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人工呼吸器の基礎知識
基礎知識
医療機器に於ける圧，流量の計測は広範囲に及ぶが，ここでは、人工呼吸中の呼吸系のモニター
に関する計測について主に述べる。
計測に関しての本論に入る前に、先ず人工呼吸とはどの様なものかを理解しておく必要がある。
通常、私たちが意識せずに行っている自発呼吸では胸郭が拡大することによって胸腔内に陰圧を
つくり、気管を通して空気(ガス)が人ってくる。
従って、空気を咬い込んだ時に肺内及び気道内
の圧上昇は通常おこらない。
一方、人エ呼吸はガスを肺内に機械的に押し込む。
この方法には，胸郭外を陰圧にすることによって胸郭をひろげガスを入れる方法と、 気管に挿管チューブを入れその気道からガスを入れる方法がある。
胸郭をひろげる方法は古くは「鉄の肺」と呼ばれるものがこの方法であり、肺内及び気道内の圧は自発呼汲に近い変化をするが、挿管によるものは現在の一般的な人工呼吸の方法
で，肺という限 定されたスペースにガスが入るため肺内及び気道内の圧力上昇が起こる、この方法は陽圧換気と呼ばれ、肺内及び気道内にかかる圧カとその時に肺内に入るガス流量(換気量)は、気道内のとおりにくさ(気道抵抗)や肺のやわらかさ(コンプライアンス)に依存する。
すなわち、気道抵抗が高くコソプライアンスが低げれば圧力が上昇し換気量が減少し、その逆であれば圧力
上昇が小さく換気量は増加する。
このように人エ呼扱は生体の状態をモニターしながら行わなげればならない。
このことが圧力と送り込む流量の計測を必要とする。
圧力計測
人工呼扱中は気道内圧のモニタリングが行われる。
これは呼吸回路の内圧を計測することにより、臨床的に、最高気道内圧、吸気終末休止期(EIP)圧，呼気終末陽圧(PEEP)、平均気道内圧(MAP)等をモニターできる。
通常、気道内圧の測定は気管内チューブに接続されているYピースで行われる場合と，本体内部もしくはそれに近い箇所で測定される場合があるが、測定される箇所に
より測定結果は違ってくるので注意を要する。
圧力の単位
基本的な圧力の単位とは、mmHgですが、mmHgは水銀柱を使った時の圧力単
位であり、大気圧が開放された液面にかかることにより管内の水銀が上昇する。
この時の開放されている液面と管内を上昇した液面の高低差(mm)がこの単位で示す圧カとなる。
また、水を使用した場合はmmH,0が圧力単位となる、この水柱はU字管圧力
計と呼ばれ、両端が大気に開放されている時は液面の高低差はないが、一方へ圧力が印加されることにより高低差(mm)が生じる。
これが圧力を示す単位となる。
国際的な統一規格により，現在は[Pa (パスヵル)]が唯一の圧力の単位として使用できる。
但し、国内では[気圧コ、医療用では[トル(Tol)]、
血圧の測定に[mHg]が使用できる。
以下に，各圧力単位の相関を示す。
l[N/m2]=l[Pa]
l[torr] = l[mmHg] = I3，6O[mmHzO]
l[atm] =760[mmHg] = 1.013 x 105[Pa]
= lOl3[mmbar] = 1013[hPa]
l[kgf/cm2] = 9.807 x lO4[Pa] = 98・07[kPa]
圧力計の種類と測定原理
1)機械式圧力計
機械式圧力計には，肺内圧や血圧を測定するのに使用される低圧用と、配管圧やホンベ圧等の測
定に使用される高圧用とに大きく分げられる。低圧用ではダイヤフラム式、アネロイド式があり、
高圧用にはブルドン管が基本的に使用される。
a.ダイヤフラム式
金属の弾性を利用したものである。被測定流体の圧力が同心円のひだのついたダイヤフラムに加わり，その圧力がダイヤフラムの僅かな変位となって上向きの力を機械部分に与える。
その動きがアーム、歯車と伝達され指示針を回転させる。指示針の心捧にはその回転方向にダンパーの役割を果たすぜんまいが連結して指示針の動きをスムーズにしている。
肺内圧計(マノメータ)として使用されている。
b.アネロイド式
基本的な構造作動原理はダイヤフラム式と同じである。
圧力がべローズに加わり、それがべローズの僅かな変位となって上向きの力を軸受げ捧に与える。
軸受げ棒が、歯車を回転させ指示針を回転させる。
元々は気圧の計測用に考案されたものであるが、医療用では血圧計として利用されている。
a.ストレーンゲージ (電気抵抗弍)
ゲージワイヤーに加わる圧力を変位として捉え、その変位がゲージワイヤの伸縮を起こし，電気抵抗の変化となって検出される。
この方式には2種類あり、蒸着形と呼ばれるものは、感圧ダイヤフラムの上に直接、検出するセンサーの材料を蒸着させる方式で、もう一方の接着形は予めセン
サーとなる材料を成形しそれをダイヤフラムに接着させる。
b.半導体拡散抵抗形 (電気抵抗式)
材料はシリコーン，ゲルマニウムの単結晶が用いられ、感圧体となるダイヤフラムの上に直接，半導体集積回路の製造技術と同等の方法で、形成される。
c.スパッタリング法薄膜式
原材料をセンサー表面に移すのに、アルゴンガス中でグロー放電を用いる方法でありよく長期安定性や再現性が最も優れている。
d.圧電素子
圧力が加わることにより起電力を生じる素子を使用し、その起電力を検出し，圧カとして変換する。
これは結晶に応力をかげた時にその内部で分極が生じ表面電位が発生する圧電効果を利用しているもので、
圧カエネルギーを電気工ネルギーに直接変化させるセンサーであり、水晶が代表的な素子です。
実際の利用と留意
人工呼吸器には、通常ダイヤフラム式のマノメータが装備されている。
この指針値で、呼吸サイクル中の圧変化をアナログ的に捉えられる。
最近ではマノメータの他に、デジタル的にモニター値
を捉えたり、実際の人工呼吸を制御するフィドバック情報を得るために電子式の圧カトランスジューサを装
備している機種もある。
気道内圧のサンプリング箇所は、測定の正確性，応答性から見ると、気管内チューブに接続されているYピースで行われるのが望ましいが、サンプリングライン
に飽和水蒸気状態の呼気ガスが進入し、マノメータ、圧カトランスジューサ等の故障を招き易いので，これを防止するためにラインの機器側より僅かに乾燥ガスを常時流している。
このガスはパージガスと呼ばれ，通常100-150 mmLの流量である、圧力の校正は、基準器 (U字管など)で定期的に行う必要がある。
ガス流量計則
1流量とガス状態
流量 (体積) の測定、特に気体で、，圧縮性があり温度や圧力が変化するとその体積が変化する点に留意しなげればならない。
測定した時の圧力、温度、水蒸気分臣の値を決定して、初めて流量の算出が可能となる。
これらの値が適切に決定されないと誤った流量が計測されることになる。
| 一般的なこのガス状態の条件 | |||
| － | 温度 | 大気圧 | 水蒸気 |
| STPD (測定環境状態) | 0℃ | 1013hPa | 0 |
| ATPD (標準ガス状態) | 20～25℃ | 1013hPa | 0 |
| BTPS (体温，飽和水蒸気状態) | 37℃ | 1013hPa | HH100％ |
| ATPS (測定環境状態) | 20～２５℃ | 1013hPa | HH100％ |
2センサーの種類と測定原理
a.タービン型
流入ガスがタービンを回転させることにより、その回転数を電気信号に変換し流量を計測する。
このタービンの外周には、円筒形をした整流用スリットガイドを備え、タービンを一方向に回転させている、また、流入口側には感度調整用のリーク穴があり、
流量校正に使用される。
b.差圧型
ガスの流れる経路内に抵抗体を設げ、その前後の圧力差から流量を計測する。
それぞれ抵抗体の種類により、層流型、オリフィス型、バリアプルオリフィス型があり、差圧から流量に換算する計算方法も異なる。
・層流型は、気流が層流とみなせる場合に差圧と流量が比例関係にあることを利用している。
Hagen-Poiseulle (ハーゲン・ポアズイユ) の法則に基づき、単位時間の流量Q (流速＝V) と差圧⊿P の関係は次式で表される。
Q＝(πr4/8μL)⊿P
Q:単位時間流量、r:細管の半径、μ:流体の粘性係数、
L:細管の長さ、⊿P:差圧
細管部の結露による目詰まりや温度変化を減少させるために、ヒータを備えているものもある。
・オリフィス型は中心部に穴があり、その前後の差圧が流量と相関の関係にあることを利用している。
・バリアブルオリフィス型は流量により開口部(ひずみ) の面積が変化するプレートを中央部に備えている。
基本原理はオリフィス型と同じである。
c.容積式流量計
一定容積の桝(ます)とみなせる空間部に流体を充満させてはその流体を出口へ送り出す構造となっている。
原理的に非常にに精度が高い。
送り出し部の形態は数種類ある。
d.熱線型
一定温度で加熱した熱線が、ガスの気流により熱を奪われ冷却される。
その奪われる熱量は流量と相関があることを利用している。
一般に熱線の材質はプラチナあるいはタングステンが用いられ、直径は数がmである。
温度は300℃程度に加熱され、温度変化は電気信号の変化として検出され流量に変換される。
e.超音波型
音波が気体の2点間を伝搬する時、流体の流れる方向では速くなり、逆の方向では遅くなるドップラー効果を利用したものが血流計等に多く、伝搬の時間差が流速に比例している。
ガスの計測では他に、渦流を起こしてその振動が超音波に変位を与えることを利用したものもある。
また、超音波を利用した測定では、ガスの組成による影響を解決するため、 超音波の位相を制御する等の補
正処理を行っている場合がある。
実際の利用と留意点
呼吸中の換気量(呼気)は、肺内のガス状態、つまりBTps状態の換気量を示す。
実際に測定する時(測定点) のガス状態は、BTPS状態とは異なるため、その測定法に従った補正が必要となる。
また、測定値をATPDに換算して表示する場合もある。
センサによる注意点は以下の通りである。
タービン型は一般に直線性が良くないのでセンサー毎の特性をよく知っておく必要がある。
ハロースケール(fdE社) のように呼気の平均流速点で補正調整がされているものがある。
また、タービンの軸受げが汚れて回転抵抗が大きくなると誤差が生じる。
差圧型は経路に細管を設げてあるため水分その他による目詰まり等が起きやすいので、使用毎に較正が必要
となる場合がある。
また、ガスの組成に影響される。
熱線型は低流量から高流量までの計測に対応でき応答性もよいが、ガスの組成に影響される。
超音波型は電気的にほとんどの補正処理をしているため特に問題点はないがガス種類によっては補正が十分
でない場合もある。
換気量の測定は、実際に人工呼吸器を装着している場合に行われるのがほとんどである。
この場合には、呼吸回路の弾性や容量の影響を考慮しなげればならない。
吸気の測定では器械により近い
側、呼気の測定では患者により近い側で行わないと、被測定ガスの一部が呼吸回路内に食われてしまい正確な換気量を測定できなくなる。
人工呼吸器
人工呼吸器の基礎
通常人の肺換気の目的は、外気から酸素を取り込んで静脈血を酸素化すること、静脈血の二酸化炭素を肺から体外に排出することの2にある。
静脈血の酸素化は肺胞と毛細管膜とのガス交換いわゆる拡散によって行われ，酸素は肺胞から毛
細管内の血液にとげ，二酸化炭素は肺から外気へ排出される。
正常値の判定
肺換気状態が正常かどうかの判定は通常，動脈血のガス分析測定によって行われる
正常帯:動脈血酸素分圧＝95mmHg
動脈血二酸化炭素分=40mmHg
動脈血 PH=7.3ー7.4
人工呼吸の適応と開始基準
①二酸化炭素分圧が通常より20 mmHg 以上高く、上昇のおそれがある場合
②一回換気量が標準値のけ1/3 以下の場合
③死腔量/一回換気量が60%以上の場合
④呼扱数が標準値の1/3 以下又は3倍以上の場合
⑤肺胞レベルの血液酸素化障害
⑥呼扱予備力の減少
呼吸モード
①CMV (Controlled Mandatory Ventlaton)
②SIMV (Synchronized Intermttent Mandatoy Ventlation)
③CPAP (Continuous Positive Airway Pressure)
④プレッシャーサポート
作動原理
基本構造
人エ呼吸器本体
人工呼吸器の内部の基本的構造は図のとおりである。セントラルパイピングからの酸素と圧縮空気
(空気の場合コンプレッサ一から供給されることもある。)は、一定の濃度にコントロールされる。
この濃度コントローうーが空気・酸素ブレンダー(空気・酸素ミキサー)と呼ばれている。
この空気・酸素ブレンダーから出た混合ガスは、吸気流量コントローうー、デマンドバルブ、および
回路内定常流コントローうーへ流れる。
(機種によっては回路内定常流コントローうーがない機種がある。)
機械換気の場合は、扱気流量コントローうーの開閉時間、吸気流量をコントロールして患者への一回換気量をコントロールする。
このとき，図の呼気弁は閉鎖する。
患者へのガス供給が終了した時点で、扱気流量コントローラーは閉塞し、呼気弁は開放する。
この蚊気流量コントローうーが開いている時間を吸気
時間という。
注1)次の吸気流量コントローラーが開かれるまでの時間を呼気時間という。
注1)
| 吸気時間に吸気終末ポーズ(ＥＩＰ)を付加すると、この期間は吸気時間に含まれる。ＥＩＰでは、 吸気コントローラー(吸気弁)と呼気弁は閉塞している。 |
患者に自発呼吸があるとき、患者が吸気努力をすると、人工呼吸からガスが自動的に供給される。
この供給方式には定常流方式とデマンド方式の２つがある。
定常流方式は、患者回路内に常に一定流量のガスを渡し、患者の吸気に応じる方式である。
それに対して、デマンド方式は、患者の吸気努力を感知し、デマンドバルブを開いてガスを供給する方式である。
(デマンドバルブとは、患者の吸気努力により開き、患者にガスを供給するバルブである。）
人口呼吸器本体からでたガスは、患者に供給される前に、加温加湿器により加温加湿される。
ここで、２つの人工呼吸器の内部回路について簡単に説明する。
ビュリタンベネット社の7200aeは、 マイクロプロセッサーによりすべてをコントロールしていて、回路が非常に簡単である。 酸素と空気の気量を個々に測定し、場合によってはマイクロプロセッサーによりコントロールしている。
また、呼気側の流量を計測して、一回気量、分時換気量をモニターしている。
又、ニューポートベンチレーターE100iのニューマチック回路と電子制御回路の簡略構造では、患者への強制一回換気量のガスの流れは、空気・酸素ミキサー(で設定された特定
の酸素濃度ガスが、マスターソレノイドと流量コントロールで換気量が設定され、 マフラーを通ってメインフローから呼吸回路へ一回換気量としてガスが吐出される。
患者の自発呼吸ガスは、連続流としてリザーバーバッグに流れ込み蓄えられているため、患者はいつでも自由に自発呼吸することができる。
警報装置には、呼吸回路のはずれや漏れ等を監視する低圧」警報装置と、呼吸回路内正の圧力の上 がりすぎを監視する高圧警報装置がある。
この警報はマノメーターの針の動きで検出して いる。
この他の警報としては無呼吸警報、供給電源異常警報、電子回路異常警報、空気・酸素供給圧警報と、吸気時間設定異常警報などが備わっている。
>プレッシャーサポート
呼吸仕事量の軽減と低換気の是正
氏カトリガーまたは流量トリガ一のどちらかで自発呼扱の開始が検出されると、すぐに送気が始まり，扱気が続く間は設定した一定の陽圧(サポート圧)が維持されるように一定の陽圧(サポート圧)が維持されるように一定の陽圧(サポート圧)が維持されるように
が自動的に調節される。
現在はほとんどの人工呼吸器にこの機能があり、SIMV等の換気モードと併用されることが多い。
また、アクセサリーとして，ネブライザーを取り付げる場合がある。
また、アクセサリーとして、ネブライザーを取り付ける場合もある。
患者回路に取り付げるアクセサリーは以下のものがある。
加温加湿フィルター (人工鼻)、フィルター、流量計センサー、扱気圧測定ポート付きコネクタ
ー、ガスサンプリングポート付きコネクター、温度モニター，ウオータートラップなど。
こうしたアクセサリーが増えることは、接続部が増えることを意味し、回路のはずれの原因にな
るので注意すべきである。
人工呼吸器各部の構造
加温加湿器
加温加湿器にはいくつかの加温加湿方式があるが、ここでは一般的に使用されるホースヒーター付き加温加湿器、特に加温加湿の制御について述べる。
まず基本的なガスの流れと温度制御について述べる。人工呼扱器からのガスは滅菌水の入った加
温加湿器チャンバーへ入る。チャンパーは加温加湿器の熱プレートで加温されている・ガスはチャ
ンバーから患者回路 (蛇管)へ流れていく。チャンパー出口には温度プローブが付いていて、出口
温度をモニターしている。蛇管にはホースヒーターが人っていて、これにより蛇管内のガスを加温
している。これは、患者に供給すべき水分が室温で冷却，露滴し減少するの防ぐためである。
加温加湿器本体バネルに患者回路の温度コントロールノブが付いていて、これで温度設定を行う。
温度設定は患者口元温度の設定である。
この温度が常に表示されている。
チャンバー出口の温度は、患者口元の温度との差でコントロールされる。
加温加湿器の加温加湿機能について
図は，温度コントロールの一例である。
患者口元温度36℃、チャンバー出口温度は34℃にコン
トロールされている。
チャンパー出口の相対湿度がloo%とすると、絶対湿度は37.6 mgH2o/L となる。
患者口元では、絶対湿度は同じで、温度が上昇しているので、相対湿度は90%に下がる。
もし、さらに患者への供給水分を増やそうとするなら、チャンバー出口の温度を上げればよい。
(患者口元温度との温度差を小さくする。)
ここで注意してほしいのは、この前提はチャンバー出口の相対湿度が100%を前提にしているこ
とで、回路内流量が多くなると当然相対湿度は下がり、結果として患者口元の相対湿度はより低く
なるのである。
加温加湿器の加温加湿機能について
患者口元温度3６℃、チャンバー出口温度は34℃にコントロールコントロールされている。
チャンバーのでぐちの相対温度が100％とすると、絶対温度は、37.6ｍｇＨ2Ｏ0/Lとなる。
患者口元では、絶対温度は、同じで、温度が上昇しているので、相対温度は、90％に下がる。
もし、さらに患者への供給水を増やそうとするなら、チャンバー出口の温度を下げればよい。
（患者口元温度との温度差を小さくする。
ここで注して欲しいのは、この前提はチャンバー出口の相対温度が100％を前提していることで、回路内流が多くなると当然相対温度は下がり、結果として患者口元の相対温度より低くなることである。
