人工呼吸器・呼吸モード

 【人工呼吸器の生体への影響】

心循環系	心拍出量減少(静脈灌流低下による)、血圧の低下。
呼吸器系	気圧外傷(気胸、皮下気腫、縦隔気腫)、換気血流比の異常(無気姉)、肺感染症、酸素中毒など。
泌尿器系	尿量減少。
消化器系	潰瘍形成、肝機能障害。
脳循環	脳灌流量の低下、脳圧の上昇、頭蓋内圧上昇、眼圧の上昇
精神面	せん妄、ICU症候群
その他	眼圧上昇、頭蓋内圧上昇

• 人工呼吸器では気時に肺胞内が陽圧に至るため圧損傷をきたしやすくなる。
• 肺胞換気量が増加する。
• 肺胞の過膨張により毛細血管が伸展し血管径が細くなるため、肺血管抵抗は増加する。
• 中心静脈圧の上昇により、肺静脈血流がうっ血状態となる。結果、脳圧（頭蓋内圧）は上昇する。
• 静脈還流量減少により心拍出量の減少が生じる。
• 循環血液量が減少する。
• 循環血液量が減少することで、腎臓に流れる血流量が減り尿量が減少する。
• 自律神経の視床下部は循環血漿量が減ると抗利尿ホルモン分泌を促進させ、腎臓での水分の再吸収を加速させる。 

 
 
 
【調節呼吸と補助呼吸】
調節呼吸

• 自発呼吸のない(無呼吸の)患者に対し、換気を100%人工呼吸器でおこなう場合をいう。

 
補助呼吸

• 自発呼吸はあるがそれが弱い患者に、患者が息を吸うごとに毎回人工呼吸器から換気を送って補助する方式。
• この場合患者の吸気努力を引金(トリガー)にして機械が送気を開始する。気道内圧波形上で、吸気開始時に僅かに陰圧の方へ振れるのを見て取ることができる。

 
調節呼吸と補助呼吸の適応

• 調節呼吸　：　一般的には、肺の状態が悪いとき、神経筋の病変などで自発呼吸ができないときなどに行う。
• 補助呼吸　：　病状が改善してきたとき、また術後短期間の呼吸補助の場合などに行う。

 
 
 
【人工呼吸器の作動原理】
吸気時

• 呼気弁を閉じて回路の洩れを防ぎ、人工呼吸器からガスを送って肺をふくらます。

 
呼気時

• 呼気弁を開いて回路からの呼気を大気中に呼出させる。

 
非再呼吸式

• 通常の呼吸は呼気を大気中に捨てて、これを再び吸い込むことはない。
• 人工呼吸器の換気方式もこれと同じで、呼気を再呼吸しないように設計されている。
• このような換気の方式を呼気再呼吸しないという意味で非再呼吸式という。

 
 
【 呼吸モード】
圧規定換気（PCV）

• 圧規定喚気 (PCV) は、設定した吸気時間の間は、常に気道に一定の吸気圧(設定圧) を保つ。
• 吸気流量は、吸気開始直後が最大となり、時間と共に減少する。
• PCVの利点は吸気の間、吸気圧を一定に維持できることから、量規定喚気 (VCV) に比べて最高気道内圧を低く抑えることで肺損傷になりづらく、不均等換気が是正できる。
• 吸気圧の設定により肺胸郭コンプライアンスが低下した時でも、最高気道内圧は吸気圧設定値より上昇することはない。そのため、肺への圧損傷や健常肺胞の過膨張という危険性は避けられるメリットがある。
• 吸気時間と吸気圧を設定する。
• PCVでは、肺コンプライアンス × (吸気圧－PEEP) にて 1回換気量を求める。
• 肺コンプライアンスが大きいほど 1回換気量は多くなる。
• 肺コンプライアンスが低下する(肺が固くなる)と気道内圧は上がるが、肺に吸気ガスが入らなくなり換気量が少なくなる。
• 設定した吸気時間中は、常に気道に一定の吸気圧(設定圧)を保つ。
• 吸気流量は、吸気開始直後が最大となり、時間と共に減少する。
• 小児期の肺は未発達であり、圧損傷の危険性が高いため、 PCVのメリットが発揮される。
• 末梢気道抵抗や肺胸郭コンプライアンスが変化すると換気量が変動する。
• PCVでは吸気圧が規定されているため、気道抵抗が決まっていると吸気流量を調節して対応する 。
• 吸気圧が決められている状況で、気道抵抗が高い場合は、吸気フローは低下する。
• 機械換気は圧規定換気となるため、吸気流量の波形は漸減波形となる。
• 設定された換気条件で機械換気が行われるため、必ずしも患者が必要とする換気量が得られない場合もある。
• 吸気努力を検出すると、設定された換気条件に従って機械換気が行われる。
• 呼吸サイクル (1回の呼吸に要する時間)内には、自発呼吸は行えない。
• 吸気努力が消失しでも、設定された換気回数の機械換気による換気量は維持される。
• 呼気分時間気量低下の原因
• 呼吸回路の屈曲
• 気管チューブの喀痰の詰まり

 
 
量規定換気（VCV）

• 量規定換気方式は 1回もしくは分時換気量を設定する換気様式である。
• 気道内に入る換 気量は確保されるが、最高気道内圧が肺胸郭コンブライアンスに左右されるという欠点がある。
• 量規定換気方式は肺胸郭コンプライアンス低下時には最高気道内圧が高くなる。
• 吸気相での送気ガスが一定流であるため膨らみやすい肺胞にガスが入るため不均等換 気を生じる。 肺胸郭コンプライアンスに関係なく設定された換気量を送気するため、圧外傷や過膨 張などの危険性が高い。
• 設定した換気量に達した時点で吸気が終了する。
• 吸気相の問、設定されたガス流量(一回換気量)に従って気道内にガスを送り込む方式であり、吸気ガス流量は患者の気道抵抗に影響を受けない。
• 量規定換気では、通常、吸気流量の波形(パターン)は矩形波(定常流)である。
• 量規定換気でも、吸気流量の波形を漸減波形にすると、１回換気量のほとんどが吸気相の早期に入り気道内圧が一定となるため圧規定換気と同様な圧波形となる。最高気道内圧の上昇を抑え、平均気道内圧を上昇させることになり、肺胞の不均等換気を改善することができる。
• 吸気終末休止を付加する。
• EIPを加えると肺胞内ガスの再配分が起こり、不均等換気の是正が期待できる。
• PEEPを付加する。
• 吸気流量波形を漸減波形とする。
• 吸気流量波形を漸減波形とすると、圧規定換気と同様な圧波形となり、平均気道内圧 を上昇させることができ、肺胞の不均等換気を改善することができる。

 
＜吸気流量計算01＞
量規定換気にて1回換気量500mL、換気回数15回/分、吸気呼気比1：３の時、吸気流量[L/分]はいくつか。
 
解）
量規定換気における吸気流量は、 1 回換気量と吸気時間を設定して次式によって求められる。
吸気流量＝1 回換気量 / 吸気時間
換気回数が 15 回のため一回の呼吸に使われる時間は、 60 (秒) /15 (回) ＝4 秒/回　となる。
吸気呼気比が1：3 のため、 4 秒のうち吸気に使われるのは １秒間となる。
吸気時間が １秒、1 回換気量 500 mL となることから上式を用いて計算すると、
吸気流量 ＝ 500 mL/L秒 ＝ 30L/分
 
 ＜吸気流量計算02＞
矩形波を用いた量規定換気において、1回換気量500mL、換気回数15回/分、吸気呼気比１：３、呼気終末陽圧5cmH2Oのとき、吸気流量[L/分]はいくつか。
 
解）
量規定換気方式における 1 回換気量は、吸気流量と吸気時間の設定から次式を用いて求められる。
1回換気量＝吸気流量 × 吸気時間
換気回数は15回 / 分であるため 1 回の呼吸時間は 4 秒である。
吸気呼気比は 1：3 であることから、1 回の呼吸における吸気時間は １ 秒となる。
そのため、吸気流量 (mL/ 秒)は、
吸気流量 (mL/ 秒) = 500mL / 1 秒 = 500mL/ 秒 となるため、吸気流量 (mL/ 分)は、
吸気流量 (mL/ 分) = 500mL/秒 × 60秒 ＝ 30L/分
 
 
 
アシストコントロール（A/C）

• 補助調節換気(アシスト/コントロールモード)は、患者の吸気努力を検出しない場合 は設定された換気条件で機械換気を行う調節換気となり、患者の吸気努力を検出した場合 は補助換気を行うモードである。
• 補助換気は患者の吸気努力に同期して機械換気を行うものであり、吸気開始のタイミングは患者自身で決められるが、それに続く換気は機械換気となるため、設定された換気条件で換気が行われる。
• 強制的に換気を行うため、無呼吸の患者にも使用できる。
• 自発呼吸と同調して強制換気を行うため、自発呼吸がある患者にも使用できる。
• A/Cモードは，圧規定換気または量規定換気のどちらかを設定し、吸気努力により強制換気を行う。
• プレシャーサポートと併用できないために 2種類のフローパターンは見られない。
• PEEPを設定することが可能である。
• 換気回数の設定に加えて吸気努力時にもトリガして強制換気を行うため、頻呼吸では分時換気量は増加する。
• 呼吸回数が設定できる。
• 吸気努力がトリガされれば設定した 換気回数を超えて機械換気が行われるため、換気量が過剰となる場合がある。
• 自発呼吸のある患者の呼吸仕事量を軽減したい場合にはよい適応となる。

 
 
IPPV（間歇的陽圧換気）

• IPPVは間歇的陽圧換気と言い、換気量または気道内圧と換気回数を設定し、強制的に換気を行う調節換気方法である。

 
 
PEEP

• PEEPは呼気終末に加えておく陽圧のことであるが、PEEPを加えておくと肺胞の虚脱を防止することができ、膨らみにくい肺胞をあらかじめ膨らんだ状態に維持しておくことができる。これにより、不均等換気を防止することができる。
• PEEPは酸素化能の改善に効果のある設定である。
• 呼気の終末に希望する陽圧 (5～10 cmH2O) を気道内に残して肺が少しだけ膨脹した状態で呼気相を終了する方法である。

 

期待する効果	デメリット（逆効果）
□  肺胞の虚脱を防止する。 □  機能的残気量を (FRC) を増加させる。 □  肺内シャント率は減少する。 □ 肺コンブライアンスは上昇する。 □ 低酸素血症が是正され酸素化能が改善する。	□  静脈灌流障害 □ 心拍出量低下 □ 脳圧および頭蓋内圧の上昇 □ 尿量の低下をきたす □ 25cmH2O以上の持続的な PEEP は気胸の発生を誘発する可能性があるため 5～10 cmH2O程度の陽圧に設定する。

 
 
※内因性PEEP(auto-PEEP)

• 気管挿管された状態での肺胞内の呼気終末圧は、通常大気圧となる。しかし、気道閉塞、 気流制限または呼気時間の短縮によって、肺胞が完全に空にならないときに肺胞内に陽圧が残ることがある。これを内因性 PEEP(auto-PEEP) と呼ぶ。
• このPEEPは治療的なものではないため、心拍出量の低下、血圧低下、尿量減少、脳圧上昇及び圧外傷といったPEEPによる悪影響に注意しなければならない。
• 肺の過膨張による横隔膜の平定化や気道閉塞のため、呼吸仕事量が増大する。
• 端息発作やCOPDなどの閉塞性肺疾患患者が陥りやすい。
• 末梢気道が閉塞した場合、肺胞内に陽圧が生じていても呼気終末の気道内圧がゼロを呈していることがある。
• 気道内圧計だけでは容易に測定できないため、グラフィックモニタ（呼気の流量波形など）の活用が有効である。
• 内因性 PEEP が生じるのは、閉塞性肺疾患である。
• 強制換気の吸気呼気比 (1 : E) は 1:2~1:3 程度に設定するが、IRVでは吸気時間を呼気時間よりも長く設定する換気法のため、呼気時間が短くなり内因性PEEPを誘発する。

 
 
CPPV（持続陽圧換気）

• CPPVは呼吸回数、吸気時間を設定する.
• 自発呼吸の無い患者に使用する。

 
 
CPAP（持続気道陽圧）

• CPAPは、単一の圧補助だけを行う。
• 呼吸は患者自身が行う。
• 吸気開始のタイミング、吸気時間(吸気から呼気への移行のタイミング)、換気量などはすべて患者が決定するため、呼吸仕事量のすべてを患者が負うことになる。
• トリガ感度とPEEPの設定で行う。
• 強制換気は行わず患者の自発呼吸下においてPEEPをかける方法である。
• 通常 5 ～10 cmH2O 程度の呼気終末陽圧 (PEEP) を加えることで肺胞虚脱を改善し、換気血流比の不均等分布を是正して酸素化の改善を図る。
• 全サイクルが陽圧となる。
• 自発呼吸が消失すると無換気になる。
• 自発呼吸があり換気量は保たれているが、十分な酸素化がされていない場合に用いられる。
• 人工呼吸器からの離脱の最終段階に適応されるモードである。

 
 
EIP（吸気終末休止）

• 膨らみにくい肺胞の場合は、吸気相の終末付近で膨らみ始めるが、十分膨らまないまま吸気相 が終了するその後、直ちに呼気相に移行すると、膨らみにくい肺胞は虚脱してしまい、換気に不均等が生じやすい。
• このため、吸気相の終末に一定期間送気を止めると、肺胞内ガスの再配分が起こり、不均等換気の是正が期待できる。この送気を止める期間を吸気終末休止 (EIP) という。 

 
 
IMV（間欠的強制換気）

• 人工呼吸器の回路を通して自発呼吸させながら、時折人工呼吸器で強制換気を送る方式である。
• 人工呼吸器からの離脱(ウィーニング)時によく用いられる。

 
 
SIMV（同期式間歇的強制換気）

• SIMVは同期式間駄的強制換気と言い、患者に自発呼吸が有れば一定周期ごとに行われる強制換気は、吸気のタイミングに合わせて(同期)換気を行う。
• 自発呼吸がない状態でも換気を行うことができる。
• または、強制換気の回数(時間枠)により患者の自発呼吸のみの換気が行われる方法である。
• SIMVでは、設定した強制換気回 数に応じてトリガーウインドウと呼ばれる自発呼吸努力を感知する時間枠が決まる。
• トリガーウインドウ内に自発呼吸が発生しなければ、時間サイクルで強制換気が行われる。
• ウィーニングに使用できる。
• 設定換気回数を徐々に減らして行き、患者の自発呼吸を優先的に生かし、抜管(ウィーニング)への準備を行う。
• 強制換気は量規定方式や圧規定方式が用いられる。
• SIMVでは、量規定または圧規定による換気方式の他、換気回数、1回換気量または吸気時間を設定する。
• トリガ機構におり患者の吸気を認識する。
• 患者の吸気の開始と強制換気とを同期させることができるため、ファイティングが少ない。

 
 
PSV（プレッシャーサポート）

• PSV (pressure support ventilation) は、患者の自発呼吸の吸気時に同期させ、設定圧まで陽圧をかけ吸気を補う方法である。
• PSVでは吸気圧、トリガ感度を設定する。
• PSVでは吸気時間、分時換気量、換気回数は患者の吸気努力に依存する。
• 患者は楽に吸気を行うことができるために、吸気時の呼吸仕事量を減少させ、人工呼吸器からのウィーニングに用いられる。
• 気管チューブのカフ圧が低下すると、気管とチューブの聞に隙間ができるために PSV設定圧まで上昇せず、分時換気量低下の危険性がある。
• PSVは吸気努力をトリガし吸気をサポートするため、自発呼吸数の低下があると分時換気量低下が起こる。
• 気管チューブが閉塞すると、吸気努力があってもトリガされず、1回換気量、分時換気量が低下する。
• PSVの1回換気量は、肺胸郭コンプライアンスの変化に依存するため、コンプライアンスが増加すると1回換気量および分時換気量は増加する。

 
 
IRV（逆比換気）

• IRVは吸気呼気比逆転換気と言い、吸気相の比率 と呼気相の比率(通常1：2)を逆転 (1：1 ～ 4：１) させる強制換気である。
• IRVは、吸気時間を呼気時間より長く設定することで、不均衡換気の是正や平均気 道内圧が高くなり、酸素化を改善させる。
• IRVは、生理的な I/E比を無視しているため、調節呼吸下で使用される。
• 自発呼吸がない状態でも換気を行うことができる。

 
 
HFOV（高頻度人工換気）

• 解剖学的死腔量より少ない 1回換気量で、かつ生理的な呼吸回数をはるかに超えた呼吸回数で換気を行うモードである。
• 自発呼吸が無い患者に使用される。
• HFOVは高頻度振動換気と言い、解剖学的死腔量以下の一回換気量を150回/分以上の換気回数にて行う非生理的換気法である。

 
APRV、BIPAP（二相性気道陽圧）

• APRVは、高いPEEP圧と低い PEEP圧を交互にかけるCPAPの変法である。
• CPAP同様に自発呼吸がない患者には使用できず、呼吸回数の設定は不要である。

 
 
定常流方式（constant flow generator）

• 人工呼吸器の送気方式は、流量ジェネレータ(flow generator)方式と圧ジェネレータ (pressure generator)方式の2つがある。
• 流量ジェネレー夕方式は規定された流量を送る方式で、定常流方式、漸増方式、漸減方式、サインカーブ方式の4種類ある。
• 定常流方式は一定流量のガスに変化を持たせず吸気相のあいだ気道内に流し込む方法である。
• 1回換気量は吸気流量と吸気時間の積で求めることができる。
• 圧ジェネレータ (pressure generator)方式は、吸気相において気道内に一定の圧力をかけながらガスを送気する方法である。
• １回換気量は吸気圧と肺胸郭コンプライアンスの積で求めることができる。
• 患者の吸気努力をトリガして送気する補助換気にも使用できる。
• 気道内圧は吸気時間とともに上昇し、吸気相の最後に最高値となる。
• VCV (volume control ventilation) に使用される 。

 
 
 
矩形波、漸減波について

• 量規定換気では、通常、吸気流量の波形(パターン)は矩形波(定常流)である。
• 量規定換気でも、吸気流量の波形を漸減波形にすると、１回換気量のほとんどが吸気相の早期に入り気道内圧が一定となるため圧規定換気と同様な圧波形となる。最高気道内圧の上昇を抑え、平均気道内圧を上昇させることになり、肺胞の不均等換気を改善することができる。
• サインカーブ波はガスの流量を次第に増加させ、吸気相の中間で最大流量とし、その後、吸気相の終わりにかけて流量を減少させる方式である。
• 機械換気は圧規定換気となるため、吸気流量の波形は漸減波形となる。

• 自発呼吸下で不足した換気量を機械換気で補助するモードであり、この補助呼吸分を量（吸気流量と吸気時間）規定し、矩形波に送気することができる。

VCV

• 吸気供給様式が換気量（吸気流量と吸気時間）規定となるため、矩形波状に送気することができる。

 
＜漸減波（減速型）＞
PCV

• 吸気供給様式が圧規定換気ゆえ、吸気流量波形は漸減波（減速型）となる。

PSV

• 設定サポート圧を規定しているため吸気流量波形は漸減波（減速型）となる。