人工呼吸

Jpn J Respir Care 2017；34：172-8◉呼吸管理の工夫◉

人工呼吸療法の安全管理を目的として設計された
呼気排気口 CO2 モニタの評価
遠藤愛美 1）・井上博満 1）・磨田裕 2）

キーワード：人工呼吸，患者安全管理，二酸化炭素，モニタリング，呼気排気口

要旨

人工呼吸器回路のリーク、外れは重大事故につながる。そのため人工呼吸器アラームだけでなく、カプノメータの使用もすすめられている。本研究は、呼気排気口で CO2 をモニタする装置を用いて、人工呼吸器回路リークなどの早期発見の有用性を実験的に検討した。
人工呼吸器でテスト肺を換気し、テスト肺に CO2 を持続注入した。インシデント事例として、回路リーク、外れを人為的に発生させた。食道挿管や急性肺塞栓、気胸などに見られる患者の ETCO2 が急変する事例として、CO2 注入のないテスト肺に切り替えた時の装置の応答を検討した。
吸気側リークでは、本装置、人工呼吸器、カプノメータすべてのアラームは起動しなかった。呼気側リークでは、本装置および人工呼吸器のアラームが起動した。
また、患者の ETCO2 が急変する事例を模擬した実験ではカプノメータと同様にアラームが発生し、患者の安全管理に役立つ可能性を示した。
以上から呼気排気口 CO2 モニタは、回路リーク、患者 ETCO2 急変などの診療支援装置として期待される。しかしながら、本実験はテスト肺を用いた実験であるため、臨床現場におけるさらなる評価が必要である。

Ⅰ．は じ め に量の増加、器械的死腔増加、装着の手間が増えるなどの患者・医療者の負担増大の一因になりうる。

近年、人工呼吸器の安全管理指針では人工呼吸器装呼気中の CO2 は人工呼吸器の呼気排気口から室内に着時には、パルスオキシメータによる SpO2 やカプノメ放出される。この排気口部分での CO2 濃度は口元 Y ピータによる呼気終末二酸化炭素分圧（partial pressureース部分とは異なるが、一定濃度の CO2 を含んでいる。

of end-tidal carbon dioxide：PETCO2）のモニタリング

この部位で CO2 を測定すると、CO2 が呼気排気口に送が強く推奨されている。

られてくるという情報、すなわち換気が行われているカプノメータを使用する場合、呼吸回路の Y ピース状況を把握することができる。また呼気排気口に CO2部分に CO2 センサー（メインストリーム型）、または測定装置を装着することは、患者回路にはほとんど負ガスサンプリングチューブ（サイドストリーム型）を担にならない。

1, 2）

装着する必要がある 3）。このことは患者口元に新たに呼気排気口に接続する CO2 モニタ（IAS-V110、日本

1 つまたはそれ以上の部品が接続され、これは回路重光電工業、日本）は、人工呼吸器の回路状況、気管チ

1）公益財団法人日産厚生会玉川病院 臨床工学科
2）元 埼玉医科大学国際医療センター 集中治療科
現 横須賀共済病院 集中治療科［受付日：2016 年 7 月 11 日 採択日：2017 年 10 月 20 日］

ューブの状況などを把握して、異常を早期に発見して172

November 30, 2017

アラームを発する装置である。今回そのモニタを試用する機会を得たので、テスト肺換気条件下での安全性人工呼吸（Fisher & Paykel）を使用した。の評価を行った。

Ⅱ．方Jpn J Respir Care Vol.34 No.2

テスト肺のコンプライアンス、および気道抵抗はそ法

れぞれ、50mL/cmH2O、0cmH2O/L/sec に設定した。

1．装置の概略

そしてテスト肺には CO2 を一定流量で注入し、メイン使用した CO2 モニタは、呼気排気口で CO2 をモニタストリーム型カプノメータ（TG-950、日本光電工業）するように設計されている。そのため専用のサンプリにより PETCO2 で 36 ～ 40mmHg を目標として調節しングチューブとアダプタを人工呼吸器排気口に取付け、た。CO2 は液化炭酸ガスボンベ（2.5kg/3.4L、東横化学、赤外線吸収方式で CO2 分圧を連続的にモニタする。こ日本）を用い、流量はマスフローコントローラー（FC-のようにして呼気排気口でモニタした CO2 分圧が一定770AC、日本アエラ、日本）で調節した。

値より低下するとアラームが発生し、音声ガイダンス

人工呼吸器の設定は、換気モードは調節換気（controlled mechanical ventilation：CMV）、 一 回 換 気 量により、異常を伝える機能を持っている。
この呼気排気口 CO2 モニタは形式上、人工呼吸器の呼気排気口に接続するサイドストリーム型の装置になる。なお、ガスサンプリング流量は、150mL/min、サ350mL、換気回数 12 回 / 分、PEEP 5cmH2O、FIO2 を0.21 とした。
各種アラーム設定値は、カプノメータ TG-950 では
PETCO2 上限 50mmHg、下限 20mmHg、無呼吸検出 20

ンプリングチューブ長は 140mm である。

秒、また、人工呼吸器では一回換気量上限 750mL、下2．実験方法

限 250mL、分時換気量上限 8.5L/ 分、下限 4.0L/ 分、実験に用いた疑似回路は、テスト肺（TTL Model気道内圧上限 40cmH2O、下限 0cmH2O とした。なお、

1600、Michigan Instulments、米国）を人工呼吸器（モ

排気口 CO2 モニタのアラーム設定は固定となっており、デル C2、Hamilton medical、スイス）に接続してテス平均 CO2 分圧 5mmHg 以下で起動する。

ト肺を換気する回路構成とした（Fig. 1）。

換気状態が安定していることを確認してから、ウォ使用した呼吸回路はディスポーザブル回路（modelータートラップ、回路フィルタ、呼吸回路に人為的にRT134、Fisher & Paykel、ニュージーランド）または、損傷を作成し、呼吸回路ガスリークを模擬的に発生さリユーザブル呼吸回路（model37705000、Smooth-Borせた。亀裂に関する模擬は、前値としてリークが起こPlastics、米国）を使用した。加温加湿器は MR850

らない程度の亀裂を入れた回路を用い、その部分に多（Fisher & Paykel） お よ び 加 湿 チ ャ ン バ ー MR290

少の張力を加えることでリーク発生状況を作成した。

Inspiratory limb

Test lung（TTL Model 1600）

Heatedhumidiﬁer

Water trap

Ventilator（C2）

Expiratory limb

Liqueﬁed carbon dioxide

Mass ﬂowcontroller（FC-770AC）

Outlet CO2 Monitor（IAS-V110）
Expiratory
outletCapnometer（TG-950）

Fig. 1

Experimental design

November 30, 2017173

Endo M, et al

またウォータートラップに関しては、正常なウォータ

2．呼気回路のリークートラップから損傷させたものへ速やかに付け替える

呼気側回路のインシデント実験結果（Table 3）では、ことでリーク発生状況を作成した。これらの呼吸回路

全体 8 項目のうち、排気口 CO2 モニタは 5 項目、人工のインシデントは各種呼吸回路の部位により、吸気側呼吸器は 2 項目でアラームが起動した。一方、PETCO2（Table 1）および呼気側（Table 2）に分類した。

アラームは起動しなかった。排気口 CO2 モニタのアラ

次に、ETCO2 の変化に対する排気口 CO2 モニタの追従性を検討する目的で、ETCO2 のレベルを瞬間的に 0ーム起動時間は 10 秒から 90 秒、人工呼吸器のアラーム起動時間は 18 秒から 60 秒であった。とするモデルを作成した。これには TTL テスト肺の片また、アラームが起動した事象の各パラメータの詳側の肺に CO2 を注入し、呼吸回路を取付け、正常な換細を確認すると、人工呼吸器のアラームが排気口 CO2気状態を作成した。換気が安定していることを確認し、モニタより早く起動した状況が 1 例あった（18±1 秒

呼吸回路に CO2 を注入していないもう片方の肺に素早vs 24±6 秒、P＜0.05）。これは、ガスリーク量が多く、く付け替えることで ETCO2 のレベルを 0 へ変化させた。

分時換気量 3.4L/ 分と低換気となり、人工呼吸器分時この時のアラーム起動時間を計測し、また、本装置か換気量低下アラームが起動したものであった。

らの CO2 波形出力を経時記録した。
以上、インシデント発生後、各種のアラーム起動の3．ETCO2 への追従性有無、各種アラームが起動するまでの時間とその時のこの実験では、人工呼吸器のアラームは発生しなか各換気パラメータ、PETCO2 の値などを記録した。時間ったが、排気口 CO2 モニタ、口元 ETCO2 モニタは、との測定はそれぞれ 6 回行い、平均、標準偏差を算出しもにアラームが起動した。排気口 CO2 モニタのアラーた。また 2 分以上経過してもアラームが起動しない場

ムは 23±1 秒で起動し、ETCO2 アラームは 21±1 秒で合は「アラーム起動なし」と判定した。

あったので、それに比較して、平均 2 秒の遅れで有意Ⅲ．結差はなかった（p＝0.45）。Fig. 2 はこの実験での気道内果圧、流量、口元 CO2、呼気排気口 CO2 の波形を記録し1．吸気回路のリークたものである。

今回の条件による吸気側回路模擬リークでは、人工呼吸器、PETCO2 モニタ、排気口 CO2 モニタすべてにおいてアラームが起動しなかった。
Table 1

Ⅳ．考察

人工呼吸器回路接続の外れ、回路破損などの有害事
Simulated incidents in the inspiratory limb

1．Connection failure of a lockable water trap［disposable circuit RT134（F&P）］
2．A crack in a lockable water trap［disposable circuit RT134（F&P）］
3．Coming off of a filter cap［disposable circuit RT134（F&P）］
4．Loosening of a filter cap［disposable circuit RT134（F&P）］
5．A crack in a smoothbore circuit：2cm（reusable circuit）（Note）F&P：Fisher & Paykel

Table 2

Simulated incidents in the expiratory limb

1．‌Connection failure of a lockable water trap［a small amount of leakage, disposable circuit（F&P）］
2．‌Connection failure of a lockable water trap［a large amount of leakage, disposable circuit（F&P）］
3．A crack in a lockable water trap［disposable circuit（F&P）］
4．A crack in the respiratory circuit：1cm［disposable circuit（F&P）］
5．A crack in the respiratory circuit：2cm［disposable circuit（F&P）］
6．A crack in a smoothbore circuit：2cm（reusable circuit）
7．‌Smoothbore circuit：deformation of the O-ring in a lockable water trap（reusable circuit）
8．‌Smoothbore circuit：A crack in a tapered-type water trap（reusable circuit）（Note）
F&P：Fisher & Paykel

174

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人工呼吸

Table 3

Jpn J Respir Care Vol.34 No.2

‌Time to activation of individual alarms after the creation of incidents related to the parts in the expiratory limb.
The time（sec）to activation of an alarm after the onset of an incident and the parameter values at the time ofalarm activation are shown in the table. The mode of ventilation was CMV. The symbol “×” denotes no alarm
activation
Incident

Ventilator
Time to activation

PETCO2（at the Y-piece）

Respiratory minuteInspiratory

Time to activation

OutletCO2

PETCO2Time to activationof alarm

volumepressureof alarm［sec］［L/min］［cmH2O］［sec］［mmHg］［sec］

Lockable water trap
Connection failure（a small amount of leakage）

×

4.7±0.1

12±0×

39±1×

Lockable water trap
Connection failure（a large amount of leakage）

18±1

3.4±0.1

9±0×46±0  24±6 a）

×4.8±0.0

11±0×

39±1×

Smoothbore circuit Lockable
Deformation of the O-ring in awater trap

60±93.9±0.2

12±1×39±1  10±0 a）

Smoothbore circuit Tapered typeA crack in a water trap

×4.8±0.2

12±0×

38±1

10±0

Disposable respiratory circuit
A crack（1cm）×4.8±0.0

11±0×37±0×

Disposable respiratory circuit
A crack（2cm）×4.5±0.1

11±1×37±128±2

Smoothbore circuit
A crack（2cm）×4.7±0.1

12±0×

41±1

90±2

Lockable water trap
A crackof alarm（Table 3. Continued）（Note）‌Alarm settings of the ventilator：the lower limit of respiratory minute volume, 4.0L/min；the lower limit of airway pressure,
0cmH2O；the lower limit of PETCO2, 20mmHg（for detailed information, see the main text）.
a）‌There was a significant difference compared with the time to activation of an alarm by the ventilation volume through theventilator（p＜0.05）.

象は時々発生し、これらは重大事故につながる可能性

カプノメータは安全管理上有用とされるが、まだ十がある。日本医療機能評価機構は事故情報を収集して分に普及しているとは言えない。その理由として、装おり、2013 年 4 月から 2015 年 10 月の 30 カ月間の事

置が高価である、気管チューブと Y ピース接続部に例を集計すると、人工呼吸器回路外れ、破損など合計

CO2 測定プローブまたはガスサンプリングアダプタを

9 件の報告が検索できる 。

接続する必要があり、これらの装置のセットアップは4）

人工呼吸器は各種の警報装置を内蔵しており、気道医療者の作業を増加させる点などが考えられる。サイ内圧アラーム、換気量アラームはほとんどの人工呼吸

ドストリーム型では結露・気道分泌物によるサンプリ器が持っている。また、低換気、無換気は重大事故にングチューブの閉塞が起こる可能性があり、また呼気結びつきやすいため、低換気量アラーム、低気道内圧サンプリングラインのウォータートラップの排水作業アラームは特に重要である。しかし例えば、外れた呼が必要である。このようなことから、カプノメータの吸回路がベッド上や患者体幹上に落ちて、ガスの出口有用性は認識されていても、すべての人工呼吸症例でである Y ピース部分が閉塞された状況では、気道内圧使用されているわけではない 7）。

下限アラームは起動せず死亡事故になることがある 5）。

今回使用した CO2 モニタは、人工呼吸器呼気排気口同様に人工鼻の抵抗が上昇していると、回路が外れたにガスサンプリングアダプタを接続して使用するモニ

場合に気道内圧が検出閾値まで低下せず、アラームがタである。そのため人工呼吸器を患者に装着する前に起動しないことがある 。

この CO2 モニタを人工呼吸器に設置しておくことが可6）

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Endo M, et al（cmH2O）
20Pressure

15105051015202530（L/min）
60
40
200−20−40−60051015202530

51015202530

51015202530
Time［sec］

Flow

0CO2̲Portal（mmHg）
4030
201000CO2̲Outlet（mmHg）
4030
201000Fig. 2 Waveforms‌in simulated acute change in ETCO2：from the top graph to the bottom, airway pressure, flow, partialpressure of CO2 at the Y-piece, and partial pressure of CO2 at the expiratory outlet

能となり、医療者は人工呼吸器装着・使用開始時の忙本機では、8 項目中 5 項目でアラームが起動した（Table

しい時期に、モニタ装着の煩わしさから解放される。

3）。この違いとして、Y ピースで測定する CO2 濃度はまた気管チューブ、呼吸回路 Y ピース部分には新たな低下しないか、もしくは上昇するため一般のカプノメ接続部品がないので、気管チューブへの負荷、死腔増ータは反応しなかったものと思われる。しかし、呼気大効果もない。ただし、一般のカプノメータとは測定回路にリークがあると、吸気相での回路内陽圧のため、部位・測定ガス対象が異なり、CO2 濃度も異なる。すCO2 を含む呼気がこのリークから回路外に放出され、なわち Fig. 2 のように、本機でモニタされる CO2 波形

さらに CO2 を含まない吸気が呼気回路にも流入し、そは一般のカプノグラムとは異なる。の結果呼気回路中の CO2 が希釈され、呼気排気口での実際の回路リークを模擬した実験では、吸気回路のCO2 濃度が低下するものと考えられた。またこの時人リークではこのアラームは起動せず、これは Y ピース

工呼吸器のアラームも起動したが、その項目は少なく、に設置したメインストリーム型カプノメータと同様で8 項目中 2 項目であった。ただし、アラーム起動まであった。すなわち吸気側の回路リークは、その部位かの時間は人工呼吸器のほうが早い場合と、本機のほうら吸気ガスが漏れ、低換気になるものの、CO2 濃度のが早い場合があった。このように反応時間が異なるの低下は起こらないので本機も、カプノメータも反応しは、実際の測定値の変化が異なるだけでなく、移動平なかったものと考えられる。

均計算のアルゴリズム、遅延時間の設定の違いなどに一方、呼気回路のリークを模擬したケースでは、Y起因するものと考えられる。なお、アラーム起動に関ピースでのカプノメータはアラームを発しなかったが、しては換気条件やリークの状況によって影響を受ける

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人工呼吸

Jpn J Respir Care Vol.34 No.2

可能性も考えられる。以上のように、本機は呼気回路発見感度は人工呼吸器、カプノメータに比べ高かった。

リークに対してはカプノメータよりも鋭敏に、また人また、ETCO2 の急激な変化に対してはカプノメータと工呼吸器アラームに比較して同等またはそれ以上に検同様の反応を示した。以上より、呼気排気口 CO2 のモ出する可能性が示された。

ニタはインシデントの早期発見を目的とした診療支援

ETCO2 への追従性を検討する実験では CO2 検出がな装置として期待される。しかしながら、本実験はテスくなるため、カプノメータと同様に本装置のアラームト肺を用いた実験であるため、臨床現場におけるさらが起動した。一方、実験デザインから当然であるが人なる評価が必要である。

工呼吸器の気道内圧、換気量アラームは起動しなかった。このように ETCO2 が急激に変化するような状態として、臨床的には食道挿管や急性肺塞栓症、気胸など

本論文の要旨は第 34 回日本呼吸療法医学会学術総会（2012 年、沖縄）において発表した。

が想定される。排気口 CO2 モニタはカプノメータにわ

本稿の全ての著者には規定された COI はない。

ずかに遅れるものの、速やかにアラームを起動しており、これらの病態を速やかにとらえることができる可能性がある。しかしあくまでもモデル肺での実験であり、実際に食道挿管が発生した時に、本装置でどのような反応が観察されるかは確認できず、今回の研究デザインの限界であった。食道挿管での反応性をより正確に確認するためには、動物実験などでのさらなる検吸器安全使用のための指針第 2 版．人工呼吸．2011；28：210-25．
2） Walsh BK, Crotwell DN, Restrepo RD：Capnography/Capnometry during mechanical ventilation：2011. RespirCare. 2011；56：503-9.
3） Block FE Jr, McDonald JS：Sidestream versus mainstream
carbon dioxide analyzers. J Clin Monit. 1992；8：139-41.

証が必要と考えられた。
また、本装置は、あくまでも安全装置としての使い方になる。そして、どのようなモニタであっても、それを使用する場合は、装置の原理や特徴の理解、使用方法のトレーニングを行って初めて、有用になりうることが指摘されている 8）。
この装置は呼気排気口に取り付けるものであるが、電源入れ忘れなどがあれば動作しない。また、今回開発されたものは人工呼吸器ハミルトン C2 に接続して使用するように設計されている。そのため今後は各種の人工呼吸器に接続して使用できるように改良をする

4） 公益財団法人日本医療機能評価機構：医療事故情報収集等
事業．
http://www.med-safe.jp/mpsearch/SearchReport.action（2016 年 5 月 28 日アクセスおよび検索集計）
5） Lowery WS：Ventilator-disconnect and death：a casestudy and a safety device. Respir Care. 2010；55：774-6.
6） Milligan KA：Disablement of a ventilator disconnect alarmby a heat and moisture exchanger. Anaesthesia. 1992；47：279.
7） Erasmus PD：The use of end-tidal carbon dioxide monitoring to confirm endotracheal tube placement in adultand paediatric intensive care units in Australia and NewZealand. Anaesth Intensive Care. 2004；32：672-5.
8） Hodges E, Griffiths A, Richardson J, et al：Emergency cap-

ことなどが望まれる。

Ⅴ．結参考文献
1） 日本呼吸療法医学会人工呼吸管理安全対策委員会：人工呼nography monitoring：comparing ergonomic design of in-論

人工呼吸器回路のリークを模擬した実験では吸気回

tensive care unit ventilator interfaces and specific trainingof staff in reducing time to activation. Anaesthesia. 2012；
67：850-4.

路のリークは発見できなかったが、呼気回路のリーク

November 30, 2017177

Endo M, et al

Usefulness of a carbon dioxide monitor at the exhalation port of a ventilator designed forpatient safety during mechanical ventilation
Manami ENDO 1）, Hiromitsu INOUE 1）, Yutaka USUDA 2）＊1）

Department of Clinical Engineering, Foundation Nissan Tamagawa Hospital
Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Saitama Medical University International
Medical Center2）‌＊Present affiliation: Department of Intensive Care Medicine, Yokosuka Kyosai Hospital
Corresponding author：Manami ENDO
Department of Clinical Engineering, Foundation Nissan Tamagawa Hospital
4-8-1 Seta, Setagaya, Tokyo, 158-0095, Japan
Key words：mechanical ventilation，patient safety，carbon dioxide，monitoring，expiratory outlet

Abstract
Background：A leak or disconnect in a circuit of mechanical ventilator can cause serious incidents. Therefore,
safety management with use of not only ventilator alarms but also a capnometer during mechanical ventilationis recommended. We evaluated the usefulness of a carbon dioxide（CO2）monitor at the exhalation port of a ventilator for an early detection of ventilator circuit leakage or disconnection.
Method：We connected a ventilator to a test lung and continuously infused CO2 into the test lung, which was ven-tilated in volume-controlled continuous mandatory ventilation（CMV）mode. Circuit leakage and disconnection
were simulated in inspiratory limb and expiratory limb. Also, adverse incidents which could lead to acute change
in ETCO2 including esophageal intubation, acute pulmonary embolism and pneumothorax were simulated. We

compared the performance of the CO2 monitor in detecting the leakage and disconnection and acute change inETCO2 with that of the ventilator and capnometer. The adverse incidents were simulated by rapid change of theconnection of the respiratory circuit from CO2 insufflating lung to CO2 non-insufflating lung.

Result：Simulated inspiratory circuit leakage did not activate any alarms in the CO2 monitor, the capnometer, or
the ventilator. However, expiratory circuit leakage activated the alarm of the CO2 monitor and the ventilator, but

did not activate the capnometer alarm. In the simulation of the adverse events of acute change in ETCO2, no ven-tilator alarms were activated, but alarms of both the CO2 monitor and the capnometer were activated.
Conclusion：These findings might indicate that the use of the CO2 monitor at the exhalation port  could be a solu-tion for early detection of leakages and disconnection of the ventilator circuit as well as acute change in ETCO2.
Clinical studies are required to further determine the usefulness of the CO2 monitor, which can contribute to improving patient safety during mechanical ventilation.

Received July 11, 2016
Accepted October 20, 2017

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