人工呼吸器のモード

人工呼吸器のモードとは、人工呼吸器による呼吸補助の方法のことである英語圏では[[機械換気 。人工呼吸器の使い方を考える上で最も重要な点の一つである一方、モード一般に転帰に影響することを示すエビデンスが乏しいため、モードの選択は、医療従事者の慣れや施設の好みを考慮する必要がある。従量式機械換気で代表的なモードとして記載されてきたのは、間欠的強制換気と持続的強制換気であるが、これらは2000年の時点で既にアシスト・コントロールないしは同期間欠的強制換気に多くの国で取って代わられていた。近年、機械換気の命名法には大きな変化があったが、最近では多くの呼吸器関連の研究・開発グループによって標準化されつある。モードの書き方は、制御変数と呼吸補助法の間にダッシュを入れ、すべて大文字で書くのが最も一般的である2023年現在、近年の機械換気のモードは製造メーカーが独自に命名することもあって多様化しており、最近開発されたモードには対応する日本語訳が定まっていないことも多い。そのようなモードは本稿ではカタカナ表記もしくは、英略語表記とする。}}。人工呼吸中は、患者自身の呼吸は完全には停止せず、ある程度は残存することが多い。自発呼吸をどのように補助し、人工呼吸器による強制換気をどのように自発呼吸と共存させて、患者の受ける侵襲を最小化するか、に人工呼吸器開発労力の多くが傾注されてきた。

1. 機械換気の分類体系
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以下の分類体系は、人工呼吸器設計上の10の基本概念に基づく論理的な分類システムである。市販人工呼吸器は販売元メーカーそれぞれが別個の命名規則に基づいてモードを命名している現状があり、この分類体系はそれらに対して普遍的な名称を与えようとするものである。

1.1. 人工呼吸の10の基本概念
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呼吸は、正の流量と負の流量の1サイクルで、流量－時間曲線の観点から定義される。吸気時間は、正の流量の開始から負の流量の開始までの期間と定義される。呼気時間は、呼気流量の開始から吸気流量の開始までの期間と定義される。流量－時間曲線は、人工呼吸器の設定に関連する多くの変数の基礎となるものである。
呼吸は、人工呼吸器が患者に仕事を行う場合、すなわち呼吸は補助される。補助呼吸とは、呼吸の仕事の一部を人工呼吸器が行うものである。一定流量での膨張時は、仕事は吸気圧に一回換気量を乗じたものと定義される。したがって、補助呼吸とは、吸気時に気道内圧が基線値より上昇する呼吸とも定義される。非補助呼吸とは、人工呼吸器が患者の要求する吸気流を供給するだけで、呼吸中圧力が一定に保たれる呼吸のことである。
人工呼吸器は、呼吸器系の運動方程式に基づき、従圧式または従量式のいずれかを用いて呼吸を補助するものである。呼吸を補助するということは、患者に仕事を及ぼすということで、圧力または容積を制御することで達成される。この事実を記述する簡単な数学的モデルは、受動呼吸器系の運動方程式として知られている: text=圧力 =  +  この式において、圧力、体積、流量はすべて時間の連続関数である。圧力は、実際には呼吸器系全体の圧力差である。エラスタンスと抵抗は、1呼吸中は一定であると仮定したパラメータである。
呼吸は、吸気のトリガーとサイクルの基準によって分類される。吸気の開始をトリガーイベントと呼ぶ。吸気の終了をサイクルイベントと呼ぶ。
トリガーとサイクルのイベントは、患者または機械が開始することができる。吸気は、吸気努力を表す信号によって患者によりトリガーされたり、サイクルされたりする。また、吸気は、予め設定された呼吸器の閾値によって、機械がトリガーしたり、機械がサイクルしたりすることもある。
呼吸は、「トリガー」と「サイクル」の両者に基づいて、自発式と強制式に分類される。自発呼吸は、患者自身が呼吸のトリガーとサイクルの両方を行う呼吸である。自発呼吸は、強制換気中に起こることもある。自発呼吸は、機械補助されることもあれば、補助されないこともある。強制換気は、機械が呼吸をトリガー及び／又はサイクルさせる呼吸である。強制換気も、自発呼吸中に起こることがある。強制換気は、定義上、補助的である。
3つの呼吸シーケンスがある。すなわち、持続強制換気、間欠強制換気、持続自発換気である。呼吸シーケンスとは、自発的および／または強制的な呼吸の特定のパターンのことである。CMVでは、強制換気の間に自発的な呼吸は許されず、IMVでは、強制換気の間に自発換気が生じる可能性があり、CSVではすべての換気が自発呼吸である。
基本的な換気パターンは5つある。VC-CMV、VC-IMV、PC-CMV、PC-IMV、PC-CSVである。VC-CSVの組み合わせは、従量式が機械サイクルを意味し、機械サイクルがすべての呼吸を強制換気として自発呼吸ではないため、不可能である。6番目のパターンであるTC-IMVは可能であるが、まれである。
各換気パターンの中には、ターゲットスキームによって区別できるいくつかのバリエーションがある。ターゲットスキームとは、人工呼吸器があらかじめ設定されたターゲットをどのように達成するかについての説明的名称である。ターゲットは、人工呼吸器であらかじめ設定しておく。呼吸内ターゲットの例には、吸気流量または圧力および立ち上がり時間、一回換気量、吸気圧力と患者の吸気努力との間の比例定数などがある。呼吸間ターゲット及びターゲティングスキームの例には、平均一回換気量、パーセント分時換気、及び「快適ゾーン」を記述するPETCO2、換気量、及び呼吸数の複合値。ターゲットスキームは、ある換気パターンと別の換気パターンを区別するものである。さまざまな換気モードで見られる多様性を構成する、7つの基本的なターゲティングスキームがある。
換気モードは、その制御変数、呼吸シーケンス、およびターゲットスキームによって分類される。前述の9つの基本概念は、機械換気の分類法の理論的基礎を形成するものである。分類体系は、これらの理論的構成要素に基づき、4つの階層を持つ。
制御変数
呼吸シーケンス
一次呼吸ターゲットスキーム
二次呼吸ターゲットスキーム

1.2. モードの分類方法
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ステップ1：主要な呼吸制御変数を決定する。吸気があらかじめ設定された吸気圧で始まる場合、または吸気圧が吸気努力に比例する場合、制御変数は圧力である。吸気量と吸気流量があらかじめ設定されている場合、制御変数は換気量となる。どちらも当てはまらない場合、制御変数は時間である。

ステップ2：呼吸シーケンスを決定する。トリガーとサイクルのイベントが、患者によるものか、機械によるものかを判断し、この情報を使って呼吸シーケンスを決定する。

ステップ3：一次呼吸と二次呼吸のターゲットスキームを決定する。

1.3. モード分類の例
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下記の最初のモード名は人工呼吸器メーカーが個別に命名したモード名であり、以下の解説は、上記の分類体系に則った普遍的名称への変換の過程である。

モード名: A/C Volume Control :

吸気の換気量と流量はあらかじめ設定されているため、制御変数は従量式となる。
すべての換気は換気量サイクルであり、これは機械サイクルの一形態である。吸気が機械サイクルされる呼吸は、強制換気として分類される。したがって、呼吸シーケンスは持続強制換気である。
操作者が換気量波形と流量波形のすべてのパラメータを設定するので、ターゲット方式はセットポイントになる。したがって、このモードは、セットポイントターゲットを用いた従量式持続強制換気に分類される。モード名:SIMV Volume Control Plus

操作者は一回換気量を設定するが、吸気流は設定しない。換気量だけを設定することは、従量式の必要条件ではあるが十分条件ではないため、制御変数は従圧式となる。
患者は強制換気の間に自発呼吸ができるので、呼吸シーケンスはIMVである。
人工呼吸器は、予め設定された平均的な一回換気量を達成するために、呼吸間の吸気圧を調整するため、ターゲットスキームはadaptiveである。モードタグはPC-IMVa,sである。

2. 市販人工呼吸器の一般的なモードの説明
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市販人工呼吸器は販売元メーカーそれぞれが別個の命名規則に基づいてモードを命名している現状がある。人工呼吸器には、気管挿管が必要な侵襲的なものと、BPAPなど非侵襲的なものがある。侵襲的とは、患者の体内に気管チューブなどの医療器具を挿入することで、非侵襲的とは、患者の鼻や口を覆う密着型のマスクなどを使用するように、完全に患者の外部にあるものを指す。

2.1. アシストモード、コントロールモード、アシストコントロールモード
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人工呼吸の基本的な違いは、各呼吸が患者によって開始されるか、機械によって開始されるかである。両者のダイナミックハイブリッドも可能であり、アシストを伴わないコントロールモードは、現代の人工呼吸器ではほとんど廃れているが、麻酔器のコンポーネントの人工呼吸器には搭載されている。

2.2. 気道内圧解放換気
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気道内圧開放換気は、2段階の気道陽圧をタイムサイクルで交互に行い、主に高い気道内圧の時間を過ごし、換気を促すために短時間の呼気解放を行うものである。

ARPVは、通常、逆比換気の一種として利用される。すなわち、通常は吸気時間より呼気時間が長いのだが、逆比換気ではこの時間が逆である。肺胞の膨張を維持するために呼気時間 は通常1秒未満に短縮される。基本的にはは、これは短時間の圧解放を伴う持続陽圧である。ARPVは現在、肺保護換気のための最も効率的な、従来からあるモードである。

このモードに対する認識の違いは、世界中に存在する可能性がある。北米では「ARPV」が一般的だが、ヨーロッパでは非常によく似たモードである二相性気道陽圧が導入された。APRVという用語は、換気特性から、BIPAPがふさわしい用語であったであろうアメリカの医学雑誌でも使用されている。しかし、BIPAPは特定の人工呼吸器の非侵襲的な換気モードの商標であるBiPAPTMと紛らわしい。

他のメーカーも独自のブランド名で追随している。様式は似ているが、これらの用語は、同期の特性や自発呼吸努力のサポート方法を定義するのではなく、モードがどのように肺を膨らませることを意図しているかを表す。

間欠的強制換気には必ずしも同期機能がないため、モードの区分はSIMV対IMVと理解されてきた。アメリカ呼吸ケア学会が機械換気の命名法を確立した結果、SIMVの最初の「synchronized」の部分がなくなり、IMVのみとなった2023年現在、日本ではまだこの区分は普及していない。}}。

2.3. 強制分時換気
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強制分時換気 は、あらかじめ設定された患者の最小分時換気量を満たすように強制換気を自動調整しながら患者の自発呼吸も許容するものである。患者が一回換気量×呼吸回数の分時換気量設定を維持すれば、強制換気は行われないdate=March 2020}}。

患者の分時換気量が不足している場合、所定の分時換気量が達成されるまで、あらかじめ設定された一回換気量の強制換気が行われる。患者が必要な分時換気量 を満たしているかどうかを監視する方法は、人工呼吸器のブランドやモデルによって異なるが、一般的には、監視時間のウィンドウがあり、小さなウィンドウを大きなウィンドウと照合して、分時換気量を維持するのに機械換気が必要かを決定するdate=March 2020}}。

MMVは、新生児や小児の患者における呼吸器離脱の最適なモードであり、機械換気に関連する長期的な合併症を軽減することが示されている。

2.4. 圧補正従量式換気
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圧補正従量式は間欠的強制換気ベースのモードである。圧補正従量式は、気道内圧上限が設定された換気量ターゲットのタイムサイクルの換気を利用するもので、人工呼吸器または患者によって換気が開始される。

人工呼吸器から供給されるピーク吸気圧は、臨床医が設定した目標の一回換気量を達成するために、一呼吸ごとに変化させる。

例えば、目標一回換気量が500mLに設定されているにもかかわらず、人工呼吸器が600mLを供給した場合、次の呼吸はより低い吸気圧で供給され、より低い一回換気量を達成することになる。PRVCは、一回換気量設定と圧力制限設定からハイブリッドモードとみなされているが、基本的にはPRVCは適応型ターゲットスキームを持つ従圧式である。

2.5. 持続気道陽圧
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持続気道陽圧は、陽圧式の呼吸補助モードであり気管挿管を伴う、侵襲的な人工呼吸器管理においても適用は可能だが、2023年現在、CPAP単独の呼吸補助は気管チューブの気道抵抗による呼吸負荷をカバーするには不十分なので、あまり行われない。}}、侵襲的、非侵襲的、いずれの換気方式でも適用できる。CPAPは呼気終了時に圧力をかけ、肺胞を開いたまま完全に収縮させないようにするものである。肺胞を膨らませた状態を維持するこのメカニズムは、動脈血の酸素分圧を高めるのに役立ち、CPAPを適切に増加させると、PaO2が増加する。呼吸器から離脱する過程にある患者や、自発換気は充分であるが酸素化に障害がある患者に使用されるが、プレッシャーサポート Pressure supportが併用されることが多い。自発呼吸のないまま一定時間が経つと人工呼吸器のバックアップ機構により、強制換気が行われる。

2.5.1. 自動気道陽圧
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自動気道陽圧とは、CPAPの一種で、患者の呼吸の抵抗を測定し、気道が塞がらないようにするために必要な最小限の圧力に、一呼吸ごとに自動的に調整するものである。

2.6. 二相性気道陽圧
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二相性気道陽圧とは、非侵襲的換気の際に使用されるモードである。1988年にオーストリアのベンザー教授によって初めて使用された。これは、あらかじめ設定された吸気陽圧と呼気陽圧を供給する。 BPAP can be described as a Continuous Positive Airway Pressure system with a time-cycle change of the applied CPAP level.BPAPは、持続的気道陽圧レベルをタイムサイクルで変化させるシステムであると言える。

CPAP/APAP、BPAP、その他の非侵襲的な換気モードは、慢性閉塞性肺疾患、急性呼吸不全、睡眠時無呼吸症候群などに有効な管理手段であることが示されている。

しばしばBPAPは "BiPAP "と誤って呼ばれることがある。BiPAPTMはレスピロニクスが製造する携帯型人工呼吸器の名前であり、BPAPを提供できる多くの人工呼吸器の一つに過ぎない。

2.6.1. 適応
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BPAPは、慢性閉塞性肺疾患の患者に使用すると、死亡率の低下や気管内挿管の必要性の低減に有用であることが示されている。

2.7. 高頻度換気High-frequency ventilation
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能動型という用語は、人工呼吸器の強制呼気システムを指す。HFV-Aシナリオでは、人工呼吸器は圧力を使って吸気呼吸を行い、次に反対の圧力をかけて強制的に呼気呼吸を行う。高頻度振動換気では、振動ベローズとピストンが強制陽圧吸気を行い、陰圧を加えて強制的に呼気を行う。

2.8. 高頻度換気High-frequency ventilation
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受動的という用語は、人工呼吸器の非強制呼気システムを意味する。HFV-Pシナリオでは、人工呼吸器は圧力を使って吸気呼吸を行い、その後大気圧に戻して受動的な呼気を可能にする。これは、高頻度ジェット換気に見られるものである。また、高頻度換気に分類されるモードには、高頻度パーカッシブ換気がある。HFPVでは、ファジトロンと呼ばれる患者用インターフェースによって、開呼吸回路を利用して一回換気量以下の換気を供給することができる。

2.9. 換気量保証 Volume guarantee
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換気量保証は、多くの種類の人工呼吸器で利用できる追加パラメータで、最小一回換気量を達成するために人工呼吸器の吸気圧設定を変更することができる。この機能は、容積損傷を最小限に抑えるために従量式を考慮した従圧式モードが必要な新生児患者に最も多く利用されている。

3. 自発呼吸とサポート設定
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3.1. 呼気終末陽圧 Positive end-expiratory pressure
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呼気終末陽圧とは、呼気時にかかる圧力のことである。PEEPは、呼気ポートに接続され手動で設定するバルブか、機械式人工呼吸器の内部で管理されるバルブのいずれかを使用して適用される。

PEEPとは、呼気がバイパスしなければならない圧力のことで、事実上、肺胞が完全に収縮せず、開いたままになることを意味する。肺胞を膨らませた状態を維持するこのメカニズムは、動脈血の酸素分圧を高めるのに役立ち、PEEPの増加によりPaO2が上昇する。

3.2. プレッシャーサポート Pressure support
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プレッシャーサポートは、プレッシャーサポート換気とも呼ばれる自発的な換気モードである。患者が呼吸を開始し、人工呼吸器があらかじめ設定された圧力値で補助する。人工呼吸器の補助により、患者は自分の呼吸数と一回換気量を調節することもできる。

プレッシャーサポートでは、設定された吸気圧サポートレベルは一定に保たれ、気流は減速している。患者がすべての呼吸をトリガーする。肺/胸郭の力学的特性や患者の吸気努力に変化があると、送出される一回換気量は影響を受ける。この場合、操作者はプレッシャーサポートの圧を調節して、望ましい換気を得る必要がある。通常の設定圧は＋5～15cmH2Oである

プレッシャーサポートは、酸素化、換気を改善し、呼吸の仕事を減少させる。

Adaptive Support Ventilationも参照されたい

4. その他の換気モードとストラテジー
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4.1. 陰圧換気 Negative pressure ventilation
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陰圧換気は、患者の胴体に外部から部分真空を定期的に適用して呼吸を刺激し、胸部を膨らませて肺を拡張し、患者の気道から自発的に吸気することを支援する。

この機能を果たすために、さまざまな「陰圧呼吸器」が開発された。最も有名なのは「鉄の肺」と呼ばれるタンクで、患者はその中で頭だけを外気にさらし、タンク内の残りの体の空気圧をポンプで変化させて、胸と肺の膨張・収縮を刺激する。現在ではあまり使われていないが、20世紀前半では病院や長期の人工呼吸の主流であり、現在も限定的に使われている。

4.2. クローズドループシステム　
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クローズドループシステムのモードは臨床導入が最近なので、日本語訳が確立されていないモードがある。

4.2.1. Adaptive Support Ventilation
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Adaptive Support Ventilationは、唯一の商業的に利用可能な、最適型ターゲットスキームを使用するモードである。この換気モードは1991年にTehraniによって発明され、その後特許を取得した。この陽圧換気モードでは、人工呼吸器を装着した患者の呼吸の呼吸回数と一回換気量が自動的に自然呼吸を模倣するように調整・最適化され、自発呼吸出現を刺激し、ウィーニング時間を短縮する。ASVモードでは、すべての呼吸が患者の呼吸努力に同期し、それ以外の場合は、完全な機械換気が患者に提供される。

4.2.2. 自動チューブ補正 Automatic Tube Compensation
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自動チューブ補正は、人工呼吸器におけるコンピュータ制御のターゲティングスキームの最も簡単な例である。これはサーボターゲティングの一種である。ATCの目的は、人工気道による呼吸抵抗の仕事を補助することである。

4.2.3. Neurally Adjusted Ventilatory Assist　
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Neurally Adjusted Ventilatory Assistは、コンピューターによって調整され、ATCと似ているが、実施するための要件がより複雑である。患者-人工呼吸器の同期性に関して、NAVAは患者の吸気努力に比例して呼吸の抵抗の仕事とエラスタンスの仕事の両方を補助する。

4.2.4. 比例補助換気 Proportional Assist Ventilation
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比例補助換気は、肺コンプライアンスや抵抗の変化に関係なく、人工呼吸器が仕事の割合を保証する、サーボターゲットに基づく別のモードである。

人工呼吸器は、患者の呼吸の仕事に基づいて一回換気量と圧力を変化させる。その量は、設定されている補助の割合に比例する。

PAVは、NAVAと同様に、患者の吸気努力に比例して、呼吸の抵抗の仕事とエラスタンスの仕事の両方を補助する。

4.3. 液体呼吸
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液体呼吸とは、酸素を含む気体混合物ではなく、酸素を含んだパーフルオロカーボンの液体で肺に吹送する機械換気の手法である。酸素と二酸化炭素の不活性キャリアとして、窒素ではなくPFCを使用することで、急性肺損傷の治療において、以下のような多くの理論的な利点がある:

肺胞との流体界面を維持することで表面張力を低下させる。
虚脱した肺胞を水圧で開通させ、圧損傷のリスクを低減させる。
肺毛細血管に酸素と二酸化炭素を交換できるリザーバーを設ける。
高効率な熱交換器として機能する。液体呼吸にはこのような理論的な利点があるにもかかわらず、有効性に関する研究は期待外れで、最適な臨床使用法はまだ定義されていない。

4.3.1. 完全液体呼吸
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完全液体呼吸では、肺全体が酸素を含むPFC液体で満たされ、PFCの液体一回換気量が肺に積極的に送り込まれ、肺から排出される。比較的高密度で粘性の高いPFCの一回換気量を送り出し、取り出すために、また、液体に含まれる二酸化炭素を体外で酸素化・除去するために、専用の装置が必要である。

4.3.2. 部分液体呼吸
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部分液体換気では、ガス換気中に機能的残気量と同等かそれに近い量のPFCで肺をゆっくりと満たす。従来のガス用の人工呼吸器によって肺内で循環するガス呼吸によって、肺内のPFCは酸素化され、二酸化炭素が除去される。

5. 脚注
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5.1. 注釈
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5.2. 出典
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6. 関連項目
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