴う継続的な圧力です。APRVは現在、肺保護換気のための最も効率的な従来のモードです。^[6]

このモードに対する認識は世界中で異なる可能性があります。北米では「APRV」がユーザーに一般的ですが、非常によく似たモードである二相性陽圧呼吸（BIPAP）がヨーロッパで導入されました。^[7] APRVという用語は、換気特性からBIPAPがまったく適切な用語であったであろうアメリカの雑誌でも使用されています。^[8]しかし、BiPAP（tm）は、特定の人工呼吸器（Respironics Inc.）の非侵襲性換気モードの商標です。

他のメーカーも独自のブランド名 (BILEVEL、DUOPAP、BIVENT) で追随しています。モダリティは似ていますが、これらの用語は同期の特性や自発呼吸のサポート方法を定義するのではなく、モードがどのように肺を膨らませるかを説明します。

間欠的強制換気には必ずしも同期機能が備わっているわけではないため、モードの区分は SIMV (同期) と IMV (非同期) であると理解されていました。米国呼吸ケア協会が機械的換気の命名法を確立して以来、タイトルの「同期」の部分は削除され、現在は IMV のみとなっています。

強制分時換気量（MMV）は、患者の事前設定された最小分時換気量要件を満たすように強制換気量を自動的に調整し、自発呼吸を可能にします。患者が V _T xf の分時換気量設定を維持している場合、強制換気は行われません。^{[引用が必要]}

患者の分時換気量が不十分な場合、分時換気量に達するまで、設定された一回換気量が強制的に供給される。患者が必要な分時換気量 (V _E ) を満たしているかどうかをモニタリングする方法は、人工呼吸器のブランドやモデルによって異なりますが、一般的には、モニタリング時間枠があり、小さい方の時間枠を大きい方の時間枠と比較します (つまり、Dräger Evita® シリーズの人工​​呼吸器では、20 秒の可動時間枠があり、7 秒ごとに現在の一回換気量と速度が測定されます)。これにより、分時換気量を維持するために機械的呼吸が必要かどうかが判断されます。^{[引用が必要]}

MMVは新生児および小児の離脱に最適なモードであり、機械的人工呼吸器に関連する長期合併症を軽減することが示されています。^[9]

圧力制御ボリュームコントロールは、補助制御換気 (ACV) ベースのモードです。圧力制御ボリュームコントロールは、圧力制限、ボリュームターゲット、時間サイクルの呼吸を利用し、人工呼吸器または患者によって開始できます。

人工呼吸器によって供給される最大吸気圧力は、臨床医によって設定された目標一回換気量を達成するために呼吸ごとに変化します。

たとえば、目標一回換気量が 500 mL に設定されているのに人工呼吸器が 600 mL を送気した場合、次の呼吸は低い吸気圧力で送気され、低い一回換気量を達成します。PRVC は、一回換気量 (VC) 設定と圧力制限 (PC) 設定があるためハイブリッド モードと見なされますが、基本的には適応型ターゲティングを備えた圧力制御モードです。

持続陽圧呼吸療法（CPAP）は、非侵襲性の陽圧呼吸補助法です。CPAP は、肺胞が完全に収縮しないように、肺胞を開いた状態に保つために継続的に圧力をかける方法です。肺胞を膨らませた状態に保つこのメカニズムは、動脈血中の酸素分圧を高めるのに役立ち、CPAP が適切に増加すると PaO _{2 が}増加します。

自動陽圧呼吸療法(APAP) は CPAP の一種で、患者の呼吸抵抗を測定して、呼吸ごとに気道が閉塞されないよう維持するために必要な最小限の圧力に患者に供給される圧力を自動的に調整します。

二相性陽圧呼吸（BPAP）は、非侵襲的換気（NIV）中に使用されるモードです。1988年にオーストリアのベンツァー教授によって初めて使用され、^[10]設定された吸気陽圧呼吸（IPAP）と呼気陽圧呼吸（EPAP）を供給します。BPAPは、適用されるCPAPレベルの時間サイクルの変化を伴う持続陽圧呼吸システムとして説明できます。^[11]

CPAP/APAP、BPAP、その他の非侵襲的換気モードは、慢性閉塞性肺疾患、急性呼吸不全、睡眠時無呼吸などの効果的な管理ツールであることが示されている。 ^[12]

BPAP はしばしば誤って「BiPAP」と呼ばれます。BiPAP はRespironics Corporationが製造するポータブル人工呼吸器の名前であり、BPAP を提供できる多くの人工呼吸器の 1 つにすぎません。

BPAPは、慢性閉塞性肺疾患（COPD）患者に使用すると死亡率を低下させ、気管内挿管の必要性を減らすのに有効であることが示されています。^{[13] [14]}

アクティブという用語は、人工呼吸器の強制呼気システムを指します。HFV-Aシナリオでは、人工呼吸器は圧力を使用して吸気を行い、次に反対の圧力を適用して呼気を強制します。高頻度振動換気（HFOVと略されることもあります）では、振動ベローズとピストンが正圧を強制し、負圧を適用して呼気を強制します。^[15]

パッシブという用語は、人工呼吸器の非強制呼気システムを指します。HFV-P シナリオでは、人工呼吸器は圧力を使用して吸気呼吸を行い、その後大気圧に戻って受動呼気を可能にします。これは、高周波ジェット換気 (HFJV と略されることもあります) で見られます。高周波換気に分類されるものとして、高周波パーカッション換気 (HFPV と略されることもあります) もあります。HFPV では、開回路を利用して、ファシトロンと呼ばれる患者インターフェイスを介してサブタイダル ボリュームを供給します。

ボリューム保証は、多くのタイプの人工呼吸器で使用できる追加のパラメータであり、これにより人工呼吸器は吸気圧力設定を変更して最小一回換気量を達成できます。これは、ボリューム外傷を最小限に抑えるためにボリューム制御を考慮した圧力制御モードを必要とする新生児患者に最もよく使用されます。

呼気終末陽圧(PEEP) は、呼気時に適用される圧力です。PEEP は、呼気ポートに接続され手動で設定されるバルブ、または人工呼吸器によって内部的に管理されるバルブを使用して適用されます。

PEEPは呼気がバイパスしなければならない圧力であり、肺胞が完全に収縮せずに開いたままになるようにします。肺胞を膨らませておくこのメカニズムは動脈血中の酸素分圧を高めるのに役立ち、PEEPが増加するとPaO2が増加します_。 [ ^16]

プレッシャー サポートは、プレッシャー サポート ベンチレーション(PSV)とも呼ばれる自発的な換気モードです。患者が呼吸を開始し、人工呼吸器が事前に設定された圧力値でサポートを提供します。人工呼吸器のサポートにより、患者は自分の呼吸数と一回換気量も調節します。

プレッシャーサポートでは、設定された吸気圧力サポートレベルが一定に保たれ、減速流が発生します。患者はすべての呼吸をトリガーします。肺/胸郭の機械的特性と患者の努力に変化があった場合、供給される一回換気量は影響を受けます。ユーザーは、必要な換気を得るために圧力サポートレベルを調整する必要があります。^{[17] [18]}

圧力サポートは酸素化を改善し、^[19]換気を改善し、呼吸仕事量を減少させます。

アダプティブサポート換気も参照してください。

流量制御換気（FCV）は完全に動的な換気モードで、一時停止はなく、吸気と呼気の両方で連続的で安定したガスの流れがあり、容量と圧力の両方の線形変化を目指しています。^[20] FCVは侵襲的換気モードですが、容量制御モードや圧制御モードとは異なり、胸壁の潰れや肺の弾性反動によって生じる受動的な呼気に依存しません。高抵抗の呼吸回路が受動的な呼気を抑制し、呼気フローを完全に制御して安定させます。FCVは、設定された呼気終末圧（EEP）から設定されたピーク圧まで安定したフローを生成することで吸気を作成します。次に、吸引によって安定した呼気フローが作成されます。^[21]この呼気フロー速度は、肺でのエネルギー散逸を最小限に抑えるために、I：E比が1：1.0になるように吸気フローと同様であることが望まれます。^{[22] [23]} FCV®は従来の換気モードに比べてより効率的な換気であり、^{[24] [25] [26] [27] [28]}小さな内腔（約2～10 mm ID）でも換気が可能であり^{[29] [30]}、機械的動力の適用が少なくて済みます。^{[31] [32]} FCVは、Dietmar Enk教授によって発明されました。^[20]

主要記事: 陰圧人工呼吸器

陰圧換気は、患者の体幹部（具体的には胸部と腹部）の外部から定期的に部分的な真空（大気圧より低い気圧）をかけることで呼吸を刺激（または強制）し、胸郭を拡張（または強制）して肺を拡張させ、患者の気道から自発的（または不随意）に吸入を促します。^{[33] [34] [35] [36] [37]}

この機能を果たすために、さまざまな「陰圧換気装置」（NPV）が開発されてきた。最も有名なのは「鉄の肺」で、患者はタンクの中に横たわり、頭部のみが外気にさらされ、タンク内の体の残りの部分の空気圧はポンプによって変化し、胸部と肺の膨張と収縮を刺激する。今日では広く使用されていないが、NPVは20世紀前半の病院および長期の機械的換気の主な形態であり、今日でも限定的に使用されている。^{[33] [34] [35] [36] [37]}

アダプティブ サポート ベンチレーション (ASV) は、最適なターゲティングを使用する唯一の市販モードです。この換気モードは、1991 年にフルール テヘラニ博士によって発明され、その後特許を取得しました^{[38] [39] [40]}この陽圧換気モードでは、人工呼吸器を装着した患者の呼吸の頻度と一回換気量が自動的に調整され、自然な呼吸を模倣し、自発呼吸を刺激し、離脱時間を短縮するように最適化されます。ASV モードでは、患者の努力がある場合はすべての呼吸が患者の努力と同期され、そうでない場合は完全な機械的換気が患者に提供されます。^{[41] [42]}

自動チューブ補正 (ATC) は、人工呼吸器のコンピュータ制御ターゲティング システムの最も単純な例です。これはサーボ ターゲティングの一形式です。

ATCの目的は、人工気道を通して呼吸の抵抗作業をサポートすることです。

神経調節型換気補助 (NAVA) はコンピューター (サーボ) によって調整され、ATC に似ていますが、実装にはより複雑な要件があります。

患者と人工呼吸器の同期に関しては、NAVAは患者の吸気努力に比例して抵抗呼吸と弾性呼吸の両方をサポートします。

比例補助換気（PAV）は、肺コンプライアンスと抵抗の変化に関係なく人工呼吸器が仕事率を保証する別のサーボターゲティングベースのモードです。^[43]

人工呼吸器は、患者の呼吸量に基づいて一回換気量と圧力を変化させます。人工呼吸器が供給する量は、設定されている補助の割合に比例します。

PAV は NAVA と同様に、患者の吸気努力に比例して、制限的呼吸仕事と弾性的呼吸仕事の両方をサポートします。

液体換気は、酸素を含むガス混合物ではなく、酸素を含んだパーフルオロケミカル液体を肺に注入する機械的換気技術です。酸素と二酸化炭素の不活性キャリアとして窒素ではなくパーフルオロケミカルを使用すると、急性肺損傷の治療に次のような多くの理論的利点があります。

• 肺胞との流体界面を維持することで表面張力を低減する
• 圧外傷のリスクが低い水圧で肺胞の潰れを開放する
• 酸素と二酸化炭素を肺毛細血管の血液と交換できる貯蔵庫を提供する
• 高効率熱交換器として機能する

理論的な利点にもかかわらず、有効性研究は期待外れであり、LVの最適な臨床使用はまだ定義されていません。^[44]

全液体換気（TLV）では、肺全体が酸素化されたPFC液体で満たされ、PFCの液体潮汐量が積極的に肺に送り込まれ、肺から排出されます。比較的密度が高く粘性のあるPFC潮汐量を送出および除去し、体外で液体に酸素を供給して二酸化炭素を除去するには、特殊な装置が必要です。^{[45] [46] [47]}

部分液体換気（PLV）では、ガス換気中に肺はFRCと同等かそれに近い量のPFCでゆっくりと満たされます。肺内のPFCは酸素化され、二酸化炭素は従来のガス人工呼吸器によって肺内で循環するガス呼吸によって除去されます。^[48]

• 機械的換気モードの表
• 機械的人工呼吸 – 自発呼吸を機械的に補助または代替する方法
• 腹臥位換気
• 呼吸療法士 – 心肺医学の開業医
• バブルCPAP  – 新生児のための非侵襲的換気法