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酸素中毒とは、分子状酸素（O₂）を吸入することによる有害な影響によって引き起こされる状態である。2 )分圧の上昇時。重症の場合、細胞の損傷や死に至ることがあり、その影響は中枢神経系、肺、眼に最もよく見られます。歴史的には、中枢神経系の症状はポール・ベール効果、肺の症状はロレイン・スミス水中ダイバー、高濃度の酸素補給を受けている人、高圧酸素療法にとって懸念事項です。
酸素分圧の上昇を吸入すると、体組織に酸素が過剰になる高酸素症を引き起こします。酸素への曝露の種類によって、身体への影響は異なります。中枢神経系の毒性は、大気圧よりも高い酸素分圧に短時間曝露することで生じます。肺や眼の毒性は、通常の気圧下で酸素濃度の上昇に長時間曝露することで生じます。症状としては、見当識障害、呼吸困難、近視などの視覚の変化などが挙げられます。酸素分圧が通常よりも高い状態への長時間の曝露、または非常に高い分圧への短時間の曝露は、細胞膜の酸化損傷、肺胞の虚脱、網膜剥離、けいれんなどを引き起こす可能性があります。酸素中毒は、酸素濃度の上昇への曝露を減らすことで管理されます。研究によると、長期的には、ほとんどの種類の酸素中毒から力強く回復することが可能です。
酸素分圧が通常よりも高い状態で酸素を吸入する分野、例えば圧縮呼吸ガスを用いた水中潜水、高圧酸素療法、新生児ケア、有人宇宙飛行などでは、高酸素症の影響を回避するためのプロトコルが存在する。これらのプロトコルのおかげで、酸素中毒による発作はますます稀になり、肺や眼の損傷は主に未熟児の管理における問題に限られるようになった。
近年、酸素バーではレクリエーション目的で酸素が利用できるようになりました。米国食品医薬品局（FDA）は、心臓病や肺疾患などの持病がある人は酸素バーを利用しないよう警告しています。スキューバダイバーは最大100％の酸素を含む呼吸ガスを使用するため、そのようなガスの使用に関する特別な訓練を受ける必要があります。
酸素毒性の影響は、影響を受ける臓器によって分類され、主に次の3つの形態が生じる：[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
中枢神経系の酸素中毒は、けいれん、短時間の硬直に続く痙攣と意識喪失を引き起こす可能性があり、大気圧を超える圧力に遭遇するダイバーにとって懸念事項です。肺の酸素中毒は肺の損傷を引き起こし、痛みや呼吸困難を引き起こします。[ 2 ]眼の酸化損傷は、近視や網膜の部分的剥離につながる可能性があります。肺と眼の損傷は、特に新生児に対して治療の一環として酸素補給が行われる場合に最も起こりやすいですが、高圧酸素療法中にも懸念事項となります。[ 5 ] [ 6 ]
酸化損傷は体内のどの細胞でも発生する可能性がありますが、最も影響を受けやすい 3 つの臓器への影響が主な懸念事項となります。また、赤血球 (溶血) [ 7 ] [ 8 ]、肝臓[ 9 ]、心臓[ 10 ] 、内分泌腺(副腎、性腺、甲状腺) [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] 、腎臓[ 14 ]の損傷、および細胞全般の損傷にも関与している可能性があります。[ 2 ] [ 15 ]
異常な状況下では、他の組織への影響が観察されることがあります。宇宙飛行中は、高濃度の酸素が骨の損傷に寄与する可能性があると疑われています。[ 16 ]また、慢性閉塞性肺疾患や中枢性呼吸抑制などの肺疾患のある患者では、高酸素症が間接的に二酸化炭素麻酔を引き起こすこともあります。 [ 16 ]大気圧での大気の過換気は酸素毒性を引き起こしません。海面高度の空気の酸素分圧は0.21 bar (21 kPa)であり、 0.3 bar (30 kPa)未満では毒性は発生しないためです。[ 17 ]
中枢神経系の酸素中毒は、視覚の変化（特に視野狭窄）、耳鳴り（耳鳴症）、吐き気、けいれん（特に顔面）、行動の変化（易怒性、不安、混乱）、めまいなどの症状として現れます。これに続いて、2つの段階からなる強直間代発作が起こることがあります。数秒間の激しい筋肉の収縮（強直期）に続き、筋肉の弛緩と収縮が交互に起こる急速な痙攣によってけいれん性のけいれん（間代期）が起こります。発作は意識不明の状態（発作後状態）で終わります。[ 18 ] [ 19 ]発作の開始は、呼吸ガス中の酸素分圧と曝露時間に依存します。しかし、発作開始前の曝露時間は予測不可能であり、テストでは個人間および同じ個人でも日によって大きなばらつきがあることが示されています。[ 18 ] [ 20 ] [ 21 ]さらに、水中浸漬、寒冷への曝露、運動などの多くの外的要因は、中枢神経系の症状の発現までの時間を短縮します。[ 1 ]耐性の低下は、二酸化炭素の保持と密接に関連しています。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]暗闇やカフェインなどの他の要因は、実験動物の耐性を高めますが、これらの効果は人間では証明されていません。[ 25 ] [ 26 ]
潜水時、飛行前の酸素吸入、高圧酸素療法など、0.5 bar (7.3 psi)を超える酸素圧への曝露は、 慢性酸素中毒とも呼ばれる肺毒性症状の発症と関連している。[ 27 ] [ 28 ]肺毒性症状は、肺につながる気道で始まり、肺 (気管支樹) に広がる炎症によって引き起こされる。症状は胸部上部 (胸骨下および気管分岐部) に現れる。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]これは、吸入時の軽いむず痒さから始まり、頻繁な咳へと進行する。[ 29 ]酸素分圧の上昇した状態で呼吸を続けると、吸入時に軽い灼熱感とともに制御不能な咳と時折の息切れ (呼吸困難) を経験する。[ 29 ]肺毒性に関連する身体所見には、聴診器で聞こえる泡立つ音（泡立つラ音）、発熱、鼻粘膜への血流増加（鼻粘膜充血）などがある。[ 31 ]最初は、肺水腫を引き起こす滲出期がある。組織学的検査では、間質空間の幅の増加が見られることがある。[ 27 ]肺のX線写真では、短期的にはほとんど変化が見られないが、長時間の照射により両肺全体にびまん性の陰影が増加する。[ 29 ]肺が保持できる空気の量（肺活量）の減少、呼気機能と肺弾性の変化によって示されるように、肺機能測定値は低下する。[ 31 ] [ 32 ]肺拡散能が低下し、最終的に低酸素血症に至る。[ 27 ]
動物実験では、中枢神経系毒性と同様の耐性のばらつきと、種間の大きなばらつきが示されています。0.5 bar (50 kPa) を超える酸素への曝露が断続的である場合、肺が回復し、毒性の発現が遅れます。[ 33 ] 同様の進行は、すべての哺乳類種に共通しています。[ 27 ]数日間曝露しても低酸素血症による死亡に至らなかった場合、増殖期が起こり、肺胞膜の慢性的な肥厚と肺拡散能の低下が生じます。これらの変化は、正常酸素状態に戻るとほとんど可逆的ですが、完全な回復に必要な時間は不明です。[ 27 ]
未熟児では、眼の損傷の兆候（未熟児網膜症、またはROP）は、乳児の網膜の血管のある領域と血管のない領域の境界として検眼鏡で観察されます。この境界の程度は、次の4つの段階を示すために使用されます。（I）境界が線である。（II）境界が隆起になる。（III）隆起の周囲に新しい血管が成長する。（IV）網膜が眼の内壁（脈絡膜）から剥離し始める。[ 5 ]
酸素中毒は、通常身体がさらされる分圧よりも高い分圧の酸素に曝される高酸素症によって引き起こされます。これは主に次の 3 つの状況で発生します。水中ダイビング[ 34 ] 、高圧酸素療法[ 35 ]、集中治療[ 36 ]、慢性疾患の長期治療、特に未熟児への酸素補給[ 37 ] 。それぞれの場合において、危険因子は著しく異なります。[ 34 ] [ 35 ] [ 37 ]
通常または低気圧下では、高酸素症の影響は最初は直接曝露される肺に限られますが、長時間の曝露後または高圧下では、他の臓器も危険にさらされる可能性があります。吸入酸素の通常の分圧では、血液中で運ばれる酸素のほとんどはヘモグロビンによって運ばれますが、動脈血酸素分圧が100ミリメートル水銀柱（0.13バール）を超えると、オキシヘモグロビンの飽和がほぼ完了し、溶存酸素量が増加します。高濃度では、高酸素症の影響は肺以外の体組織にも広がります。[ 38 ]
酸素分圧が約1.6バール(160 kPa )（通常の気圧の約 8 倍）を超える場所に数分から数時間曝露されると、通常は中枢神経系の酸素中毒、急性酸素中毒とも呼ばれ、[ 28 ]高圧酸素療法を受けている患者やダイバーに最も多く発生します。海面気圧は約1バール (100 kPa)なので、中枢神経系の毒性は、周囲の圧力が通常より高い高圧条件下でのみ発生します。[ 35 ] [ 39 ] 60 m (200フィート)を超える深さで空気を呼吸するダイバーは、酸素中毒の「発作」（発作）のリスクが高まります。ナイトロックスなどの酸素を豊富に含む混合ガスを呼吸するダイバーも同様に、混合ガスに許容される最大動作深度より浅い深度に潜ると、発作のリスクが高まります。[ 40 ] 中枢神経系の毒性は、二酸化炭素の分圧が高いこと、ストレス、疲労、寒さによって悪化するが、これらはすべて高圧酸素療法よりもダイビングで起こりやすい。[ 28 ]
肺と呼吸器系の残りの部分は、人体で最も高濃度の酸素にさらされるため、慢性毒性を最初に示す臓器です。[ 28 ]肺毒性は、通常の気圧で酸素分圧が50%に相当する0.5バール（50kPa ）を超える酸素分圧にさらされた場合にのみ発生します。肺毒性の初期兆候は、95%を超える酸素に4～22時間無症状で曝露された後に、気管支炎、つまり上気道の炎症の兆候として現れます。[ 41 ]一部の研究では、この酸素レベルで約14時間後に症状が現れるのが一般的であると示唆されています。[ 42 ]
酸素分圧が2 ～ 3 bar (200 ～ 300 kPa)の場合、つまり大気圧の 2 ～ 3 倍の圧力で 100% の酸素を吸入した場合、これらの症状は酸素に曝露されてから 3 時間ほどで現れることがあります。[ 41 ] 1 ～ 3 bar (100 ～ 300 kPa)の圧力で酸素を吸入するラットの実験では、酸素毒性の肺症状は、常圧条件と高圧条件では同じではない可能性があることが示唆されています。[ 43 ]肺機能検査で測定される肺機能の低下の証拠は、100% の酸素に 24 時間連続曝露するとすぐに現れることがあり、[ 42 ]びまん性肺胞損傷の証拠と急性呼吸窮迫症候群の発症は通常 48 時間後に 100% の酸素を吸入した後に現れます。[ 41 ] 100%酸素を吸入すると、最終的には肺胞の虚脱（無気肺）に至るが、同じ酸素分圧であっても、窒素などの不活性ガスの分圧が高いと、この影響は防げる。[ 44 ]
早産児は、高濃度の酸素に長時間曝露されると気管支肺異形成症のリスクが高くなることが知られています。 [ 45 ]酸素中毒のリスクが高い他のグループとしては、50%を超える酸素濃度に曝露される人工呼吸器装着患者や、化学療法剤ブレオマイシンなど酸素中毒のリスクを高める化学物質に曝露される患者が挙げられます。[ 42 ]したがって、集中治療室で人工呼吸器を装着している患者に対する現在のガイドラインでは、酸素濃度を60%未満に保つことを推奨しています。[ 41 ]同様に、減圧症の治療を受けるダイバーは、治療には潜水中の酸素曝露に加えて、高圧条件下での長時間の酸素呼吸への曝露が伴うため、酸素中毒のリスクが高くなります。[ 35 ]
吸入酸素濃度が高い状態が長く続くと、網膜に損傷が生じます。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]通常の気圧下で高酸素濃度に曝露された乳児の発達中の眼への損傷は、高圧環境下で成人ダイバーが経験する眼の損傷とは異なるメカニズムと影響を及ぼします。[ 49 ] [ 50 ]高酸素症は、乳児における後水晶体線維増殖症または未熟児網膜症（ROP）と呼ばれる疾患の一因となる可能性があります。[ 49 ] [ 51 ]未熟児では、網膜の血管形成が十分に行われていないことがよくあります。未熟児網膜症は、網膜血管系の発達が停止し、その後異常に進行するときに発生します。これらの新しい血管の成長に伴って、線維組織（瘢痕組織）が形成され、収縮して網膜剥離を引き起こす可能性があります。酸素補給は危険因子ではありますが、この疾患の発症の主な危険因子ではありません。酸素補給の使用を制限することは、必ずしも未熟児網膜症の発生率を低下させるわけではなく、低酸素症に関連する全身合併症のリスクを高める可能性がある。[ 49 ]
酸素再呼吸器を使用する閉鎖回路ダイバーで長時間酸素に曝露すると、高酸素性近視が発生することがあります。 [ 50 ] [ 52 ] [ 53 ]また、高気圧酸素療法を繰り返し受ける人にも頻繁に発生します。 [ 47 ] [ 54 ]これは、眼軸長や角膜曲率測定では近視化の角膜や眼軸長の根拠が明らかにならないため、水晶体の屈折力の増加によるものです。 [ 54 ] [ 55 ]通常、時間とともに可逆的です。 [ 47 ] [ 54 ]
高気圧酸素療法の副作用として考えられるのは、白内障の初期発症または進行です。白内障とは、眼の水晶体の混濁が進行し、視力が低下し、最終的には失明に至る病気です。これは、生涯にわたって高濃度の酸素に曝露されることに関連するまれな事象であり、進行が非常に遅いため報告されていない可能性があります。また、白内障は高齢者によく見られる疾患です。原因は完全には解明されていませんが、水晶体における酸素濃度の上昇は、加齢による硝子体の劣化によって引き起こされ、これが水晶体クリスタリンの架橋による分解を引き起こし、光を散乱させる凝集体を形成するという証拠があります。これは、高気圧治療に関連してより一般的に観察される近視化の最終段階である可能性があります。[ 6 ]
酸素の毒性の生化学的根拠は、酸素が1つまたは2つの電子によって部分的に還元されて活性酸素種を形成することである[ 56 ] 。活性酸素種は、酸素の正常な代謝の自然な副産物であり、細胞シグナル伝達において重要な役割を果たしている[ 57 ]。体内で生成される活性酸素種の1つであるスーパーオキシドアニオン（O − 2）[ 58 ]は、鉄の獲得に関与している可能性がある[ 59 ] 。酸素濃度が正常値より高いと、活性酸素種のレベルが上昇する[ 60 ] 。酸素は細胞代謝に必要であり、血液はそれを体のあらゆる部分に供給する。酸素分圧が高い状態で酸素を吸入すると、高酸素状態が急速に広がり、血管が最も豊富な組織が最も脆弱になる。環境ストレス時には、活性酸素種のレベルが劇的に上昇し、細胞構造を損傷し、酸化ストレスを引き起こす可能性がある[ 21 ] [ 61 ]。
体内のこれらの種の反応メカニズムはすべて完全には解明されていませんが、[ 62 ]酸化ストレスの最も反応性の高い生成物の 1 つはヒドロキシルラジカル(・OH ) であり、これは細胞膜内の不飽和脂質の脂質過酸化の有害な連鎖反応を開始することができます。[ 63 ]高濃度の酸素は、一酸化窒素、ペルオキシナイトライト、トリオキシダンなどの他のフリーラジカルの生成も増加させ、これらはDNAや他の生体分子に損傷を与えます。[ 21 ] [ 64 ]体内にはグルタチオンなどの多くの抗酸化システムがあり、酸化ストレスから保護していますが、これらのシステムは最終的に非常に高濃度の遊離酸素で圧倒され、細胞損傷の速度がそれを防止または修復するシステムの能力を超えます。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]その結果、細胞損傷と細胞死が起こります。[ 68 ]
ダイバーの中枢神経系酸素中毒の診断は、発作前には困難です。視覚障害、耳の問題、めまい、錯乱、吐き気などの症状は、麻酔、うっ血、寒さなど、水中環境に共通する多くの要因による可能性があるからです。しかし、これらの症状は、高圧酸素療法を受けている患者の酸素中毒の初期段階の診断に役立つ可能性があります。いずれの場合も、てんかんの既往歴がないか、検査で低血糖が示されていない限り、 1.4 bar (140 kPa)を超える分圧で酸素を呼吸している状況で発作が起こると、酸素中毒の診断が示唆されます。[ 69 ]
新生児の呼吸困難における気管支肺異形成症の診断は、生後数週間は困難です。しかし、この期間中に乳児の呼吸が改善しない場合は、血液検査やX線検査を用いて気管支肺異形成症を確認することができます。さらに、心エコー検査は、先天性心疾患や肺動脈性高血圧症などの他の可能性のある原因を除外するのに役立ちます。[ 70 ]
The diagnosis of retinopathy of prematurity in infants is typically suggested by the clinical setting. Prematurity, low birth weight, and a history of oxygen exposure are the principal indicators, while no hereditary factors have been shown to yield a pattern.[71]
Clinical diagnosis can be confirmed with arterial oxygen levels.[28] A number of other conditions can be confused with oxygen toxicity, these include:[28]
The prevention of oxygen toxicity depends entirely on the setting. Both underwater and in space, proper precautions can eliminate the most pernicious effects. Premature infants commonly require supplemental oxygen to treat complications of preterm birth. In this case prevention of bronchopulmonary dysplasia and retinopathy of prematurity must be carried out without compromising a supply of oxygen adequate to preserve the infant's life.[72]
Oxygen toxicity is a catastrophic hazard in scuba diving, because a seizure results in high risk of death by drowning.[40][73] The seizure may occur suddenly and with no warning symptoms.[19] The effects are sudden convulsions and unconsciousness, during which victims can lose their regulator and drown.[74][75] One of the advantages of a full-face diving mask is prevention of regulator loss in the event of a seizure. Mouthpiece retaining straps are a relatively inexpensive alternative with a similar but less effective function.[73] As there is an increased risk of central nervous system oxygen toxicity on deep dives, long dives and dives where oxygen-rich breathing gases are used, divers are taught to calculate a maximum operating depth for oxygen-rich breathing gases, and cylinders containing such mixtures should be clearly marked with that depth.[24][76]
発作のリスクは、分圧と持続時間の累積的な組み合わせである用量の関数であるように思われる。発作が絶対に起こらない酸素分圧の閾値は確立されておらず、個人差を含む多くの変数に依存する可能性がある。特定の人に対するリスクは、個人の感受性、運動レベル、および呼吸仕事量によって影響を受ける二酸化炭素の保持によって大きく異なる可能性がある。[ 73 ]
危険度が著しく高くなる可能性のある潜水モードの潜水訓練コースでは、潜水士は潜水の「酸素時計」と呼ばれるものを計画し、監視するように教えられます。 [ 76 ]これは、酸素圧が高くなるとより速く刻む仮想の目覚まし時計で、米国海洋大気庁潜水マニュアルで推奨されている最大単回曝露限界で作動するように設定されています。[ 24 ] [ 76 ]以下の酸素分圧の限界は、1.6 bar (160 kPa)で 45 分、 1.5 bar (150 kPa)で 120 分、 1.4 bar (140 kPa)で 150 分、1.3 bar (130 kPa)で 180 分、 1.2 bar (120 kPa)で 210 分ですが、毒性症状が発生するかどうか、またいつ発生するかを確実に予測することは不可能です。[ 77 ] [ 78 ]多くのナイトロックス対応ダイブコンピュータは酸素負荷を計算し、複数のダイビングにわたってそれを追跡できます。目的は、呼吸ガスの酸素分圧を下げるか、酸素分圧の高いガスを呼吸する時間を短縮することによって、アラームが作動しないようにすることです。酸素分圧は呼吸ガスの酸素の割合とダイビングの深度とともに増加するため、ダイバーはより浅い深度で潜水するか、酸素濃度の低いガスを呼吸するか、酸素濃度の高いガスへの曝露時間を短縮することによって、酸素時計の時間を長くすることができます。[ 79 ] [ 80 ]この機能は、一部のテクニカルダイビング減圧コンピュータとリブリーザー制御および監視ハードウェアによって提供されます。[ 81 ] [ 82 ]
空気で56 m (184 ft)より深く潜ると、酸素分圧が1.4 bar (140 kPa)を超えると酸素中毒の危険性が高まるため、酸素含有量が 21% 未満の混合ガス (低酸素混合ガスと呼ばれる) を使用する必要があります。窒素の割合を増やすことは、強い麻酔作用のある混合ガスを生成するため、実行可能ではありません。しかし、ヘリウムは麻酔作用がないため、窒素を完全にヘリウムに置き換える (結果として得られる混合ガスはヘリオックスと呼ばれる) か、窒素の一部をヘリウムに置き換えてトリミックスを生成することによって、使用可能な混合ガスを混合することができます。[ 83 ]
肺酸素中毒は、ダイビング中に完全に回避可能な事象です。ほとんどのダイビングは期間が限られており、自然に断続的であるため、これはダイバーにとって比較的まれな（そして、たとえ発生したとしても可逆的な）合併症です。[ 84 ]確立されたガイドラインにより、ダイバーは肺中毒のリスクがある時期を計算できます。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]飽和ダイビングでは、居住区域のガスの酸素含有量を0.4バール未満に制限することでこれを回避できます。[ 88 ]
酸素耐性テストを用いたスクリーニングの目的は、高圧酸素の高分圧に対する耐性が低く、潜水作業中または減圧症に対する高圧治療中に酸素痙攣を起こしやすいダイバーを特定することである。このテストの有効性には疑問が呈されており、統計的研究では標準的な高圧治療スケジュール中の痙攣の発生率が低いことが示されているため、一部の海軍ではこのテストの使用を中止しているが、他の海軍では引き続きすべての候補ダイバーにこのテストを要求している。[ 89 ]
耐性のばらつきや作業負荷などの他の変動要因により、米海軍は酸素耐性のスクリーニングを中止した。1976年から1997年の間に実施された6,250件の酸素耐性テストのうち、酸素中毒のエピソードはわずか6件（0.1%）しか観察されなかった。[ 90 ] [ 91 ]
インド海軍が採用している酸素耐性試験は、米国海軍および米国海洋大気庁の勧告に従っており、乾燥高圧チャンバー内で安静に、周囲圧力2.8バール絶対圧（18msw）でBIBSマスクから供給される100%酸素を30分間吸入するものである。付き添い者は中枢神経系酸素中毒の症状を観察できない。[ 89 ]
発熱やけいれんの既往歴は、高圧酸素療法の相対的禁忌である。[ 92 ]減圧症の治療に使用されるスケジュールでは、けいれんや肺損傷の可能性を減らすために、100%酸素ではなく空気を呼吸する期間（空気休憩）が設けられています。米国海軍は、100%酸素と空気を交互に吸入する期間に基づく治療表を使用しています。たとえば、USN 表 6 では、周囲圧力2.8標準気圧(280 kPa)、水深18 メートル (60フィート)に相当する状態で75分間 (20分間の酸素/5分間の空気 の期間を 3 回) を要します。その後、酸素を吸入しながら30 分間かけて圧力を1.9 atm (190 kPa)までゆっくりと下げます。その後、患者は、 15分間の空気/60分間の酸素の期間を 2 回含む、さらに 150 分間その圧力に留まり、その後、酸素を吸入しながら 30 分間かけて圧力を大気圧まで下げます。[ 93 ]
ビタミンEとセレンは、肺酸素毒性に対する潜在的な保護方法として提案されたが、後に却下された。[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]しかし、ラットでは、ビタミンEとセレンが生体内での脂質過酸化とフリーラジカルによる損傷を防ぎ、反復的な高圧酸素曝露後の網膜の変化を防ぐのに役立つという実験的証拠がある。[ 97 ]
気管支肺異形成症は、初期段階では低圧酸素での休憩期間を設けることで可逆的であるが、進行して重度の損傷に至ると、最終的には不可逆的な肺損傷を引き起こす可能性がある。酸素休憩なしで1～2日間曝露すると、そのような損傷を引き起こすのに十分である。[ 16 ]
未熟児網膜症はスクリーニングによって大部分が予防可能です。現在のガイドラインでは、在胎週数 32週未満または出生体重が1.5kg （3.3ポンド）未満のすべての赤ちゃんは、少なくとも2週間ごとに未熟児網膜症のスクリーニングを受ける必要があるとされています。[ 98 ] 1954年の全国共同研究では、酸素補給と未熟児網膜症の因果関係が示されましたが、その後の酸素補給の制限により乳児死亡率が増加しました。低酸素症と未熟児網膜症のリスクのバランスを取るために、現代のプロトコルでは、酸素投与を受けている未熟児の血中酸素濃度をモニタリングすることが求められています。[ 99 ]
投与量を慎重に調整して、望ましい酸素化レベルを達成しながら投与濃度を最小限に抑えることで、酸素毒性による損傷のリスクと長期治療に使用される酸素量の両方を最小限に抑えることができます。[ 38 ]酸素療法を受けている場合の酸素飽和度の典型的な目標は、正期産児と早産児の両方で91～95%の範囲です。[ 72 ]
低圧環境では、酸素毒性は高酸素分圧によって引き起こされるのであって、高酸素濃度によって引き起こされるのではないことから、酸素毒性は回避できる可能性がある。これは、低圧で動作しなければならない宇宙服での純酸素の使用や、ジェミニ宇宙船やアポロ宇宙船などの初期の宇宙船における高酸素濃度と通常の気圧よりも低い船内圧力によって示されている。[ 100 ]船外活動などの用途では、酸素分圧が慢性的に0.3 bar (4.4 psi)を超えることが許されないため、呼吸混合比が100%に近づいても、高濃度の酸素は無毒である。[ 100 ]
高気圧酸素療法中、患者は通常、約2.8バール（280kPa ）の空気で加圧された高気圧チャンバー内でマスクから100%酸素を吸入します。治療中の発作は、患者からマスクを外して吸入酸素分圧を0.6バール（60kPa ）未満に下げることで対処されます。[ 19 ]
水中での発作では、ダイバーをできるだけ早く水面に引き上げる必要があります。長年にわたり、動脈ガス塞栓症（AGE）の危険性があるため、発作中はダイバーを引き上げないことが推奨されてきましたが、[ 101 ]声門が気道を完全に塞いでいるわけではないという証拠がいくつかあります。[ 102 ]このため、潜水・高圧医学会の潜水委員会は、レギュレーターがダイバーの口に入っていない場合は、AGEよりも溺れる危険性が高いため、発作のクローヌス（痙攣）期にダイバーを引き上げるべきだが、そうでない場合はクローヌス期が終わるまで上昇を遅らせるべきであるという現在の推奨に至りました。[ 74 ]救助者は、痙攣期に自身の安全が損なわれないようにします。次に、犠牲者の空気供給が確立されている場合は、それが維持されていることを確認し、制御された浮力リフトを実行します。意識不明の体を引き上げることは、ほとんどのレクリエーションダイバーのトレーニング機関で上級スキルとして教えられており、プロのダイバーにとっては待機ダイバーの主要な機能の 1 つであるため、基本的なスキルです。水面に到達したら、医療処置を必要とするさらなる合併症の可能性があるため、必ず緊急サービスに連絡します。[ 103 ]水中での発作以外の症状が現れた場合は、減圧義務が許す限り、酸素分率の低いガスにすぐに切り替えるか、より浅い深度に浮上する必要があります。水面にチャンバーが利用できる場合は、水面減圧が推奨されるオプションです。米国海軍は、再圧チャンバーがすぐに利用できない場合の減圧停止を完了するための手順を公開しています。[ 104 ]一部のダイブコンピューターは、実際のガス設定がアクティブになっている場合に、代替混合ガスの減圧要件を再計算します。[ 81 ]
気管支肺異形成症または急性呼吸窮迫症候群の症状が現れた場合は、投与する酸素分画を下げ、曝露時間を短縮し、通常の空気を供給する休憩時間を長くすることで治療します。他の疾患の治療のために酸素補給が必要な場合（特に乳幼児の場合）、肺組織が膨張した状態を維持するため、人工呼吸器が必要になることがあります。圧力と曝露は段階的に下げられ、気管支拡張薬や肺サーファクタントなどの薬剤が使用されることがあります。[ 105 ]
ダイバーは、特定の分圧での曝露時間に基づく累積酸素毒性単位のシステムを使用して、実験的証拠によって一般的に許容できることが示されているレベルに曝露を制限することによって、肺損傷のリスクを管理します。減圧症の緊急治療の場合、より重篤な症状を管理するために、通常の曝露限界を超える必要がある場合があります。[ 34 ]
未熟児網膜症は自然に退縮することもあるが、疾患が閾値（未熟児網膜症ステージ3が5時間連続または8時間累積した状態と定義される）を超えて進行した場合、冷凍凝固手術とレーザー手術の両方が失明のリスクを軽減することが示されている。疾患がさらに進行した場合は、強膜バックリングや硝子体切除手術などの技術が網膜の再接着に役立つ可能性がある。[ 106 ]
呼吸ガス中の潜在的に有毒な酸素濃度への繰り返し曝露は、特に高圧医療、飽和潜水、水中居住施設、反復減圧潜水などの高圧活動ではかなり一般的です。米国海洋大気庁(NOAA) のRW Hamiltonらによる研究では、単回および反復曝露の許容曝露レベルが決定されました。急性毒性と慢性毒性の許容曝露は区別されますが、これらは実際には、可能な連続曝露範囲の両極端です。さらに、日常的な曝露と緊急治療に必要な曝露を区別することができ、特に比較的安全で管理され監視された環境下では、より重篤な傷害を軽減するために、より高い酸素毒性のリスクが正当化される場合があります。[ 34 ] [ 93 ]
1988年に開発されたRepex（反復曝露）法では、酸素耐性単位（OTU）と呼ばれる大気圧下で1分間の100%酸素に相当する単回投与量を使用して酸素毒性投与量を計算することができ、数日間にわたる運用曝露による毒性影響を回避するために使用されます。一部のダイブコンピューターは、測定された深度と選択されたガス混合物に基づいて投与量を自動的に追跡します。制限により、最近曝露されていない場合はより多くの曝露が可能になり、連続曝露日数の増加に伴って1日の許容投与量が減少します。[ 34 ]これらの値は、現在のデータによって完全に裏付けられていない可能性があります。[ 107 ]
より最近の提案では、単純なべき乗方程式、毒性指数 (TI) = t 2 × P O 2 cを使用しています。ここで、t は時間、c はべき乗項です。これは、活性酸素種または活性窒素種を生成する化学反応から導き出されたもので、c = 6.8 で中枢神経系毒性、c = 4.57 で肺毒性について良好な予測を与えることが示されています。[ 107 ]
肺毒性の場合、時間は時間単位で、P O 2は絶対気圧で表され、TI は 250 に制限する必要があります。
中枢神経系毒性の場合、時間は分単位、P O 2は絶対気圧単位で表され、TIが26,108の場合は1%のリスクを示します。
中枢神経系の酸素中毒による痙攣は、被害者に偶発的な傷害をもたらす可能性があるが、発作後に神経系に損傷が生じるかどうかは長年不明のままであり、いくつかの研究がそのような損傷の証拠を探した。2004年にビターマンが行ったこれらの研究の概要では、酸素分率の高い呼吸ガスを除去した後、発作による長期的な神経学的損傷は残らないと結論付けられている。[ 21 ] [ 108 ]
気管支肺異形成症を発症した乳児の大多数は、肺は最初の5～7年間成長し続け、気管支肺異形成症による損傷はある程度可逆的であるため（成人でも）、最終的にはほぼ正常な肺機能に回復します。しかし、彼らは生涯にわたって呼吸器感染症にかかりやすく、その後の感染症の重症度は同年代の子供たちよりも高くなることが多いです。[ 109 ] [ 110 ]
乳児の未熟児網膜症（ROP）は、介入なしで自然退縮することが多く、数年後には視力が正常になることがあります。手術が必要な段階まで進行した場合、ステージ3のROPの治療結果は一般的に良好ですが、それ以降の段階でははるかに悪くなります。手術は通常、眼の解剖学的構造を回復させるのに成功しますが、病気の進行による神経系の損傷により、視力回復の結果は比較的悪くなります。他の合併症の存在も、良好な結果の可能性を低下させます。[ 111 ]
酸素補給は救命上重要な役割を担っており、一部の慢性疾患では生存率を高めることができるが、高酸素症と活性酸素種の生成は、いくつかの生命を脅かす疾患の病態形成に関与している。高酸素症の毒性作用は特に肺領域で顕著であり、血管の変化が生じると脳循環や冠状動脈循環が危険にさらされる。長期にわたる高酸素症は免疫応答を損ない、感染性合併症や組織損傷に対する感受性が高まる。[ 38 ]
潜水士の中枢神経系毒性の発生率は、吸入酸素への曝露と酸素分圧を制限するプロトコルが開発されたことにより、第二次世界大戦以降減少しています。1947年、ドナルドは純酸素を呼吸できる深度を7.6メートル（25フィート）に制限することを推奨しました。これは酸素分圧1.8バール（180kPa ）に相当します。[ 112 ]時間の経過とともにこの制限は引き下げられ、今日ではレクリエーションダイビング中は1.4バール（140kPa ） 、浅い減圧停止中は1.6バール（160kPa ）が一般的に推奨されていますが、 [ 113 ]酸素再呼吸器を使用する軍の潜水士は、より大きなリスクを負って、限られた時間、より深い深度で活動することがあります。[ 114 ]酸素中毒は、機器の故障や人為的ミスが原因の場合を除き、現在ではまれな事象となっています。歴史的に、米国海軍は酸素中毒事故を減らすために海軍潜水マニュアルの空気と混合ガスの表を改良してきました。1995年から1999年の間に、ヘリウム酸素表を使用した水面支援潜水が405回行われたという報告があり、そのうち6回（1.5%）で酸素中毒の症状が観察されました。その結果、米国海軍は2000年にスケジュールを変更し、150回の潜水でフィールドテストを実施しましたが、酸素中毒の症状は発生しませんでした。改訂された表は2001年に発行されました。[ 115 ]
耐性のばらつきや作業負荷などの他の変動要因により、米海軍は酸素耐性のスクリーニングを中止した。1976年から1997年の間に実施された6,250件の酸素耐性テストのうち、酸素中毒のエピソードはわずか6件（0.1%）しか観察されなかった。[ 90 ] [ 91 ]
高気圧酸素療法を受けている患者における中枢神経系の酸素中毒はまれであり、個人の感受性や治療プロトコル、そしておそらく治療の適応症や使用される機器など、多くの要因に影響されます。1996年のWelslauの研究では、107,264人の患者のうち16件（0.015%）の事例が報告されましたが、2003年のHampsonとAtikは0.03%という発生率を発見しました。[ 116 ] [ 117 ] Yildiz、Ay、Qyrdediは、1996年から2003年までの36,500人の患者の治療の概要で、酸素中毒の事例はわずか3件で、発生率は0.008%であると報告しました。[ 116 ]その後、80,000人以上の患者の治療をレビューしたところ、さらに低い発生率0.0024%であることが明らかになりました。発生率の低下は、酸素供給にフードではなくマスクを使用することによる部分もあると考えられる。マスクにはデッドスペースが少ないためである。 [ 118 ]
中枢神経系毒性の全体的なリスクは、2000～3000回の治療につき1回と高い可能性がありますが、圧力によって異なり、2.8～3.0 ATAの高圧治療スケジュールでは200回につき1回と高く、2 ATA以下のスケジュールでは10,000回につき1回と低い可能性があります。[ 28 ]
気管支肺異形成症は、早産児によく見られる合併症の一つであり、超早産児の生存率の上昇に伴い、その発生率も増加している。しかしながら、酸素補給の管理が改善されたことにより、現在ではこの疾患は主に高酸素血症以外の要因に関連しているため、重症度は低下している。[ 45 ]
1997年に先進国の新生児集中治療室の研究をまとめたところ、低出生体重児の最大60%が未熟児網膜症を発症し、出生時体重が1kg （2.2ポンド）未満の極低出生体重児では72%に上昇することが示されました。しかし、重篤な転帰ははるかに少なく、出生時体重が1.5kg （3.3ポンド）未満の極低出生体重児では、失明の発生率は8%以下であることがわかりました。[ 37 ]
酸素補給は救急医療や集中治療において広く効果的に用いられているが、過剰な酸素化によって生じる活性酸素種は、主に肺において細胞損傷、細胞死、炎症を特徴とする組織損傷の悪循環を引き起こす傾向があり、酸素補給が治療の目的としていた組織酸素化の問題を悪化させる可能性がある。同様の問題は、低酸素症を伴う慢性疾患に対する酸素療法でも発生する可能性がある。生理的必要量を超える過剰を最小限に抑えるために酸素供給を慎重に滴定することで、肺の過酸素曝露を合理的に実行可能な最小限にまで減らすこともできる。[ 38 ]酸素毒性の肺症状の発生率は約5%であり、化学療法剤ブレオマイシンなどの一部の薬剤はリスクを高める可能性がある。[ 28 ]
中枢神経系の毒性は、 1878年にポール・ベールによって初めて記述されました。[ 119 ] [ 120 ]彼は、酸素が昆虫、クモ類、多足類、軟体動物、ミミズ、菌類、発芽種子、鳥類、その他の動物に対して有毒であることを示しました。中枢神経系の毒性は、「ポール・ベール効果」と呼ばれることがあります。[ 16 ]
肺酸素毒性は、1899 年に J. Lorrain Smith によって初めて記述されました。彼は中枢神経系の毒性に気づき、マウスと鳥の実験で、0.43 bar (43 kPa)の酸素は影響がないが、0.75 bar (75 kPa)の酸素は肺刺激物であることを発見しました。[ 33 ]肺毒性は「Lorrain Smith 効果」と呼ばれることがあります。[ 16 ]記録された最初のヒトへの曝露は、1910 年に Bornstein によって行われました。2 人の男性が2.8 bar (280 kPa)の酸素を30分間吸入しましたが、彼は症状なく 48 分間吸入を続けました。1912 年に Bornstein は、 2.8 bar (280 kPa)の酸素を51分間吸入している間に手足に痙攣を起こしました。 [ 3 ]スミスはその後、酸素濃度の低い呼吸ガスに断続的に曝露することで肺が回復し、肺毒性の発症が遅れることを示した。[ 33 ]
アルバート・R・ベーンケらは1935年に、1.0バール（100kPa ）から4.1バール（410kPa）の潜水で視野の収縮（トンネル視）を初めて観察した。[ 121 ] [ 122 ]第二次世界大戦中、ドナルドとヤーボローらは、閉鎖回路式酸素再呼吸器の初期使用を支持するために、酸素毒性に関する2,000以上の実験を行った。[ 46 ] [ 123 ]酸素再呼吸器潜水の初期の頃、海軍の潜水士は「 酸素ピートは、海軍実験潜水部隊の「ウェットポット」（水で満たされた高圧室）の底に潜んで、油断した潜水士を捕らえていた。酸素中毒発作を起こすことを「ピートにやられる」と呼んでいた。 [ 124 ] [ 125 ]
第二次世界大戦後の10年間、ランバーツェンらは加圧酸素吸入の影響と予防法についてさらなる発見をした。[ 126 ] [ 127 ]酸素耐性を延長するための断続的曝露と肺機能に基づく肺酸素毒性の予測モデルに関する彼らの研究は、高圧酸素吸入時の標準作業手順の開発における重要な文書である。 [ 128 ]二酸化炭素が中枢神経系症状の発現までの時間を短縮する効果を示したランバーツェンの研究では、現在の曝露ガイドラインから将来の呼吸装置設計に至るまでの研究に影響を与えている。[ 23 ] [ 24 ] [ 129 ]
未熟児網膜症は第二次世界大戦前には観察されていませんでしたが、その後の10年間で酸素補給が可能になると、先進国では乳児失明の主な原因の1つに急速に増加しました。1960年までに、酸素の使用は危険因子として認識され、その投与は制限されました。その結果、未熟児網膜症は減少しましたが、乳児死亡率と低酸素症関連の合併症が増加しました。それ以来、より高度なモニタリングと診断により、低酸素状態と未熟児網膜症の問題のバランスを取ることを目的とした酸素使用のプロトコルが確立されました。[ 37 ]
気管支肺異形成症は、1967年にノースウェイによって初めて記述され、診断に至る条件が概説されました。[ 130 ]これは後にバンカラリによって拡張され、1988年にはシェナンによって、36週時点での酸素補給の必要性が 長期予後を予測できる可能性が示唆されました。[ 131 ]しかしながら、1998年にパルタらは、放射線学的所見が長期影響の最も正確な予測因子であると結論付けました。[ 132 ]
ビターマンらは1986年と1995年に、暗闇とカフェインがラットの脳の電気活動の変化の開始を遅らせることを示した。 [ 25 ] [ 26 ]それ以降、中枢神経系の毒性に関する研究は、予防法と耐性の安全な拡大方法に焦点を当ててきた。[ 133 ]中枢神経系の酸素毒性に対する感受性は、概日リズム、薬物、年齢、性別などの要因によって影響を受けることが示されている。 [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ] [ 137 ] 1988年、ハミルトンらは、米国海洋大気庁が生息地運営の酸素曝露限界を設定するための手順を作成した。[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]今日でも、肺の酸素毒性を予測するモデルは、高分圧の酸素への曝露のすべての結果を説明しているわけではない。[ 138 ]
レクリエーションダイバーは一般的に酸素濃度が最大40%のナイトロックスを呼吸しますが、テクニカルダイバーは減圧を加速するために純酸素または酸素濃度が最大80%のナイトロックスを使用します。空気（21%）よりも高い酸素分率で呼吸するダイバーは、酸素中毒の危険性とリスク管理の方法について教育を受ける必要があります。[ 76 ]ナイトロックスを購入するには、ダイバーは関連する資格の証明を提示する必要がある場合があります。[ 139 ]
1990年代後半から、酸素バーでは、顧客が鼻カニューレを通して酸素を吸入することで、酸素の娯楽的利用が促進されてきました。酸素バーでは、ストレスが軽減され、エネルギーが増し、二日酔いや頭痛の症状が軽減されるという主張がなされていますが、それを裏付ける科学的根拠はありません。[ 140 ]また、「酸素マッサージ」や「酸素解毒」を提供する機器も販売されており、体内の毒素を除去し、体脂肪を減らすと謳われています。[ 141 ]米国医薬品評価研究センターは、心臓病や肺疾患のある人は、酸素補給を慎重に調整する必要があり、酸素バーを使用すべきではないと警告しています。[ 140 ]
ヴィクトリア朝社会は、急速に発展する科学分野に強い関心を抱いていた。1872年にジュール・ヴェルヌが書いた短編小説「オックス博士の実験」では、主人公のオックス博士が水の電気分解によって酸素と水素を分離する。そして、純粋な酸素をキケンドンの町中に送り込むと、普段は穏やかな住民や動物たちが攻撃的になり、植物が急速に成長する。オックス博士の工場で水素と酸素が爆発し、実験は終了する。ヴェルヌは、この物語で描写されている酸素の効果は彼自身の創作であり（経験的証拠によって裏付けられているわけではない）、と説明して物語を締めくくっている。[ 142 ]また、彼の「月世界旅行」 にも、酸素中毒の短いエピソードがある。[ 143 ]
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