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人工呼吸器または補助換気とは、人工呼吸器を用いて完全または部分的に人工呼吸を行うことを指す医学用語です。人工呼吸器は、酸素の供給と二酸化炭素の排出を補助することを主な目的として、肺への空気の出入りを助けます。人工呼吸器は、機械的または神経学的原因による気道の保護、適切な酸素供給の確保、肺からの過剰な二酸化炭素の除去など、さまざまな理由で使用されます。人工呼吸器の使用にはさまざまな医療従事者が関与し、人工呼吸器を必要とする患者は通常、集中治療室でモニタリングされます。
機械換気は、気管 内に挿入する器具を用いて気道を作る場合、侵襲的と呼ばれます。これは、気管内チューブまたは経鼻気管チューブを通して行われます。[ 1 ]意識のある人の非侵襲的換気には、フェイスマスクまたは鼻マスクが使用されます。機械換気の主な種類は、気道を通して肺に空気を送り込む陽圧換気と、肺に空気を吸い込む陰圧換気の2つです。機械換気には多くの具体的なモードがあり、技術が継続的に発展するにつれて、数十年にわたってその名称が改訂されてきました。
ギリシャの医師ガレノスは、おそらく機械換気を最初に記述した人物でしょう。「死んだ動物に（葦を通して）喉頭から空気を吹き込むと、気管支が満たされ、肺が最大限に膨張するのを見ることができます。」1600年代、ロバート・フックは犬を使ってこの概念を実証する実験を行いました。ヴェサリウスもまた、動物の気管に葦や杖を挿入して換気を行う方法について述べています。 [ 2 ]これらの実験は、酸素とその呼吸における役割の発見よりも前のものです。1908年、ジョージ・ポーは犬を窒息させて蘇生させることで、機械式人工呼吸器を実証しました。これらの実験はすべて陽圧換気を実証しています。
陰圧換気を実現するには、肺に空気を吸い込むための大気圧以下の圧力が必要です。これは19世紀後半にジョン・ダルジールとアルフレッド・ジョーンズがそれぞれ独立してタンク型人工呼吸器を開発したときに初めて実現しました。この人工呼吸器では、患者の体を大気圧以下の圧力のチャンバー内に閉じ込めることで換気が行われました。[ 3 ]この装置は俗に鉄の肺として知られるようになり、多くの改良が加えられました。鉄の肺の使用は1900年代のポリオ流行時に広く普及しました。
最初の実用的な陽圧式人工呼吸器はカール・グンナー・エングストロームによって発明され、1952年にデンマークのコペンハーゲンにあるブレグダムスホスピタレットでビョルン・アーゲ・イプセンによって初めて使用されました。デンマークではポリオが流行しており、病院には鉄の肺が1台しかありませんでした。この新しい機械によって最初に救われた患者は12歳のヴィヴィ・エーベルトでした。イプセンは特許を無償で使用し、新しい機械の迅速な量産を可能にするためにスウェーデンのAGAにライセンス供与しました。陽圧式人工呼吸器は1953年までにヨーロッパで鉄の肺に急速に取って代わりましたが、古い機械は米国では引き続き使用されました。[ 4 ]
初期の人工呼吸器は制御式で、補助呼吸は組み込まれておらず、吸気と呼気の比率は1:1に制限されていました。1970年代には、間欠的強制換気と同期間欠的強制換気が導入されました。これらの換気方式では、患者が呼吸できる制御呼吸が備えられていました。[ 5 ]
人工呼吸器は、患者の自発呼吸が生命維持に不十分な場合に適応となります。差し迫った呼吸不全、急性呼吸不全、急性低酸素血症の予測、または予防的な目的で適応となる場合があります。人工呼吸器は呼吸を補助するだけで病気を治すものではないため、患者を人工呼吸器から解放するためには、基礎疾患を特定し治療する必要があります。
人工呼吸器を使用する一般的な特定の医学的適応症には以下が含まれます: [ 6 ] [ 7 ]
人工呼吸器は通常、短期的な処置として用いられます。しかし、長期的な人工呼吸器による補助が必要な慢性疾患の患者に対しては、自宅や介護施設、リハビリテーション施設で使用される場合もあります。
人工呼吸はしばしば命を救う介入ですが、潜在的な合併症を伴います。人工呼吸器の設定に直接起因する陽圧換気の一般的な合併症には、容量性外傷、気圧性外傷、無気肺性外傷などがあります。[ 12 ] [ 13 ]これらのメカニズムは、人工呼吸器誘発性肺損傷（VILI）の一因となります。[ 13 ] [ 14 ]既存の肺損傷のある患者、特に急性呼吸窮迫症候群（ARDS）の患者は、人工呼吸器関連肺損傷がさらに発生しやすいです。[ 14 ] [ 15 ]人工呼吸器によって送られる過剰な圧力または容量は、気胸、皮下気腫、縦隔気腫、および腹腔内気腫を引き起こすこともあります。[ 13 ] [ 15 ]人工呼吸器のその他の合併症には、横隔膜萎縮、[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]心拍出量の低下、[ 19 ]および酸素中毒が含まれます。
多くの医療システムでは、集中治療の一環としての長期人工呼吸は限られた資源である。そのため、人工呼吸の開始と中止の決定は倫理的な議論を引き起こす可能性があり、蘇生拒否指示などの法的命令が関係することが多い。[ 20 ]
人工呼吸はしばしば多くの痛みを伴う処置と関連しており、人工呼吸自体も不快な場合があります。痛みのためにオピオイドを必要とする乳児の場合、オピオイドの潜在的な副作用には、摂食障害、胃腸運動障害、オピオイド依存の可能性、およびオピオイド耐性が含まれます。[ 21 ]
人工呼吸器からの離脱（ウィーニングとも呼ばれる）のタイミングは重要です。患者は、自力で換気と酸素化を維持できるようになったらすぐに離脱を検討すべきであり、これは継続的に評価する必要があります。[ 22 ] [ 6 ]次の客観的パラメータは、この決定の指針となります。
自発呼吸試験は、患者が人工呼吸器なしで安定を保ち、自発呼吸できる可能性を評価するために実施されます。これは、気管内チューブの追加抵抗を補償するだけの補助を提供する持続的自発呼吸（CSV）モードに変更することによって行われます。[ 23 ]
急速浅呼吸指数（RSBI、呼吸数と一回換気量（f/VT）の比、以前はロヨラ大学医療センターのカール・ヤン博士とマーティン・J・トービン教授にちなんで「ヤン・トービン指数」または「トービン指数」と呼ばれていた）は、最もよく研究され、最も一般的に使用されている離脱予測因子の 1 つですが、感度が中程度で特異度が低いという制限があります。[ 24 ]機械換気患者を対象とした前向きコホート研究で、RSBI > 105 回/分/L が離脱失敗と関連していることがわかりました。[ 25 ]
喉頭浮腫による抜管後喘鳴のリスクが高い患者では、抜管前にカフリークテストを実施することがある。気管内チューブのカフを収縮させ、チューブ周囲からの空気漏れがほとんどまたは全くない場合は、上気道の狭窄を示している可能性がある。[ 23 ]
肺の機能は、酸素化と換気によるガス交換を提供することです。この呼吸現象には、気流、一回換気量、コンプライアンス、抵抗、および死腔の生理学的概念が含まれます。[ 7 ] [ 26 ]その他の関連概念には、肺胞換気、動脈血PaCO2、肺胞容積、およびF I O 2があります。肺胞換気とは、単位時間あたりに肺胞に到達し、ガス交換に関与するガスの量です。[ 27 ] PaCO2 は動脈血の二酸化炭素分圧であり、二酸化炭素が体外に移動できるかどうかを決定します。[ 28 ]肺胞容積とは、1 分あたりに肺胞に出入りする空気の量です。[ 29 ]機械的死腔は、人工呼吸器の設計と機能におけるもう 1 つの重要なパラメータであり、機械装置での使用の結果として再び呼吸されるガスの量として定義されます。
人間の咽頭、喉頭、食道の構造と換気が必要となる状況を考慮すると、陽圧換気中に気道を確保し、空気が気管に妨げられることなく流入し、食道や胃に流入するのを防ぐために、追加の対策が必要となります。一般的な方法は、気管にチューブを挿入することです。気管挿管は、口や鼻の自然な開口部から挿入する気管内チューブ、または首の人工的な開口部から挿入する気管切開のいずれかによって、空気の通り道を確保します。その他の状況では、簡単な気道確保手技、口腔咽頭エアウェイ、または喉頭マスクエアウェイを使用することもできます。非侵襲的換気または陰圧換気を使用する場合は、気道補助器具は必要ありません。
オピオイドなどの鎮痛薬は、人工呼吸器を必要とする成人や乳児に使用されることがあります。人工呼吸器を必要とする早産児や正期産児の場合、これらの処置にオピオイドや鎮静剤をルーチンで処方する強い根拠はありませんが、人工呼吸器を必要とする一部の乳児には、オピオイドなどの鎮痛薬が必要となる場合があります。クロニジンが、人工呼吸器を必要とする早産児や正期産児の鎮静剤として安全かつ有効であるかどうかは明らかではありません。
成人に対して最初に100% 酸素 (1.00 F I O 2 ) を使用すると、次に使用するF I O 2を簡単に計算でき、シャント分画を簡単に推定できます。 [ 30 ]推定シャント分画とは、循環に吸収されない酸素の量を指します。[ 30 ]通常の生理機能では、酸素と二酸化炭素のガス交換は肺胞レベルで行われます。シャントの存在とは、このガス交換を妨げ、吸入された酸素が無駄になり、酸素化されていない血液が左心室に戻り、最終的に体の残りの部分に脱酸素化された血液が供給されるプロセスを指します。[ 30 ] 100% 酸素を使用する場合、シャントの程度は 700 mmHg - 測定されたP A O 2と推定されます。100 mmHg の差ごとに、シャントは 5% になります。[ 30 ] 25%を超えるシャントは、主気管挿管や気胸など、この低酸素血症の原因を捜索し、それに応じて治療する必要がある。そのような合併症がない場合は、他の原因を捜索し、この肺内シャントを治療するために呼気終末陽圧（PEEP）を使用する必要がある。[ 30 ]シャントの他の原因としては、次のものがある。
機械換気では、換気モードと呼ばれる複数の独立したシステムが利用されます。モードにはさまざまな供給コンセプトがありますが、従来の陽圧換気装置のモードはすべて、容量サイクル式または圧力サイクル式の2つのカテゴリのいずれかに分類されます。[ 31 ] [ 22 ]比較的新しい換気モードは、流量制御換気（FCV）です。[ 32 ] FCVは、流量がない期間がほとんどない、完全に動的なモードです。患者の肺への安定したガスの流れを作り出すことで、それぞれ吸気または呼気を生成します。これにより、気管内圧が直線的に増加および減少します。従来の換気モードとは対照的に、制御された呼気のため、胸腔内圧の急激な低下はありません。[ 33 ]さらに、このモードでは、呼気が積極的にサポートされるため、細い気管内チューブ（内径約2～10mm）を使用して 患者を換気することができます。[ 34 ]一般的に、特定の患者に使用する人工呼吸器のモードの選択は、臨床医のモードへの習熟度と特定の施設での機器の利用可能性に基づいて行われます。[ 35 ]
現代の陽圧式人工呼吸器の設計は、主に第二次世界大戦中に軍が高高度で戦闘機パイロットに酸素を供給するために開発した技術に基づいていた。このような人工呼吸器は、高容量/低圧カフを備えた安全な気管内チューブが開発されたことで、鉄の肺に取って代わった。陽圧式人工呼吸器の人気は、1950年代のスカンジナビア[ 36 ] [ 37 ]と米国でのポリオ流行中に高まり、現代の換気療法の始まりとなった。気管切開チューブを通して50%の酸素を手動で供給することによる陽圧は、ポリオと呼吸麻痺の患者の死亡率を低下させた。しかし、このような手動介入に必要な膨大な人員のため、機械式陽圧式人工呼吸器がますます普及した。[ 2 ]
Positive-pressure ventilators work by increasing the patient's airway pressure through an endotracheal or tracheostomy tube. The positive pressure allows air to flow into the airway until the ventilator breath is terminated. Then, the airway pressure drops to zero, and the elastic recoil of the chest wall and lungs push the tidal volume—the breath-out through passive exhalation.
Negative pressure mechanical ventilators are produced in small, field-type and larger formats.[38] The prominent design of the smaller devices is known as the cuirass, a shell-like unit used to create negative pressure only to the chest using a combination of a fitting shell and a soft bladder. In recent years this device has been manufactured using various-sized polycarbonate shells with multiple seals, and a high-pressure oscillation pump in order to carry out biphasic cuirass ventilation.[39] Its main use has been in patients with neuromuscular disorders that have some residual muscular function.[40] The latter, larger formats are in use, notably with the polio wing hospitals in England such as St Thomas' Hospital in London and the John Radcliffe in Oxford.[2]
大型の装置は、1928 年に JH エマーソン社によって開発され、長期換気に使用された最初の陰圧装置の 1 つです。ドリンカーとショーのタンクとしても知られる鉄の肺が起源です。 [ 5 ] [ 39 ] 1940 年代に世界を襲ったポリオの流行の結果として、20 世紀に改良され使用されるようになりました。この装置は、実際には、患者の首までを覆う大きな細長いタンクです。 [ 3 ]首はゴム製のガスケットで密閉されているため、患者の顔 (および気道) は室内の空気にさらされます。血液と肺胞の間での酸素と二酸化炭素の交換は拡散によって行われ、外部からの作業は必要ありませんが、ガス交換プロセスに利用できるように、空気を肺に出入りさせる必要があります。自発呼吸では、呼吸筋によって胸腔内に陰圧が生じ、その結果生じる大気圧と胸郭内の圧力の勾配によって空気の流れが生まれます。鉄の肺では、ポンプによって空気が機械的に吸引され、タンク内に真空状態が作られ、陰圧が生じます。[ 39 ]この陰圧によって胸郭が拡張し、肺内圧が低下し、肺への外気の流れが増加します。真空状態が解除されると、タンク内の圧力は外気圧と等しくなり、胸郭と肺の弾性反動によって受動的な呼気が起こります。しかし、真空状態が作られると、肺とともに腹部も拡張し、心臓への静脈血流が遮断され、下肢に静脈血が溜まります。患者は普通に話したり食事をしたりすることができ、適切な位置に配置された一連の鏡を通して外界を見ることができます。中には、鉄の肺の中で何年も非常にうまく過ごすことができる人もいます。[ 3 ]
全身設計の問題点としては、吸気と呼気の比率や流量を制御できないことなどが挙げられる。この設計では、脚に血液が溜まるという問題も発生した。[ 5 ]
Another type is the intermittent abdominal pressure ventilator that applies pressure externally via an inflated bladder, forcing exhalation, sometimes termed exsufflation. The first such apparatus was the Bragg-Paul Pulsator.[41][42] The name of one such device, the Pneumobelt made by Puritan Bennett has to a degree become a generic name for the type.[42][43]
The most commonly used high frequency ventilator and only one approved in the United States is the 3100A from Vyaire Medical. It works by using very small tidal volumes by setting amplitude and a high rate set in hertz. This type of ventilation is primarily used in neonates and pediatric patients who are failing conventional ventilation.[44]
The first type of high frequency ventilator made for neonates and the only jet type is made by Bunnell Incorporated. It works in conjunction with a separate CMV ventilator to add pulses of air to the control breaths and PEEP.[44]
In some situations as intrathoracic surgery or massive airway bleeding, there can be a need to separate one lung from ventilation and use a single lung for gas exchange.[45] Usually, a double lumen tube is inserted for this procedure, but even a bronchial blocker may be used.[46] To maintain a sufficient gas exchange and avoid trauma in the ventilated lung, tidal volume and respiratory rate should be adjusted, which may lead to higher mechanical stress and inflammatory reactions. Furthermore, a hypoxic vasonstriction reflex in the non-ventilated lung is triggering several physiological changes that may compromise the hemodynamic situation of the patient.[47]
One of the main reasons why a patient is admitted to an ICU is for delivery of mechanical ventilation. Monitoring a patient in mechanical ventilation has many clinical applications: Enhance understanding of pathophysiology, aid with diagnosis, guide patient management, avoid complications, and assess trends.
In ventilated patients, pulse oximetry is commonly used when titrating FIO2. A reliable target of Spo2 is greater than 95%.[48]
The total PEEP in the patient can be determined by doing an expiratory hold on the ventilator. If this is higher than the set PEEP, this indicates air trapping.
The plateau pressure can be found by doing an inspiratory hold. This shows the actual pressure the patient's lungs are experiencing.
ループ図は、患者の肺で何が起こっているかを把握するために使用できます。これには、流量-容量曲線と圧力-容量曲線が含まれます。これらは、コンプライアンスと抵抗の変化を示すことができます。
GE Carestationを使用すると、機能的残存容量を測定できます。
最新の人工呼吸器には高度なモニタリング機能が備わっています。また、人工呼吸器とは独立して動作するモニターもあり、気管チューブテストのように、人工呼吸器を取り外した後でも患者の状態を測定できます。
人工呼吸器にはさまざまな種類があり、生命維持のために呼吸を与える方法も多岐にわたります。[ 7 ]手動式人工呼吸器には、バッグバルブマスクや麻酔バッグ などがあり、使用者は人工呼吸器を顔や人工気道に当てて手で呼吸を維持する必要があります。機械式人工呼吸器は、操作者の労力を必要としない人工呼吸器で、通常はコンピューター制御または空気圧制御です。[ 22 ]機械式人工呼吸器は通常、バッテリーまたは壁のコンセント（DCまたはAC）から電源を取る必要がありますが、一部の人工呼吸器は電源を必要としない空気圧システムで動作します。換気にはさまざまな技術が利用可能で、主に2つのカテゴリー（さらに細かいカテゴリー）に分類されます。2つは、古い技術である陰圧機構と、より一般的な陽圧タイプです。
一般的な陽圧式人工呼吸器には以下のようなものがあります。
人工呼吸器による呼吸のトリガーとなるのは、流量または圧力のいずれかです。呼吸は、患者自身の呼吸、人工呼吸器の操作者が手動呼吸ボタンを押すこと、または設定された呼吸数に基づいてトリガーされる場合があります。
呼吸サイクルとは、吸気相から呼気相への移行を引き起こすものです。人工呼吸器では、設定された時間が経過した場合、または呼吸の種類や設定に応じて、設定された流量もしくは最大流量の一定割合に達した場合に、呼吸サイクルが作動します。また、高圧制限値などの警報状態に達した場合にも、呼吸サイクルが作動することがあります。
制限とは、呼吸を制御する方法のことです。呼吸は、設定された最大圧力または最大容量に制限される場合があります。
人工呼吸器における呼気は、ほぼ常に完全に受動的に行われます。人工呼吸器の呼気弁が開かれ、基準圧（PEEP）に達するまで呼気流量が確保されます。呼気流量は、患者のコンプライアンスや抵抗などの要因によって決定されます。
気道閉塞、空気漏れ、誤嚥を防ぐための様々な処置や機械装置が存在する。