人工呼吸

第 29 巻第2号

182 〜 185 頁（2012 年）

特集

成人型高頻度振動換気法の適応・方法・効果

High frequency oscillation（HFO）の基礎知識
中川聡キーワード：high frequency oscillation（HFO），ventilator induced lung injury（VILI），肺容量確保，一回肺気量Ⅰ．High frequency oscillation（HFO）とはGas flow in HFOHigh frequency oscillation と は、 高 頻 度（high fre­quency）で振動（oscillation）を加えて行う人工呼吸

Piston pump法である。図 1 に示すように、HFO では、新鮮ガスの流量源からガスを流し、それに対して、ピストンポンプやダイアフラムで振動流を作り出し、その振動流をFresh gasflow

肺内に伝える。高頻度とは、通常、1 〜 2 Hz（60 〜 120
回 / 分）以上を指すが、臨床上、HFO で使用される周波数は 8 〜 15Hz が多い（新生児では 15Hz、小児は 10

図1

HFO におけるガス流〜 12Hz、成人では 8 〜 10Hz）。ピストンやダイアフラ
ムの動きは、吸気と呼気の両方向性であるため、HFO

換における対流の要素はあまり大きくないと考えられでは、吸気も呼気も能動的である（通常の人工呼吸でる一方で、下記に記すように、HFO における二酸化炭は、吸気は能動的であるが呼気は受動的である）。肺の素の除去が一回換気量の 2 乗と周波数の積に比例するこ

容量を確保するためには、あるレベルの気道内圧（平とより、対流の関与を無視できないとする考えもある。

均気道内圧）をかける。HFO で用いられる一回換気量

それ以外の要素としては、太い気道での乱流、ガス流は、解剖学的死腔と同等かそれ以下とされる（通常 2の気道における非対称的な速度とテイラー分散（TaylormL/kg 以下の容量）。肺保護戦略として、肺容量が確dispersion）がある。HFO では、吸気のガス流の速度保された状態で小さな一回換気量で人工呼吸を行う方が気管支壁の内側に近い部分（体の中心に近い側）の法が提唱されている 1, 2）が、そういった意味では、HFOほうが外側（体表に近い側）よりも早いとされる一方、は、理論的には究極の肺保護戦略であると認識される。

呼気のガス流の速度は、気管支内では比較的均一だと

HFO での肺内でのガス交換に関しては、詳細まではされる。すなわち、気管支や細気管支レベルでは、吸分かっていない。気管や気管支のレベルでは対流によ気ガスが同じ管の主に内側、呼気ガスが主に外側を移ってガスの移動が起こり、肺胞のレベルでは拡散によ動する。これらにより、気管支から細気管支のレベルってガス交換がされていると考えられている 。HFOでのガスの移動が行われる。気道の時定数が異なる肺での一回換気量は解剖学的死腔よりも小さく、ガス交の部位間では、pendelluft 現象（振り子のようにその3）

国立成育医療研究センター病院

2（182）

集中治療科

2 つの部位間でガスが移動する）が生じることも予想され、また、心臓の拍動によるガス流の振動（cardio­genic人工呼吸

第 29 巻第2号

oscillation）もガス交換に関与していると考えられる。

ことが分かっている。大きな一回換気量を用いた人工HFO の人工呼吸器の設定は、比較的単純である。酸呼吸では、容量による損傷（volutrauma）が生じる。ま素化にかかわる設定と、換気（二酸化炭素の除去）にた、この VILI の過程では、人工呼吸による機械的刺激かかわる設定とを分けて考えることができる。酸素化を含む種々の刺激により、肺胞上皮、マクロファージ、にかかわる指標は、FIO2 と肺の容量である。肺の容量

白血球などの様々な細胞からサイトカインを含む化学を確保するためには、適切なレベルの平均気道内圧を伝達物質が放出され、その結果として肺胞内での炎症用いる。一般に、平均気道内圧を上昇させると肺容量が生ずる（biotrauma）。この VILI は、動物実験のみでが増加する。肺容量確保（lung volume recruitment）の示されるものではなく、2000 年に発表された ARDS

観点からは、成人用 HFO 人工呼吸器では、次の操作をNetwork の研究 1）で、理想体重（kg）あたり 12mL の行う。R100 人工呼吸器（メトラン社製）では、sustained

一回換気量の群と 6 mL の一回換気量の群とを比較すinflation（SI）を平均気道内圧よりも高く設定して、そると、6 mL/kg の一回換気量の群のほうが生存率が高の SI ボタンを数秒から十数秒押すことによって平均気かったことにより、臨床的にも受け入れられている概道内圧で確保される以上の肺容量確保を試みることが念である。

ある。一方、3100B 人工呼吸器（センサーメディクス

上述のように、HFO での一回換気量は 2 mL/kg 程社製）では、SI に相当する機能がないため、平均気道度であると考えられる。大きな一回換気量が悪で、小内圧を一時的に上昇させ、肺容量確保を試みる。

さな一回換気量が善であると仮定すると、HFO での一方、換気にかかわる指標は、stroke volume（SV）

一回換気量は、通常の人工呼吸よりもはるかに小さく、と周波数（f）である。HFO における CO2 の除去は周HFO は、VILI という点では、肺損傷を起こしにくい波数（f）と一回換気量（VT ）の 2 乗の積（f×VT ）に人工呼吸法であると認識される。

2比例するとされる。HFO 人工呼吸器からの SV を大き我々が行った動物実験（サーファクタント欠乏肺モデ

くすると VT が上昇する。成人用の HFO 人工呼吸器

ル）では、HFO を、一回換気量を制限した通常の人工では、周波数を低くすると人工呼吸器が作り出せる SV

呼吸モード（一回換気量＝5 mL/kg、PEEP＝10cmH2Oが大きくなる。したがって、臨床上、二酸化炭素の除程度）と比較した 4）。いずれの方法でも同程度の酸素去を促進させたいときは、周波数を低くして、より大化が得られたが、肺胞内の好中球の浸潤、肺胞液中のきな SV を用いることが検討される。しかし、低い周TNF-αのレベル、さらに肺の病理所見から判断をする波数で大きな SV を用いると、場合によっては、上にと、HFO 群のほうが肺損傷が少ない結果になった。ま

記した解剖学的死腔よりも大きい一回換気量を使用す

た、HFO と 6 mL/kg の一回換気量を用いた通常の人ることになりうる。その場合は、HFO の肺保護戦略的工呼吸を比較した大動物を用いた別の研究でも、HFO利点が失われる危険性を認識する必要がある。のほうが炎症所見が軽微で、肺の細胞のサイトカイン

R100 では stroke volume を換気のために設定するが、の発現では、IL-1βの発現が HFO 群で低いことが示さ

3100 B ではその設定がなく、
peak-to-peak pressure（最れた 5）。以上のことより、動物実験系では、HFO は、大と最小の圧の差）で設定をする。この peak-to-peak

通常の人工呼吸による低一回換気量戦略よりも、肺損

pressure は、R100 人工呼吸器の amplitude に相当す傷を引き起こしにくいことが示されている。

る。この amplitude は、人工呼吸器回路内では、60〜 70cmH2O 程度（場合によってはそれ以上）の大きⅢ．新生児医療における HFOな振幅として観察されることがあるが、この圧は、気新生児医療においては、1980 年代から HFO が臨床管内ではさらに小さな圧変化となり、肺胞レベルではで使用されてきた。1989 年に発表された HIFI Study

数 cmH2O の圧変化にまで減弱する。

Group の研究では、メトラン社製の Hummingbird が用

Ⅱ．Ventilator-induced lung injury（VILI）とHFOいられた 6）。この研究では、研究参加施設の中での HFOへの理解や経験が乏しい施設があり、残念ながら、通常人工呼吸は、必要悪である。人工呼吸器によって肺の人工呼吸法と比較して HFO が有意であることを示す損傷（ventilator-induced lung injury：VILI）が生ずることができなかった。しかし、臨床では、日本や北米で（183）3

2012 年 11 月 30 日

も HFO の使用は継続され、新生児医療での HFO での肺保護効果を示す小規模な研究がいくつか示された。

その後 2002 年に、米国と英国から 2 つの大きな臨床研究が発表された。Courtney らの研究

9, 10）

本稿の著者には規定された COI はない。

7, 8）

では、新

9）

生児で HFO と同期型間欠的強制換気（synchronous

参考文献
1） The Acute Respiratory Distress Syndrome Network：Ventila­
tion with lower tidal volumes as compared with traditional
tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratoryintermittent mandatory ventilation：SIMV）の使用を

distress syndrome. N Engl J Med. 2000；342：1301-1308.

比較すると、HFO 群のほうが早く抜管できることが示

2） Briel M, Meade M, Mercat A, et al：Higher vs. lower positive

された。一方、Johnson らの研究 10）では、HFO と通常の人工呼吸の群との間に生存率に差がなかった。しかし、Johnson らの研究で使用された HFO 人工呼吸器は複数種類あり、その結果の解釈には注意を要する。
新生児用人工呼吸器には HFO モードが搭載されている機種が複数あるが、それらの HFO モードでのガスの供給や気道内圧変化のパターンは同一ではないこ11）とに留意しなければいけない。

Ⅳ．小児と成人領域での HFO
小児医療の領域では、新生児医療に遅れて 1990 年代前半から HFO が積極的に使用されるようになった 12）。
成人医療の領域では、1990 年代の後半から、単一施設からの使用報告がみられるようになった 13）。臨床では、小児と成人での HFO の使用は徐々に広まりつつある
ものの、HFO を通常の人工呼吸と比較をした臨床研究はあまり多くない。Sud らは、小児と成人の領域でのHFO と通常の人工呼吸を比較した臨床研究をメタ解析した 14）。これによると、HFO 群のほうが通常の人工呼吸よりも 30 日死亡率が低いことが示された。また、

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酸素化の指標としての PaO2/FIO2 比も、開始 1 日目とventilation for very-low-birth-weight infants. N Engl J

3 日目で HFO 群のほうが通常の人工呼吸群に比べて高Med. 2002；347：643-652.

いことが示された。このメタ解析で対象となった研究

10） Johnson AH, Peacock JL, Greenough A, et al：High-frequency
oscillatory ventilation for the prevention of chronic lungは 7 つで、それぞれが小規模な研究であるため、このdisease of prematurity. N Engl J Med. 2002；347：633-642.

解析から、HFO が通常の人工呼吸よりも優れていると

11） Pillow JJ, Wilkinson MH, Neil HL, et al：In vitro performanceの結論を導き出すのは早急かもしれないが、重症の呼吸不全において、小児や成人患者でも HFO が有用である可能性が提示された。
現在、成人の ARDS に対して、HFO と通常の人工呼吸を比較する大規模臨床研究が行われている。英国での OSCAR Study 15） とカナダを中心とした OSCILL­
ATE Study16）がそれであるが、この 2 つの研究によって HFO の成人の ARDS における効果についての結論が導き出されよう。

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distress syndrome（ARDS），a systematic review andmeta-analysis. BMJ. 2010；340：c2327.
15） OSCAR Trial

4（184）

http://www.oscar-trial.org/

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16） Canadian Critical Care Trials Group：The Oscillation for
Acute Respiratory Distress Syndrome（ARDS）TreatedEarly（OSCILLATE）Trial.
http://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01506401?term=oscillate&rank=2（185）5