24 August

呼吸管理における肺機能モニター

要約
肺機能モニターは呼吸メカニクスを監視する技術である。呼吸メカニクスという用語は基本的に呼吸器系における各種の「抵抗」を評価するための概念である。抵抗の変化は画像診断や血液検査では把握しにくい肺の状態をより直接的に表現し，これらのデータを連続的にモニターできれば現在進行中の病状を定量的に把握できるため，補助呼吸の必要度評価や人工呼吸器からの離脱の際に有用な情報を提供する。
肺機能モニターは画像診断に比べて直感的具体性に乏しく抽象的な指標が多いが、人工呼吸器の発達により容易に肺機能の定量的評価が可能であり，加えてモニター機器のグラフィック機能の充実で直感的な判断も可能な点で機能診断における血液・画像検査の限界を補完する重要な技術である。
ここでは主にメカニクス関連モニターと呼気炭酸ガスモニターについて述べる。呼吸管理中の肺機能モニターは呼吸メカニクス（Respiratory Mechanics）の解釈を介して行われるが，人工呼吸中は患者と人工呼吸器が一つの呼吸システムを形成しているため呼吸生理学の教科書でいうそれとは若干異なる。肺機能モニターは一回の絶対値よりも経時的データの収集が重要である。データの解釈には呼吸生理学的な基礎知識が必須だが，呼吸管理中の肺機能モニタリングが特殊な技術であった時代は終わり，より一般的な医療環境で積極的に応用される時代が訪れている。

短縮表題：呼吸管理と肺機能モニター
キーワード：呼吸管理・肺機能モニター・人工呼吸・一回呼出炭酸ガスモニター
掲載欄：解説（臨床）
テーマ：呼吸管理における肺機能モニター
専門度または難易度：A〜B


岩手医科大学医学部内科学第三講座
Third Department of Internal Medicine, Iwate Medical University, School of Medicine.
講師
櫻井　滋
Shigeru Sakurai

はじめに
肺機能モニターは呼吸メカニクスを連続的に監視する医療技術である。メカニクスは呼吸器系における各種の「抵抗」を間接あるいは直接的に評価するための概念である。ただし、人工呼吸中の患者と人工呼吸器は呼吸回路により一つの呼吸システムを形成しているため，呼吸生理学の教科書でいうメカニクスとは少し異なる。抵抗は弾性抵抗（elastic resistance = compliance）とそれ以外が区別され（表 1），患者の呼吸システムが示す機械的特性（メカニクス）を表している。生体はこの機械的特性すなわち抵抗に抗して，呼吸筋により呼吸システムを動作させ，換気し，ガスを交換している。
呼吸筋機能を初めとする患者の換気予備能力は自発呼吸中の一回換気量（VT）や呼吸数（f）といった指標，肺活量（VC）や最大吸気陰圧（maximum inspiratory pressure : MIP）の測定により評価できる。
これらのデータを連続的にモニターできれば，肺や気道に生じている現在進行中の病状を定量的に把握でき，補助呼吸の必要度評価や人工呼吸器からの離脱の際の有用な情報を提供する。
肺機能モニター技術が臨床の場で十分に活用されるためには，その方法が必要最小限の測定精度と測定値の再現性を有すると同時に，侵襲性が低く簡便な必要がある。ここでは近年，人工呼吸器の標準的装備品となりつつあるメカニクス関連モニターと呼気炭酸ガスモニターについて述べる。

表 1



従来型の人工呼吸器では呼吸回路の内圧を表示する簡易なマノメーターを装備する程度であり，初期には呼気ガスをベロー内に集めて換気量を測定するものを備える程度であった。一方，今日の人工呼吸器はマイクロプロセッサを内蔵し高性能な圧力・流量・ガス濃度などの精密なセンサーを装備する。ここではこれらモニタリング機器を装備した現代的なベンチレーターの使用を前提に呼吸メカニクスモニターに関する事項を中心に可能なかぎり平易に解説する事を目的とする。

コンプライアンスと抵抗（ComplianceとResistance）
患者と人工呼吸器を一つの呼吸システム（patient-ventilator system）として考えると，システムコンプライアンス（system compliance）と吸気抵抗（inspiratory resistance）の推定は肺疾患の定量的評価のために重要である。システムコンプライアンスは加えた圧力に対する人工呼吸器回路と肺胸郭総体の「膨らみやすさ」，吸気抵抗は「吸入気の流れに対する抵抗」を表現する概念である。従って，人工呼吸中はすべての患者においてコンプライアンスと抵抗を測定すべきである。ただし，吸気抵抗はシステムのおおよその抵抗を表現するに過ぎず気管内チューブや呼吸回路などの人工気道が大きく影響するため，加えた治療に対する効果を評価する際には後に述べる呼気抵抗（expiratory resistanece）がより有用である。
人工呼吸中の患者が呼吸努力を全く行っていない場合，人工呼吸器の換気量表示と気道内圧表示の読みから，おおまかなコンプライアンスを推定することができる。患者の呼吸努力が存在しない状態とは，鎮静薬と筋弛緩薬により全身麻酔状態で完全調節呼吸が行われている場合が典型的である。しかし，患者が人工呼吸器に完全に適応している状態は完全筋弛緩状態ではなくともコンプライアンスの推定は可能である。もちろん，このような方法で得られた値は通常の肺機能検査によって得られる結果とは必ずしも一致しないが，同一患者における経時的な測定値の変化は弾性抵抗（elastic resistance）と非弾性抵抗（non-elastic resistance）の変化をよく表現する。抵抗の総和はインピーダンスという用語で表現され，概念的には電気回路のそれと同じである。同一条件で調節呼吸が行われている際には人工呼吸器の回路内圧波形の各部分は以下の抵抗変化を反映する。ここで，プラトー圧は最大肺胞内圧を反映するもの仮定すると以下の1〜3それぞれの抵抗変化が圧波形に影響する。

1) 吸気最大気道内圧
（peak inspiratory pressure ；PIP）⇒システムインピーダンス（弾性+粘性+慣性抵抗）
2) プラトー圧
（plateau pressure ；Pplat）⇒システムコンプライアンス（弾性抵抗）
3) PIP ―プラトー圧 ⇒システムレジスタンス（粘性抵抗）

実効コンプライアンスの測定（Effective static compliance）
　人工呼吸中のコンプライアンスは体外から加えた圧力により，どの程度肺・胸郭が膨らむかを示す指標であるから測定には実効一回換気量（呼気一回呼気量）と吸気終末に回路内の気流が一瞬，停止した状態における気道内圧またはプラトー圧を読み取る必要がある。得られた値を実効コンプライアンス（effective static compliance）と呼ぶ。ベンチレーターによっては吸気終末に回路を閉鎖し換気を停止できる「ホールド（inspiratory-hold）機能」を備える機種があり測定に便利である。なお，PEEPを付加している場合には次のように吸気プラトー圧から設定PEEP圧を差し引く必要がある。

実効コンプライアンス＝実効一回換気量／（プラトー圧―PEEP）

肺の病状以外にコンプライアンスを変化させる要因がないと仮定すれば，得られた実効コンプライアンス値により肺に生じている病態を定量的に評価する事ができる。正常者の総胸郭コンプライアンスは60〜100 ml/cmH2O68とされ，低下がみられれば胸郭自体の拘束性病態および換気されている肺葉・肺区域の減少を表現する。前者は広範な熱傷瘢痕など，後者では肺葉切除・気管支挿管・気胸・無気肺・肺水腫などが考えられる。ARDSなど重篤な肺障害では病状の改善に呼応してコンプライアンス値の上昇（正常化）が観察される。

ダイナミックコンプライアンス（Effective Dynamic Compliance；Cdyn）
ダイナミックコンプライアンスは人工呼吸器から供給された気量（設定一回換気量）を最大気道内圧（peak inspiratory pressure；PIP）で除した値である。この場合も設定PEEP圧をPIPから差し引く必要がある。

ダイナミックコンプライアンス＝一回換気量／（PIP―PEEP）

圧―量曲線（pressure-volume curve；P-V曲線）が表示可能な場合には気流の停止している２点，すなわち吸気の開始点と呼気の開始点を結ぶ直線の傾きがCdynを表現する（図1）。図では直線CがX軸に近づくほどCdynが低いことになる。その際，PEEPおよび内因性PEEPを考慮して評価する。
図 1　図中の気流の無い２点を結ぶ線の傾きがCdynを表す


正常者の有効ダイナミックコンプライアンスは流量50〜80 L/min の換気条件で50〜80 ml/cmH2Oとされ，これには肺・胸郭のコンプライアンス以外に気道抵抗（Raw）成分を含んでいるため，数値の低下は肺胸郭の疾患に加えて気道抵抗が上昇する病態を疑う。具体的には気道攣縮・回路の屈曲・分泌物による閉塞などが考えられる。

気道抵抗測定（airway resistance；Raw）
気道内圧（airway pressure：単位cmH2O）と気流速（フローairflow：単位L／sec）のトレース（pressure-flow curve；P-F曲線）からは簡易的に気道抵抗を推定する事ができる。気道抵抗は気道内に１L／secの気流を生じるために必要なその時の駆動圧であり，圧力をフローで除した値でcmH2O／L／secで表現される。理論的には吸気および呼気の各抵抗が別個に存在するが，実際的には肺胞内圧の推定が困難であるため，人工呼吸中の推定は呼気開始時の気道内圧を呼気時の最大流速で除した値を用いる。
図 2　呼気開始時の気道内圧を呼気時の最大流速で除した値を用い，P-F曲線の傾きにあたる。
気道抵抗は後述のP-V曲線や前述のF-V曲線からも推定できる。臨床的には気道攣縮の程度判定や分泌物の貯留状態の監視，気管支拡張薬の効果判定に有用である。

フローおよび気道内圧変化のモニター（Flow and Pressure tracing）
人工呼吸中の気道内圧変化とフローのモニタリングは最も基本的な項目で，
フローと圧変化パターン（図3）の監視によって人工呼吸と自発呼吸の区別や最大呼気流速（peak expiratory flow；PEF）の把握が容易に可能であり，これら瞬時瞬時のフローを積分することにより換気量が得られるためモニタリングに用いる指標も一回換気量（tidal volume；VT），分時換気量（minute ventilation；VE）などが用いられる。人工呼吸器側で設定した換気条件が確実に提供され，適切な換気が維持されているかどうかを監視する事が目的である。また，これらのモニター結果から最高気道内圧（peak inspiratory pressure；PIP），プラトー圧（plateau pressure；PP），呼気終末陽圧（positive end expiratory pressure；PEEP）が得られ，時間経過との関係を表示する事により平均気道内圧（mean airway pressure；MAP），呼吸数（respiratory rate；RRまたはrespiratory frequency；f）や分時換気量も把握できる。

図 3 　


自発呼吸中の呼吸数は疼痛や発熱など中枢刺激や酸素需要量の増大を表現するとともに，呼吸筋疲労の最も早期の指標として有用である。臨床的には呼吸数をもとに圧補助呼吸（pressure support ventilation；PSV）レベルの調節が行われる。さらには圧―量（P-V）から呼吸仕事量を評価することができる。これらのついては別に解説する。

フローボリウム曲線（flow-volume curve；F-V曲線）
　
図 1　人工呼吸中のフローボリウム曲線は呼気曲線が重要，気管支拡張薬の効果判定に応用できる。
肺機能検査では強制呼出時のF-V曲線が用いられるが，人工呼吸中は経時的に回路内のフローとそれを積分して得られる換気量の関係をディスプレーの同一平面に表示させ（図 2）主に気道の状況を把握するために用いる。陽圧呼吸中の吸気は人工呼吸器の設定に依存するため，設定一回換気量が実際に供給されているかどうかの指標となる。一方，呼気側のF-V曲線には呼吸回路と患者の気道の抵抗が反映され，気道攣縮や回路の屈曲，分泌物による閉塞などによるフローの低下として示される。薬剤の投与前後で観察すれば通常の肺機能検査と同様に気管支拡張薬などの効果判定に用いる事ができる。

内因性PEEPの測定（auto-PEEP，intrinsic-PEEP）
内因性PEEPは見掛上の呼気終了時点においても肺胞に残存する圧力をいい，人為的に加えられるPEEPとは異り，呼気時間が必要とされる条件より短すぎる場合や気道の閉塞性が著しい病態すなわち肺気腫や気管支喘息を有する患者で見られる。
内因性のPEEPは通常の状態では気道内圧計に表示されないため，呼気ホールド機能を用いて回路を閉鎖するか，呼気相の終了直後から次の吸気が開始するまでの短い間に手のひらで呼気回路の出口を閉鎖することにより圧力計に表示させて測定する。内因性のPEEPのレベルは変化するため，測定は定期的に行うのが望ましい。内因性PEEPの把握を怠ると十分呼気がなされずに肺内の圧力が上昇し，圧外傷の発生の発端となったり，胸腔内圧の上昇により循環動態が侵されるなどの状況が生じる。測定はこれらの事態を回避するために有用である。

肺活量・最大分時換気量（Vital Capacity；VC・maximum voluntary ventilation；MVV）
肺活量・最大分時換気量測定は努力依存性であり患者が十分な呼吸努力を行いうる状態で測定する。気管内挿管がなされ，人工呼吸器が装着されている状態では常に呼吸回路の抵抗が付加される事を考慮する必要がある。呼吸回路は回路の最小断面積に依存する抵抗以外にも死腔としての抵抗や吸気・呼気回路それぞれに装着されている弁やガス供給装置の存在が大きく影響する。
従って測定は呼吸回路を挿管チューブからはずし，レスピロメーターを使って行うのが実際的である。肺活量の測定は一方向弁を有するレスピロメーターを装着して患者に深吸気を促し，次にゆっくりと可能なかぎり呼出してもらう。最大努力で呼出した場合は挿管チューブの特性を反映する事になり，必ずしも患者の肺活量を表現しない。最大分時換気量測定は10秒ないし15秒間最大換気させて推定する。さらに，肺活量・最大分時換気量には呼吸中枢や呼吸筋力，患者の体位など多くの要素が関与する可能性があり，諸条件を一定として比較する必要がある。
正常者の肺活量は65〜75 ml/kgとされ，10 ml/kg以上の肺活量があれば人工呼吸器からの離脱（ウイーニング）が可能という報告68があるが予測指標としての信頼性はあまり高くない。健康人の安静時の分時換気量は約６L／分程度であり，ウイーニングしようとする患者では10Ｌ／分未満かつMVVの50%以下である必要がある。

呼吸仕事量の推定（Work of Breath；WOB）
機械的な呼吸仕事量は呼吸運動に要する力と運動距離の積である。人工呼吸中の仕事量は肺胸郭の拡張圧と一回換気量の積と表現することができる。実際の測定は胸腔内圧と気道内圧（口腔内圧）の差圧と一回換気量を知る必要がある。
安静呼吸中のWOBは0.5 J／Lあるいは5 J／minであり，（1 Jouleは10 cmH2Oの差圧による1Ｌの気量の移動に要するエネルギー量にあたる53）人工呼吸からの離脱に成功するためにはWOBが1.0〜1.4 J／Lあるいは10〜16 J／min未満である必要がある70。
WOBの絶対値の算出はやや煩雑であり，実際的には気道内圧と換気量の圧量曲線（pressure-volume curve；P-V曲線）をディスプレー上に表示して作図的に求めることができる（図5，6）。
図 3　
図 4
調節呼吸中のP-V曲線（図3）はPEEPなど呼気終末の基準圧点（図中ではPEEPは0 cmH2Oである。）に始まり，反時計方向に描画されるループを形成する。前述のように，吸気開始から終了までの曲線の傾きはコンプライアンスを表現し，吸気ループと呼気ループのズレ（ヒステリシス；hysteresis）は抵抗成分の存在を表す。自発呼吸時のP-V曲線（図4）は時計軸方向に描画され，WOBはloopの面積にあたる。ただし，これらのP-V曲線には常に呼吸回路の抵抗によるWOBが付加されていので注意を要する。


呼気中CO2濃度の測定と死腔の評価（single breath CO2 monitoring and dead space）
呼気ガスの分析は研究目的には種々行われてきたが，最近頻用されるものに呼気中CO2濃度の測定がある。呼気中CO2濃度は従来カプノグラフとして主にPaCO2の推定に用いられたが，換気血流の不均等が見られる病的な肺ではPaCO2が正確に反映されず，その評価が低かった。さらに，従来の測定方法は呼吸回路の側管から呼気ガスを少量サンプリングして分析することから，実際の呼気相と測定結果の間には一定の時相のズレを伴うことが問題であり，換気との関係を十分に評価できなかった。
最近では呼気ガス中の炭酸ガス濃度をサンプリングせずに即時に測定できる装置と換気力学モニターを機構的に統合することにより，一回呼出二酸化炭素濃度測定（single-breath carbon dioxide measurement；SBCO2）から炭酸ガス産生量のほか死腔や死腔換気率などの臨床的に有用な情報を簡単に得ることができる装置が登場している（図5）。

図 5　流量計と炭酸ガスセンサーを一体化，小型化した測定部
SBCO2の測定はフローセンサとメインストリーム型の小型炭酸ガスセンサー（main stream type CO2 sensor）の開発により可能となった技術である（図8）。メインストリーム型炭酸ガスセンサーとは人工呼吸回路に直列に装着する小型の赤外線吸光度測定による炭酸ガス濃度測定方式で，反応速度が迅速であるため，同時にモニターされる流量情報に対して時間遅れが少なく精度の高い同時解析が可能である。

図 6　一回呼出CO2濃度―呼出量曲線の三相
　
図 7　一回呼出CO2濃度―呼出量曲線から得られる

死腔（dead space）
SBCO2呼気量曲線は図9のように３相が区別され，それぞれ第I相が気道部分の死腔，第II相が気道部分の死腔と肺胞死腔の混合部分，第III相が肺胞部分を表現する。動脈血ガス分析で得られるPaCO2と呼気終末の炭酸ガス濃度の差は肺胞死腔の増加を反映し，図7中のYの面積が肺胞死腔にあたる。
肺梗塞やショックなどにより肺血管の還流量が減少すると炭酸ガスの洗い出し量が減少し，Yの部分が増加することになり即時に病態が把握できる。同様の病態は広範な無気肺やARDSでも見られることから，治療による肺胞死腔の減少が具体的に把握できる点で有用である。

おわりに
肺機能モニターは画像診断に比べて映像としての具体性に乏しく概念的なものが多いが近年のマイクロプロセッサー付きのベンチレーターの発達やモニター機器のグラフィック機能の充実により直感的な判断さえ可能となりつつある。これらのデータの解釈には呼吸生理学的な基礎知識が必須であることには変りがないが，呼吸管理中の肺機能モニタリングが一部の麻酔科医や集中治療医の技術であった時代は既に終わりを告げ，呼吸器科臨床を始めとする，より一般的な医療環境で積極的に応用される時代が既に訪れている。今後は，非侵襲人工呼吸中の肺機能モニター技術など，より使いやすいモニター機器の開発が望まれる。