酸素毒性

酸素毒性
その他の名前	酸素毒性症候群、酸素中毒、酸素中毒
1942年から43年にかけて、英国政府はダイバーの酸素毒性に関する広範なテストを実施した。チャンバーは3.7 バールの空気で加圧されている。中央の被験者はマスクから100％の酸素を呼吸している。[1]
専門	潜水医学、高圧医学、新生児医学。

酸素中毒は、分子状酸素（O
₂酸素中毒は、高分圧で起こる。重症の場合は細胞損傷や細胞死につながる可能性があり、その影響は中枢神経系、肺、目に最もよく見られる。歴史的には、中枢神経系の症状はポール・バート効果、肺の症状はロレイン・スミス効果と呼ばれていた。これは、19世紀後半に先駆的に発見と説明を行った研究者にちなんで名付けられた。酸素毒性は、水中ダイバー、高濃度酸素補給を受けている人、高圧酸素療法を受けている人にとって懸念事項である。

酸素分圧が上昇した状態で呼吸すると、高酸素症、つまり体組織内の酸素過剰が発生します。人体は、曝露の種類に応じてさまざまな影響を受けます。中枢神経系の毒性は、大気圧を超える高酸素分圧に短時間曝露することで発生します。肺および眼の毒性は、常圧で高濃度酸素に長時間曝露することで発生します。症状には、見当識障害、呼吸障害、近視などの視力変化などがあります。正常値を超える酸素分圧に長時間曝露するか、非常に高い酸素分圧に短時間曝露すると、細胞膜の酸化損傷、肺胞の虚脱、網膜剥離、発作を引き起こす可能性があります。酸素毒性は、高濃度酸素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毒性から確実に回復できます。

圧縮呼吸ガスを使用した水中ダイビング、​​高圧医療、新生児ケア、有人宇宙飛行など、通常より高い分圧で酸素を吸入する分野では、高酸素症の影響を回避するためのプロトコルが存在します。これらのプロトコルにより、酸素毒性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の問題に限定されています。

近年、酸素バーで酸素を娯楽目的で利用できるようになっています。米国食品医薬品局は、心臓病や肺疾患などの持病がある人は酸素バーを使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することができ、主に3つの形態があります。^{[2] [3] [4]}

• 高圧条件下で起こる、けいれんとそれに続く意識喪失を特徴とする中枢神経系。
• 肺疾患は、長時間にわたり高圧酸素を呼吸すると、呼吸困難と胸部の痛みを特徴とする。
• 眼（網膜症）は、長期間にわたって高圧酸素を呼吸すると眼に変化が生じることを特徴とする。

中枢神経系の酸素毒性は発作、短時間の硬直、それに続くけいれんや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。肺の酸素毒性は肺に損傷を与え、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、特に新生児の治療の一環として酸素補給が投与されたときに最も起こりやすいですが、高圧酸素療法の際にも懸念されます。^{[5] [6]}

酸化ダメージは体内のどの細胞でも起こり得ますが、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、^生殖腺、甲状腺）[ 11 ] [12] [13]、^{腎臓[ 14} ] ^、および細胞全般へのダメージにも関係している可能性があります。^{[2] [15]}

異常な状況では、他の組織への影響が観察される可能性があります。宇宙飛行中は、高酸素濃度が骨の損傷に寄与しているのではないかと疑われています。^[16]また、慢性閉塞性肺疾患などの肺疾患や中枢性呼吸抑制の患者では、高酸素症が間接的に二酸化炭素ナルコーシスを引き起こす可能性があります。 ^{[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。海面レベルの空気の酸素分圧は 0.21 bar (21 kPa) ですが、0.3 bar (30 kPa) 以下では毒性は発生しません。^[17]

中枢神経系酸素中毒は、視覚変化（特にトンネル視野）、耳鳴り、吐き気、けいれん（特に顔面のけいれん）、行動変化（易刺激性、不安、混乱）、めまいなどの症状として現れる。その後、 2つの段階からなる強直間代発作が起こることがある。1つ目は、数秒間の激しい筋収縮（強直期）で、2つ目は、筋弛緩と収縮を交互に繰り返す急速なけいれんにより、けいれん的な動きが生じる（間代期）。この発作は、意識不明の状態（発作後状態）で終了する。^{[18] [19]発作の発症は、}呼吸ガス中の酸素分圧と曝露時間に依存する。しかし、発症前の曝露時間は予測できず、個人間でも、また同一個人でも日によって大きな変動があることが試験で示されている。^{[18] [20] [21]}さらに、水中への浸水、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症までの時間を短縮する。^{[1]耐性の低下は}二酸化炭素の保持と密接に関連している。^{[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るが、これらの効果は人間では証明されていない。^{[25] [26]}

ダイビング、​​飛行前の酸素吸入、高圧治療などの0.5バールを超える酸素圧への曝露は、肺毒性症状の発症と関連している。^{[27]肺毒性症状は、肺につながる気道（}気管気管支）で炎症が始まり、次に肺に広がることによって生じる。症状は胸部上部（胸骨下および気管分岐部）に現れる。^{[28] [29] [30]}これは吸入時の軽いチクチク感として始まり、頻繁な咳へと進行する。^[28]酸素分圧が上昇した状態での呼吸が継続すると、吸入時に軽い灼熱感、制御できない咳、時折の息切れ（呼吸困難）を経験する。^{[28]肺毒性に関連する身体的所見には}、聴診器で聞こえる泡立つ音（泡立つラ音）、発熱、鼻の内壁への血流増加（鼻粘膜の充血）などがあります。^[30]最初は滲出期があり、肺水腫を引き起こします。組織学的検査では、間質腔の幅の拡大が見られる場合があります。^[27]肺のX線検査では、短期的にはほとんど変化が見られませんが、曝露が長くなると、両肺全体に拡散影が広がります。^[28]肺機能の測定値は低下し、肺が保持できる空気の量（肺活量）の減少や呼気機能および肺の弾力性の変化によって示されます。^{[30] [31]}肺拡散能が低下し、最終的に低酸素血症につながります。^[27]動物実験では、中枢神経系毒性に見られるのと同様の耐性の変動と、種間の大きな変動が示されています。0.5 bar (50 kPa) を超える酸素への曝露が断続的である場合、肺は回復し、毒性の発現が遅れます。^[32] 同様の進行はすべての哺乳類種に共通しています。^[27]数日間曝露した後も低酸素症による死亡が発生しない場合は、増殖期が発生し、肺胞膜の慢性的な肥厚と肺拡散能力の低下が発生します。これらの変化は、正常酸素状態に戻るとほとんどが可逆的ですが、完全に回復するの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）が検眼鏡で観察され、乳児の網膜の血管領域と非血管領域の境界として現れる。この境界の程度によって4つの段階が示される：（I）境界が線である；（II）境界が隆起になる；（III）隆起の周り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、高酸素症、つまり体が通常さらされる分圧よりも高い酸素分圧にさらされることによって引き起こされます。これは、主に3つの状況で発生します。水中ダイビング、^​​[33]高圧酸素療法、^[34]および重篤な治療における酸素補給、^[35]および慢性疾患の長期治療、特に未熟児に対する酸素補給です。^[36]それぞれの場合で、リスク要因は著しく異なります。^{[33] [34] [36]}

正常または低い周囲圧力下では、高酸素症の影響は最初は直接曝露される肺に限定されますが、曝露が長引いたり高圧になると、他の臓器が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、血液中に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、動脈酸素の分圧が100ミリメートル水銀柱（0.13バール）を超えると、酸素ヘモグロビン飽和がほぼ完了し、溶存酸素の量が増加されます。濃度が高くなると、高酸素症の影響は肺以外の体組織に広がります。^[37]

約 1.6 bars (160  kPa )を超える酸素分圧(通常の大気圧の約 8 倍) に数分から数時間さらされると、通常は中枢神経系の酸素毒性を伴い、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 bar (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。 ^{[34] [38] 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、酸素毒性の「発作」のリスクが増大します。}ナイトロックスなどの酸素を多く含む混合ガスを呼吸するダイバーも、混合ガスの最大許容動作深度より浅い深さで同様に発作のリスクが増大します。^[39] 中枢神経毒性は、二酸化炭素分圧の高さ、ストレス、疲労、寒さによって悪化しますが、これらはすべて高圧療法よりもダイビングで起こりやすいものです。^[40]

肺と呼吸器官の残りの部分は、人体で最も高い酸素濃度にさらされているため、毒性が最初に現れる器官です。肺毒性は、通常の大気圧で酸素分率 50% に相当する 0.5 bar (50 kPa) を超える酸素分圧にさらされた場合にのみ発生します。肺毒性の最も初期の兆候は、95% を超える酸素で 4 ～ 22 時間無症状期間が続いた後、気管支炎または上気道の炎症の証拠として始まります。^[41]一部の研究では、症状は通常、このレベルの酸素で約 14 時間後に始まると示唆しています。^[42]

酸素分圧が2～3 bar（200～300 kPa）の場合（大気圧の2～3倍の100%酸素）、これらの症状は酸素に曝露してから3時間ほどで始まる可能性があります。^[41] 1～3 bar（100～300 kPa）の圧力で酸素を吸入したラットの実験では、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低下の証拠は、100%酸素に連続して曝露してから24時間ほどで急速に現れる可能性があり、^[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、100%酸素を48時間吸入した後で現れます。^[41] 100％酸素を吸入すると、最終的には肺胞の虚脱（無気肺）につながりますが、同じ酸素分圧でも、窒素などの不活性ガスのかなりの分圧が存在すると、この影響は防がれます。^[44]

早産児は、高濃度酸素に長時間さら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]酸素毒性のリスクが高い他のグループには、50%を超える酸素レベルにさらさている機械的人工呼吸器を使用している患者、および化学療法剤ブレオマイシンなどの酸素毒性のリスクを高める化学物質にさらさている患者があります。^{[42]そのため、}集中治療室で機械的人工呼吸器を使用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ているダイバーは、ダイビング中の酸素曝露に加えて、治療に高圧条件下での長時間の酸素呼吸への曝露が含まれるため、酸素毒性のリスクが高くなります。^[34]

吸入酸素濃度の高い状態に長時間さらされると、網膜が損傷する。^{[46] [47] [48]}常圧で高酸素濃度にさらされた乳児の発達中の眼への損傷は、高圧条件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持つ。^{[49] [50]}高酸素症は、乳児の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っている可能性がある。^{[49] [51]}早産児では、網膜の血管が完全に形成されていないことが多い。未熟児網膜症は、網膜血管の発達が停止し、その後異常に進行した場合に発生する。これらの新生血管の成長に伴って線維組織（瘢痕組織）が収縮し、網膜剥離を引き起こす可能性がある。酸素補給への曝露は危険因子ではあるが、この疾患発症の主な危険因子ではない。酸素補給の使用を制限しても、必ずしも未熟児網膜症の発生率が低下するわけではなく、低酸素症に関連する全身合併症のリスクが高まる可能性がある。^[49]

高酸素性近視は、長期曝露を受けた閉回路式酸素リブリーザーダイバーに発生しています。^{[50] [52] [53]}また、高圧酸素療法を繰り返し受けている人にも頻繁に発生します。^{[47] [ 54]これは、}レンズの屈折力が増加することによるもので、眼軸長や角膜測定の測定値では、近視シフトの角膜または長さの根拠が明らかにならないためです。^{[54] [55]}通常、時間とともに可逆的です。^{[47] [54]}

高圧酸素療法の副作用として、白内障の初期または進行が考えられます。白内障は、眼の水晶体の混濁が進行して視力が低下し、最終的には失明につながる可能性があります。これはまれな事象で、高酸素濃度への生涯にわたる曝露に関連しており、非常にゆっくりと進行するため報告が不足している可能性があります。原因は完全には解明されていませんが、酸素レベルの上昇により、水晶体のクリスタリンが架橋結合して光を散乱させる凝集体を形成し、硝子体の劣化が加速する可能性があることを示す証拠があります。これは、高圧治療に関連してより一般的に観察される近視の変化の最終段階の進行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]これは酸素の通常の}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]体内で生成される種の1つであるスーパーオキシドアニオン（O⁻
₂）、^[58]は鉄獲得に関与している可能性がある。^[59]通常よりも高い酸素濃度は、活性酸素種のレベルの増加につながる。^[60]酸素は細胞の代謝に必要であり、血液はそれを体のあらゆる部分に供給する。酸素が高い分圧で呼吸されると、高酸素状態が急速に広がり、最も血管が発達した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、酸化ストレスを生み出す可能性がある。^{[21] [61]}

体内でのこれらの種の反応メカニズムはまだ完全には解明されていないが、^[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、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る。^{[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形成も増加させ、 DNAやその他の生体分子に損傷を与える。^{[21] [64]}体には酸化ストレスを防ぐグルタチオンなどの多くの抗酸化システムがあるが、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、細胞損傷の速度はそれを防止または修復するシステムの能力を超えてしまう。 ^{[65] [66] [67]}その結果、細胞が損傷し、細胞死が起こる。^[68]

ダイバーの中枢神経系酸素中毒を発作前に診断することは困難である。視覚障害、耳の障害、めまい、混乱、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が原因である可能性があるからである。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を診断するのに役立つ可能性がある。いずれの場合も、てんかんの既往歴がある場合や検査で低血糖が示されない限り、1.4 bar (140 kPa) を超える分圧の酸素を吸入している状況で発作が発生した場合は、酸素中毒の診断が示唆される。^[69]

呼吸困難を伴う新生児の気管支肺異形成症の診断は、最初の数週間は困難です。しかし、この期間中に乳児の呼吸が改善しない場合は、血液検査とX線検査で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考えられる原因を排除するのに役立ちます。^[70]

乳児の未熟児網膜症の診断は、典型的には臨床状況によって示唆される。未熟性、低出生体重、酸素曝露歴が主な指標であるが、遺伝的要因がパターンを形成することは示されていない。^[71]

臨床診断は動脈血酸素濃度で確認できます。^[40] 酸素毒性と混同される可能性のある他の病状としては、以下のものがあります。^[40]

• 一酸化炭素中毒
• 脳血管障害（脳卒中）
• 毒物による中毒または毒素の摂取
• 高炭酸ガス血症（二酸化炭素中毒）
• 過換気
• 低血糖
• 感染
• 片頭痛
• 多発性硬化症
• 発作性疾患（てんかん）

酸素中毒の予防は、状況に完全に依存します。水中と宇宙空間の両方で、適切な予防措置を講じることで、最も有害な影響を排除できます。未熟児は、早産の合併症を治療するために酸素補給を必要とすることがよくあります。この場合、気管支肺異形成症と未熟児網膜症の予防は、乳児の生命を維持するのに十分な酸素供給を損なうことなく実行する必要があります。^[72]

スキューバダイビングでは、発作が起こると溺死するリスクが高くなるため、酸素中毒は壊滅的な危険です。 ^{[39] [73]}発作は突然起こり、前兆となる症状はありません。^[19]その影響は突然のけいれんと意識喪失で、その間に被害者はレギュレーターを失い溺死する可能性があります。^{[74] [75]}フルフェイスのダイビングマスクの利点の1つは、発作の際にレギュレーターを失うのを防ぐことです。マウスピース保持ストラップは、同様の機能を持つ比較的安価な代替品ですが、効果は劣ります。^[73]深いダイビング、​​長いダイビング、​​酸素を多く含む呼吸ガスを使用するダイビングでは中枢神経系の酸素中毒のリスクが高まるため、ダイバーは酸素を多く含む呼吸ガスの最大動作深度を計算するように指導されており、そのような混合物を含むシリンダーにはその深度が明確に表示されています。^{[24] [76]}

発作のリスクは、酸素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。発作が起こらない酸素分圧の閾値は確立されておらず、多くの変数（一部は個人的）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、呼吸の働き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]

曝露が重大なリスクレベルに達する可能性のあるダイビングモードに関する一部のダイバートレーニングコースでは、ダイバーはダイビングの「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]これは概念上の目覚まし時計であり、酸素圧が上昇するとより速く時を刻み、}米国海洋大気庁ダイビングマニュアルで推奨されている最大一回曝露限度で作動するように設定されています。^{[24] [76]}次の酸素分圧の場合の限度は、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することができます。その目的は、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、アラームが作動するのを避けることです。酸素分圧は呼吸ガスの酸素の割合とダイビングの深さとともに増加するため、ダイバーはより浅い深さでダイビングするか、酸素の少ないガスを呼吸するか、酸素が豊富なガスにさらされる時間を短くすることで、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ています。^{[81] [82]}

56メートル（184フィート）より深く空気で潜ると、酸素分圧が1.4バール（140 kPa）を超えるため、ダイバーは酸素中毒の危険性が高まるため、21％未満の酸素を含むガス混合物（低酸素混合物と呼ばれる）を使用する必要があります。窒素の割合を増やすと、強い麻酔性の混合物が生成されるため実行可能ではありません。ただし、ヘリウムには麻酔性がなく、窒素を完全にヘリウムに置き換えるか（結果として生じる混合物はヘリオックスと呼ばれます）、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で、使用可能な混合物を混合できます。^[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時間が限られており、自然に断続的な性質を持っているため、これはダイバーにとって比較的まれな（そして、たとえ起こっ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、ダイバーは肺毒性のリスクがあるかどうかを計算できます。^{[85] [86] [87]}飽和潜水では、生活区域のガスの酸素含有量を 0.4 bar 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、潜水作業中または減圧症の高圧治療中に酸素けいれんを起こしやすい可能性のある、高圧酸素の高分圧に対する耐性が低いダイバーを特定することです。このテストの価値は疑問視されており、統計的研究では標準的な高圧治療スケジュール中のけいれんの発生率が低いことが示されています。そのため、一部の海軍ではこのテストの使用を中止しましたが、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義務付けています。^[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、酸素毒性が観察されたのはわずか6件（0.1％）であった。^{[90] [91]}

インド海軍が実施している酸素耐性テストは、米海軍と米海洋大気庁の推奨に従っており、乾燥した高圧室で安静時に、BIBSマスクで絶対圧2.8バール（18msw）の周囲圧力で100％酸素を30分間吸入するというものである。検査員は中枢神経系酸素中毒の症状を観察しない可能性がある。^[89]

発熱や発作の既往歴がある場合は、高圧酸素療法の相対的禁忌である。^[92]減圧症の治療に用いられるスケジュールでは、発作や肺損傷の可能性を減らすため、100% 酸素ではなく空気呼吸の期間（エアブレイク）が認められている。米海軍は、100% 酸素と空気を交互に使用する期間に基づく治療表を使用している。例えば、USN 表 6 では、2.8標準気圧（280 kPa）の周囲圧力（水深 18 メートル（60 フィート）に相当）で 75 分（20 分酸素 / 5 分空気の 3 期間）を要している。その後、酸素を吸入しながら 30 分かけてゆっくりと圧力を 1.9 atm（190 kPa）まで下げる。その後、患者はさらに 150 分間その圧力に留まり、15 分空気 / 60 分酸素の 2 期間を経て、酸素を吸入しながら 30 分かけて大気圧まで下げる。^[93]

ビタミンEとセレンは肺の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}体内の 脂質過酸化とフリーラジカルによる損傷を防ぎ、その結果、高圧酸素への反復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の休止期間を設けることで回復可能ですが、重篤な損傷に進行すると、最終的には不可逆的な肺損傷につながる可能性があります。このような損傷を引き起こすには、酸素を休止せずに1〜2日間曝露する必要があります。^[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できます。現在のガイドラインでは、妊娠32週未満または出生体重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ります。^[98] 1954年の全国共同研究では、酸素補給と未熟児網膜症の間に因果関係が示されましたが、その後の酸素補給の削減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とるために、現代のプロトコルでは、酸素を投与されている未熟児の血中酸素レベルのモニタリングが義務付けられています。^[99]

投与濃度を最小限に抑えながら望ましい酸素化レベルを達成するために慎重に投与量を滴定することで、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の量の両方を最小限に抑えることができます。^[37]酸素療法を受ける際の酸素飽和度の一般的な目標は、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、高酸素分圧によって引き起こされるのではないので、酸素毒性は回避できる可能性がある。これは、低圧で作動しなければならない宇宙服に純酸素が使用されていること、また、ジェミニ宇宙船やアポロ宇宙船などの初期の宇宙船では、高酸素分圧と通常の大気圧よりも低い客室圧力が使用されていたことからもわかる。^[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) を超えることは許されないため、呼吸混合率が 100% に近づいても、高分率酸素は無毒である。^[100]

高圧酸素療法では、患者は通常、約2.8バール（280kPa）の空気で加圧された高圧チャンバー内でマスクから100％の酸素を吸入します。療法中の発作は、患者からマスクを外して吸入酸素分圧を0.6バール（60kPa）以下に下げることで管理されます。^[19]

水中で発作が起こった場合、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、動脈ガス塞栓症（AGE）の危険があるため、発作中はダイバーを浮かせないようにすることが推奨されてきましたが、^[101]声門が気道を完全に塞ぐことはないという証拠もあります。^[102]このため、現在、海中高圧医療協会のダイビング委員会は、ダイバーの口の中にレギュレーターが入っていない場合は、発作の間代性（けいれん性）期にダイバーを浮かせるべきであり（その場合、AGEよりも溺死の危険が大きいため）、そうでない場合は間代性期が終わるまで浮上を遅らせるべきであると推奨しています。^[74]救助者は、けいれん期に自分の安全が脅かされないようにします。次に、被害者の空気供給が確立されている場合はそれが維持されるようにし、制御された浮上を行います。意識不明の遺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高度な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スタンバイダイバーの主な機能の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が発生する可能性があるため、常に緊急サービスに連絡してください。^[103]水中で発作以外の症状が現れた場合、ダイバーはすぐに酸素濃度の低いガスに切り替えるか、減圧義務が許す場合はより浅い深さまで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に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、代替混合物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、投与する酸素の割合を減らし、曝露期間を短縮し、通常の空気を供給する休憩期間を増やすことで治療します。他の病気の治療に酸素補給が必要な場合（特に乳児の場合）、肺組織が膨らんだ状態を保つために人工呼吸器が必要になることがあります。圧力と曝露は徐々に減らし、気管支拡張薬や肺サーファクタントなどの薬剤を使用することもあります。^[105]

ダイバーは、特定の分圧での曝露時間に基づいた蓄積酸素毒性単位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レベルに曝露を制限することで、肺損傷のリスクを管理します。減圧症の緊急治療の場合には、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。^[33]

未熟児網膜症は自然に治ることもありますが、病気が閾値（未熟児網膜症ステージ3が5時間連続または8時間連続と定義）を超えて進行した場合、凍結療法とレーザー手術の両方で失明のリスクを軽減できることが示されています。病気がさらに進行した場合、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を助ける場合があります。^[106]

呼吸ガス中の潜在的に有毒な酸素濃度への反復曝露は、高圧活動、特に高圧医療、飽和潜水、水中居住環境、反復減圧潜水ではかなり一般的である。RWハミルトンらによる米国海洋大気庁（NOAA）の研究では、単回および反復曝露の許容曝露レベルが決定された。急性毒性と慢性毒性の許容曝露は区別されているが、これらは実際には可能な連続曝露範囲の両極端である。日常的な曝露と緊急治療に必要な曝露はさらに区別することができ、特に比較的安全な管理・監視環境下では、より重大な傷害を軽減するために酸素毒性のより高いリスクが正当化される可能性がある。^{[33] [93]}

1988年に開発されたRepex（反復曝露）法では、大気圧下で1分間100%酸素を吸入した場合の単回投与量値（酸素耐性単位（OTU））を使用して酸素毒性投与量を計算することができ、数日間の作業曝露による毒性影響を回避するために使用されている。一部のダイブコンピュータは、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する。制限は、人が最近曝露していない場合はより高い曝露を許容し、曝露の連続日数が長くなるにつれて1日の許容投与量は減少する。^[33]これらの値は、現在のデータでは完全には裏付けられていない可能性がある。^[107]

最近の提案では、毒性指数（TI）＝t ² × P _{O 2} ^cという単純なべき乗方程式が使用されています。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で肺毒性の良好な予測値が得られ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、絶対気圧での P _{O 2の TI は 250 に制限する必要があります。}

CNS 毒性の場合、時間は分単位、P _{O 2 は}絶対気圧で表され、TI が 26,108 の場合は 1% のリスクを示します。

中枢神経系の酸素毒性によって引き起こされるけいれんは、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起こるかどうかは長年不明のままであり、いくつかの研究でそのような損傷の証拠が探された。ビッターマンによる2004年のこれらの研究の概要では、高濃度酸素を含む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た。^{[21] [108]}

気管支肺異形成症を発症した乳児の大半は、肺が最初の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は回復可能であるため（成人でも）、最終的にはほぼ正常な肺機能を回復します。しかし、彼らは生涯を通じて呼吸器感染症にかかりやすく、後期の感染症の重症度は同年代の乳児よりも重篤になることが多いです。^{[109] [110]}

乳児の未熟児網膜症（ROP）は、介入なしでもしばしば退行し、後年視力が正常になることがあります。病気が手術を必要とする段階まで進行した場合、ROP ステージ 3 の治療結果は一般に良好ですが、後期になるとはるかに悪くなります。手術は通常、眼の構造を修復す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、視力の回復結果は比較的悪くなります。他の合併症がある場合も、良好な結果になる可能性が低くなります。^[111]

酸素補給は救命医療において依然として重要であり、慢性疾患の一部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形成はいくつかの生命を脅かす疾患の発症に関与している。高酸素症の毒性作用は特に肺区画で顕著であり、血管の変化が起こると脳循環と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反応を害し、感染性合併症や組織損傷に対する感受性が高まる。^[37]

ダイバーの中枢神経系毒性の発生率は、曝露と吸入酸素分圧を制限するための手順が開発されたため、第二次世界大戦以降減少しています。 1947年、ドナルドは、純酸素を吸入できる深さを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（180 kPa）に相当します。^[112]時が経つにつれてこの制限は短縮され、今日では、レクリエーションダイビング中は1.4バール（140 kPa）、浅い減圧停止中は1.6バール（160 kPa）の制限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ダイバーは、より大きなリスクを負って、限られた時間、より深いところで活動する場合があります。^[114]酸素毒性は、機器の故障や人為的ミスによる場合を除いて、現在ではまれにしか発生しません。歴史的に、米海軍は、酸素毒性事故を減らすために、海軍潜水マニュアルの空気および混合ガス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405回の水面支援潜水が報告されており、そのうち6回の潜水（1.5%）で酸素中毒の症状が観察された。その結果、米海軍は2000年にスケジュールを変更し、150回の潜水で実地試験を実施したが、酸素中毒の症状は見られなかった。改訂された表は2001年に発表された。^[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、酸素毒性が観察されたのはわずか6件（0.1％）であった。^{[90] [91]}

高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毒性はまれであり、個人の感受性と治療プロトコル、そしておそらく治療の適応と使用される機器など、いくつかの要因によって左右される。1996年のウェルスラウの研究では、107,264人の患者のうち16件（0.015%）の事故が報告され、2003年のハンプソンとアティックは0.03%の割合を発見した。^{[116] [117]}ユルディス、アイ、キルデディは、1996年から2003年までの36,500人の患者治療の概要で、酸素毒性事故はわずか3件で、割合は0.008%であると報告した。^[116]その後の80,000人以上の患者治療のレビューでは、割合はさらに低く、0.0024%であることが明らかになった。発生率の減少は、酸素を供給するためにフードではなくマスクを使用することで、マスク内のデッドスペースが少なくなるためである可能性がある。 ^[118]

中枢神経毒性の全体的なリスクは、治療2000～3000回に1回程度と高い可能性があります。しかし、圧力によってリスクは異なり、2.8～3.0ATAの高圧治療スケジュールでは200回に1回程度、2ATA以下のスケジュールでは10,000回に1回程度と低くなります。^[40]

気管支肺異形成症は未熟児に最も多くみられる合併症の一つであり、超未熟児の生存率が上昇するにつれてその発生率も増加している。しかし、酸素補給の管理が改善され、この疾患が主に高酸素症以外の要因に関連するようになったため、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で行われた研究の要約によると、低出生体重児の最大60%が未熟児網膜症を発症し、出生体重が1kg（2.2ポンド）未満と定義される極低出生体重児では72%に上昇した。しかし、重篤な転帰ははるかに少なく、出生体重が1.5kg（3.3ポンド）未満の極低出生体重児の場合、失明の発生率は8%以下であることが判明した。^[36]

酸素補給は救急医療や集中治療で広く効果的に使用されているが、過剰な酸素供給によって生じる活性酸素種は、主に肺で細胞損傷、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、酸素補給が治療として意図されていた組織酸素供給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の酸素療法でも発生する可能性がある。生理的必要量に対す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と、肺の高酸素曝露も合理的に実行可能な最小限に抑えられる。^[37]酸素毒性の肺症状の発生率は約5％で、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。^[40]

中枢神経系毒性は1878年にポール・バートによって初めて記述されました。^{[119] [120]}彼は酸素が昆虫、クモ形類、多足動物、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。中枢神経系毒性は「ポール・バート効果」と呼ばれることもあります。^[16]

肺の酸素毒性は、1899年にJ・ロレイン・スミスが中枢神経系の毒性に注目し、マウスと鳥の実験で0.43 bar（43 kPa）の酸素では影響がないが、0.75 bar（75 kPa）の酸素は肺を刺激することを発見したときに初めて記述されました。 ^[32]肺毒性は「ロレイン・スミス効果」と呼ばれることもあります。^[16]記録された最初のヒトへの曝露は1910年にボーンスタインが行ったもので、2人の男性が2.8 bar（280 kPa）の酸素を30分間吸入したのに対し、ボーンスタインは48分間何の症状もありませんでした。1912年、ボーンスタインは2.8 bar（280 kPa）の酸素を51分間吸入中に手足にけいれんを起こしました。^[3]スミスはその後、酸素の少ない呼吸ガスに断続的にさらされると肺が回復し、肺毒性の発現が遅れることを示した。^[32]

1935年、アルバート・R・ベンケらは、 1.0バール（100kPa）から4.1バール（410kPa）の間の潜水中に視野が狭くなる（トンネル視野）ことを初めて観察した。 ^{[121] [122]}第二次世界大戦中、ドナルドとヤーブローらは、閉鎖回路式酸素リブリーザーの初期の使用を裏付けるため、酸素毒性に関する2,000以上の実験を行った。^{[46] [123]}酸素リブリーザー潜水が始まった頃、海軍のダイバーは「オキシジェン・ピート」と呼ばれる怪物についての神話を作り上げていた。この怪物は、不注意なダイバーを捕まえるために、海軍実験潜水ユニットの「ウェットポット」（水を満たした高圧室）の底に潜んでいた。彼らは酸素毒性発作を起こすことを「ピートに襲われる」と呼んでいた。^{[124] [125]}

第二次世界大戦後の10年間で、ランバートセン らは加圧酸素吸入の影響とその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な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研究は、高圧酸素吸入時の標準操作手順の開発において重要な文書となった。^{[128]ランバートセンの研究は、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ており、現在の曝露}ガイドラインから将来の呼吸器設計まで、さまざまな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見られなかったが、その後10年間で酸素補給が可能になると、先進国では急速に乳児失明の主な原因の1つとなった。1960年までに酸素の使用は危険因子と認識され、その投与は制限された。その結果、未熟児網膜症は減少したが、乳児死亡率と低酸素症関連の合併症は増加した。それ以来、より洗練された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とのバランスをとることを目的とした酸素使用のプロトコルが確立された。^[36]

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説明され、診断につながる条件を概説しました。^[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週での酸素補給の必要性が長期的な結果を予測できると示唆されました。^[131]それにもかかわらず、パルタらは1998年に、放射線学的証拠が長期的な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的活動の変化の発現を遅らせることを示した。 ^{[25] [26]}それ以来、中枢神経系毒性に関する研究は、予防法と耐性の安全な延長に集中してきた。^{[133]中枢神経系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、海洋大気庁が生息地の運用における酸素曝露限度を確立するための手順を作成した。^{[85] [86] [87]}今日でも、肺酸素毒性の予測モデルは、高酸素分圧への曝露の結果をすべて説明できるわけではない。^[138]

レクリエーションダイバーは、通常、最大40％の酸素を含む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最大80％の酸素を含む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を呼吸するダイバーは、酸素中毒の危険性とそのリスクを管理する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拠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、客が鼻カニューレを通して酸素を吸入することで、酸素の娯楽的使用が促進されてきた。科学的根拠がないにもかかわらず、これによってストレスが軽減され、エネルギーが増し、二日酔いや頭痛の影響が軽減されるという主張がなされてきた。^[140]また、体内の毒素を除去し、体脂肪を減らすという主張で、「酸素マッサージ」や「酸素解毒」を提供する装置も販売されている。^[141]米国肺協会は、「バーで使用される低流量の酸素が、一般人の健康に危険を及ぼす可能性があるという証拠はない」と述べているが、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管理する必要があり、酸素バーを使用すべきではないと警告している。^[140]

ヴィクトリア朝の社会は、急速に拡大する科学分野に魅了されていた。ジュール・ヴェルヌが1872年に書いた短編小説「オックス博士の実験」では、同名の博士が水の電気分解を利用して酸素と水素を分離する。博士はその後、純粋な酸素をキケンドーネの町中に送り込み、普段は穏やかな住民と動物が攻撃的になり、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、彼の実験は終了する。ヴェルヌは物語の中で説明されている酸素の効果は彼自身の発明であると説明して物語を要約した（経験的証拠によって裏付けられているわけではない）。^{[142]また、「}月世界旅行」 にも酸素中毒の短いエピソードがある。^[143]

• 慢性閉塞性肺疾患に対する酸素の効果
• 窒素中毒 – 呼吸窒素分圧上昇による可逆的な麻酔作用