鉄の肺

鉄の肺
エマーソンの鉄の肺
専門	呼吸器科
ICD-9-CM	93.99
メッシュ	D015919
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鉄の肺は陰圧人工呼吸器の一種で、人の体の大部分を覆い、密閉された空間の気圧を変化させて呼吸を刺激する機械式人工呼吸器です。 ^{[1] [2] [3] [引用過剰]}筋肉の制御が失われた場合、または呼吸仕事量が人の能力を超えた場合に呼吸を補助します。^{[1]この治療が必要になるのは、}ポリオやボツリヌス中毒などの病気や、特定の毒物（バルビツール酸、ツボクラリンなど）が原因である可能性があります。

現代医学では、より現代的な呼吸療法が開発され^[4] 、また世界のほとんどの地域でポリオが根絶されたため、鉄の肺の使用はほとんど時代遅れとなっている。 ^[5]しかし、2020年にCOVID-19のパンデミックにより、一時的な人工呼吸器を必要とする可能性のある患者の数が増えるのではないかと懸念されていた陽圧人工呼吸器の安価で容易に生産できる代替品として、鉄の肺への関心が再燃した。^{[6] [7] [8] [過剰な引用]}

鉄の肺は、呼吸筋の制御を失った患者の呼吸を刺激するために設計された大きな水平のシリンダーです。患者の頭はシリンダーの外側に露出し、体はシリンダー内に密閉されています。シリンダー内の空気圧は、吸入と呼気を容易にするために循環します。ドリンカー、エマーソン、およびボース呼吸器などの装置は、手動または機械で駆動できる鉄の肺の例です。胸郭人工呼吸器やジャケット人工呼吸器などの小型バージョンは、患者の胴体のみを覆います。人間の呼吸は、胸郭が拡張し横隔膜が収縮する陰圧によって行われ、空気が肺に出入りします。

体外陰圧換気の概念は、 1670年にジョン・メイヨーによって導入されました。広く使用された最初の装置は、1928年にフィリップ・ドリンカーおよびルイス・ショーによって開発された鉄の肺でした。当初は石炭ガス中毒の治療に使用されていましたが、鉄の肺は20世紀半ばにポリオによる呼吸不全の治療薬として有名になりました。ジョン・ヘイブン・エマーソンは、1931年に改良され、より手頃な価格のバージョンを導入しました。ドリンカーモデルよりも安価で軽量なボス型人工呼吸器は、1937年にオーストラリアで発明されました。英国の慈善家ウィリアム・モリスはボス・ナッフィールド型人工呼吸器の製造に資金を提供し、英国および大英帝国全体の病院に寄贈しました。1940年代から1950年代のポリオの大流行の間、鉄の肺は病棟に溢れ、横隔膜が麻痺した患者の回復を助けました。

ポリオ予防接種プログラムと近代的な人工呼吸器の開発により、先進国では鉄の肺の使用はほぼ根絶されました。挿管によって患者の肺に空気を送り込む陽圧換気システムは、鉄の肺のような陰圧システムよりも一般的になっています。しかし、陰圧換気はより通常の生理的呼吸に近く、まれな状況では好ましい場合があります。2024年現在、ポール・アレクサンダー^{[アップデート]}の死後、米国で鉄の肺を使用している患者はマーサ・リラード一人だけです。COVID-19パンデミックと近代的な人工呼吸器の不足に対応して、いくつかの企業は、簡単に製造できる新しいバージョンの鉄の肺のプロトタイプを開発しました。

鉄の肺は、典型的には人が横たわる大きな水平の円筒で、円筒の端にある穴から頭が突き出ているため、頭全体（喉頭まで）が円筒の外に出て周囲の空気にさらされ、体の残りの部分は円筒の中に密閉され、空気圧が継続的に上下して呼吸を刺激します。^[2]

患者に吸入させるために、シリンダーから空気が送り出され、わずかな真空状態が生じ、患者の胸部と腹部が膨張する（シリンダーの外側の空気が患者の露出した鼻または口から肺に引き込まれる）。次に、患者が息を吐くために、シリンダー内の空気がわずかに圧縮され（または周囲の室内圧と等しくなるようにされ）、患者の胸部と腹部が部分的に潰れて肺から空気が押し出され、患者はシリンダーの外側の露出した口と鼻から息を吐き出す。^[2]

この装置の例としては、ドリンカー呼吸器、エマーソン呼吸器、およびボース呼吸器がある。鉄の肺は手動または機械で動かすことができるが、通常は柔軟なポンプダイヤフラム（通常はシリンダーの端と患者の頭部の反対側にある）にリンクされた電動モーターによって動かされる。^[9]より大きな「部屋サイズ」の鉄の肺も開発され、複数の患者（それぞれ頭が外壁の密閉された開口部から突き出ている）の同時換気を可能にし、密閉された部屋の中に看護師または呼吸療法士が患者に付き添うのに十分なスペースを確保した。^[9]

鉄の肺の小型版で、患者 1 人用のバージョンには、いわゆるキュイラス ベンチレーター(胴体を覆う防弾チョッキにちなんで名付けられた)がある。キュイラス ベンチレーターは患者の胴体、つまり胸部と腹部のみを覆うが、それ以外は基本的に元のフルサイズの鉄の肺と同じように機能する。キュイラス ベンチレーターの軽量版はジャケット ベンチレーター、ポンチョベンチレーター、レインコートベンチレーターで、患者の胴体を覆う金属またはプラスチックのフレームに張られた柔軟で不浸透性の素材 (プラスチックやゴムなど) を使用する。^{[6] [10] [11] [過剰な引用]}

人間は、ほとんどの哺乳類と同様に、陰圧呼吸によって呼吸します。^[12]胸郭が拡張し、横隔膜が収縮して胸腔が拡張します。これにより胸腔内の圧力が低下し、肺が拡張して空間を満たします。これにより、肺内の空気の圧力が低下し（大気に対して負圧になる）、大気から肺に空気が流入します。これが吸入です。横隔膜が弛緩すると、逆のことが起こり、人は息を吐きます。人が関与する筋肉を制御する能力の一部またはすべてを失うと、呼吸が困難または不可能になります。

1670年、イギリスの科学者ジョン・メイヨーが体外陰圧換気のアイデアを思いついた。メイヨーは、空気を吸い込んだり吐き出したりするためのふいごと袋からなるモデルを作った。 ^[13]最初の陰圧換気装置は、1832年にイギリスの医師ジョン・ダルジールによって記述された。同様の装置の成功した使用法は、数年後に記述された。初期のプロトタイプには、パリのウォイレズ博士（1876年）が設計した手動の^ふいご駆動の「スピロフォア」や、南アフリカのステュアート博士（1918年）がポリオ治療用に特別に設計した気密性のある木箱などがある。ステュアートの箱は、腰と肩の部分が粘土で密閉され、モーター駆動のふいごで動かされていた。^[15]

しかしながら、広く使用されるようになった最初のこれらの装置は、1928年に米国のフィリップ・ドリンカー氏とルイス・ショー氏によって開発されました。^[16]初期には「ドリンカー人工呼吸器」と呼ばれていた鉄の肺は、ハーバード公衆衛生大学院の産業衛生学教授であったフィリップ・ドリンカー氏（1894年 - 1972年）とルイス・アガシー・ショー・ジュニア氏によって発明されました。^{[17] [18] [19] [過剰な引用]}この機械は、2台の掃除機の空気ポンプを備えた電動モーターによって駆動されていました。空気ポンプは長方形の密閉された金属製の箱内の圧力を変え、肺に空気を出し入れしました。^[20] ドリンカー人工呼吸器が人間に対して初めて臨床使用されたのは、1928年10月12日、米国のボストン小児病院でした。 ^{[18] [21]}被験者はポリオによる呼吸不全で瀕死の状態だった8歳の少女だった。 ^[19]チャンバー内に入れてから1分も経たないうちに劇的に回復したため、この新しい装置が普及した。^[22]

ボストンの製造業者ウォーレン・E・コリンズがその年に鉄の肺の生産を開始しました。^{[23] [24]}当初は石炭ガス中毒の患者の治療のために開発されましたが、20世紀半ばにはポリオによる呼吸不全の治療に最もよく使用されました。^[17]

デンマークの生理学者アウグスト・クロウは、1931年にニューヨークからコペンハーゲンに戻り、そこでドリンカーの人工呼吸器が使用されているのを見て、臨床目的で設計された最初のデンマーク製人工呼吸器を製作した。クロウの装置は、モーターが市のパイプラインの水で駆動される点でドリンカーのものと異なっていた。クロウは乳児用人工呼吸器のバージョンも製作した。^[25]

1931年、ジョン・ヘイヴン・エマーソン（1906–1997）は、改良された安価な鉄の肺を発表しました。^{[26] [27]}エマーソンの鉄の肺には、必要に応じてシリンダーから出し入れできるベッドがあり、タンクにはポータルウィンドウがあり、介助者が手を伸ばして手足、シーツ、ホットパックを調整できました。^[20]ドリンカーとハーバード大学は、エマーソンが特許権を侵害したとして訴訟を起こしました。エマーソンは、このような救命装置はすべての人に自由に利用できるべきだと主張して自己弁護しました。^[20]エマーソンはまた、ドリンカーの特許のあらゆる側面が以前に他の人によって公開または使用されていたことを実証しました。発明は特許を受けるためには新規でなければならないため、発明が以前に公開/使用されていたということは、新規ではなく、したがって特許を取得できないことを意味しました。エマーソンは訴訟に勝ち、ドリンカーの特許は無効と宣言されました。^[要出典]

イギリス初の鉄の肺は、1934年にアバディーンの医師ロバート・ヘンダーソンによって設計された。ヘンダーソンは1930年代初頭にドリンカー人工呼吸器のデモンストレーションを見て、スコットランドに戻ってから独自の装置を製作した。製作から4週間後、ヘンダーソン人工呼吸器はアバディーンシャーのニューディアに住むポリオを患っていた10歳の少年の命を救うために使用された。この成功にもかかわらず、ヘンダーソンは病院の設備を秘密裏に使用して機械を製作したとして叱責された。^{[28] [29]}

陰圧式人工呼吸器であるボス呼吸器は、オーストラリアでポリオが流行し、呼吸麻痺を補うために人工呼吸器の増設が緊急に必要になった1937年に発明されました。ドリンカーモデルは効果的で人命を救いましたが、機械が非常に大きく、重く（約750ポンドまたは340kg）、かさばり、高価であったため、広く使用されることはありませんでした。成人用の機械は、1930年の米国では約2,000ドル（2023年の36,000ドルに相当）、1950年代半ばのヨーロッパでは約1,500ポンド（2023年の50,000ドルに相当）でした。 1936年にメルボルンに納入された機械のコストは2,000オーストラリアポンド（2022年の216,000ドルに相当）でした。その結果、オーストラリアとヨーロッパではドリンカー装置はほとんど使用されませんでした。^[30]

南オーストラリア州保健局は、アデレードの兄弟エドワードとドン・ボスに安価な「鉄の肺」を作るよう依頼した。^[31]バイオメディカルエンジニアのエドワード・ボスは、ドリンカーの装置と同様に機能する合板製のキャビネット型人工呼吸器を設計・開発したが、患者の体に一時的にアクセスできる二重弁設計が追加された。^[30]ボス人工呼吸器はドリンカーの装置よりもはるかに安価（わずか100ポンド）で、重量も軽く、より迅速に製造および輸送することができた。^{[30] [32]}この装置の需要は非常に高く、製造後1時間以内に患者が使用することが多かった。^[33]

1938年にポリオが再び流行した際にロンドンを訪れたボスは、そこで追加の人工呼吸器を製造し、英国の自動車製造業者で慈善家のウィリアム・モリス（ナフィールド卿）の注目を集めた。ナフィールド卿はその設計に興味をそそられ、カウリーの自動車工場で約1700台の機械の製造に資金を提供し、英国全土と大英帝国の病院に寄贈した。^[33]すぐに、ボス・ナフィールドの人工呼吸器は、米国設計の約13分の1のコストで1000台単位で生産できるようになりました。^[31] 1950年代初頭までに、英国にはボス・ナフィールドの鉄肺が700台以上あったが、ドリンカーの装置はわずか50台だった。^[34]

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  1943年、オーストラリア第110軍病院で患者の治療に使用されている両キャビネット型人工呼吸器
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  リーズのサックリー医学博物館にあるボス＝ナッフィールドの鉄肺の展示。写真はモリス自動車工場での組み立ての様子。^[35]

1940年代から1950年代にかけてポリオが大流行した際、病院の病棟には鉄の肺が何列も並べられ、球麻痺型ポリオや球脊髄型ポリオに罹患した子供や一部の成人を助けた。横隔膜が麻痺したポリオ患者は、回復するまで通常2週間鉄の肺の中で過ごすことになる。^{[36] [37]}

ポリオ予防接種プログラムにより、先進国ではポリオの新規症例が事実上根絶されました。このことと、現代の人工呼吸器の開発、気管挿管と気管切開の広範な使用により、鉄の肺は現代医学からほぼ姿を消しました。1959年には、米国で1,200人がタンク式人工呼吸器を使用していましたが、2004年までにその数はわずか39人にまで減少しました。 ^[36] 2014年までに、鉄の肺を持つ人はわずか10人になりました。^[38]

陽圧換気システムは、現在では陰圧システムよりも一般的です。陽圧換気装置は、気道を通して挿管し、​​患者の肺に空気を送り込むことで機能します。1952年にポリオが流行した際、デンマークのコペンハーゲンにあるブレグダムス病院で初めて使用されました。^{[39] [40]}これは成功を収め、1953年までにヨーロッパ全土で鉄の肺に取って代わりました。^[41]

陽圧人工呼吸器の利点は、患者の気道をきれいにし、ポリオの急性期に患者を半座位にできる点である。呼吸麻痺患者に鉄の肺を使用した場合の死亡率は80～90％にも達し、ほとんどの患者は嚥下筋が麻痺しているために自分の唾液で溺れるか、気道閉塞により血流中に二酸化炭素が蓄積してアシドーシスを起こし臓器不全に陥るかのどちらかである。鉄の肺の代わりに陽圧人工呼吸器を使用することで、コペンハーゲンの病院チームは死亡率を最終的に11％まで下げることができた。^[42]この方法で治療された最初の患者は、球麻痺を患っていた12歳の少女、ヴィヴィ・エバートであった。

鉄の肺は、現代の呼吸療法において、現在では限界的な位置を占めています。呼吸筋麻痺の患者のほとんどは、陽圧で気道に空気を送り込む現代の人工呼吸器を使用しています。これらは一般的に効果的であり、患者の動きや介護者の患者診察能力を鉄の肺ほど制限しないという利点があります。^[要出典]

陽圧換気システムの利点にもかかわらず、陰圧換気は正常な生理的呼吸に近似しており、肺内の空気の分布がより正常になります。また、中枢性低換気症候群などの特定のまれな症状にも適している場合があります^[1]。中枢性低換気症候群では、脳底部の延髄呼吸中枢の機能不全により、患者は呼吸の自律制御ができなくなります。少なくとも1人のポリオ患者、ダイアン・オデルは脊柱変形を患っていたため、人工呼吸器の使用は禁忌でした^[43]。

交換部品の入手が困難な場合もあるにもかかわらず、現在でも少なくとも数名の患者が、多くの場合自宅で古い機械を使用しています。^[44]

ポストポリオ保健国際のジョアン・ヘッドリーは、2008年5月28日時点で、米国ではまだ約30人の患者が鉄の肺を使用していると述べた。^[45]この数字は不正確である可能性があり、ヒューストンだけで2008年に自宅で生活している鉄の肺患者は19人であった。^[46]

ノースカロライナ州ラティモアのマーサ・メイソンは、72年間のうち61年間を鉄の肺で過ごした後、2009年5月4日に亡くなりました。^[47]

2009年10月30日、オーストラリアのメルボルン在住のジューン・ミドルトンさんは、鉄の肺で最長期間を過ごした人物としてギネスブックに登録されていたが、60年以上鉄の肺で過ごした後、83歳で亡くなった。^[48]

2013年、ポストポリオ保健インターナショナル（PHI）の組織は、米国で鉄の肺を使用している人は6～8人しかいないと推定していましたが、2017年時点で事務局長は誰も知らないとしています。しかし、その後、少なくとも3人（おそらく最後の3人）^[49]がそのようなデバイスを使用しているという報道が出てきて、^[50]ナオミ・ウー^[51]などのメーカースペースコミュニティの人々の間で、時代遅れの部品、特にガスケットの製造への関心が高まりました。^{[52] [53]}

2021年、全米公共ラジオのラジオ・ダイアリーズとオール・シングス・コンシダードは、 1953年以来毎日鉄の肺を使っていた数少ないアメリカ人の一人であるマーサ・リラードについて報道した。彼女は音声インタビューで、機械を正常に動作させるための交換部品の入手に問題があったと報告した。^[54]

2024年3月11日、米国テキサス州ダラスのポール・アレクサンダー氏が78歳で亡くなった。彼は6歳から72年間、誰よりも長く鉄の肺に閉じ込められており、鉄の肺で生きていた最後の人間だった。彼の死により、マーサ・リラードは米国で鉄の肺を使用していることが知られている唯一の人物となった。^[55]

2020年初頭、COVID-19パンデミックへの対応として、（進行した重症のCOVID-19患者に必要な）最新の人工呼吸器の緊急の世界的不足に対処するため、いくつかの企業がすぐに製造可能な新しいバージョンの鉄の肺のプロトタイプを開発しました。これらの開発には以下が含まれます。

• イギリスのチームによって開発された小型の胴体サイズの「エクソベント」。ウォーリック大学、王立国立咽頭・鼻・耳病院、マーシャル航空宇宙防衛グループ、インペリアル・カレッジ・ヘルスケアNHSトラスト、そして医療臨床医、学者、製造業者、エンジニア、市民科学者のチームで構成されていた^{[6] [56]。}
• カンザス州ヘイズのヘス・サービス社が率いるチームによって米国で開発された実物大の鉄の肺^{[7] [8]}

• 人工呼吸器

• エリザベス・バーグは、鉄の肺の中で赤ちゃんを出産した最初の女性、パット・ラミングの実話をフィクション化した著書『We Are All Welcome Here 』を出版した。2006年。ISBN 9780099499527 
• Emerson, JH ; Loynes, JA (1978)。鉄の肺の進化：身体を覆うタイプの人工呼吸器（PDF）。マサチューセッツ州ケンブリッジ：JH Emerson 社。[ISBN未指定]
• ポリオ生存者のマーサ・メイソンは、鉄の肺の中での人生を綴ったベストセラーの回想録『Breath』を執筆した。ISBN 9781608191192 
• 呼吸なしの呼吸 - ジョン・エマーソンが作ったトゥーンベリの「気圧呼吸器」について。
• J Gorham (1979 年 1 月～2 月)「医学の勝利: 鉄の肺」、Respir Ther.、9(1):71–73、PubMed、NCBI、国立衛生研究所

ウィキメディア・コモンズには、鉄の肺に関連するメディアがあります。

• 「鉄の肺」 クロード・ムーアヴァージニア大学健康科学図書館
• パワーハウス博物館の人工呼吸器