機械的人工呼吸

機械的人工呼吸
Servo-u ベンチレーター
ICD-9	93.90 96.7
メッシュ	D012121
OPS-301 コード	8-71
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機械的人工呼吸器または補助人工呼吸器は、人工呼吸器を使用して完全または部分的に人工呼吸を行う医学用語です。機械的人工呼吸器は、酸素の供給と二酸化炭素の除去を助け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。機械的人工呼吸器は、機械的または神経学的原因による気道の保護、十分な酸素供給の確保、肺からの過剰な二酸化炭素の除去など、多くの理由で使用されます。さまざまな医療提供者が機械的人工呼吸器の使用に関与しており、人工呼吸器を必要とする患者は通常、集中治療室で監視されます。

機械的人工呼吸器は、気管 内に挿入される気道を作る器具を伴う場合、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]意識のある人に対する非侵襲的人工呼吸器では、フェイスマスクまたは鼻マスクが使用されます。機械的人工呼吸器には、空気が気道を通して肺に押し込まれる陽圧換気と、空気が肺に引き込まれる陰圧換気の2つの主要なタイプがあります。機械的人工呼吸器には多くの特定のモードがあり、その命名法は技術が継続的に進歩するにつれて数十年にわたって改訂されてきました。

ギリシャの医師ガレノスは、おそらく最初に機械的人工呼吸器について記述した人物である。「死んだ動物を捕まえて、その喉頭に [葦を通して] 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る。」 1600 年代に、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った。ヴェサリウスも、葦または杖を動物の気管に挿入して換気を行うと述べている。 ^[2]これらの実験は、酸素の発見と呼吸におけるその役割よりも前のものである。1908 年、ジョージ ポーは犬を窒息させて、一見すると生き返らせること で、機械的人工呼吸器を実証した。これらの実験はすべて、陽圧換気を実証している。

陰圧換気を達成するには、大気圧より低い圧力で肺に空気を取り込む必要があります。これが初めて達成されたのは19世紀後半、ジョン・ダルジールとアルフレッド・ジョーンズが独立してタンク式人工呼吸器を開発した時でした。タンク式人工呼吸器では、患者を箱の中に入れ、その箱の中に大気圧より低い圧力をかけた状態で体を閉じ込めることで換気が行われました。 ^{[3]この機械は俗に「}鉄の肺」と呼ばれるようになり、何度も開発が繰り返されました。鉄の肺の使用は、1900年代の ポリオ流行時に広まりました。

初期の人工呼吸器は制御型で、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。これらの換気スタイルには、患者が呼吸できる制御呼吸がありました。^[4]

機械的人工呼吸は、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、急性低酸素症を予測して、または予防的に適応となる場合があります。機械的人工呼吸は呼吸を補助するだけであり、病気を治すものではないため、患者の基礎疾患を特定して治療し、人工呼吸器から解放する必要があります。

機械的人工呼吸器の一般的な特定の医学的適応には以下が含まれる：^{[5] [6]}

• 外科手術
• 急性呼吸窮迫症候群（ARDS）^[7] 、外傷、COVID-19 ^[8]を含む急性肺損傷
• 肺炎
• 肺出血
• 呼吸停止を伴う無呼吸
• 低酸素血症^[9]
• 挿管を必要とする急性重症喘息
• 腫瘍などの閉塞
• 呼吸性アシドーシスなどの酸塩基異常
• 筋ジストロフィー、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、ギランバレー症候群、新生児一過性重症筋無力症を含む重症筋無力症などの神経疾患。
• 新生児呼吸窮迫症候群の未熟児
• ボツリヌス中毒による呼吸筋麻痺による呼吸不全^[10]

機械的人工呼吸器は、通常、短期的な手段として使用されます。ただし、長期の人工呼吸器補助を必要とする慢性疾患の患者の場合は、自宅や介護施設、リハビリ施設で使用されることもあります。

機械的人工呼吸は多くの場合、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、容積外傷と圧外傷があります。^{[11] [ 12]}その他には、気胸、皮下気腫、縦隔気腫、気腹症などがあります。^{[12] [13]}もう1つのよく報告されている合併症は、急性呼吸窮迫症候群として現れる人工呼吸器関連肺障害です。^{[14] [15] [16]}その他の合併症には、横隔膜萎縮、^{[17] [18] [19]}心拍出量減少、^[20]酸素毒性などがあります。機械的人工呼吸器を装着した患者に現れる主な合併症の1つは、急性肺障害（ALI）/急性呼吸窮迫症候群（ARDS）です。 ALI/ARDSは患者の罹患率と死亡率に大きく寄与することが認識されている。^{[21] [22]}

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器は限られた資源です。このため、人工呼吸器の開始と終了の決定は倫理的な議論を引き起こす可能性があり、蘇生禁止命令などの法的命令を伴うことがよくあります。^[23]

人工呼吸器は多くの痛みを伴う処置を伴うことが多く、人工呼吸器自体も不快な場合があります。痛み止めとして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、オピオイド依存症の可能性、オピオイド耐性などがあります。^[24]

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な考慮事項です。人工呼吸器を必要とする人は、自分で換気と酸素供給を維持できる場合は人工呼吸器の離脱を検討すべきであり、これは継続的に評価されるべきです。^{[25] [5]}離脱を検討する際に注目すべき客観的なパラメータがいくつかありますが、すべての患者に一般化できる特定の基準はありません。

RSBI （急速浅呼吸指数、呼吸頻度と一回換気量の比（f/VT）、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つであり、これより優れていると示された予測因子は他にありません。これは、機械的人工呼吸器を装着した患者の前向きコホート研究で説明されており、RSBI > 105呼吸/分/Lは離脱失敗と関連しているのに対し、RSBI < 105呼吸/分/Lは離脱失敗と関連していることがわかりました。^[26]

自発呼吸試験は、患者が人工呼吸器なしで自力で安定して呼吸を維持できる可能性を評価するために実施されます。これは、患者が呼吸を誘発するモードに変更し、気管内チューブの追加抵抗を補うためにのみ換気補助を行うことで行われます。^[27]

カフリークテストは、気道浮腫の有無を検出し、抜管後の喘鳴の可能性を調べるために行われます。これは、カフを収縮させて、気管内チューブの周囲に空気が漏れ始めるかどうかを確認することによって行われます。^[27]

肺の機能は、酸素化と換気によってガス交換を行うことです。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、死腔という生理学的概念が関係しています。^{[6] [28]}その他の関連する概念には、肺胞換気、動脈血 PaCO2、肺胞容積、FiO2などがあります。肺胞換気とは、肺胞に到達してガス交換に関与する単位時間あたりのガスの量です。^[29] 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。^[30]肺胞容積とは、1 分間に肺胞に出入りする空気の量です。^[31]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ーであり、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により、陽圧換気中に気道を確保し、空気が妨げられることなく気管に流れ込み、食道や胃に空気が入らないようにするための追加措置が必要となる。一般的な方法は、気管にチューブを挿入することである。空気の明確な経路を確保する挿管は、口や鼻の自然な開口部から挿入される気管内チューブ、または首の人工開口部から挿入される気管切開のいずれかによって行うことができる。他の状況では、単純な気道操作、経口咽頭エアウェイ、またはラリンジアルマスクエアウェイが使用される場合がある。非侵襲性換気または陰圧換気を使用する場合、気道補助は必要ありません。

オピオイドなどの鎮痛剤は、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満期産児の場合​​、これらの処置にオピオイドや鎮静剤を日常的に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剤が必要に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満期産児の鎮静剤と​​して安全または効果的であるかどうかは明らかではありません。

100%酸素（1.00 Fi O
₂）を最初に大人に使用すれば、次のFi Oを計算するのは簡単です。
₂シャント率の推定は、使用しやすく、簡単に行うことができます。^[32]推定シャント率とは、循環に吸収されない酸素の量を指します。^[32]通常の生理学では、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。シャントの存在は、このガス交換を妨げるプロセスを指し、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酸素化されていない血液が供給されます。^[32] 100％酸素を使用する場合、シャントの程度は700 mmHg（測定Pa O
₂100 mmHgの差ごとに、シャント率は5%です。^[32] 25%を超えるシャント率は、主幹挿管や気胸など、この低酸素症の原因を検索し、それに応じて治療する必要があります。このような合併症が存在しない場合は、他の原因を探す必要があり、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ります。^[32]その他のシャントの原因には以下が含まれます。

• 重度の無気肺による肺胞虚脱^[32]
• 肺炎による膿、急性呼吸窮迫症候群による水とタンパク質、うっ血性心不全による水、出血による血液など、ガス以外の物質が肺胞に溜まること^[32]

機械的人工呼吸器は、換気のためにモードと呼ばれるいくつかの別々のシステムを利用します。 モードには多くの異なる供給概念がありますが、従来の陽圧人工呼吸器のモードはすべて、ボリュームサイクルまたは圧力サイクルの2つのカテゴリのいずれかに分類されます。^{[33] [25]}比較的新しい換気モードは、流量制御換気（FCV）です。^[34] FCVは、「無流量」の期間がほとんどない完全に動的なモードです。 これは、患者の肺に出入りする安定したガスの流れを作り出して、それぞれ吸気または呼気を生成することに基づいています。 これにより、気管内圧が直線的に増加または減少します。 従来の換気モードとは対照的に、制御された呼気のため、胸郭内圧が急激に低下することはありません。^[35]さらに、このモードでは、呼気が積極的にサポートされているため、細い気管内チューブ（内径約2〜10 mm）を使用して患者を換気することができます。^[36]一般的に、特定の患者にどのモードの機械的換気を使用するかの選択は、臨床医のモードに対する習熟度と特定の施設での機器の可用性に基づいて行われます。^[37]

現代の陽圧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ます。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、このような人工呼吸器が鉄の肺に取って代わりました。陽圧人工呼吸器の人気は、1950年代のスカンジナビア^{[38] [39]}と米国でのポリオ流行時に高まり、現代の換気療法の始まりとなりました。気管切開チューブを介して50％の酸素を手動で供給することで陽圧をかけることで、ポリオや呼吸麻痺の患者の死亡率が低下しました。しかし、このような手動介入には膨大な人手が必要であるため、機械式の陽圧人工呼吸器がますます普及しました。^[2]

陽圧人工呼吸器は、気管内チューブまたは気管切開チューブを通して患者の気道内圧を高めることで機能します。陽圧により、人工呼吸器の呼吸が終了するまで空気が気道に流れ込みます。その後、気道内圧がゼロに下がり、胸壁と肺の弾性反動により一回換気量、つまり受動的な呼気による呼気が押し出されます。

陰圧人工呼吸器は、小型、野外用、大型の3種類が製造されている。^[40]小型機器の代表的な設計はキュイラスと呼ばれ、ぴったりとしたシェルと柔らかい袋を組み合わせて胸部にのみ陰圧をかけるための貝殻状のユニットである。近年、この機器は、複数のシールを備えた様々なサイズのポリカーボネート製シェルと高圧振動ポンプを使用して製造されており、二相性キュイラス換気を行うことができる。^[41]主な用途は、筋機能が残っている神経筋疾患の患者である。^[42]後者の大型の形式は、ロンドンのセント・トーマス病院やオックスフォードのジョン・ラドクリフ病院など、イングランドのポリオ専門病院で特に使用されている。^[2]

大型の装置は、ドリンカー・アンド・ショー・タンクとしても知られる鉄の肺に由来する。これは1928年にJHエマソン社によって開発され、長期人工呼吸器として使用された最初の陰圧機械の一つであった。 ^{[4] [41]}これは20世紀に改良され、使用されたが、これは主に1940年代に世界を襲ったポリオの 流行の結果としてであった。この機械は、実際には、患者の首まで包む大きな細長いタンクである。 ^[3]患者の顔（および気道）が室内の空気にさらされるように、首はゴム製のガスケットで密閉されている。血流と肺の気腔との間の酸素と二酸化炭素の交換は拡散によって行われ、外部からの作業を必要としないが、ガス交換プロセスに空気を利用できるようにするには、空気を肺に出入りさせる必要がある。自発呼吸では、呼吸筋によって胸腔内に陰圧が作られ、大気圧と胸郭内の圧力の勾配によって空気の流れが発生します。鉄の肺では、ポンプによって空気が機械的に引き出され、タンク内に真空が生成され、陰圧が作られます。^[41]この陰圧により胸部が膨張し、肺内圧が低下し、肺への周囲の空気の流入が増加します。真空が解放されると、タンク内の圧力が周囲の圧力と等しくなり、胸部と肺の弾性反動によって受動的な呼気が発生します。しかし、真空が発生すると、腹部も肺とともに膨張し、心臓に戻る静脈血の流れが遮断され、下肢に静脈血が溜まります。患者は普通に話したり食べたりすることができ、適切に配置された一連の鏡を通して世界を見ることができます。一部の患者は、一度に何年もこの鉄の肺にとどまることができ、非常にうまくやっています。^[3]

全身を覆う設計の問題としては、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。また、この設計では脚に血液が溜まってしまうという問題もあった。^[4]

もう一つのタイプは、間欠腹圧式人工呼吸器で、膨らませた膀胱を介して外部から圧力をかけて呼気を強制する。これは、exsufflationと呼ばれることもある。このような装置の最初のものは、ブラッグ・ポール・パルセーターであった。^{[43] [44]}ピューリタン・ベネットが作ったニューモベルトという装置の名前は、ある程度、このタイプの総称となっている。^{[44] [45]}

最も一般的に使用されている高頻度人工呼吸器で、米国で承認されている唯一のものは、Vyaire Medicalの3100Aです。振幅を設定し、ヘルツ単位で設定された高速度で非常に小さな潮流量を使用して機能します。このタイプの換気は、従来の換気がうまくいかない新生児や小児患者に主に使用されます。^[46]

新生児用に作られた最初のタイプの高周波人工呼吸器であり、唯一のジェットタイプはバネル社製です。これは別のCMV人工呼吸器と連動して、制御呼吸とPEEPに空気の脈動を追加します。^[46]

患者が ICU に入院する主な理由の 1 つは、機械的人工呼吸器の投与です。機械的人工呼吸器を装着した患者のモニタリングには、病態生理学の理解を深め、診断を補助し、患者管理を導き、合併症を回避し、傾向を評価するなど、多くの臨床用途があります。

人工呼吸器を装着している患者では、FIO2を調節する際にパルスオキシメトリーが一般的に使用されます。Spo2の信頼できる目標値は95%以上です。^[47]

患者の総 PEEP は、人工呼吸器で呼気ホールドを行うことで判定できます。これが設定された PEEP よりも高い場合、エア トラッピングを示しています。

プラトー圧は吸気ホールドを行うことで見つけることができます。これにより、患者の肺が実際に受けている圧力がわかります。

ループを使用すると、患者の肺で何が起こっているかを確認できます。これには、フローボリューム ループと圧ボリューム ループが含まれます。これにより、コンプライアンスと抵抗の変化を表示できます。

機能的残気量は、 GE Carestation を使用すると判定できます。

現代の人工呼吸器には高度なモニタリングツールが搭載されています。人工呼吸器から独立して作動するモニターもあり、気管チューブテストなど、人工呼吸器を外した後でも患者の測定が可能です。

人工呼吸器には、生命維持のために呼吸を与えるさまざまなスタイルと方法があります。^[6]バッグバルブマスクや麻酔バッグ などの手動人工呼吸器では、使用者は人工呼吸器を顔や人工気道に当て、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。^[25]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）による電源を必要としますが、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あり、2つの主要な（およびより小さな）カテゴリに分類されます。2つは、古い技術である陰圧メカニズムと、より一般的な陽圧タイプです。

一般的な陽圧人工呼吸器には以下のものがあります。

1. 輸送用人工呼吸器 - これらの人工呼吸器は小型で頑丈であり、空気圧または AC または DC 電源で駆動できます。
2. 集中治療用人工呼吸器 - これらの人工呼吸器は大型で、通常は AC 電源で動作します (ただし、施設内輸送を容易にし、停電時のバックアップとしてほぼすべてにバッテリーが搭載されています)。このタイプの人工呼吸器は、多くの場合、さまざまな換気パラメータ (吸気上昇時間など) をより詳細に制御できます。多くの ICU 人工呼吸器には、各呼吸の視覚的なフィードバックを提供するグラフィックも組み込まれています。
3. 新生児用人工呼吸器（バブルCPAP、HFJV、HFOV ^[要説明]）—早産新生児を念頭に置いて設計されたこれらは、これらの患者に少量および低圧の人工呼吸器を提供するように設計されたICU人工呼吸器の特殊なサブセットです。これらは、従来型または高頻度型である可能性があります。^[46]
4. 陽圧呼吸器 (PAP) — これらの人工呼吸器は、非侵襲的換気用に特別に設計されています。これには、睡眠時無呼吸症やCOPDなどの慢性疾患の治療のために自宅で使用する人工呼吸器や、ICU で使用する人工呼吸器が含まれます。

トリガー（流量または圧力）は、人工呼吸器による呼吸のきっかけとなります。呼吸は、患者が自分で呼吸したり、人工呼吸器の操作者が手動の呼吸ボタンを押したり、設定された呼吸数に基づいてトリガーされます。

サイクルは、呼吸を吸気段階から呼気段階に移行させる原因となります。呼吸は、呼吸の種類と設定に応じて、設定された時間に達したとき、または呼吸中に供給される最大流量のプリセット流量またはパーセンテージに達したときに、人工呼吸器によってサイクルされます。また、高圧限界などのアラーム条件に達したときにも、呼吸がサイクルされることがあります。

制限とは、呼吸を制御する方法です。呼吸は、設定された最大圧力または最大量に制限される場合があります。

機械的人工呼吸器における呼気は、ほとんどの場合、完全に受動的です。人工呼吸器の呼気弁が開き、ベースライン圧 ( PEEP ) に達するまで呼気の流れが許されます。呼気の流れは、コンプライアンスや抵抗などの患者の要因によって決まります。

気道の虚脱、空気の漏れ、誤嚥を防ぐためのさまざまな手順と機械的装置があります。

• フェイスマスク— 蘇生や麻酔下での軽微な処置では、空気の漏れを防ぐにはフェイスマスクで十分な場合が多い。意識不明の患者の気道は、顎を動かすか、鼻咽頭エアウェイまたは口咽頭エアウェイを使用して確保する。これらは、それぞれ鼻または口から咽頭に空気を送るためのものである。マスクが適切にフィットしていないと、鼻梁潰瘍を引き起こすことが多く、一部の患者にとっては問題となる。フェイスマスクは意識のある患者の非侵襲的換気にも使用される。ただし、フルフェイスマスクでは誤嚥を防ぐことはできない。非侵襲的換気は、十分な侵襲的換気能力が利用できないCOVID-19の流行（または軽症の場合）で考慮されることがあるが^[48]、適切にフィットしていないマスクが汚染エアロゾルを放出するリスクがあるため、介護者用の加圧防護服が推奨される。^[49]
• 気管挿管は、数時間から数週間の機械的人工呼吸のためによく行われます。チューブは鼻（経鼻気管挿管）または口（経口気管挿管）から挿入され、気管内に進められます。ほとんどの場合、漏れや誤嚥を防ぐために膨張式カフの付いたチューブが使用されます。カフ付きチューブを使用した挿管は、誤嚥に対する最善の保護を提供すると考えられています。気管チューブは必然的に痛みと咳を引き起こします。したがって、患者が意識不明であるか他の理由で麻酔されていない限り、チューブへの耐性を持たせるために通常は鎮静剤が投与されます。気管挿管のその他の欠点には、鼻咽頭または中咽頭の粘膜内層の損傷や声門下狭窄などがあります。
• 声門上気道— 声門上気道 (SGA) は、気管内挿管の代替として、気管の上部および外側に設置される気道デバイスです。ほとんどのデバイスは、酸素を送達するために気管を隔離するために膨らませるマスクまたはカフを介して機能します。新しいデバイスには、吸引用の食道ポートまたは挿管を可能にするチューブ交換用のポートが備わっています。声門上気道は、誤嚥を防止しないという点で気管挿管と主に異なります。1998年に喉頭マスク気道(LMA) が導入されて以来、声門上気道デバイスは選択的麻酔と緊急麻酔の両方で主流になっています。 ^[50]食道気管コンビチューブ(ETC)、喉頭チューブ(LT)、および旧式の食道閉鎖気道 (EOA)など、利用可能な SGA には多くの種類があります。
• 輪状甲状間膜切開術— 気管挿管が成功せず緊急気道管理を必要とする患者は、輪状甲状膜の外科的開口部を通して気道を挿入する必要がある場合があります。これは気管切開術に似ていますが、輪状甲状間膜切開術は緊急アクセスのために留保されています。^[51]
• 気管切開— 患者が数週間にわたって人工呼吸器を必要とする場合、気管切開が気管への最も適切なアクセス方法となることがあります。気管切開とは、外科的に気管に通す通路を作ることです。気管切開チューブは忍容性が高く、鎮静剤を使用する必要がない場合がよくあります。気管切開チューブは、重度の呼吸器疾患を患っている患者、または人工呼吸器からの離脱が困難と予想される患者、つまり筋力の予備力がほとんどない患者の場合、治療の早い段階で挿入されることがあります。
• マウスピース— あまり一般的ではないインターフェースで、誤嚥に対する保護を提供しません。患者がマウスピースを所定の位置に保持できない場合に、フランジ付きのリップシール マウスピースがあります。

• 生体外傷 – 人工呼吸器患者における重度の炎症反応
• シャルル・ヘデラー – フランスの医学発明家フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ、呼吸器の発明者
• 平均気道圧

• eMedicineのMechanical Ventilationでは、技術的情報とともに機械的人工呼吸に関する記事が掲載されています。
• 国際人工呼吸器ユーザーネットワーク (IVUN) 2018-10-05 にWayback Machineでアーカイブ。在宅人工呼吸器のユーザー向けの情報リソース。
• 機械的人工呼吸器、Wayback Machineに 2020-07-27 にアーカイブ（詳細な図解スライドショー プレゼンテーション）、著者: Amirali Nader、MD FCCP、集中治療医学、Suburban Hospital、Johns Hopkins Medicine。