人工呼吸

特Jpn J Respir Care 2016；33：135-8

集

人工呼吸療法 ―今後の展望

調節換気からウィーニングまでの自動制御
小野寺睦雄
キーワード：人工呼吸，自動制御，ウィーニング，SmartCare，INTELLiVENT®-ASV

Ⅰ．は じ め に
人工呼吸における最大の目標は患者転帰の改善である。そしてその実現のために換気モード、肺保護換気sure of end-tidal carbon dioxide：PETCO2）を指標とした換気量の自動制御 2, 3）が発表されて以降、さまざまなシステムが考案されてきた。以下に代表的な自動制御システムを示す（表 1）。に代表される適正換気条件、ウィーニングに関する戦略、患者と人工呼吸器との同調性などさまざまな知見

1．Mandatory minute ventilation（MMV）が積み重ねられ、人工呼吸管理は進歩を遂げてきた。

MMV（mandatory minute ventilation：強制分時換気）しかし臨床において人工呼吸管理を行う医師のすべては 1977 年に Hewlett らによってオリジナルが発表さがこのような知識を持っているとは限らない。専任・れ 4）、その後いくつかの機種に実装されて市販された。

専従の医師が人工呼吸管理を行っている ICU ではそれ

MMV の動作は機種によって細かな部分に差異がある以外の ICU と比較して死亡率が低い傾向にあるとされものの、基本的には自発呼吸をベースとして目標分時ており 、逆に知識やマンパワーが不足している状況換気量に満たない場合に調節換気が追加されるというでの人工呼吸は患者転帰の悪化に関連している可能性モードである。目標分時換気量は臨床医が設定する。

1）

患者の自発呼吸が不十分な場合には調節換気によっがある。
一方、近年の情報処理技術の進歩は従来では困難とて分時換気量が保証され、自発呼吸が増加するにした考えられてきた分野における自動制御を可能にしつつがって調節換気回数が減少するため、ウィーニングのある。人工呼吸管理も例外ではなく、高度なアルゴリ促進が期待された。一方で分時換気量のみを目標としズムによって調節換気からウィーニングまでの自動制ており、呼吸回数や呼吸様式、呼吸仕事量は考慮され御が可能になりつつある。本稿では人工呼吸器の自動ないため、浅い頻呼吸や過大な吸気努力の場合に適切制御に関するこれまでの歴史を概観し、今後の展望にな換気補助が行われない可能性がある。

ついて考察する。

Ⅱ．人工呼吸器の自動制御システムの開発の歴史

2．SmartCare®/ PS
1980 年代後半から 90 年代初頭にかけて、プロトコルに基づいて自動的にウィーニングを行うシステムがい人工呼吸器の自動制御の試みの始まりは古く、1950

くつか考案された。Dräger 社の SmartCare®/ PS はそ

年代後半には呼気終末二酸化炭素分圧（partial pres-のうちの Dojat らによる PS 圧の自動制御システム 5）

徳島大学病院

救急集中治療部をもとにしている。SmartCare®/ PS では呼吸回数、一回換気量、PETCO2 が目標範囲内に入るようにプロトコ

November 30, 2016135

Onodera M

表1

MMV

代表的な人工呼吸器の自動制御システムの特徴

自動制御の目標

出力方法

対応する
換気様式

自動ウィーニング

手動入力が必要な情報

分時換気量

調節換気回数

自発＋調節－

目標分時換気量

SmartCare / PS

呼吸回数
一回換気量
PETCO2PS 圧

自発○PS 圧の初期設定
病態（COPD、中枢神経障害）
気管挿管 or 気管切開
加温加湿器 or 人工鼻

INTELLiVENT -ASV

分時換気量
PETCO2SpO2調節換気回数
PC/PS 圧
PEEP
FIO2

自発＋調節

○

身長
病態（ARDS、脳損傷、慢性高炭酸ガス血症）®

®

ルに従って PS 圧が自動的に増減される。一定時間呼よりもウィーニングに要する時間を短縮するとされて吸状態が安定している場合には PS 圧は漸減され自動いる 10 ～ 12）。

的にウィーニングが行われる。臨床医が設定するのは

INTELLiVENT®-ASV は PETCO2 と SpO2 センサーを最初の PS 圧のほか、体重、病態（COPD〈chronic ob-加えることで ASV をさらに進化させたシステムとな

structive pulmonary disease：慢性閉塞性肺疾患〉
・中っている。臨床医が設定するのは身長（理想体重の算

枢神経障害の有無）、挿管および加温の方法である。

出に使用）と病態（ARDS〈acute respiratory distress

SmartCare / PS は手動のウィーニングよりもウィsyndrome：急性呼吸促迫症候群〉、脳損傷、慢性高炭ーニングの期間を短縮するとされている 。ただしウ酸ガス血症）であり、設定した病態と PETCO2 によってィーニングの自動化を目的としたシステムのため、調％MinVol も自動的に調節される。一定時間呼吸状態が節換気まで含めた自動制御を行うことはできない。ま安定している場合に％MinVol を漸減してウィーニングた目標とする呼吸回数や一回換気量、PETCO2 の範囲はを行う機能（Quick Wean 機能）や、自発呼吸トライア

病態ごとに固定であり、患者の肺メカニクスが変化しルを行う機能も備えている。酸素化は SpO2 の情報をもた場合に追従できないといった限界がある。とに ARDS Network のテーブル 13）に基づいて PEEP®

6）

（positive end-expiratory pressure：呼気終末陽圧）、3．INTELLiVENT -ASV®

INTELLiVENT -ASV は 1991 年に Tehrani によって®

発表されたシステムまで遡ることができる。このシ

7）

FIO2 を自動調節する。これらの自動制御によって手動調節の回数が大きく減少し、良好な呼吸状態にある時間の割合が増加するとされている 14）。

ステムはその後 Hamilton Medical 社によって adaptive

Ⅲ．今後の展望

lung ventilation として発表され 8）、adaptive-supportventilation（ASV）という名称で実用化された。ASV

自動制御システムは入力される情報に基づいて、目は従圧式 SIMV（synchronized intermittent mandato-

標とする結果が得られるように一定のルールに従って

ry ventilation：同期式間欠的強制換気）＋PS をベース出力を制御するシステムである。出力によって得られとしており、目標分時換気量を維持するという点ではる結果はフィードバックされ、次の出力のための情報

MMV に類似しているが、Otis らによる理論 9）を用いとして使用されて繰り返し制御が行われる。従ってどて呼吸仕事量が最小となるような呼吸回数と一回換気のような情報を入力するか、それをどのようなアルゴ量を設定するのが特徴である。患者の自発呼吸回数がリズムで処理し、どのような方法で出力するかが問題少ない場合には調節換気が行われ、一回換気量は PCとなる。

圧または PS 圧によって自動制御される。目標分時換
気量は理想体重から算出される分時換気量に対する割1．入力情報合（％MinVol）として臨床医が設定する。％MinVol

1）病態をより適切に反映する情報の必要性は手動調節が必要である。ASV は従来のウィーニング

Dojatらは自動制御を 3 つのレベルに分類している 15）。

136

November 30, 2016

人工呼吸

Jpn J Respir Care Vol.33 No.2

第 1 レベルは 1 つの変数に基づいてミリ秒単位でフロlation：プレッシャーサポート換気）が多くの臨床にーや圧を制御するものである。第 2 レベルはいくつかおいて使用されてきた実績によるところが大きいと考の生理学的な変数を用い、固定された生理学的モデルえられるが、これらが最良であるかどうかは不明であに基づいて 1 ～ 2 呼吸単位で制御するものであり、分る。患者と人工呼吸器との同調性は人工呼吸管理にお時換気量や一回換気量、呼吸回数、PETCO2 などを入力ける重要な問題の 1 つであるが、この点に関して PAV情報とする現在の自動制御システムはこれに該当する。

（proportional assisted ventilation：比例補助換気）や第 3 レベルは情報を統合して病態とその変化を解釈NAVA（neurally adjusted ventilatory assist：神経調して制御するレベルであり、現在は臨床医によって行整換気）は PSV よりも優れているとされている 16, 17）。

われている。このレベルの自動制御を実現するには、今後これらによる自動制御システムが登場する可能性病態をより適切に反映する入力情報を見出すことが必もあるかもしれない。

要である。EIT（electrical impedance tomography）やⅣ．お わ り に食道内圧、Edi（electrical activity of diaphragm：横隔膜電気活動）、あるいは循環に関連した情報などが候補となるかもしれない。

人工呼吸管理に関する知見を反映させた自動制御シ
ステムはすでに実用域に入っており、特に人工呼吸管

2）精度と安定性理の専門家がいない施設やマンパワーが不足している

入力情報に関するもう 1 つの問題はその精度と安定施設においては有用と考えられる。自動制御システム性である。PETCO2 と PaCO2 との乖離や末梢循環不全でがさらに進歩すれば、多くの患者に対して適切な人工の SpO2 の測定エラーのような精度の低い情報・情報呼吸を提供できるようになり、患者転帰の改善に繋がの欠落は、不適切な換気の原因となる。一回換気量はることが期待される。

比較的精度の高い情報と考えられるが、気胸によるエ

本稿の著者には規定された COI はない。

アリークなどが生じる可能性もある。信頼性の高い技術の採用やノイズ除去技術などの向上、相補的な複数参考文献の情報の使用による冗長性の確保など、さまざまな方

1） 日本集中治療医学会 ICU 機能評価委員会，平成 20 年度厚法により情報の精度と安定性を向上させる必要がある

生労働科学研究班：ICU の人員配置と運営方針が予後に与と考えられる。

える影響について．日本集中治療医学会雑誌．2011；18：
283-94．
2） Saxton GA Jr, Myers G：A servomechanism for automatic

2．アルゴリズム

regulation of pulmonary ventilation. J Appl Physiol. 1957；

自動制御のアルゴリズムはあくまでも開発時点における知見に基づいたものである。例えば INTELLiVENT®ASV における酸素化の調節は ARDS network のテー
ブ ル に 従 っ て いるが、個別の患者における最 適 な
PEEP に関しては議論の余地がある。また SmartCare /®

PS や ASV はウィーニングに要する時間を短縮するが、それらのウィーニングのアルゴリズムが最適化されているかどうかは不明である。新しい知見が得られればそれに応じてアルゴリズムを見直す必要がある。

11：326-8.
3） Frumin MJ, Bergman NA, Holaday DA：Carbon dioxide
and oxygen blood levels with a carbon dioxide controlled
artificial respirator. Anesthesiology. 1959；20：313-20.
4） Hewlett AM, Platt AS, Terry VG：Mandatory minutevolume. A new concept in weaning from mechanical ventilation. Anaesthesia. 1977；32：163-9.
5） Dojat M, Brochard L, Lemaire F, et al：A knowledge-based
system for assisted ventilation of patients in intensive careunits. Int J Clin Monit Comput. 1992；9：239-50.
6） Burns KE, Meade MO, Lessard MR, et al：Wean earlier andautomatically with new technology（the WEAN study）.A
multicenter, pilot randomized controlled trial. Am J Respir

3．出力方法
現在の自動制御システムの多くは PC 圧や PS 圧という形で出力を行っている。これは開発時の歴史的背景
や、PCV（pressure control ventilation：プレッシャーコントロール換気）や PSV（pressure support venti-Crit Care Med. 2013；187：1203-11.
7） Tehrani FT：Automatic control of an artificial respirator.
Engineering in Medicine and Biology Society：Proceedingsof the Annual International Conference of the IEEE. Washington, 1991, pp1738-9.
8） Laubscher TP, Heinrichs W, Weiler N, et al：An adaptive

November 30, 2016137

Onodera M

lung ventilation controller. IEEE Trans Biomed Eng. 1994；

respiratory distress syndrome. The Acute Respiratory Dis-

41：51-9.

tress Syndrome Network. N Engl J Med. 2000；342：1301-

9） Otis AB, Fenn WO, Rahn H：Mechanics of breathing inman. J Appl Physiol. 1950；2：592-607.

8.
14） Lellouche F, Bouchard PA, Simard S, et al：Evaluation of10） Sulzer CF, Chiolero R, Chassot PG, et al：Adaptive support

fully automated ventilation：a randomized controlled study

ventilation for fast tracheal extubation after cardiac sur-in post-cardiac surgery patients. Intensive Care Med. 2013；

gery：a randomized controlled study. Anesthesiology. 2001；
95：1339-45.
11） Gruber PC, Gomersall CD, Leung P, et al：Randomizedcontrolled trial comparing adaptive-support ventilation with

39：463-71.
15） Dojat M, Pachet F, Guessoum Z, et al：NeoGanesh：a working system for the automated control of assisted ventilation in ICUs. Artif Intell Med. 1997；11：97-117.

pressure-regulated volume-controlled ventilation with au-16） Xirouchaki N, Kondili E, Vaporidi K, et al：Proportional

tomode in weaning patients after cardiac surgery. Anes-assist ventilation with load-adjustable gain factors in criti-thesiology. 2008；109：81-7.

cally ill patients：comparison with pressure support. In-

12） Kirakli C, Ozdemir I, Ucar ZZ, et al：Adaptive support ventilation for faster weaning in COPD：a randomised controlled trial. Eur Respir J. 2011；38：774-80.
13） Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute138

November 30, 2016

tensive Care Med. 2008；34：2026-34.
17） Schmidt M, Kindler F, Cecchini J, et al：Neurally adjusted
ventilatory assist and proportional assist ventilation both
improve patient-ventilator interaction. Crit Care. 2015；19：56.