JP6162785B2 - 患者の経肺圧を決定可能な呼吸装置 - Google Patents
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Description
ΔPEEP×CTOT=ΔV1
であり、ここでCTOTは肺のコンプライアンスCL及び胸壁/横隔膜のコンプライアンスCCWの合計のコンプライアンスであり、対応する新たな呼気終末経肺圧は
ΔPEEP×CTOT/CL=ΔP1
である。
(ΔPEEP−ΔP1)×CTOT=ΔV2
であり、ΔP1からの対応する呼気終末平均経肺圧増加は
ΔV2/CL=ΔP2
である。
機械的換気の間の全呼吸器系駆動圧(ΔPaw)は、吸気終末休止の間の気道内圧Pawと呼気終末圧との差である。
Paw−PEEP=ΔPaw …(1)
吸気の終末及び呼気の終末の経肺圧の差(ΔPtp)は、吸気の終末及び呼気の終末の間での全呼吸器系駆動圧(ΔPaw)と胸壁圧差(ΔPCW)との差である。
ΔPtp=ΔPaw−ΔPCW …(2)
全呼吸器系コンプライアンス(CTOT)は、全呼吸器系駆動圧、即ち上述の気道圧差ΔPawに対する1回換気量VTの比である。
CTOT=VT/ΔPaw …(3)
胸壁コンプライアンス(CCW)は、複数/胸壁圧差ΔPCWに対する1回換気量VTの比である。
CCW=VT/ΔPCW …(4)
肺コンプライアンス(CL)は、経肺圧の差に対する1回換気量VTの比である。
CL=VT/ΔPtp …(5)
剛性、エラスタンス(E)はコンプライアンスの逆数である。
ETOT=1/CTOT …(6)
ECW=1/CCW …(7)
EL=1/CL …(8)
肺エラスタンスは全呼吸器系エラスタンスと胸壁エラスタンスの差である。
EL=ETOT−ECW …(9)
第2のPEEPレベルのCTOTに等しい第1のPEEPレベルでのCTOTは、肺コンプライアンスが既存の圧力範囲において線形であることを示すので、経肺圧は次のように計算することができる。
ΔPtp=ΔPaw×EL/ETOT …(10)
通常、特に肺の機械的特性、更には胸壁及び横隔膜の機械的特性は、第1及び第2のPEEPレベルの間でのCTOTの変化によって示されるように、2つのPEEPレベルの間で変化し得る。そのような変化が第1及び第2のPEEPレベルの間でCTOTに検出されると、変曲点及び偏向点(inflection and deflection points)を以下のようにして決定又は計算することができる。
具体例において、所定の1回換気量では、2つのPEEPレベルの間での経肺圧の差は次のようにして計算され得る。
ΔPtp=(ΔPaw1+ΔPaw2)/2×EL/ETOT …(11)
ここで、ΔPaw1は吸気プラトー圧から第1のPEEPレベルでの呼気終末圧を減じたものであり、またΔPaw2は吸気プラトー圧から第2のPEEPレベルでの呼気終末圧を減じたものである。
従って、PEEPにおけるステップ変化に続く呼吸毎の容量増大の合計が、PEEP変化に等しい経肺圧の増大に起因する全肺容積変化であり、肺コンプライアンスは次のようになる。
CL=ΔEELV/ΔPEEP …(12)
上述したように、PEEPを変化させた後のPEEPレベルでのCTOTが、当該変化前の第1のPEEPレベルでのCTOTから変化した場合、このことは、肺及び/又は胸壁のコンプライアンスが非線形であることを示している。コンプライアンスの変化のレベルのより正確な識別、即ち第2のPEEPレベルCTOTが増加した下側変曲点のより正確な識別は、より小さいPEEPレベル変化をもたらすこと及び/又は1回換気量を低減することにより行われてよい。第2のCTOTが第1のPEEPレベルに対して減少した上側偏向点は、同様にしてより正確に識別され得る。小さいPEEPステップ及び/又は小さい1回換気量を(11)式と組み合わせることにより、全肺気量(total lung capacity)にわたり肺に対する圧力・容量曲線を識別することが可能である。
CLVtPEEP1=ΣΔEELV/(PEEPCL−PEEP1)
として計算され、また第1のPEEPレベルでの1回換気量の経肺圧は、
ΔPtpVtPEEP1=ΔPaw×ELVtPEEP11/ETOTVtPEEP1 …(13)
として計算される。
CTOTSH/ΔEELV=CTOTPEAK/ΔEILV
であり、この式は
ΔEILV=CTOTPEAK×ΔEELV/CTOTSH …(14)
と変形され、また、CLPEAKは、PEEPPEAK及びPEEPSHでのΔPawの差(ΔPawPEAK−SH)を、PEEP変化により得られる経肺圧における対応する変化とみなすことによって計算することができ、即ち
CLPEAK=ΔEILV/ΔPawPEAK−SH …(15)
又は
CLPEAK=ΔEILV/ΔPEEPPEAK−SH
であり、ここではΔPawPEAK−SH又はΔPEEPPEAK−SHの最大圧力差が計算のために選ばれる。次いで最高PEEPレベルでの経肺圧PtpPEAKは、(10)式により次のように計算される。
PtpPEAK=ΔPawPEAK×ELPEAK/ETOTPEAK …(16)
ΔEILV=26×340/40=221ml(=CTOT×ΔEELV/CTOT)
この容量変化の原因となる経肺圧の変化は、PEEPにおける12及び7cmH2Oでの1回換気量のΔPawにおける差=17.5−11.4=6.1cmH2Oである。
最高PEEPレベルでの1回換気量のCLは、(15)式に従い次のように計算される。
221/6.1=36ml/cmH2O (CL=ΔEILV/ΔPEEP)
当該1回換気量の経肺圧は、(16)式に従い次のように計算される。
17.5cmH2O×26/36=12.6cmH2O (Ptp=ΔPawPEEP12×ELPEEP12/ETOTPEEP12)
全呼吸器系剛性ETOT及び肺剛性ELは両方とも上述した方法により決定され、胸壁/横隔膜の剛性は、
ECW=ETOT−EL …(17)
として間接的に決定され得る。
この計算は、ETOTの過小評価がELの過大評価をもたらすので、ETOTが得られた条件に敏感である。これを避けるために、ETOTは真の静的条件下で測定されてよく、即ち吸気終末圧及び呼気終末圧は両方とも、粘弾性力を解放して本来のPEEPを識別するための相当時間(>4秒)の吸気終末/呼気終末休止の後に測定されるべきである。
ここに説明される経肺圧決定の実現可能性、効果及び効率を実証するために、動物研究が行われた。PEEPの段階的な増大の肺容量及び食道内圧に対する効果が呼吸毎に解析された。測定原理の実証に加えて、PEEPによる肺及び胸壁の機構の肺膨張への影響が解析された。経肺圧決定の効果及び効率の根拠となる生理学的及び解剖学的関係の説明も以下になされる。測定のための生理学的背景は、内側及び外側胸膜の間での結束により肺がその萎縮に抗して胸腔の内側容量へ引き出され且つ胸壁が釣り合いのとれた圧力/容量レベルまで引き込まれるという現象であると見出されている。大気圧の呼気終末圧では、気道内圧がゼロにもかかわらず、陽経肺圧がもたらされる。上述したように、肺コンプライアンスはDEELV/DPEEPとして決定され、また経肺圧は気道内圧と全呼吸器コンプライアンスの積を肺コンプライアンスで除すことで計算される。以下、この方法を「肺バロメトリ(Lung Barometry)」と称する。
〔生体内(In vivo)〕
換気は容量制御モードに設定され、体重当たり1回換気量は10〜12ml/kg、呼吸速度は10、吸気時間は30%、吸気終末休止は10%であった。PEEPのステップ増加は0cmH2Oから12cmH2Oで行われた。呼気1回換気量がゼロPEEPレベルに戻った後、又は80秒より多く経過した後、PEEPは1ステップでゼロcmH2Oまで減少させられた。
生体外実験手順の継続時間は約120分であった。
1.段階的に1回換気量を基準線250mlから300、500及び700mlまで変化させることによるEIT較正。
2.水平仰臥位にブタを配置。
2:1.EITの1回換気量較正。
2:2.PEEPを0から4cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
2:3.PEEPを0から8cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
2:4.PEEPを0から12cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
3.水平仰臥位にブタを配置。
3:1.砂袋加重8kgでの腹部への負荷。
3:2.EITの1回換気量較正。
3:3.PEEPを0から4cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
3:4.PEEPを0から8cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
3:5.PEEPを0から12cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
3:6.加重除去。
4.水平仰臥位にブタを配置。
4:1.手術台を角度30°で逆トレンデレンブルグ***に(positioned reverse Trendelenburg)。
4:2.EITの1回換気量較正。
4:3.PEEPを0から4cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
4:4.PEEPを0から8cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
4:5.PEEPを0から12cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
4:6.手術台を水平位置に戻す。
5.EITの1回換気量較正。
6.PEEPを0から12cmH2Oに上げ、0cmH2Oに戻す。
表1は水平位置における基準線での13生体外ブタ実験に対する肺及び胃壁機構を示す。
呼吸器系のPEEP誘起膨張の駆動圧は、ΔEELV×ETOTとして計算された。この累積的な駆動圧は、図11に示されるように新たな呼気終末圧力・容量平衡を確立することに関与する各呼吸の先行する吸気の間に与えられると考えられてよい。図11は仰臥のブタ8におけるPEEPステップ12cmH2Oの間の容量及び駆動圧のグラフである。図11における上側パネルは、呼吸毎の肺容量増大のスパイロメトリ出力波形(spirometric tracing)を示す。図11の下側パネルにおいて、駆動圧は、吸気気道内圧増加の太線バーによって示されており、これは各呼吸のための肺容量の増大に相関している。
PEEPステップの前後での食道内圧の変化(ΔPES)は実質的に変化せず、ゼロPEEPで5.8±2.2cmH2O、そして4、8及び12cmH2OのPEEPでそれぞれ5.5±2.2cmH2O、5.1±1.7cmH2O及び5.1±1.6cmH2Oであった。呼気終末食道内圧(PESEE)増加は、第1の呼気終末肺容量増大及び胸壁エラスタンスΔEELV1×ECWに密接に相関した(r2=0.80、y=0.87x)。
上腹部への8kgの加重の印加の結果、呼気終末食道内圧(PESEE)は、−1.8±2.1cmH2Oから−1.22±3.0cmH2Oに増加した。腹部負荷の結果、肺エラスタンス及び胸壁エラスタンスの両方がそれぞれ50.1±36.5及び17.1±4.5cmH2O/Lから65.3±33.8及び29.2±8.9cmH2O/Lに増大した。全呼吸器系エラスタンスに対する肺エラスタンスの比(EL/ETOT)は、腹部負荷の前に0.78±0.14、後に0.70±0.14であった。
ブタ頭部を上げる30°の傾斜の結果、呼気終末食道内圧(PESEE)は−5.1±2.2cmH2Oに低下した。肺エラスタンスは50.1±36.5から44.5±23.1cmH2O/Lに低下した。胸壁エラスタンスは17.1±4.5から19.9±4.0cmH2O/Lに低下した。傾斜の後の全呼吸器系エラスタンスに対する肺エラスタンスの比(EL/ETOT)は0.71±0.1であった。
この呼吸器機構の生体外研究においては、呼気終末圧を段階的に上昇させることによる肺容量増大ΔEELVは、結果として得られるΔEELVが1回換気量より小さい場合であっても、幾つかの呼吸を伴うことが示された。新たな呼気終末圧力・容量平衡を確立することに関与する呼吸の吸気フェーズの間、肺を膨張させ且つ胸壁を押し出すのに必要な駆動圧が与えられ、そして駆動圧は、容量変化の大きさ及び全呼吸器系のエラスタンスからΔEELV/ETOTとして計算することができる。呼気終末圧食道内圧は、呼気終末肺容量が増大し続けたとしても、PEEPを増加させた後の第1の呼気の後に更に増加することはなく、そして呼気終末食道内圧は、12cmH2OのPEEPでも陰圧又は最小の陽圧であった。PEEPが増加させられると、胸壁P/V曲線は連続的に左にシフトさせられた。PEEP増加に追随するΔEELVは、PEEP増加の程度ΔPEEP及び肺エラスタンスからΔPEEP/ELとして予測可能であると思われる。
呼吸器系のPEEP誘起膨張は、肺を膨張させ且つ胸壁をその新たな呼気終末圧力・容量平衡まで押すのに必要な力で示される。この力、即ち駆動圧は、新たな呼気終末圧及び肺容量平衡のビルドアップに関与する呼吸の各々に先立つ吸気の間に与えられる。このことは特にPEEPを増加させた後の第1の呼気に関して明白であり、この場合、容量はΔPEEP/ETOTに密接に関係する。
研究前膨張は用いられず、そして生体外継続中換気の間にガス交換なしで応力適合が研究された。従って、15〜30分にわたり極めて時間のかかる適合を研究することができた。特に、呼気終末食道内圧が減少した逆トレンデレンブルグ配置の後及び呼気終末食道内圧が増加した腹部加重印加の後に、呼吸器系の明白な可塑性が示されている(図8a,b参照)。1回換気量較正並びにPEEPの増加及び減少を伴う続く実験手順の経過の間(10〜20分)、呼気終末食道内圧は、被験動物が傾斜させられ又は腹部加重が印加される前の基準線までゆっくりと戻った。
仰臥配置での絶対食道内圧測定は、食道測定バルーン上への縦隔組織重量の影響によりミスリードする可能性がある。食道内圧は胸腔内圧の代替測定であるから、ゼロPEEPでの呼気終末食道内圧トレースは、平均胸腔内圧として通常報告されている−5cmH2Oに移行した。12cmH2OのPEEPでも、移行した呼気終末食道内圧は陰圧のままであった。
PEEP誘起呼気終末肺容量膨張の結果、横隔膜及び腹腔内容物が極めて小さい胸壁エラスタンスの変化で尾方向及び横方向に変位する。本研究では、食道の換気圧力・容量変化は、PEEPステップの増加に伴って胸壁P/V曲線が連続的に左に平行シフトさせられ、また各PEEPレベルのP/V曲線は腹部壁の応力適合に完全に従う概ね同じ傾斜を有していることを示した。このことは、横隔膜筋が自発呼吸の間には維持されていたその基本的呼気終末張力を失い、陽圧換気の間に受動的構造に変わるという事実によって更に支持される。呼気終末張力は、制御された換気の間における胸郭の直径、横隔膜の長さ及び静腹圧によって決定される。自発呼吸の間、横隔膜筋張力、場合によっては特に脚(背)部は、たとえ通常位置から仰臥に位置を変えるときに横隔膜全体が頭蓋方向に変位させられたとしても、従属している横隔膜を腹腔内容物が頭蓋方向へ押すのを防止する。この動きは、自発呼吸している被験体において非従属及び従属領域で概ね等しい。
胸郭は、呼吸筋、肋間部及び横隔膜の活動のための胸腔及びレバーの弾性的な骨格である。FRCでは、胸郭はFRCより大きい約700mlの静止位置に向けて外に弾性的に戻ろうとする。一方、FRCでの肺は、その残留容量を下回る約500ml(FRCより小さい)まで萎縮しようとする(ナンの応用呼吸生理学、第4版、第3章、48頁、バターワース、ハイネマン、1995(Nunn's Applied respiratory physiology. 4th edition, chapter 3, page 48. Butterworth, Heinemann, 1995))。これら2つの反対方向の力は、胸腔内平均陰圧に等しい平均陽経肺圧をもたらし、これは通常約5cmH2Oである。肺胞と周囲室の間に圧力勾配がないとしても、肺全体はFRCにあっても広がる。従って、肺は胸腔内で吊るされた状態であり、呼気終末圧の増加により呼気終末肺容量が変化すると、「FRCコンプライアンス」はΔEELV/ΔPEEPとして決定することができる。これは、ゼロより大きい呼気終末圧のどのレベルにおいても、肺が萎縮するのを阻む唯一の力は、人工呼吸器により維持される呼気終末圧であるということに関連している。このことはまた、増加させられたPEEPレベルでも胸壁及び横隔膜が肺にもたれること又は肺を圧迫することを防止するフレームとして胸郭が作用していることを暗示している。PEEP起因の呼気終末肺容量の増大は、胸郭と頭部方向に押し込まれる横隔膜との間に分配されることになるから、胸郭が外に弾性的に戻ろうとする力は、4リットルを超える呼気終末肺容量のレベル以下に存在すると推定することができる。FRCが2.5lの場合、最大で4リットルの肺容量の増大は、胸郭を約0.7l拡大させ、残りの容量は横隔膜を変位させることになる。制御された換気の間、呼気終末肺容量は、仰臥している健康人において0.5l減少する一方で呼吸器不全の患者ではそれ以上減少し、このことは、胸郭の「外に弾性的に戻る力(spring out force)」を喪失することなしにPEEPが顕著に増加させられ得ることを意味している。我々は、移行した呼気終末食道内圧が僅かな例でのみ高PEEPでも大気圧レベルに達したことを見出した。このことは、呼気終末では肺は胸郭の外に弾性的に戻る力によって吊るされており、また肺が萎縮するのを阻む唯一の力は人工呼吸器の呼気終末圧であることを更に強調している。従って、呼気終末では、胸壁は肺に圧力を与えているとは思われず、人工呼吸器により維持される呼気終末気道内圧のみが肺の萎縮を防いでいる。
PEEP増加に追随する呼気終末肺容量の増大は、PEEPステップの大きさ及び全呼吸器系コンプライアンスからは予測し得ないということがよく知られている。本研究において全呼吸器系エラスタンスで除した呼気終末圧の変化(ΔPEEP/ETOT)として計算されるΔEELVの予測は、PEEPステップに追随するスパイロメトリ的に測定されたΔEELVのたった約半分である予測された容量をもたらした。胸壁エラスタンスで除した呼気終末圧の変化(ΔPEEP/ECW)として計算される呼気終末肺容量の変化の予測は、測定されたΔEELVの2倍の予測された容量をもたらした。肺壁エラスタンスで除した呼気終末圧の変化(ΔPEEP/EL)として計算される呼気終末肺容量の変化の予測は、測定されたΔEELVにかなり近い予測された容量をもたらし(r2=0.70)、このことは、第1の呼気の後に新たな呼気終末圧力・容量平衡に達するまでにも呼気終末経肺圧が呼吸毎に増加し続けているらしいことを示しており、この場合、呼気終末経肺圧の増加は呼気終末気道内圧の変化(ΔPEEP)に等しい。
本研究で述べたような呼吸器系の挙動を網羅する肺モデルは、収縮を伴う肺、外に弾性的に戻る力を伴う胸郭、並びに構造的弾力性を有する壁を伴う高速及び低速な腹部水圧区分を包含する必要がある。図12にはそのような肺モデルが示されている。図12は萎縮を伴う肺とFRCで開いた肺を保つ外に弾性的に戻る力を伴う胸郭とを有する模式的な肺モデルを示している。呼気終末肺容量が増大すると、胸郭の垂直直径は増大し横隔膜は伸ばされ、それにより張力が増大し、また腹腔内容物が肺、特に背側部に直接的に押し付けられることが防止される。低速腹部区分の表面は約7dm2であり、0.5Lに対応する尾側の変位は表面を1cm未満上昇させ、そしてそのような横隔膜の変位に追随して呼気終末食道内圧(胸腔内圧)は最小限増加することになる。低速区分の体液及び臓器の慣性は、PEEP変化に追随することのみに関与するので、食道内圧の換気変化は高速区分を反映することになる。
呼吸器系に関する本研究の成果は、30秒未満の肺活量動員処置(vital capacity recruitment maneuvers)で十分であるとみなされていた従来の想定よりも、動員がもっと時間のかかるプロセスであるということを示している。また、動員処置は胸壁に大きな程度で影響し、肺が動員されるだけでなく、限定された食道内圧増加で胸腔容量を増大させることを可能にする可塑性を有する胸壁もまた、かなりの程度で動員されると言うことができる。PEEP増加は、胸腔が開くことをもたらし、即ち非従属的な肺の拡大のための余地を作る優先的な非従属的部分である横隔膜の尾側の変位をもたらしていると思われる。この意味において、PEEP増加は、先に虚脱した従属的な肺の開口を主としてもたらすのではなく、むしろ既に開いている非従属の肺の拡張をもたらす。
Claims (9)
- 制御ユニット(105)を有する呼吸装置(1)であって、前記制御ユニットは患者が前記呼吸装置に接続されたときに前記患者における経肺圧の変化を決定するように動作し、前記制御ユニットは、
第1の呼気終末陽圧(PEEP)レベルで前記患者を換気するための第1モードの動作に前記呼吸装置を設定することと、
前記第1のPEEPレベルから変化させた第2のPEEPレベルであって前記第1のPEEPレベルとは異なる目標PEEPレベルに基づく第2のPEEPレベルで、前記患者を複数の呼吸サイクルで換気するための第2モードの動作に前記呼吸装置を設定することと、
前記第1のPEEPレベル及び前記第2のPEEPレベルの差(ΔPEEP)を決定することと、
前記第2のPEEPレベルでの前記複数の呼吸サイクルの間において、前記第2のPEEPレベルで吸気1回換気量及び呼気1回換気量の平衡が達成されるときを決定することと、
前記平衡が達成されるとき、経肺圧の前記変化を前記第1のPEEPレベル及び前記第2のPEEPレベルの差(ΔPEEP)として決定する、呼吸装置。 - 前記第1のPEEPレベルは環境気圧であり且つ前記第2のPEEPレベルは前記第1のPEEPレベルよりも高く、又は
前記第1のPEEPレベルは環境気圧よりも高く且つ前記第2のPEEPレベルは前記第1のPEEPレベルよりも高く、又は
前記第1のPEEPレベルは環境気圧よりも高く且つ前記第2のPEEPレベルは前記第1のPEEPレベルよりも低い請求項1に記載の呼吸装置。 - 前記制御ユニットは、段階的に得られた呼気終末肺容量の変化(△EELV)の合計(Σ△EELV)が前記第1のPEEPレベルでの1回換気量に実質的に等しくなるまで、前記第1のPEEPレベルからのPEEPの段階的な増大によって前記第1のPEEPレベルに対する経肺圧を決定するようにさらに動作する請求項1又は2に記載の呼吸装置。
- 前記第2モードの動作に前記呼吸装置を設定することは前記呼吸装置のユーザインタフェースから選択可能であり、前記制御ユニットは当該ユーザ開始に際して経肺圧の前記変化を自動的に決定するように構成され、当該自動的決定は前記装置による前記患者の支援された且つ/又は制御された換気の間になされる請求項1〜3のいずれかに記載の呼吸装置。
- 前記制御ユニットは、経肺圧の前記変化の決定の後に前記第1のPEEPレベルで前記第1モードの動作に戻るように動作する請求項1〜4のいずれかに記載の呼吸装置。
- 前記経肺圧の決定は、肺コンプライアンス及び/又は胸壁コンプライアンスの決定を含む請求項3に記載の呼吸装置。
- PEEPレベル制御するための吸気弁(110)及び呼気弁(130)を含む請求項1〜6のいずれかに記載の呼吸装置。
- 呼気終末肺容量(EELV)を測定するための吸気流量トランスデューサ(112)及び呼気流量トランスデューサ(132)を含む請求項1〜7のいずれかに記載の呼吸装置。
- 気道内圧(Paw)を測定するための吸気圧トランスデューサ(113)及びPEEPを測定するための呼気圧トランスデューサ(133)を含む請求項1〜8のいずれかに記載の呼吸装置。
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