人工呼吸器のモード
機械換気の分類体系 > 人工呼吸の10の基本概念

呼吸は、正の流量（吸気）と負の流量（呼気）の1サイクルで、流量－時間曲線（Flow-Time Curve）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（物理学上の）仕事を行う場合、すなわち呼吸は補助（アシスト）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（人工呼吸器のモニターに表示される）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: 圧力 = (エラスタンス × 換気量) + (気道抵抗 × 流量)—“A taxonomy for mechanical ventilation: 10 fundamental maxims”. Respir Care 59 (11): 1747–63. (2014). doi:10.4187/respcare.03057. PMID 25118309.  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（例えば、気道開口部の圧力から体表面の圧力を差し引いたものを経肺圧と定義する）。エラスタンス（圧力の変化を体積の変化で割ったものと定義、コンプライアンスの逆数）と抵抗（圧力の変化を流量の変化で割ったものと定義）は、1呼吸中は一定であると仮定したパラメータである。→詳細は「従量式と従圧式」を参照従量式（VC）とは、吸気前に換気量と流量の両方が設定されていることを意味する。
従圧式（PC）とは、吸気圧が一定値として設定されているか、患者の吸気努力に比例していることを意味する。言い換えれば、運動方程式の左辺は一定で、換気量と流量はエラスタンスと抵抗の変化に応じて変化する。
タイムサイクル（TC）とは、まれに、主要変数（圧力、換気量、流量）のどれもが事前設定されていない状況を指す。この場合、吸気時間と呼気時間のみが設定されている。—“A taxonomy for mechanical ventilation: 10 fundamental maxims”. Respir Care 59 (11): 1747–63. (2014). doi:10.4187/respcare.03057. PMID 25118309.
呼吸は、吸気のトリガー（開始）とサイクル（停止）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。患者トリガーとは、患者からの何らかの信号に基づいて、人工呼吸器からのトリガー信号とは無関係に、吸気を開始することをいう。機械トリガーとは、患者トリガー信号とは無関係に、人工呼吸器からの信号に基づいて吸気流を開始することを意味する。患者サイクルとは、運動方程式の患者により決定される成分（すなわち、エラスタンス又は抵抗であり、吸気努力による影響を含む）が表す信号に基づいて吸気時間を終了させることである。流量サイクルは、サイクル閾値までの流量減衰速度が患者の力学因子によって決定されるため、患者サイクルの一形態である。機械サイクルとは、患者が決定した運動方程式の構成要素を表す信号とは無関係に吸気時間を終了させることである。—“A taxonomy for mechanical ventilation: 10 fundamental maxims”. Respir Care 59 (11): 1747–63. (2014). doi:10.4187/respcare.03057. PMID 25118309.
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（例：気道内圧解放換気、Airway Pressure Release Ventilation: ARPV）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（または強制呼吸）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（例えば、高頻度ジェット換気、High Frequency Jet Ventilation: HFJV）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（CMV: Continuous mandatory ventilation）、間欠的強制換気（Intermittent Mandatory Ventilation: IMV）、持続自発換気（Continuous Spontaneous Ventilation: CSV）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（VC）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（セットポイント）、一回換気量（デュアル）、吸気圧力と患者の吸気努力との間の比例定数（サーボ）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（適応（adaptive）ターゲット）、パーセント分時換気（最適（optimal）ターゲット）、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（インテリジェントターゲット、例えば、SmartCarePS又はIntelliVent-ASV）。ターゲットスキーム（またはターゲットスキームの組み合わせ）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。セットポイント: 圧力波形（従圧式）または容積・流量波形（従量式）のすべてのパラメータを操作者が設定する換気設定。
デュアル: 1回の吸気中に人工呼吸器が従量式と従圧式を切り替えることを可能にする換気設定。
生体変動式(Bio-variable): 人工呼吸器が吸気圧や一回換気量を自動的にランダムに設定し、正常な呼吸時に観察される変動を模倣することを可能にする換気設定。
サーボ：吸気圧が吸気努力に比例するターゲットスキーム。
適応型(adaptive): 人工呼吸器が、ある目標（例えば、一呼吸内の気道内圧）を自動的に設定して、別の目標（例えば、数回の呼吸にわたる平均一回換気量）を達成することを可能にする目標設定方式。
最適型(Optimal): ある全体的なパフォーマンス特性を最小化または最大化するために、人工呼吸パターンのターゲットを自動的に調整する方式（例えば、人工呼吸パターンによって行われる仕事率を最小化する）。
インテリジェント: 人工知能プログラムを利用したターゲットスキーム(例:  ファジィ論理、エキスパートシステム、ニューラルネットワークなど)。—“A taxonomy for mechanical ventilation: 10 fundamental maxims”. Respir Care 59 (11): 1747–63. (2014). doi:10.4187/respcare.03057. PMID 25118309.
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（複数可）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（初回呼吸の気道内圧または換気量）
呼吸シーケンス（CMV、IMV、CSVのいずれか）
一次呼吸ターゲットスキーム（CMVまたはCSV用）
二次呼吸ターゲットスキーム（IMV用）
「一次呼吸」は、CMVでは強制の、CSVでは自発的な唯一の呼吸か、IMVでの強制換気のいずれかである。ターゲットスキームは、字下げのアルファベット一文字で表される。
例: set-point = s, dual = d, servo = r, bio-variable = b, adaptive = a, optimal = o, intelligent = i
のように、モード分類の略語で表記される。のように、ターゲットスキームの複合表記も可能である。