KR20030007994A - 급성호흡부전증후군의 치료에 사용되는 확장한숨법을적용한 인공호흡기 제어방법 및 그 방법을 실행시키기위한 프로그램이 설치된 인공호흡기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급성호흡부전증후군(acute respiratory distress syndrome)의 치료에 사용되는 호흡제어방법 및 그 방법에 관한 프로그램이 설치된 인공호흡기에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면, 사람이 쉬는 호흡을 확장기, 정지기 및 수축기의 3단계로 분류하여 각 단계별로 공급되는 공기의 압력과 양을 마이크로프로세서를 이용해서 제어하여 급성호흡부전증후군 환자의 치료에 사용하는 호흡제어방법 및 그 방법에 관한 프로그램이 설치된 인공호흡기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 인공호흡방식은, 일회환기량과 호기말양압을 조절하여 급성호흡부전증후군환자에게 사용되는 특별한 인공호흡방식기법으로, 상기 호흡용적과 상기 호기말양압을 조절하는 제어수단으로, 소정의 시간이 경과하면 단계적으로 일회환기량은 감소시키고, 호기말양압을 증가시키는 폐확장단계; 상기 폐확장단계 후에 일정시간동안 동일상태를 지속시키는 정지기단계; 및 상기 정지기단계 후에 상기 폐확장단계와 반대로 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 단계적으로 변화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

급성호흡부전증후군의 치료에 사용되는 확장한숨법을 적용한 인공호흡기 제어방법 및 그 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 설치된 인공호흡기 {Method for controlling Extended Sigh(ES) and ventilator using the same}

본 발명은 급성호흡부전증후군(acute respiratory distress syndrome)의 치료에 사용되는 호흡제어방법 및 그 방법에 관한 프로그램이 설치된 인공호흡기에 관한 것으로, 더욱 상세히 설명하면, 사람이 내쉬는 호흡을 확장기, 정지기 및 수축기의 3단계로 분류하여 각 단계별로 공급되는 공기의 압력과 양을 마이크로프로세서를 이용해서 제어하여 급성호흡부전증후군 환자의 치료에 사용하는 호흡제어방법 및 그 방법에 관한 프로그램이 설치된 인공호흡기에 관한 것이다.

도 1 은 종래의 인공호흡기와 호흡회로의 기본구조도이다. 도 1 을 참조하면, 종래의 인공호흡기는 공기와 산소를 공급하는 가스원, 가스압을 낮추어주는 압력감소장치, 공기와 산소를 혼합하는 가스혼합장치, 호기밸브 (expiration valve) (10), 인공호흡기에서 환자에게 공급하는 가스를 제어하는 수단인 제어수단 (20) 으로 구성되어 이루어지며, 또한, 축적기를 더 구성하여 공기가 환자에게 전달되기 전에 가스를 보관할 수 있도록 하여, 환자에게 전달되는 산소농도의 안정성을 증가시킬 수 있도록 되어 있다.

인공호흡기는 가스원에서 일반공기와 산소를 공급하며 50 lb/in²의 압력으로 작동한다. 작동압은 낮을수록 바람직하지만 너무 낮으면 가스유량 및 용적 전달이 잘되지 않으므로, 압력감소장치를 부착하여 20 lb/in²의 압력으로 감압하여 제공한다. 그리고, 압축공기와 산소는 동일한 압력으로 조절되어 가스혼합장치에 주입되며, 가스혼합장치에서 공기와 산소를 일정한 비율로 혼합한다. 그리고, 가스혼합장치 대신에 축적기를 부착하여 흡기시의 작동압으로 작용할 수 있도록 하며, 혼합된 가스의 혼합실로 작용하여 전달되는 가스의 농도의 안정성을 증가시킨다. 그리고, 제어수단 (20, 30) 을 구비하여 환자에게 공급되는 공기의 압력과 부피와 배출되는 공기의 압력과 부피의 변화를 변수로 하여, 이들 변수들을 이용하여 인공호흡기를 구동하여 환자 (40) 가 적합한 호흡을 할 수 있도록 한다.

그리고, 인공호흡기의 흡기유량과 흡기유량의 형태를 조절하기 위하여 피스톤 (piston), 컴프레서 벨로우 (compressor-bellows), variable restriction, stepper motor with a scissors valve, proportional solenoid, proportional manifold with digital valve 등 여러가지 방법을 사용한다.

종래의 피스톤법은 피스톤이 앞뒤로 움직이며 가스를 환자에게 전달하는 방법이며 모터의 스피드가 호흡수와 흡기 호기 비율을 조절할 수 있다. 피스톤의 축이 회전축의 바깥주위에 연결되어 있어서 가스유량은 일정하지 않고 사인 (sine)파의 형태로 나타난다. 그리고, 모터의 반응속도가 느린게 단점이나 직선모터를 사용하면 이를 극복할 수 있다.

종래의 compressor-bellows 는 전달되는 가스가 풀무 (bellows)에 넣어지면 풀무를 두르고 있는 챔버 (chamber)에 압력을 가함으로서 가스가 환자에게 주입되게 된다. 현재 중환자용 호흡기에는 사용되지 않으나 호흡되는 가스를 오염에서 분리할 수 있고 폭발성 가스의 안정성을 증가시킬 수 있는 이점 때문에 대부분의 마취기에 부착된 호흡기에는 이 방법이 사용되고 있다.

variable restriction 은, 유량조절은 가스유량을 제한하는 variable restriction 에 의한다. 가장 간단한 방법은 Thorpe tube를 이용하는 것이고, 좀더 복잡한 디자인은 adjustable pressure reducing 밸브를 사용하여 흡기유량파형을 조절하는 것이다.

stepper motor with a scissors 밸브는 scissors 밸브로 들어가는 공기의 압력에 의해 최고흡기유량을 결정된다.

비율적 솔레노이드 (propotional solenoid) 는 한개 혹은 두개의 propotional solenoid 밸브나 혹은 유량조절 밸브에 의하여 흡기가스유량을 조절한다. 전통적으로 solenoid 밸브는 온 (on) 혹은 오프 (off) 위치로만 작동하였으나 propotional solenoid 밸브는 부분적으로 열리고 닫혀서 유량을 조절할 수 있다.

proportional manifold with digital 밸브는 디지털 솔레노이드 (digital solenoid) 밸브를 이용하는 장치로, 각 밸브는 열리거나 닫힌 위치에 있게 된다. 이 장치에서는 각 밸브의 유량의 정확도와 각 부위의 신뢰성이 중요하다.

호기밸브 (10) 는 mushroom 밸브, diaphragm 밸브 및 scissors 밸브들이 있다. 이중 가장 많이 사용되는 것이 mushroom 밸브와 diaphragm 밸브이다. mushroom 밸브와 diaphragm 밸브는 약간의 상이점이 있지만 기계적으로 비슷한 기능을 한다. 흡기시에 호기구를 폐쇄하기 위하여 두가지 방법이 이용되는데 하나는 흡기회로에서 가스가 전환되는 것이고, 또 하나는 2차적인 가스조절장치에 의한다. 이때 호기밸브 (10) 에 작용하는 압력은 기도에 작용하는 압력보다 항상 높기 때문에 호기밸브 (10) 를 통한 가스누출은 일어나지 않는다. 호흡기에서 호기밸브 (10) 의 팽창, 수축은 마이크로프로세서를 이용해서 조절한다. 대부분의 호흡기에서 압력전달계가 호기밸브 바로 전에 부착되어 있어서 제어수단 (20, 30) 인 마이크로프로세서를 통하여 흡기 유량 조절계에 전달되어 설정된 호기말 양압 (positive end-expiratory pressure: PEEP) 이 유지될 수 있도록 흡기유량을 조절하게 되어 있다. 만약 설정된 호기말 양압보다 낮아지면 흡기유량을 증가시키게 된다. 호기시에는 환자 (40)의 기도압이 호기밸브압보다 높을 때 호기밸브 (10) 가 열리게 된다. scissors밸브는 실리콘 튜브를 압박 혹은 이완시켜서 호기밸브를 조절한다. 압박의 수준은 Stepper motor 에 의하여 조절된다.

도 2 는 호흡기계 압력-용적곡선과 폐포모집의 개념을 나타내는 도이다. 도 2 를 참조하여 설명하면, 급성호흡부전증후군 (ARDS)은 치료 성공률이 50%에 이르지 못하는 가장 치명적인 급성 폐질환의 하나로 그 본질적 병태인 폐포허탈은 저산소증의 원인일 뿐 아니라 인공호흡기성 폐손상 (ventilator-induced lung injury) 의 원인으로 인정되고 있는 바 허탈폐포의 모집 (alveolar recruitment)은 ARDS 초기 치료의 중요한 과제이다.

폐포모집은 생리학적으로는 폐산소화 호전과 환기보조를 위한 압력 대가(pressure cost) 감소를 가져오며, 호흡역학적으로는 상시 호흡의 위치가 폐압력-용적 곡선상 확장기 쪽(A)에서 수축기 쪽(B)으로 이동되는 것을 의미한다.

한숨 (sigh) 은 정상 인간에서 폐포허탈발생을 억제하거나 허탈폐포를 모집하는 중요한 자생적기제로 인공호흡기에서 채택된 한숨법은 실제로 마취 중이나 수술 후 환자에서 발생한 무기폐를 개선시키는데 유효한 방법으로 쓰여왔다. 같은 맥락에서 폐포허탈을 특징으로 하는 ARDS에서도 한숨의 폐포모집효과가 기대되었으나 그 동안의 임상적 연구결과는 부정적이었다. ARDS에서 고식적 방법의 한숨이 효과가 없는 것은 정상폐에서의 폐포허탈은 얕은 호흡과 연관되어 발생되고 이는 일시적으로 상시호흡량 (voiume sigh) 이나 호기말양압을 증가시키는 방법으로 쉽게 모집되는 반면, ARDS에서는 계면활성물질의 부족, 폐실질 부종에 의한 압박 등으로 임계개방압 (critical opening pressure) 이 훨씬 항진된 상태이기 때문이다. 폐포와 같은 탄성체의 개방은 [압력치 ×압력적용시간] 에 의존되는 것이 알려져 있으며, 따라서 허탈조장압력이 증가된 ARDS에서의 폐포모집에는 정상 폐에서 적용되는 것보다 더 높은 압력을 정상한숨유지 시간보다 긴시간의 적용이 필요하다.

따라서 ARDS에서 폐포모집이 가능하기 위해서는 한숨의 방법이 ARDS 폐의 호흡학 (respiratory mechanics)적 특성을 반영할 수 있는 형태, 즉 [압력] 과 [시간] 의 곱이 큰 방식의 개발이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 급성호흡곤란증후군(acute respiratory distress syndrome, ARDS)의 동물 모델에서의 확장한숨 (Extended sigh)의 효과를 확인하고, 급성호흡곤란증후군에서 폐포 모집에 유효한 방식의 한숨법 ("Extended sigh")의 실행프로그램을 개발하고, 종래의 마이크로프로세서 방식의 인공호흡기에서 이를 실행할 수 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명은 급성호흡부전증후군 (acute respiratory ditress syndrom) 의 치료에 사용되는 호흡제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 호흡제어방법에 관한 프로그램이 설치된 인공호흡기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명에 따른 인공호흡기 제어방법은, 저산소증의 원인이며 인공호흡기성 폐손상의 원인으로 인정되고 있는 허탈폐포를 모집하는 것으로, 정상적인 사람의 허탈폐포의 발생을 억제하거나 허탈폐포를 모집하는 중요한 자생적 기제로 이용되는 한숨을 인공호흡기에 응용하여 폐포모집을 [압력×시간] 의 개념을 적용함으로써 허탈력이 항진된 ARDS환자의 폐의 기계론적 특성에 타당하도록 하는 것이다.

따라서, 상기의 목적을 달성하기 위한 인공호흡기제어방법은, 인공호흡기에 의한 호흡제어방법에 있어서, 호기말양압과 일회환기량의 초기값을 설정하는 단계; 상기 설정된 초기값하에서, 압력한계치까지 호기말양압이 계단적으로 증가하면서 일회환기량이 계단적으로 감소되는 폐확장기 단계; 및 상기 폐확장단계와 반대로 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 변화하는 폐수축기단계를 포함하고,

상기 인공호흡기 제어방법은 상기 폐확장단계 후에 지속적 기도양압이 가해지는 정지기단계를 더 포함하고, 상기 인공호흡기 제어방법은 급성호흡부전증후군, 급성폐손상 및 무기폐의 치료에 사용되고, 상기 폐확장기가 2초 내지 300초간 진행되고, 다만, 정지기는 폐확장기가 30 내지 60초이면 생략될 수도 있고, 상기 정지기 단계에서의 압력은 상기 폐확장기단계가 시작하기 전의 흉기정지기도압보다 5 내지 20 cm H₂O 높이고, 바람직하게는 5 내지 10 cm H₂O 높이고, 상기 폐확장단계에서 호기말 양압이 계단적으로 증가하는 폭은 1 내지 30 cm H₂O 이고, 상기 폐확장단계에서 상기 호기말 양압은 상기 증가하는 각각의 단계에서 2 내지 300 초간 지속하고, 상기 압력한계치는 20 내지 100 cm H₂O 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인공호흡기는, 일회환기량과 호기말양압을 조절하여 사용되는 인공호흡기로서,

상기 일회환기량과 상기 호기말양압의 크기가 서로 반대로 조절하게 제어하는 제어수단; 및 상기 제어수단은 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 조절하여 상기 인공호흡기가 작동하도록 하는 프로그램이 저장된 기록매체를 포함하고,

상기 기록매체에 저장된 상기 프로그램은, 상기 인공호흡기의 작동전에 상기 일회환기량과 호기말양압을 소정의 크기로 설정하고, 호기말양압과 일회환기량을 정하고 인공호흡기에 의한 호흡을 시작하는 베이스라인단계; 상기 인공호흡기에 의한 호흡시작후, 최대기도압과 호기말양압이 계단적으로 증가하는 폐확장기 단계; 상기 폐확장단계 후에 지속적 기도양압이 가해지는 정지기단계; 및 상기 정지기단계 후에 상기 폐확장단계와 반대로 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 변화하는 폐수축기단계로 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 첨부한 도면을 참조하면서, 종래의 기술과 비교하여, 하기의 설명으로부터 좀더 명확하게 이해될 것이다.

도 1 은 종래의 인공호흡기와 호흡회로의 기본구조도이다.

도 2 은 호흡기계 압력-용적곡선과 폐포모집의 개념을 나타내는 도이다.

도 3 는 본 발명에 따른 호흡제어방법의 실현을 위한 관한 순서도이다.

도 4 은 본 발명에 따른 확장한숨 (ES) 의 모식도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 확장한숨 (ES) 에 의한 폐산소화 및 호흡기계 유순도 향상효과를 도시한 도이다.

도 6 는 본 발명의 확장한숨 (ES) 시행중 확장기 및 수축기의 기도압을 비교한 도이다.

도 7 은 본 발명의 확장한숨에 관한 연구결과들을 폐 압력-용적 곡선 상에 표현한 도이다.

도 8a 및 8b 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 확장한숨법 및 Pflex 법의 개념도이다.

도 9a 는 본 발명의 제 1 실시예의 확장한숨법에 의한 폐형태학의 역동적 변화를 도시한 도이다.

도 9b 는 본 발명의 제 1 실시예의 Pflex 호흡법에 의한 폐형태학의 역동적 변화를 도시한 도이다.

도 10 는 본 발명의 제 1 실시예의 호기말 폐압력-용적 위치의 이동을 설명한 도이다.

도 11 은 본 발명의 제 1 실시예의 세 apico-caudal level 에 따른 국소적 폐포모집의 비교도이다.

도 12 은 본 발명의 제 1 실시예의 세 ventro-dorsal plane 에 따른 국소적 폐포모집의 비교도이다.

도 13 는 본 발명의 제 1 실시예의 확장한숨법 및 Pflex 호흡법에 의한 폐포모집량과 각 방법의 시행중 동맥혈압의 최대 감소량과의 상관관계를 도시한 도이다.

도 14 본 발명에 따른 제 2 실시예의 확장한숨법의 기계론적인 설계를 도시한 도이다.

도 15 는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 확장한숨동안 폐팽창기와 폐수축기의 최고기도압 및 흡기정지기도압 평균치의 서로 다른 일회환기량-호기말양압들에서의 비교도이다.

도 16 은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 확장한숨 시행전과 시행후의 동맥혈산소분압의 비교도이다.

도 17 은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 확장한숨의 폐역학적 효과에 대해 도시한 도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 확장한숨 방법에 관한 순서도이다.

본 발명에 따른 급성호흡부전증후군환자에게 사용되는 인공호흡기는 도 1 에서 도시된 종래의 인공호흡기의 제어수단에 본 발명의 확장한숨의 알고리즘을 가지고 있는 마이크로프로세서를 설치하여 구현한다.

도 3 을 참조하면, 본 발명의 확장한숨 방법은,

1단계 (100): 본 발명의 확장한숨을 위한 변수값들을 설정한다.

본 발명의 실시를 위하여 환자의 인공호흡의 진행단계를 1)폐확장기, 2)정지기 및 3)폐수축기로 분류하고, 폐확장기의 진행전에 호기말 양압을 베이스라인, 즉 최저수준으로 설정하고, 이에 따른 일회환기량을 정한다.

그리고, 정지기에서의 지속적 기도양압법 (continuous positive airway pressure, CPAP) 값 및 지속시간을 정한다. 정지기는 폐확장기가 30 내지 60초이상이면 생략할 수도 있다. 정지기를 활용하는 경우에는 그 압력은 베이스라인에서의 흉기정기기도압보다 5 내지 10 cm H2O 만큼 높인다.

정지기까지 호기말양압이 스텝와이즈 (stepwise) 하게 증가되는 총 스텝의 횟수, 각 스텝마다 증가되는 호기말양압치 및 각 스텝의 지속시간, 각 스탭에서의 감소하는 일회환기량을 설정한다.

각 단계의 호기말 양압은 5 내지 15의 cm H₂0 의 레인지 (range) 안에서 증가시키는 것이 바람직하다. 그리고 각 호기말양압 단계에서의 지속시간은 10 내지 60초의 레인지내로 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 한숨호흡법의 초기값으로, 초기에 환자에게 공급되는 공기의 일회환기량 (tidal volume: V_t) 을 8 ml/kg, 호기말양압을 10cm H₂O 로 하고, 폐확장기에는 일회환기량과 호기말양압이 6ml/kg-15cm H₂O, 4ml/kg-20cm H₂O, 2ml/kg-25cm H₂O 로 30초마다 변화되도록 설정하면, 일회환기량이 2ml/kg, 호기말양압이 25cm H₂O가 되고 30초 경과후 정지기로 전환하여 30초동안 CPAP 30cm H₂O 로 전환한다. 그리고, 정지기가 종료한 후에 폐수축기에는 폐확장기와 반대로 일회환기량을 증가시키고, 호기말양압을 감소시켜서 초기상태로 돌아가게끔 변수들을 설정한다.

2단계 (110): 설정된 변수값에 의하여 폐확장기의 제 1 단계에 해당하는 호흡을 한다. 초기 호기말양압이 10 cm H₂0 이고 지속설정시간이 30초인 경우에는 이 설정값에 따라 인공호흡기가 작동한다.

3단계 (120): 최초 제 1 단계의 설정시간이 경과후 호기말 양압은 계단적으로 한단계 상승한다. 이 경우 호기말 양압이 증가함과 함께 일회환기량은 감소한다. 설정된 지속시간동안 이 상태가 지속된다. 설정시간경과후 다음 단계의 호기말 양압으로 계단식으로 상승한다. 일회환기량은 더 감소한다.

4단계 (130, 140): 호기말양압값이 최대설정치에 도달하고 지속시간이 경과한후 지속적 기도양압법 (continuous positive airway pressure, CPAP) 으로 전환되어 정지기가 설정시간동안 지속된다. 이 과정은 생략할 수도 있다.

5단계 (150): 정지기가 지난후, 호기말 양압값이 계단적으로 하강하고 설정시간동안 이 상태가 지속한다. 일회환기량은 증가한다.

6단계 (160, 170): 호기말 양압이 최소설정치에 도달한후 이 상태를 유지한다.

본 발명에 따른 확장한숨의 유효성을 증명하기 위하여 아래에는 본 발명의 연구자가 실시한 연구의 과정 및 그에 따른 결과들을 상세히 설명한다.

[인체에 대한 예비연구]

본 발명의 연구자는 발생 3일 이내의 초기 ARDS 환자 20명을 대상으로 확장한숨을 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

도 4 은 본 발명에 따른 확장한숨의 모식도이다. 한숨 (sigh)의 폐확장기는 점진적 일환기량 감소 및 호기말 양압의 점진적 증가로 폐포 복원을 유도하고, 폐수축기에는 이의 역순으로 모집된 폐포의 안정된 splinting을 유도한다.

도 5 는 확장한숨 (Extended sigh (ES)) 에 의한 폐산소화 및 호흡기계 유순도 향상효과가 도시되어 있다. 폐산소화 지표 (좌 Y축: PaO2/FIO2비, mm Hg-동그라미) 와 폐유순도 (우 Y축: Cst,rs, ml/cm H2O-네모) 가 증가될 뿐 아니라 그 효과가 한숨의 종료 후 1 시간까지 유지되었다.

도 6 은 확장한숨 (Extended sigh) 시행 중 확장기 및 수축기 기도압의 비교도이다. 한숨 (sigh) 내 폐 확장기 흡기정지 기도압에 비해 수축기 기도압이 낮으며 동일한 인공호흡을 위한 기도압이 낮다는 사실은 변형된 확장한숨에 의해 폐포가 모집되었음을 가리킨다.

도 7 은 본 발명의 확장한숨에 관한 연구결과들을 폐 압력-용적 곡선 상에 표현한 것으로, 도 7 을 참조하면, 확장한숨 시행전의 상태(A) 에서 일환기량 및 호기말 양압의 단계적 변경으로 동일한 인공호흡을 위한 기도압이 감소되었다(B). 이는 본 발명에 따른 확장한숨 (Extended sigh) 법, 즉 일환기량 및 호기발 양압 단계적 변동 (도 4를 참조) 이 ARDS 폐포를 모집하고 안정화시킬 수 있음을 나타낸다.

본 발명의 예비연구에 대한 상세한 내용은 아래에 기술된 제 2 실시예에서 더욱 상세히 설명된다.

[연구개발의 내용 및 방법]

1. 인체 근사 동물의 ARDS 모델에서 Extended sigh 실행 프로토콜의 확정

잡종견에서 동일한 방법으로 ARDS를 유도한 뒤 Extended sigh의 효과를 검증한다.

2. 확장한숨 하드웨어 및 소프트웨어의 개발

1) 현재의 인공호흡기는 일환기량과 호기말 양압을 동시에 변경할 수 없도록 되어 있다. 따라서 확장한숨 (Extended sigh) 을 실행하기 위해서는 종래의 인공호흡기에 대한 변경이 불가피하다.

기존의 인공호흡기의 내부 구조를 완전히 이해하고, 내장된 마이크로프로세서의 소프트웨어를 판독한 다음, Extended sigh를 실행할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어를 포팅시킨다. 이는 인공호흡기 내의 마이크로프로세서 부분을 완전 대체하는 것을 의미한다.

대체할 인공호흡기는 Evita Dura 모델(Drager, Germany)을 이용하며, 기존의 peep 모드를 실행하는 소프트웨어 부분을 개조하여 새로운 마이크로프로세서에 적용한다. 마이크로세서의 변경에 따라 기존의 하드웨어도 일부 개조가 불가피하다.

2) 인공호흡기 내 삽입 및 폐 모델에서의 시험

개조된 인공호흡기를 이용하여 Adult/Pediatric Lung model (Ingmar Medical, Pittsburgh, PA, USA)에서 정상폐 유사상태 (기도 저항 5 cm H2O/L/sec; 유순도 50 ml/cm H2O) 와 ARDS 유사상태 (기도 저항 5 cm H2O/L/sec; 유순도 20 ml/cm H2O)에서 각각 작동상태를 확인한다. 작동상태의 건전성은 CP-100 pulmonary monitor (Bicore, Irvine, CA) 로 5분간씩 총 5회 확인한다.

4. 동물 ARDS 모델에서 인공호흡기 내 삽입 확장한숨 (Extended sigh)의 효과 확인

폐 모델에서 작동 안정성이 확인되면 확장한숨 (Extended sigh)의 효과를 동물에서 검증한다.

[제 1 실시예]

도 8a 및 8b 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 확장한숨법 및 Pflex 법의 개념도이고, 도 9a 는 본 발명의 제 1 실시예의 확장한숨법에 의한 폐형태학의 역동적 변화를 도시한 도이고, 도 9b 는 본 발명의 제 1 실시예의 Pflex 호흡법에 의한 폐형태학의 역동적 변화를 도시한 도이고, 도 10 는 본 발명의 제 1 실시예의 호기말 폐압력-용적 위치의 이동을 설명한 도이고, 도 11 은 본 발명의 제 1 실시예의 세 apico-caudal level 에 따른 국소적 폐포모집의 비교도이고, 도 12 은 본 발명의 제 1 실시예의 세 ventro-dorsal plane 에 따른 국소적 폐포모집의 비교도이고, 도 13 는 본 발명의 제 1 실시예의 확장한숨법 및 Pflex 호흡법에 의한 폐포모집량과 각 방법의 시행중 동맥혈압의 최대 감소량과의 상관관계를 도시한 도이다.

본 발명에 따른 제 1 실시예에 대해서는 도 8 내지 도 13 을 참조하여 설명한다.

[연구 배경]

급성호흡부전증후군 (acute respiratory distress syndrom, ARDS) 에서 폐포모집술의 고전적 방법은 호기말양압 (positive end-espiratory pressure, PEEP) 을 inflection point (Pflex) 수준으로 증가시키는 것 (이하 "Pflex법" 이라 한다.) 이었다. 그러나, 최근의 이론에 의하면 이보다 높은 팽창압력 (35-40 cm H₂O)의 장시간 적용이 필요한 것으로 알려지고 있다.

본 발명은 PEEP 과 일회환기량 (tidal volume, Vt)의 단계적 변동을 통하여 충분한 [압력 ×시간]을 제공하는 확장한숨 (Extended Sigh (ES))을 고안하여 안전하면서도 효과적인 폐포모집술로 제시한다. 본 발명의 제 1 실시예에서는 확장한숨법과 고식적 Pflex법을 "개" 를 대상으로 하여 시행하여, 각각의 호흡법의 시행 후, ES법 시행후의 폐형태학적 효과가 고식적 Pflex법에 의한 효과와 어떠한 차이가 있는지 알아보았다.

[대상 및 방법]

1단계: 8마리 수컷 잡종견 (21 ±3 kg)을 정주마취하고 내경 8.0 mm 기관내관을 삽관하였다. 인공호흡기는 Evita 4 (Draeger, Lubeck, Germany)의 간헐적양압환기 (intermittent positive pressure ventilation, IPPV) 양식에서 Vt= 10 ml/kg, 환기횟수= 26/min, 흡기대호기비 (inspiratory-to-expiratory ratio, I:E)= 1:1, 최대흡기유량 (peak inspiratory flow rate, PIF)=40 L/min, 흡입산소농도 (fractional concentration of oxygen, FIO₂) =1.0, PEEP = 0cm H₂O, 최대기도압 (maximum inspiratory pressure, Pmax)= 40 cm H₂O 로 설정하였으며 생리학적 지표 측정을 위해 서혜동맥에 동맥카테타 (arterial catheter), 좌경정맥에 7.0 Fr 폐동맥카테타 (pulmonary artery catheter) 를 각각 삽입하였다.

2단계 (ARDS 모델의 확립): 생리식염수 기관지폐포세척술 (40 ml/kg)을 4회 반복하였으며 기관지폐포세척술 이후는 PEEP 3 cm H₂O, 분당호흡수 30회로 하였으며, 전산화단층촬영술 (compute tomography, CT) 및 생리학적 지표 측정은 마지막 세척술 90분 후부터 시행하였다.

3단계: 거대주사기법으로 호흡기계 아력-용적곡선 (pressure-volume curve, P-V curve)를 얻고 Pflex, 즉 inflection point 압력을 결정하였다.

4단계: 대상 동물에서 도 8a의 ES법(a) 와 도8b의 Pflex법(b) 를 두 가지의 순서가 1:1 비율이 되도록 하였으며 첫째와 둘째 방법 중간에 10분간 기저 환기법을 적용하였다. ES 시행법에서는 PEEP을 순차적으로 10, 20, 30 및 20 cm H₂O 로 30초 간격으로 바꾸었다가 Pflex + 2 cm H₂O로 환원하였다. 그리고, Pflex법에서는 PEEP을 다른 조치없이 Pflex + 2 cm H₂O로 올렸다.

5단계: Multiframe CT scanning (도 9a 및 도 9b 참조)

1)ES법 또는 Pflex법 시행 전 CT scan: CT실에서 상기 인공호흡기 설정10분 경과 후 동물이 안정된 뒤 호기중단 (expiratory pause) 단추를 10초 동안 눌러 CT scan 얻었다.

2)ES법 또는 Pflex법 시행 중 CT scan: 각 방법에서 시작 후 120초 동안 30초 간격으로 역시 호기시의 CT scan을 얻었다.

3)ES법 또는 Pflex법 시행 후 CT scan: 각 방법이 끝나고 30초 시점과 30분 경과 후 역시 CT scan을 시행하였다.

6단계: 생리학적 지표의 획득:

1) 급성폐손상 상태, 모집술 시행 후 30초 및 30분에 각각 혈류역학적 지표(혈압, 분당심박수)와 호흡생리학적 지표 (동맥혈 및 혼합정맥혈 가스분석검사, 최대 및 흡기정지 기도압) 을 얻었다.

2) ES법 또는 Pflex법 시작 후 120초간의 기도압 변화 및 혈류역학 지표를 얻었다.

[연 구 결 과]

1. 각 방법에서 120초까지 시간에 따른 호기말 폐 CT 영상은 도 9a, 9b와 같으며 ES법에 의한 시간별 폐모집은 30초에 34.0 ±3.5 %, 60초에 80.2 ±9.4 %, 90초에 99.2 ±9.8 % 및 120초에 97.8 ±3.3 % 였다.

2. 호기말 폐압력-용적의 위치 변동: 호기말 폐압력-용적의 위치는 ES법에 의해서는 두 가지 곡선을 따라 이동한 반면 Pflex법에 의해서는 한 직선상의 이동만 보였다 (도 10 참조).

3. 총 모집 폐용적: ES법에 의해 모집된 총폐용적은 Pflex 법에 의한 것에 비해 모집술 후 30초 (1490 ±350 ml, 1171 ±317 ml; p= 0.028) 및 30분 (1475 ±350 ml, 1308 ±293 ml; p= 0.028) 에 모두 컸다.

4. 폐모집의 국소적 특성: 각 모집술에 의한 apical, hilar level의 HU의 감소량은 ES법과 Pflex법 사이에 차이가 없었으나, caudal level의 감소량은 ES법이 Pflex법보다 컸다 (347 ±177 HU, 262 ±138 HU; p= 0.026) (도 11 참조). Ventral 및 middle plane 의 HU의 감소량은 ES법과 Pflex법 사이에 차이가 없었으나 dorsal plane의 감소량은 ES법이 Pflex법보다 컸다 (396 ±150 HU, 282 ±103HU; p= 0.006) (도 12 참조).

5. 환기분포의 불균질성: ES법은 Pflex법에 비해 30초 (0.13 ±0.06, 0.27 ±0.11; p= 0.026) 및 30분 (0.13 ±0.06, 0.22 ±0.10; p=0.042) 의 18 부위 HU 전체의 coefficient of variance (표준편차/평균) 가 모두 작았다.

6. 폐단락: ES법은 Pflex법에 비해 30초 (17 ±20 %, 23 ±21 %; p= 0.012) 및 30분 (16±21 %, 21 ±19 %; p= 0.12) 에 모두 낮았고, 정적폐탄성은 30초 (26.6 ±10.8 ml/cm H₂O, 19.8 ±6.1 ml/cm H₂O; p= 0.009) 및 30분 (24.6 ±10.2 ml/cm H₂O, 20.5 ±7.2 ml/cm H₂O; p= 0.009) 모두 높았다.

7. 두 가지 방법에 의한 30초 시점의 폐용적 모집분은 평균동맥압 감소 정도와 양 상관관계가 있었다 (r²= 0.314, p= 0.024) (도 13 참조).

[결 론]

기관지폐포세척술로 유도된 잡종견 ARDS모델에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. ES법에 의한 폐포모집술은 Pflex법에 비해 폐포모집량이 컸고, 국소적으로는 폐포모집이 가장 어려운 부위인 dorso-caudal 폐에서 그 차이가 두드러졌다.

2. 폐압력-용적의 위치는 Pflex법에서는 단일 궤적만 보인데 반해, ES법에서는 두 가지 곡선으로 이루어진 궤적을 보여 효과적인 팽창에 이은 수축곡선상으로의 이동이 유도된 것으로 사료되었다.

3. ES법은 Pflex법에 비해 폐환기 분포의 불균질성이 적었으며 폐단락은 더 적고 폐탄성이 높았다.

4. 상기와 같은 결과들은 기존의 호기말양압 조작법에 비해 확장한숨 (Extended Sigh) 이 폐포모집술로 더 유용하다는 것을 가리킨다.

[제 2 실시예]

본 발명에 따른 제 2 실시예는 급성호흡곤란증후군 환자에서 확장한숨 (extended sigh)의 기계론적 설계 및 그 효과에 대한 내용이다.

도 14 는 확장한숨법의 기계론적인 설명도이고, 도 15 는 두 번 확장 한숨 동안 폐팽창기와 폐수축기의 최고기도압 (Ppeak) 및 흡기정지기도압 (Ppause) 평균치의 Vt (ml/kg)-PEEP (cm H₂O) 세 단계, 즉 6-15 (원), 4-20 (네모), 및 2-25 (세모)에서의 비교도이고 (*p < 0.05), 도 16은 확장한숨 시행 전 (pre-ES)과 시행 후 (post-ES) 동맥혈산소분압 (PaO₂)의 비교도이고 (*p < 0.001), 도 17은 확장한숨의 폐역학적 효과에 대한 가설을 설명한 도면으로, 점진적 PEEP 상승과 지속된 상시환기에 따라 증가된 recruiting [pressure ×time]이 허탈 폐포를 개방시키고 안정화시키고 (실선 환) 기저 설정으로 환원함에 따라 상시환기환이 시술 시행 전 폐압력-용적곡선의 팽창각(a)으로 부터 수축각 상(b)으로 이동된다는 것을 나타낸다.

본 발명에 따른 제 2 실시예는 도 14 내지 도 17을 참조하여 상세히 설명한다.

1. [초 록]

1) 목 적: 급성호흡곤란증후군환자에서 충분한 폐포동원 [압력 ×시간] (recruiting [pressure ×time]) 을 달성하는 새로운 기법의 한숨을 고안하고 폐포동원술로서의 유효성과 안전성을 검증하고자 한다.

2) 연구기법: 전향적 비대조 임상 연구

3) 연구환경: 대학연계병원의 내과계중환자실

4) 대상환자: 급성호흡곤란증후군으로 진단된 20명의 환자 (남/여= 18/2, 59 ± 10 세)

5) 실험개요: 압력경보 역치 40 cm H₂O 의 용적조절환기법으로 일회환기량 (Vt) 8 ml/kg 및 호기말양압 (positive end-expiratory pressure: PEEP) 10 cm H₂O 의 기저 인공호흡 설정에서 Vt (ml/kg) - PEEP (cm H₂O)를 30초 간격으로 6-15, 4-20 및 2-25 (폐팽창기)로 변경시켰다. Vt-PEEP: 2-25 단계 후 인공호흡기 양식을 CPAP 30 cm H₂O으로 30초 (정지기) 간 유지한 다음, 확장기 역순을 따라서 기저 인공호흡기 설정으로 환원시켰다 (폐수축기). 이러한 방식의 확장한숨 (Extended sigh) 을 1분 뒤 한 번 더 시행하였다.

6) 측정 생리학적 지표 및 결과: 기도압과 혈류역학적 변수를 확장한숨의 각 30초 단계마다 측정하였다. 동맥혈가스분석검사와 생리학지표들을 확장한숨 시행 직전(pre-ES), 시행 5분 후 (post-ES), 및 그 후 1 시간 동안 15분 간격으로 4번을더 측정하였다. 폐팽창기의 recruiting [pressure ×time] 는 [32.8 ~ 35.4 cm H₂O ×90 초] 로 추산되었다. 폐팽창장기에 비해 폐수축기의 평균 흡기정지기도압은 Vt-PEEP 이, 6-15 (28.9 ±2.7 cm H₂O vs. 27.3 ±2.8 cm H₂O) 및 4-20 (31.8 ±2.9 cm H₂O vs. 31.1 ±2.9 cm H₂O) 에서 낮았다 (모두 p < 0.05). Pre-ES 에 비해 post-ES의 PaO₂(81.5 ±15.3 mm Hg vs. 104.8 ±25.0 mm Hg) (p < 0.001) 와 정적호흡기계탄성 (27.9 ±7.9 ml/cm H₂O vs. 30.2 ±9.7 ml/cm H₂O) (p = 0.009) 이 증가되었다. 이 두 가지 지표의 호전은 추가 한숨 제공이 없었던 나머지 연구 시간 동안 Pre-ES 상태보다 계속 높게 유지되었다. 임상적으로 중요한 혈류역학 및 호흡기계 합병증은 관찰되지 않았다.

7) 결론: 본 발명은 점진적으로 호기말양압을 증가시키면서 그 위에 상시환기를 지속시킴으로써 높은 recruiting [pressure ×time] 제공이 가능하였던 확장한숨 (Extended sigh) 을 급성호흡부전증후군에 적합한 새 한숨 방법으로 제안한다. 본 발명에 따른 확장한숨의 두 번 제공은 장시간 유지되는 폐산소화 호전과 호흡기계탄성 호전을 가져왔고, 심폐계 유의한 합병증은 초래하지 않아 급성호흡곤란증후군에서 폐포동원술로 유용하다.

2. [서 론]

급성호흡곤란증후군 (acute respiratory distress syndrome, ARDS) 에서 폐포허탈의 치료와 환기기연관성 폐손상의 회피는 폐보호적 환기법의 두 가지 중요한 요소이다. 이러한 목표를 달성하기 위한 기계환기 전략은 적절한 PEEP 와 작은 일회환기량을 제공함으로써 상시 압력-용적환기환 (tidal pressure-volume [P-V] loop) 이 전체 폐압력-용적곡선 (P-V curve) 의 팽창기 곡선상의 두 지점, 즉 lower inflection point 와 upper inflection point 사이에 위치할 수 있도록 하는 것으로 이해되어 왔다. 그러나, ARDS의 폐형태학 및 생리학적 결과에 의하면 이러한 전략에 충실한 기계환기법에서도 폐 일부의 지속적 허탈, 폐포의 동원-재허탈 반복 및 국소적 폐과팽창 등이 여전히 발생하는 것으로 알려져 있다. 더구나, 최근의 팽창각 전략 (inflation limb strategy) 을 도입한 임상 연구들은 환자의 예후에 있어 일관된 결과를 보여주지 못하였다.

이론적으로 폐보호적 환기법은 상시환기가 P-V 곡선의 수축각 (deflation limb) 에서 이루어지는 것이 더 바람직하다. 팽창각 상에서의 상시환기에 비해 수축각에 근접한 기계환기법은 가스교환이나 호흡기계역학상 더 나은 결과를 보이고 환기기연관성 폐손상의 진행은 상대적으로 적은 결과들을 보였다. 상시 압력-용적환 (tidal P-V loop)이 수축각 상에 놓이기 위해서는 충분한 recruiting [pressure x time] 에 의해 개방 가능한 모든 폐포가 열려야 하는데 이러한 목적으로 시행되는 환기 기법을 폐포동원술 (alveolar recruitment maneuver) 이라 한다.

정상 인체에서 폐허탈을 억제하거나 해소하는 기제로 한숨 (sigh)이 있으며 한숨은 과거 ARDS에서도 폐포동원술로 시도된 바 있었다. 한숨, 즉 주기적으로 정상 환기량의 두 세 배에 달하는 큰 일회환기량을 제공하는 것은 지속적 일정 용적환기법 하에서 발생하는 폐포허탈을 반전시키는데 유효한 것이 알려졌었다. 그러나 이러한 개념의 한숨은 ARDS환자에서는 효과가 없거나 또는 있더라도 지속적이지 못한 것이 밝혀져 더 이상 폐포동원술로 활용되지 않게 되었다.

실험적 및 인체 연구에 의하면 기체가 빠지고 표면장력이 항진된 허탈폐포의 개방은 확장압력 뿐 아니라 그 압력의 지속 제공 시간에도 의존적인 것이 알려져 있으며 이를 소위 recruiting [pressure x time] 이라 한다. 따라서 ARDS 폐에서 폐포동원술이 효과적이기 위해서는 이러한 물리학적 조건이 충족되어야 한다는 당위성이 생긴다. 이러한 관점에서 본 연구자 등은 ARDS환자에서 과도한 기도압을 피하면서도 충분한 recruiting [pressure x time] 을 조성할 수 있는 새로운 형태의 한숨을 고안하여 확장한숨 (Extended sigh, ES) 로 명명하였다.

본 발명은 본 발명에 따른 새로운 한숨의 기계론적 개요를 제안하고 그 안전성과 효과를 ARDS 환자들에서 검증하고자 시행되었다.

3. [실험 대상 및 방법]

1) 대상

본 연구는 1998년부터 1999년 동안에 아산재단 서울중앙병원 내과계중환자실에 ARDS로 입원되었던 20명의 환자들에서 이루어졌다. ARDS는 American-European Consensus Conference 진단 기준에 의해 진단되었다. 확장한숨은 18명 환자에서는 ARDS 발생 3일 이내에, 1명은 4일 째에, 그리고 다른 한 명은 18일째에 각각 시행되었다. 폐손상점수를 비롯한 대상 환자들의 임상적 특성은 표 1a 및 1b 와 같다.

본 발명이 실시된 병원의 치료지침에 따라, 환자들의 초기 인공호흡기 설정은 용적조절환기법하에서 일회환기량 (tidal volume, Vt) 8 ml/kg, PEEP 10 cm H₂O, 분당호흡수 20회, 흡기대 호기비율(inspiratory-to-expiratory ratio, I:E) 1:1 및 흡기정지기간 20 %로 하였고, 기종은 Servo 300 (Siemens-Elema, Solna, Sweden)이었다. 높은 팽창압 적용시 환자의 안전을 확보하기 위해 인공호흡기의 압력경보 역치를 40 cm H₂O로 정하였다. 확장한숨 시행 도중 및 시행 후 1시간 동안 흡입 산소 농도는 변동시키지 않았다. 연구도중 환자 폐용적이 비치료적 요소로 교란되지 않도록 기관내관은 인공호흡기 Y부로부터 분리시키지 않았다. 모든 대상에서 손의 radial artery에 동맥선을 거치하여 혈압 감시 및 동맥혈 채혈통로로 이용하였고 맥박산소측정기로 지속적으로 산소포화도를 추적하였다. 심박출량 측정을 위해 7.0 Fr Swan-Ganz catheter (Edwards Critical Care Division, Irvine, CA)를 근위 폐동맥에 거치하였다.

연구기간동안 환자의 수면을 확보하고 자발적 호흡운동을 막기 위해 midazolam 과 vecuronium (또는 신부전 및 간부전시 atracurium) 을 지속 정주하였다. 수축기 혈압이 100 mm Hg 미만, 심각한 부정맥, 명백한 폐압력손상 (피하 기종, 기종격동, 기흉) 등이 있는 환자는 연구에서 제외되었다.

2) 확장된 한숨의 개요

도 14는 본 발명에 따른 확장한 한숨법을 설명하는 개략도이다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 확장한숨은 기본적으로 총폐용량 (total lung capacity, TLC) 에서의 폐포압력 (30 ~ 35 cm H₂O) 을 장시간 적용하기 위한 개념으로 고안되었다.위에 기술된 기저설정으로부터 PEEP을 30초 간격으로 5 cm H₂O씩 상승시키면서, 이와 동시에 Vt는 2 ml/kg씩 감량하였다 (inflation phase). 이 폐팽창기에는 상시 환기중 최고기도압에서 생기는 폐포개방을 극대화하고자 다음 PEEP 단계로 진행한 직후, 전 단계의 Vt 를 2번 흡입시킨 뒤 Vt를 낮추었다 (도 14 의 a, b, c, d 참조).

Vt: 2 ml/kg - PEEP: 25 cm H₂O 단계가 끝나면 인공호흡기 양식을 지속적 기도양압법 (continuous positive airway pressure, CPAP) 30 cm H₂O 로 바꾸어 30초를 적용한 뒤 (정지기), 팽창기 역순을 따라 Vt - PEEP을 반대로 변동시켜 기저상태로 환원시켰다 (폐수축기). 이러한 개요의 확장된 한숨을 1분 간격으로 2회 제공하였다.

체중 60 kg과 역동적 호흡기계탄성 20 ml/cm H₂O 를 보이는 본 발명의 평균적 대상에서 폐팽창기의 Vt: 6, 4 및 2 ml/kg 은 각각 18, 12 및 6 cm H₂O의 기도압을 조성할 것으로 추산할 수 있었다. PEEP: 15 ~ 25 cm H₂O 위에 더해지는 이 압력들은 결국 31 ~ 33 cm H₂O 의 recruiting pressure 로 작용할 것으로 예상되었고 이는 TLC의 폐포압력에 근접하면서 동시에 압력경보 역치 40 cm H₂O를 초과하지 않는 안전한 수준의 압력이 될 것으로 예상하였다. 폐팽창기 90초는 과거 연구에 근거하여 정하였고 PEEP 나 Vt 변동폭은 임의로 정하였다.

3) 생리학적 지표의 측정

최고, 흡기정지 및 평균기도압은 인공호흡기에 표시된 수치를 택하였고 혈압은 표준적 환자 감시기로부터 얻었다. 이 두 종류 지표들은 확장한숨 시작 전, 폐팽창기와 폐수축기 각 30초 단계의 끝, 한숨 제공 후 및 이후 15분 마다 기록되었다. Blood gas system 288 (Ciba-Corning, Medfield, MA) 을 이용한 동맥혈 가스분석과 기도압 기록은 인공호흡기 기저설정후 안정된 상태 (pre-ES), 확장한숨 2번 제공 5분 후 (post-ES) 및 그 이후 매 15 분마다 총 4회 (post-ES 15, 30, 45, 60 min) 측정하였다. 역동적 (Cdyn, rs) 및 정적 호흡기계탄성 (Cst, rs) 은 각각 Vt/(최대기도압-총호기말양압), Vt/(흡기정지기도압-총호기말양압) 의 식으로 계산하였다. 심박출량은 열희석법에 의한 측정치 3개의 평균으로 정하였고 pre-ES, 확장 한숨의 가장 높은 압력시기 및 확장한숨 시도 직후에 측정하였다.

확장한숨의 가장 높은 압력시기는 폐팽창기 PEEP 25 cm H₂O 단계부터 폐수축기 PEEP 25 cm H₂O 단계 사이 90초 기간으로 정의하였고, 이는 열희석법을 3회 시행하기에 충분한 시간이었다.

확장 한숨 (Extended sigh) 은 수축기 혈압이 90 mm Hg 미만이 되거나 심각한 부정맥이 나타나거나 최고기도압이 네번 이상의 호흡에서 연속적으로 발생하는 경우, 그리고 맥박 산소기상의 산소포화도가 88 % 미만으로 떨어지는 경우 등에는 중도에 중단되었다. 연구 시간 내에 흉부방사선촬영을 시행하여 확장 한숨에 의한 폐압력손상 발생여부를 확인하였다. 저혈압이나 부정맥 및 육안적 폐압력손상발생을 확장한숨의 주요 합병증으로 간주하였다.

4) 통계 분석

획득된 자료는 평균 ±표준편차로 표시하였다. 여러시간대 자료들의 유의성은 Friedman analysis 및 Bonferroni 방법에 의한 post hoc multiple comparisons 으로 확인하였고 짝 자료의 유의성은 Wilcoxon signed-rank sum test를 이용하였다. P값이 0.05 미만인 경우 그 유의성을 인정하였다.

4. [결 과]

1) 확장한숨의 recruiting [pressure x time]

폐팽창기 Vt-PEEP: 6-15, 4-20 및 2-25 에서의 최고기도압은 각각 32.8, 34.6 및 35.4 cm H₂O였다. 따라서 확장한숨의 recruiting [pressure x time]는 [32.8 ~ 35.4 cm H₂O x 90 sec] 로 추산되었다.

2) 호흡 효과

가. 폐수축기 Vt - PEEP: 6-15 및 4-20 단계의 최고 및 흡기정지기도압 평균치는 폐팽창기 평균치보다 낮았다 (도 15 참조).

나. Pre-ES와 비교하여 post-ES의 PaO₂는 거의 모든 환자에서 상승하였다 (p < 0.001) (도 16 참조). Post-ES: 15, 30, 45 및 60분의 PaO₂역시 pre-ES 와비교하여 높았다 (모두 p < 0.02) (표 2 참조). Post-ES: 15, 30 및 45분의 PaO₂는 post-ES에 비해 낮았다(모두 p < 0.05).

다. Pre-ES 와 비교하여 post-ES 의 PaCO₂는 상승되었으나 (p = 0.001), 그 이후 값들은 차이가 없었다 (모두 p > 0.05).

라. Pre-ES와 비교하여 post-ES의 Cst, rs는 상승하였고 (p = 0.009) (표 2참조) post-ES 15, 30, 45 및 60분의 Cst, rs도 높았다 (모두 p < 0.05).

표 2 는 확장한숨 시행전(pre-ES), 시행후 (post-ES), 및 시행후 15분 간격으로 1시간까지의 생리학적 지표 (n=19) 를 나타낸다.

3) 혈류학적 효과

가. 확장한숨 시행 도중 평균 혈압은 86 ±16 mm Hg, 87 ±18 mm Hg, 90±21 mm Hg (폐팽창기), 90 ±25 mm Hg (정지기), 95 ±21 mm Hg, 96 ±20 mm Hg, 96 ±19 mm Hg (폐수축기)로 상승하였다 (p = 0.016). 맥박수 역시 상승하였다 (각각, 111 ±26/min, 112 ±20/min, 113 ±21/min, 114 ±18/min, 115 ±22/min, 117 ±21/min, 117 ±20/min) (p < 0.001). 심박출량은 pre-ES (5.5 ±3.1 L/min) 에 비해 가장 높은 압력시기 (5.2 ±2.8 L/min) 및 post-ES (5.9 ±2.9 L/min) (n = 9) 에 변동되지 않았다(둘 다 p > 0.05).

나. Post-ES 및 이후 1시간까지의 평균 혈압과 맥박은 pre-ES 와 다르지 않았다 (표 2참조).

4) 합병증

확장한숨 시행 후 1 시간까지 육안적 폐압력손상은 관찰되지 않았다. 확장한숨은 한 환자 (#4 환자) 에서 산소포화도의 유의한 감소 (pre-ES 에 92 %, 첫 번째 폐팽창기 Vt-PEEP: 2-25 단계에서 82 %로 떨어짐) 때문에 중도에 중단되었다. 이 환자에서 산소포화도는 시술 중단 후 곧 회복되어 시술 중단외의 특별 조치는 하지 않았고, 즉시 촬영한 흉부방사선촬영 사진상 폐압력손상은 관찰되지 않았다. 저혈압이나 심각한 부정맥은 한 환자에서도 연구기간 동안 발생하지 않았다.

5. [고 찰]

본 연구는 ARDS환자에서 안전하면서도 유효한 새로운 기법의 한숨, 즉 확장한숨을 고안한 것으로, 이는 세 가지 시기 (폐팽창기, 정지기 및 폐수축기) 로 구성되고 90초간 총폐용량에서의 폐포 압력과 근사한 팽창압을 제공할 수 있었다. 폐수축기 기도압이 폐팽창기 것보다 감소된 것으로 미루어 한숨 시행 동안에 성공적으로 폐포개방이 이루어짐을 알 수 있었다. 확장한숨 시행 후 PaO₂와 호흡기계탄성이 기저치보다 향상되었고, 특기할 만한 사실은 이러한 지표의 호전 상태가 추가적인 한숨 제공없이 1시간 동안 유지되었다는 것이다. 또한 본 발명의 연구에서는 높은 기도압의 장시간 적용에도 불구하고, 대상에서 주요한 호흡, 또는 혈류학적 합병증이 발생하지 않았다.

과거 연구에서 ARDS 폐에서 고식적 개념의 한숨은 효과가 없었다. 고식적 개념의 한숨에서도 폐팽창압은 충분할 수 있으나 압력이 매우 짧은 시간 동안만 가해지고 이내 기저 압력으로 환원되는 단점이 있었다. 최신의 지식으로 미루어 이러한 짧은 압력적용은 허탈력이 항진된 ARDS의 폐포를 개방-동원하거나 장시간 유지하는데 물리학적 한계가 있는 것으로 보인다. 이 한계점은 가장 최근에 보고된 Pelosi 등의 한숨 연구에서도 되풀이되었다. 즉, 이들 연구에서 다시 쓰인 고식적 짧은 한숨은 제공되는 기간중에는 폐산소화와 폐탄성을 호전시켰지만 한숨 제공을 중단한 뒤 30분 만에 얻었던 효과가 다 소실되었다. 이렇게 폐포 동원에 있어서 압력 지속 시간의 중요성은 폐포 계면활성물질이 제거된 폐허탈 동물모델에서도 증명된 바 있다. 즉, 10 초보다 짧은 sustained inflation 조작은 폐산소화를 호전시키지 못한 반면, 10초 이상 적용한 경우 40분 가량 유지되는 폐산소화 호전을 가져온 실험 결과들로 폐포동원에 있어 압력 지속시간의 역할을 뒷받침한다.

이러한 관점에서 본 발명에 따른 확장한숨은 폐허탈력이 항진된 ARDS 폐에 적합한 진보된 한숨으로 볼 수 있으며, 고식적 한숨과 몇 가지 대조되는 점들이 있다.

우선, 확장한숨은 의도적으로 폐팽창기를 90초까지 연장하였고 그 동안 총폐용량에서의 폐포압과 근사한 기도압 (32.8 ~ 35.4 cm H₂O)이 가해지도록 고안되었다. 이 폐포동원 과정에 곁들여 동시에 허탈방지력인 PEEP/CPAP을 단계적으로 상승시켜 임계허탈압이 30 cm H₂O 인 폐포까지는 재허탈되는 것을 방지하고자 하였다.

또 한가지 본 확장한숨의 독특성은 PEEP 단계를 진행할 때 일회환기량을 즉시 낮추지 않고 그 전 단계의 일회환기량을 제공한 점으로 (도 14 의 a, b, c, d 참조) 가능한 팽창압을 증폭하여 임계개방압이 높은 폐포들을 개방시키고자 하였다는 것이다.

이러한 기법을 통해 확장한숨은 (1) 높아진 recruiting [pressure x time]로 상시환기 중 발생하는 폐포 동원을 지속적으로 실현하고 (2) 증가시킨 허탈방지력으로 불안정한 폐포를 안정적인 개방상태로 보전할 수 있었던 것으로 사료되었다.

확장한숨의 폐수축기에 이미 흡기정지기도압, 즉 폐의 탄성력이 감소된 결과는 이러한 작용 기전을 뒷받침한다. 추가적으로, pre-ES와 동일한 인공호흡기 설정하에서 탄성이 호전된 것은 폐포동원이 더 많아졌음을 가리켰다. 이러한 결과들을 종합하여 본 발명은 확장한숨이 tidal P-V loop를 폐팽창곡선에서 폐수축곡선 상으로 이동시켰을 것으로 제안한다 (도 17 참조).

본 발명의 연구결과와 종래의 고식적 한숨 연구 결과 사이의 차이는 이상 논의된 물리학적 특성 외에도 폐포동원술 중의 흡기 기체 조성에서 중요한 차이점이 있다. 새로이 개방된 폐포는 재허탈될 수 있는 불안정한 상태이며 이때 투여되는 산소 농도가 높으면 높을수록 질소제거에 따른 흡수허탈 (resorption atelectasis)이 쉽게 일어난다. 과거 한숨 연구에서 쓰인 산소 농도는 100 % 또는 77 % 로 매우 고농도였던 반면, 본 발명에서는 54 %에 불과해 폐포 개방 후 질소제거 기전에 의한 폐포재허탈 현상도 적었을 것으로 사료된다. 과거 한 연구에서는 전신 마취 중 산소농도 40 %로 vital capacity maneuver를 시행한 경우 40분 이상 허탈 치료 효과가 지속되었던 반면, 100 %로 시행한 경우 그 효과는 5분 만에 소실되었다. 그러므로 폐포동원술 시행 전후에 100 % 산소를 투여하는 것은 바람직하지 않을 것으로 생각된다. 기계환기 중인 ARDS 환자에서 기관 흡인(airway suctioning)은 필수불가결한 치료 행위이지만 역시 이러한 관점에서 매우 중요한 문제로 부상하고 있다. 즉, 흡인을 위해 기도를 인공호흡기에서 분리하는 순간 tidal P-V loop가 현재 위치하였던 수축각에서부터 하방으로 떨어질 뿐 아니라, 동시에 투여되는 100 % 산소는 다시 기도를 인공호흡기에 연결한 뒤의 신속한 폐포동원을 저해하는 원인이 될 수 있는 것이다.

확장한숨에 의한 폐산소화 호전 효과가 post-ES 15분째부터 일부 소실된 것은 매우 흥미로운 관찰 소견이었다. 이 사실은 확장한숨으로 얻은 post-ES 최대 효과가 기저 설정 허탈방지압 (본 발명에서는 PEEP 10 cm H₂O) 으로 다 보존되지 못하였다는 것을 가리킨다. ARDS에서 폐포는 주변의 매우 압도적인 허탈력에 노출되어 있어 개방되더라도 쉽게 재허탈이 일어난다. 폐포동원술 후 이러한 현상을 결정하는 임계허탈압은 수축각 상에 편만한 분포를 보이는 것으로 알려 있으며, 이는 새로 개방된 폐포를 개방 상태로 유지하기 위한 PEEP 수준 역시 폐의 국소별로 여러가지 값이 요구된다는 것을 가리킨다. 따라서 성공적인 폐포동원 후에는 임계허탈압이 높은 폐포, 특히 중력의존부 폐포들의 개방 상태를 보전하기 위해서는 PEEP 수준이 폐포동원술 시행 전보다 높아야 할 것이다. 이러한 사항이 고려되지 않으면 마치 고빈도환기법 연구에서 그 분명한 잠재적 유효성에도 불구하고 부정적 결론을 내린 과거의 실패를 되풀이하는 결과가 될 수 있다. 최근 Cakar 등이 폐포동원술 후 높은 수준의 PEEP을 채택한 경우 낮은 것을 채택한 경우보다 그 효과가 잘 유지되었다는 결과는 본 연구자 등의 주장을 동조하는 소견이다.

폐에 장시간 높은 압력을 가한 확장한숨은, 본 발명의 대상에서 특기할 만한 심각한 부작용은 초래하지 않아 폐포동원술의 안전성에 대한 우려를 어느 정도 불식시켰다. 이러한 안전성은 본 확장한숨의 고안상 특징과 관련하여 설명할 수 있다. 즉, 장시간 압력이 가해지더라도 PEEP과 Vt를 반대방향으로 변동시킴으로써 일반적으로 위험하다고 알려진 압력 상한선을 초과하지 않도록 고안한 것이다 (평균 흡기정지기도압이 33.3 cm H₂O 였음 - 도 15 참조). 따라서 ARDS폐의 통상적 탄성력 부하가 30 내외인 점을 고려할 때 확장한숨에 의해 폐압력손상의 위험도가 과도하게 증가하지는 않았을 것으로 보인다.

그 외에도 ARDS와 같이 유순도가 떨어진 폐일수록 기도압이 늑막압으로 변환되는 정도가 낮은 것으로 알려져 있는 바, 폐포벽에 가해지는 유효경벽압 (effective transmural pressure) 은 기도압이 증가된 정도보다는 크지 않았을 것으로 추정된다. 확장한숨은 급성호흡부전증후군 발생 18일째인 환자 일례에서 시행 도중 산소포화도가 저하되어 중단되었다. 이 환자의 산소포화도는 시술 중단 후 즉시 회복되고 흉부방사선 촬영상 폐압력손상 등 원인이 될 만한 합병증은 확인되지 않아 심각한 현상은 아니었던 것으로 사료되었다. 아직 정보가 부족하지만 본 합병 증례와 같이 폐섬유화가 진행된 급성호흡전증후군 후기에는 이러한 폐포동원술이 이득은 크지 않으면서 합병증은 발생할 가능성이 더 커지므로 이러한 장시간 압력 시술법은 탄성 잠재력이 남아 있는 질병 초기에 국한하는 것이 안전할 것으로 사료된다.

본 발명에서는 확장한숨 시행 직후 미약한 동맥혈이산화탄소분압 증가와 동맥혈 pH 감소가 관찰되었는데 이는 확장한숨 제공이 상시환기량 감소를 통해 이루어지는 것에 기인한 현상으로 이해된다.

높은 기도압 하에서 발생하는 혈류학적 합병증은 흉곽내압 변동 정도와 상관되는데 폐탄성이 저하된 급성호흡부전증후군 폐에서 흉곽내압 증가가 미약하므로 이 합병증 역시 크지 않았던 것으로 이해된다. Fort 등의 연구에서는 대상 급성호흡부전증후군 환자들에서 48시간 동안의 평균기도압이 30 cm H₂O 이상이었는데도 불구하고 심혈류학적 합병증의 발생이 없었다는 보고는 이러한 설명을 뒷받침한다.오히려, 확장한숨을 제공하는 동안의 맥박수 증가와 혈압 증가가 관찰되었는데 이는 경도 이산화탄소 축적에 의한 이차적 현상으로 사료된다.

본 발명의 연구는 새로운 기법의 한숨에 대한 1상 임상연구였다. 이 확장한숨의 단기적 및 장기적 효과 여부는 고식적 한숨 대조군과 전향적 무작위법에 의한 2상 연구로 확인되어야 할 필요가 있다. 또 실제 장기적 인공호흡을 받는 환자에서 일일 적절 시행 횟수가 얼마인지, 그리고 기도 분리 후 이용시에도 유효한지에 대하여도 연구가 요구된다. 본 연구에서 폐동맥카테타 거치된 환자 수가 적었기 때문에 확장한숨의 중심 혈류학적 영향은 더 많은 수의 대상에서 연구가 필요하다. 급성호흡부전증후군의 발병 원인이나 확장한숨 시행시 환자 체위가 영향을 미치는지에 대하여는 본 발명의 연구로는 결론을 내릴 수 없다.

본 발명에서 제안하는 확장한숨의 기계론적 설계는 폐포동원술의 여러가지 가능한 형태 중 하나이다. PEEP/CPAP 수준 및 적용 시간, 그리고 상시환기량 정도 및 이 두 가지 변수의 합으로 발생하는 최고기도압 등이 특정 폐포동원술의 recruiting [pressure-time] 특성을 결정지울 것이다. 본 발명의 폐포동원술은 용적조절환기법하에서는 PEEP과 상시환기량을 동시적으로 변동했기 때문에 시행하기가 다소 복잡하였지만 다른 환기양식, 예를 들어 압력제한환기법 (pressure-limited ventilation) 에서는 특정 압력상한치 설정 후 단계적으로 PEEP을 상승시켰다가 환원하는 단일 변수 조절법만으로 쉽게 수행될 수 있다.

결론적으로 본 발명은 급성호흡부전증후군에서 새로운 한숨법을 제안한다. 본 발명의 방법은 PEEP과 상시환기량의 점진적 변경에 의해 과도하지 않으면서도충분한 recruiting [pressure x time]를 조성하였다. 연구 결과 이 한숨법은 즉시 폐산소화와 폐탄성을 호전시켰을 뿐 아니라 그 효과가 지속적이고 또한 주요 합병증이 없었기 때문에 급성호흡부전증후군에서 안전하고 유효한 폐포동원술로 사료된다.

본 발명에 따른 급성호흡부전증후군 (ARDS) 환자에게 사용되는 인공호흡기 및 인공호흡기제어방법은, ARDS 치료의 핵심인 폐포 모집에 필요한 개념을 정상 인체에서의 폐포 허탈 방어기제인 한숨으로부터 착안하였다. 그리고, 본 발명의 확장 한숨은 폐포 모집을 위해 [압력 x 시간] 의 개념을 적용함으로써 허탈력이 항진된 ARDS 폐의 기계론적 특성에 타당하며, 이는 일시적 환기용적증가 (Volume sigh법) 나 호기말양압증가 (PEEP sigh법) 를 이용하는 고식적 한숨법들에서 시도되지 않은 개념이고, 본 발명의 확장한숨을 실행할 수 있는 소프트웨어는 인공호흡기의 설정 변수들 (용적, 압력, 시간) 을 변경시킴으로써 구현될 수 있으므로 종래의 모든 마이크로프로세서 방식의 인공호흡기에 삽입되어 곧장 임상에 적용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시례가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해 되어져야 한다.

Claims (9)

1. 인공호흡기에 의한 호흡제어방법에 있어서,

   호기말양압과 일회환기량의 초기값을 설정하는 단계;

   상기 설정된 초기값하에서, 압력한계치까지 호기말양압이 계단적으로 증가하면서 일회환기량이 계단적으로 감소되는 폐확장기 단계; 및

   상기 폐확장단계와 반대로 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 변화하는 폐수축기단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공호흡기제어방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인공호흡기 제어방법은 급성호흡부전증후군, 급성폐손상 및 무기폐의 치료에 사용되는 것을 특징으로 하는 인공호흡기제어방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 폐확장기가 2초 내지 300초간 진행되는 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 인공호흡기 제어방법은 상기 폐확장단계 후에 지속적 기도양압이 가해지는 정지기단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 정지기 단계에서의 압력은 상기 폐확장기단계가 시작하기 전의 흉기정지기도압보다 5 내지 20 cm H₂O 높은 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 폐확장단계에서 호기말 양압이 계단적으로 증가하는 폭은 1 내지 30 cm H₂O 인 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 폐확장단계에서 상기 호기말 양압은 상기 증가하는 각각의 단계에서 2 내지 300 초간 지속하는 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 압력한계치는 20 내지 100 cm H₂O 인 것을 특징으로 하는 인공호흡기 제어방법.
9. 일회환기량과 호기말양압을 조절하여 사용되는 인공호흡기로서,

   상기 일회환기량과 상기 호기말양압의 크기가 서로 반대로 조절하게 제어하는 제어수단; 및

   상기 제어수단은 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 조절하여 상기 인공호흡기가 작동하도록 하는 프로그램이 저장된 기록매체를 포함하고,

   상기 기록매체에 저장된 상기 프로그램은,

   상기 인공호흡기의 작동전에 상기 일회환기량과 호기말양압을 소정의 크기로 설정하고, 호기말양압과 일회환기량을 정하고 인공호흡기에 의한 호흡을 시작하는 베이스라인단계;

   상기 인공호흡기에 의한 호흡시작후, 호기말양압이 계단적으로 증가하는 폐확장기 단계;

   상기 폐확장단계 후에 지속적 기도양압이 가해지는 정지기단계; 및

   상기 정지기단계 후에 상기 폐확장단계와 반대로 상기 일회환기량과 상기 호기말양압을 변화하는 폐수축기단계로 수행되는 것을 특징으로 하는 인공호흡기.