人工呼吸器のモード
陰圧換気は、患者の胴体(特に胸部と腹部)に外部から部分真空(周囲圧力より低い空気圧)を定期的に適用して呼吸を刺激(または強制)し、胸部を膨らませて肺を拡張し、患者の気道から自発的(または不随意に)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」(NPV)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。
自動気道陽圧(英語版)(Automatic positive airway pressure: APAP)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。
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。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。