인공호흡

인공호흡(人工呼吸, mechanical ventilation)은 자발적인 호흡을 기계적으로 보조하거나 대체하는 수단이다. 인공호흡기(ventilator, mechanical ventilator)는 물리적으로 숨쉬는 것이 불가능한 환자나 자발적인 호흡이 불충분한 환자들을 위해 인위적으로 폐에 공기와 산소를 주입하여 호흡할 수 있도록 고안된 기계이다.
현대의 인공호흡기는 컴퓨터화 되었지만, 환자들은 사용법이 간단한 수동식 백 밸브 마스크(bag valve mask, BVM)을 이용해 호흡할 수도 있다.
인공호흡기는 주로 기본 구급법, 자택 치료, 응급 치료에서 쓰이고, 마취기의 부품으로도 쓰인다. 인공호흡기는 종종 구어적으로 “respirator”라고 불리기도 하는데, 1950년대에 흔하게 사용했던 기계(특히 “Bird Respirator”)에서 유래되었다. (Bird라는 사람은 최초로 심폐 치료를 위한 믿을만한 인공호흡기를 발명한 것으로 가장 잘 알려져 있다.) 그러나 현대의 병원과 의학 용어에서는 절대 respirator라고 부르지 않는다. 그리고 이 글에서 respirator를 사용하는 것은 이 기계에 관해서 잘 모름을 보여주는, 전혀 맞지 않는 시대착오적인 생각인 것이다.

기능

가장 단순한 형태로, 현대의 양압 인공호흡기(positive pressure ventilator)는 압축성 공기 저장소 혹은 터빈, 공기와 산소 공급기, 밸브와 관 세트, 그리고 일회용으로 쓰거나 재사용 가능한 “환자 회로(patient circuit)”들로 구성이 된다. 공기 저장소는 공기를(대부분의 경우 공기와 산소의 혼합)전달하기 위해 분당 몇 번씩 압축한다. 터빈을 사용하면, 터빈이 공기를 인공호흡기에 넣어주고, 유량 조절 밸브가 환자의 특이 사항에 따라 압력을 조절해준다. 높은 압력으로 올렸다가 풀어주게 되면, 폐의 탄력성(lung’s elasticity)에 의하여 환자가 호기를 하게 되고, 환자가 내쉬는 공기는 대개의 경우에 환자 회로 내의 한 방향 밸브(one-way valve)를 통해서 방출되는데, 이를 환자용 매니폴드(patient manifold)라 한다. 주입하는 기체의 산소 함유량을 21% (대기 중 산소 함유량)부터 100%(순수 산소)까지 설정 가능하다. 압력과 유량 조절 특성은 기계적으로 또는 전기적으로 조절 가능하다.
인공호흡기는 환자와 관련한 변수(예를 들어 압력, 부피, 흐름), 인공호흡기의 기능 부분(예를 들어 공기의 누출, 전원 부족, 기계적인 고장), 배터리의 부족, 산소탱크, 원격 조정 등에 대한 모니터링 기능과 알림 기능을 가지고 있어야 한다. 압축 공기 시스템이 요즘엔 종종 컴퓨터로 제어하는 터보 펌프(turbopump)로 대체 되고 있다.
현대의 인공호흡기들은 전기적으로 제어되는 작은 임베디드 시스템을 이용하여 개개인의 환자들의 필요에 따른 정확한 압력과 유량 조절을 해준다. 미세하게 조율된 인공호흡기는 또한 환자들에게 조금 더 견딜만하게, 편안하게 느낄 수 있게 해준다. 캐나다, 미국에서는 의용 생체 기술자들이 인공호흡기의 점검, 보수를 맡고 있다면, 호흡 치료사(respiratory therapist)들은 이러한 인공호흡기의 설정을 조율한다.
환자 회로는 보통 내구성 있고, 가벼운 세 개의 플라스틱 소재 관으로 구성되는데, 기능에 따라서 흡기, 환자의 압력, 호기로 나뉜다. 필요에 따라 인공호흡기의 종류가 결정되기 때문에, 회로의 환자 측에서는 침습적인(invasive) 것이 될 수도 있고, 비침습적인(noninvasive) 것이 될 수도 있다.
비침습적인 인공호흡기의 경우 주로 코 마스크를 사용하는데, 오직 잘 때나 쉴 때만 인공호흡기가 필요한 환자들에게 적합하다. 침습적인 인공호흡기의 경우, 기관내삽관(intubation)이 필요하다. 장기간 동안 의존하게 되는 경우엔 보통 기관절개술 캐뉼라(tracheotomy cannula)를 사용한다. 장기간의 치료에서는 후두(larynx)나 코 기관절개술 보다 훨씬 편안하고 실용적이기 때문이다.

라이프 크리티컬 시스템

기계적인 인공호흡기 시스템 고장이 죽음을 초래할 수도 있기 때문에, 라이프 크리티컬 시스템(life-critical system)으로 분류된다. 그리고 기계적인 인공호흡 시스템이 매우 믿을 만 한지 경계해야 할 필요가 있다. 전원 공급 대비를 하고 있는가 등을 확인해야 한다.
그러므로 기계적인 인공호흡기는 고장 났을 때 환자가 위험하지 않도록 신중하게 설계해야 한다. 전원이 부족할 경우에 수동 호흡을 가능하게 할 수 있는 백업 메커니즘(마취기와 통합되어 있는 경우처럼)을 가지고 있어야 한다. 또 안전 밸브를 가지고 있어야 하는데, 이것은 질식 방지 밸브 같은 기능을 할 전력이 없는 경우에, 자발적으로 환자가 호흡하게 할 수 있도록 대기가 통할 수 있게 한다. 몇몇 시스템들은 전력 부족의 경우나 넣어줄 공기 부족의 경우를 대비하여 압축된 공기 탱크, 공기 압축기, 여분의 배터리를 갖추고 있고, 또 작동법이나 하드웨어적으로나 소프트웨어적으로 고장 났을 때 전화 할 수 있는 기능도 가지고 있다.

역사

미국에서 1995년에 포리스트 버드(Forrest bird)가 출시한 “Bird Universal Medical Respirator” 은 기계적인 인공 호흡 방식을 훗날에 익숙한 의학 장비 부품이 된 작은 초록색 상자로 바꾸었다. 이 기계는 Brid Mark 7 Respirator이라는 이름으로 팔렸고, 쉽게 “Bird”라고 불리었다. 이것은 압축 공기형 장치여서 작동하는 데 전기가 필요가 없었다.
1971년 SERVO900 인공호흡기가 처음으로 도입된 이후로 전 세계적으로 집중 치료 환경에 크게 변화가 일어났다(Elema-Schonander). 세팅 해놓은 대로 제어하고 공급을 조절되는 SERVO 피드백 시스템 제어를 갖춘, 작고 조용한 효과적인 전기 인공호흡기였다. 처음에는 이 기계가 양 조절형 인공호흡기로 세팅된 양 만큼을 공급할 수 있었다.
높은 압력에서 사용되는 인공호흡기는 특별히 조심해야 했고, 지금은 이 조건에서 작동되는 인공호흡기는 거의 없다. 1979년에 Sechrist Industry는 고압 산소실에서 사용하기 위해 특별히 고안된 Model 500A를 도입하였다.
1991년에 SERVO300 인공호흡기 시리즈가 도입되었다. SERVO300 시리즈의 플랫폼은 어른에서부터 신생아까지 모든 범주의 환자들이 이 하나의 인공호흡기로 치료가 가능해졌다. SERVO300 시리즈는 빠른 유량 흐름 응답을 통해서 완전히 새롭고 독창적인 기체 전달 시스템을 제공하였다.
1999년에 LTV(Lap Top Ventilator) 시리즈가 시장에 도입되었다. 이 새로운 인공호흡기는 그 시대의 무게가 14 lbs 정도였던 인공호흡기 보다 상당히 작았고, 랩탑 컴퓨터의 크기와 비슷했다. 지금은 이동형 인공호흡기 시대가 열리고 있지만, 이 당시의 새 인공호흡기는 병원에서의 인공호흡기와 같은 기능을 들고 있었다.
모듈러 개념은 다양한 사람들의 요구에 맞는 다양한 모델들과 브랜드 대신에 ICU 부품 내에서 하나의 인공호흡기 모델만 가지는 것을 의미하는데, 이 모듈러 개념은 2001년에 SERVO-i에 도입이 되었다. 이 모듈러 개념에서 ICU 부품은 특정 환자의 요구에 맞게 모드와 옵션, 소프트웨어, 하드웨어 등을 선택할 수 있게 되었다.

Biphasic cuirass ventilation

Biphasic cuirass ventilation, (BCV)는 환자가 상체에 갑옷을 입는 방법이다. 그래서 중세의 군인들이 입었던 갑옷의 이름을 본뜨게 되었다. 갑옷이 흡기와 호기의 양상을 적극적으로 제어 해주는 펌프에 붙어있기 때문에 이상성(biphasic)이다. 이 방법은 ‘음압 인공호흡기(negative pressure ventilator,NPV)’,’외부형 흉부 벽 진동 요법(external chest wall oscillation,ECWO)’, ‘외부형 고주파 진동 요법(external high frequency oscillation, EHFO)’라 하기도 한다. BCV는 철폐(iron lung) 인공 호흡 장치에서 개선 된 것으로 여겨진다. biphasic cuirass 인공호흡기는 보조 기기 호흡 분야의 선구자인 Zair Hayek 박사에 의해 발명되었다. Zair Hayek 박사의 몇몇 앞선 발명품 기술에는 기술의 초기 모습인 Hayek 오실레이터가 있다.