機械換気

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 ]}

• 外科手術
• 急性呼吸窮迫症候群（ARDS）^{[ 8 ]} 、外傷、またはCOVID-19 ^{[ 9 ]}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^{[ 10 ]}
• 気管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平衡異常
• 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、一過性新生児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^{[ 11 ]}

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 ]}

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、簡単な気道確保操作、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。

• 重度の無気肺による肺胞虚脱^{[ 30 ]}
• 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、ガス以外の物質の肺胞内貯留^{[ 30 ]}

患者が集中治療室に入院する主な理由の一つは、人工呼吸器による換気を受けるためです。人工呼吸器を使用している患者のモニタリングには、病態生理の理解を深めたり、診断を支援したり、患者管理の指針を示したり、合併症を回避したり、傾向を評価したりするなど、多くの臨床的応用があります。

人工呼吸器装着患者では、FIO2 の調整時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。^{[ 48 ]}

患者の総PEEPは、人工呼吸器で呼気停止を行うことで測定できます。これが設定PEEPよりも高い場合は、空気捕捉を示しています。

プラトー圧は、吸気保持を行うことで測定できます。これは、患者の肺が実際に受けている圧力を示します。

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。

1. 搬送用人工呼吸器 ― これらの人工呼吸器は小型で頑丈な構造をしており、空気圧式、交流電源式、直流電源式のいずれかで駆動できます。
2. 集中治療用人工呼吸器 ― これらの人工呼吸器は大型で、通常は交流電源で動作します（ただし、施設内での移動を容易にし、停電時のバックアップとして、ほぼすべての機種にバッテリーが内蔵されています）。このタイプの人工呼吸器は、吸気立ち上がり時間など、さまざまな換気パラメータをより細かく制御できるのが特徴です。また、多くのICU用人工呼吸器には、呼吸ごとの視覚的なフィードバックを提供するグラフィック機能が搭載されています。
3. 新生児用人工呼吸器（バブルCPAP、HFJV、HFOV ）—早産児を念頭に設計されたこれらの人工呼吸器は、これらの患者に少量の容量と圧力を供給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周波型の場合があります。^{[ 44 ]}
4. 陽圧換気装置（PAP）—これらの人工呼吸器は、非侵襲的換気のために特別に設計されています。これには、睡眠時無呼吸や慢性閉塞性肺疾患（COPD）などの慢性疾患の治療のために家庭で使用される人工呼吸器や、集中治療室（ICU）で使用される人工呼吸器が含まれます。

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。

• フェイスマスク— 蘇生時や麻酔下での軽微な処置では、フェイスマスクで空気漏れを防ぐのに十分な場合が多い。意識不明の患者の気道確保は、顎の操作または鼻咽頭エアウェイもしくは口腔咽頭エアウェイの使用によって行われる。これらはそれぞれ、鼻または口から咽頭へ空気が通るように設計されている。フィット感の悪いマスクは、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の流行時（または軽症例）に検討されることがあるが^{[ 49 ]} 、フィット感の悪いマスクから汚染エアロゾルが放出されるリスクがあるため、介護者には加圧防護服が推奨される^{[ 50 ] 。}
• 気管挿管は、数時間から数週間にわたる人工呼吸のためにしばしば行われます。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、気管まで進められます。ほとんどの場合、漏れや誤嚥を防ぐために膨張式カフ付きのチューブが使用されます。カフ付きチューブによる挿管は、誤嚥に対する最良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や咳を引き起こします。そのため、患者が意識不明であるか、他の理由で麻酔されている場合を除き、チューブへの耐性を高めるために鎮静剤が投与されるのが一般的です。気管挿管のその他の欠点としては、鼻咽頭または口腔咽頭の粘膜の損傷や声門下狭窄などが挙げられます。
• 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方外側に装着される気道器具です。ほとんどの器具は、酸素供給のために気管を隔離するために膨張するマスクまたはカフを介して機能します。新しい器具には、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あります。声門上気道は、誤嚥を防がないという点で気管挿管と大きく異なります。1998年に喉頭マスク気道(LMA) が導入されて以来、声門上気道器具は、選択的麻酔と緊急麻酔の両方で主流となっています。 ^{[ 51 ]}食道気管コンビチューブ(ETC)、喉頭チューブ(LT)、および廃止された食道閉塞気道 (EOA)など、多くの種類の SGA が利用可能です。
• 輪状甲状膜切開術— 気管挿管が成功しなかった緊急気道管理を必要とする患者には、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る。これは気管切開術に似ているが、輪状甲状膜切開術は緊急アクセスに限定されている。^{[ 52 ]}
• 気管切開術― 患者が数週間人工呼吸器を必要とする場合、気管切開術は気管への最も適切なアクセス手段となる可能性があります。気管切開術とは、外科的に気管内に通路を作る手術です。気管切開チューブは忍容性が高く、鎮静剤の使用を必要としない場合がほとんどです。気管切開チューブは、既存の重度の呼吸器疾患を有する患者、または人工呼吸器からの離脱が困難と予想される患者（すなわち、筋力予備能が低い患者）の治療の早期に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、誤嚥防止機能はありません。患者が装着できない場合は、フランジ付きのリップシール式マウスピースを使用して、所定の位置に固定することができます。

• バイオトラウマ– 人工呼吸器装着患者における重度の炎症反応 
• チャールズ・ヘデラー、肺換気装置の発明者
• 平均気道圧

• eMedicineの人工呼吸器に関する記事。人工呼吸器に関する技術情報も掲載されています。
• 国際人工呼吸器ユーザーネットワーク（IVUN）は、 2018年10月5日にWayback Machineにアーカイブされました。家庭用機械換気装置のユーザー向けの情報リソースです。
• 人工呼吸器、 2020年7月27日にWayback Machineにアーカイブ済み（詳細な図解スライドショープレゼンテーション）、Amirali Nader医師、FCCP、集中治療医学、サバーバン病院、ジョンズ・ホプキンス・メディシン。