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この記事を次のように引用します：Kojima Y.、Sendo R.、okayama N. et al.(2022 年 5 月 18 日) 低流量デバイスと高流量デバイスにおける吸入酸素比: シミュレーション研究。治療 14(5): e25122。土井:10.7759/cureus.25122
目的: 吸入酸素の割合は、呼吸生理学の観点から重要な肺胞酸素濃度を表すため、患者に酸素を投与するときに測定する必要があります。したがって、この研究の目的は、さまざまな酸素供給装置で得られる吸入酸素の割合を比較することでした。
方法: 自発呼吸のシミュレーション モデルを使用しました。低流量および高流量の鼻プロングおよび単純な酸素マスクを通して受け取られる吸入酸素の割合を測定します。120 秒間酸素を供給した後、吸入空気の割合を 30 秒間毎秒測定しました。各条件について 3 回の測定が行われました。
結果：低流量鼻カニューレを使用すると、気流により気管内吸気酸素分率と口腔外酸素濃度が減少し、再呼吸中に呼気呼吸が発生し、気管内吸気酸素分率の増加と関連している可能性があることが示唆されました。
結論。呼気中の酸素吸入は、解剖学的死腔内の酸素濃度の増加を引き起こす可能性があり、これは吸入される酸素の割合の増加に関連している可能性があります。高流量の鼻カニューレを使用すると、10 L/分の流量でも高い割合の吸入酸素を得ることができます。最適な酸素量を決定する場合、吸入酸素の割合の値に関係なく、患者および特定の条件に適切な流量を設定する必要があります。臨床現場で低流量鼻プロングと簡易酸素マスクを使用する場合、吸入される酸素の割合を推定することが困難な場合があります。
呼吸不全の急性期および慢性期における酸素投与は、臨床医学において一般的な手順です。酸素投与のさまざまな方法には、カニューレ、鼻カニューレ、酸素マスク、リザーバーマスク、ベンチュリマスク、高流量鼻カニューレ (HFNC) などがあります [1-5]。吸入空気中の酸素の割合 (FiO2) は、肺胞ガス交換に関与する吸入空気中の酸素の割合です。酸素化度（P/F 比）は、動脈血中の酸素分圧（PaO2）と FiO2 の比です。P/F 比の診断的価値については依然として議論の余地がありますが、臨床現場では酸素化の指標として広く使用されています [6-8]。したがって、患者に酸素を投与する際には、FiO2 の値を知ることが臨床的に重要です。
挿管中は、換気回路を備えた酸素モニターを使用して FiO2 を正確に測定できますが、鼻カニューレと酸素マスクを使用して酸素を投与する場合は、吸気時間に基づく FiO2 の「推定値」のみを測定できます。この「スコア」は、一回換気量に対する酸素供給量の比率です。ただし、これには呼吸生理学という観点からのいくつかの要因が考慮されていません。研究では、FiO2 測定値がさまざまな要因の影響を受ける可能性があることが示されています [2、3]。呼気中に酸素を投与すると、口腔、咽頭、気管などの解剖学的死腔内の酸素濃度が増加する可能性がありますが、現在の文献ではこの問題に関する報告はありません。しかし、一部の臨床医は、実際にはこれらの要素はそれほど重要ではなく、臨床上の問題を克服するには「スコア」で十分であると信じています。
近年、HFNC は救急医療と集中治療において特に注目を集めています [9]。HFNC は、高い FiO2 と酸素の流れを提供し、咽頭の死腔のフラッシュと鼻咽頭抵抗の減少という 2 つの主な利点をもたらします。これは、酸素を処方する際に見落とされるべきではありません [10,11]。さらに、吸気中の肺胞内の酸素濃度は P/F 比の観点から重要であるため、測定された FiO2 値が気道または肺胞内の酸素濃度を表すと仮定する必要がある場合があります。
日常の臨床診療では、挿管以外の酸素送達方法がよく使用されます。したがって、不必要な過剰酸素化を防ぎ、酸素化中の呼吸の安全性について洞察を得るために、これらの酸素供給装置で測定された FiO2 に関するより多くのデータを収集することが重要です。しかし、人間の気管内のFiO2の測定は困難です。一部の研究者は、自発呼吸モデルを使用して FiO2 を模倣しようとしました [4、12、13]。そこで本研究では、自発呼吸の模擬モデルを用いてFiO2を測定することを目的とした。
これはパイロット研究であり、人間が関与しないため倫理的な承認は必要ありません。自発呼吸をシミュレートするために、Hsu らによって開発されたモデルを参照して自発呼吸モデルを作成しました。(図1) [12]。麻酔装置 (Fabius Plus、ドイツ、リューベック: Draeger, Inc.) からの人工呼吸器とテスト肺 (デュアル成人 TTL、ミシガン州グランドラピッズ: ミシガン インスツルメンツ社) を、自発呼吸を模倣するように準備しました。2 つのデバイスは、硬い金属ストラップによって手動で接続されます。テスト肺の 1 つのベローズ (駆動側) が人工呼吸器に接続されます。テスト肺のもう一方のベローズ (受動側) は「酸素管理モデル」に接続されます。人工呼吸器が肺 (駆動側) を検査するために新鮮なガスを供給するとすぐに、他のベローズ (受動側) を強制的に引っ張ることによってベローズが膨張します。この動きにより、マネキンの気管を通じてガスが吸入され、自発呼吸がシミュレートされます。
(a) 酸素モニター、(b) ダミー、(c) テスト用肺、(d) 麻酔装置、(e) 酸素モニター、および (f) 電気人工呼吸器。
人工呼吸器の設定は以下の通りであった：一回換気量５００ｍｌ、呼吸数１０呼吸／分、吸気対呼気比（吸気／呼気比）１：２（呼吸時間＝１秒）。実験では、テスト肺のコンプライアンスを 0.5 に設定しました。
酸素管理モデルには、酸素モニター (MiniOx 3000、ペンシルベニア州ピッツバーグ: American Medical Services Corporation) とマネキン (MW13、京都、日本: 京都科学株式会社) を使用しました。純酸素を 1、2、3、4、5 L/min の速度で注入し、それぞれの FiO2 を測定しました。HFNC (MaxVenturi; 北アイルランド、コールレーン: Armstrong Medical) の場合、酸素と空気の混合物が 10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、および 60 L の量で投与され、FiO2 はそれぞれのケースで評価されます。HFNC の場合、実験は 45%、60%、および 90% の酸素濃度で実行されました。
口腔外酸素濃度 (BSM-6301; 東京、日本: 日本光電株式会社) は、鼻カニューレ (Finefit; 大阪、日本: 日本メディカルネクスト株式会社) を通して酸素を送達し、上顎切歯の 3 cm 上で測定しました (図 1)。) 電動人工呼吸器 (HEF-33YR、東京、日本: 日立) を使用してマネキンの頭部から空気を吹き出して呼気による逆呼吸を排除し、2 分後に FiO2 を測定しました。
120 秒間酸素にさらした後、FiO2 を 30 秒間毎秒測定しました。各測定後は、マネキンと実験室を換気してください。FiO2 は各条件で 3 回測定されました。各測定器の校正を行った後、実験を開始した。
従来、FiO2 を測定できるように、酸素は鼻カニューレを通して評価されていました。この実験では自発呼吸の内容に応じて計算方法を変えた（表１）。スコアは、麻酔装置に設定された呼吸条件（1回換気量：500ml、呼吸数：10回/分、吸気対呼気比｛吸気：呼気比｝＝1：2）に基づいて計算されます。
「スコア」は酸素流量ごとに計算されます。鼻カニューレを使用して、LFNC に酸素を投与しました。
すべての分析は、Origin ソフトウェア (マサチューセッツ州ノーザンプトン: OriginLab Corporation) を使用して実行されました。結果は、テスト数 (N) の平均 ± 標準偏差 (SD) として表されます [12]。すべての結果は小数点第 2 位に四捨五入されています。
「スコア」を計算するには、一度の呼吸で肺に取り込まれる酸素の量と鼻カニューレ内の酸素の量が等しく、残りは外気です。したがって、呼吸時間が 2 秒の場合、鼻カニューレによって 2 秒間に送達される酸素は 1000/30 ml になります。外気から得られる酸素の投与量は、一回換気量の 21% (1000/30 ml) でした。最終的な FiO2 は、一回換気量に供給される酸素の量です。したがって、FiO2 の「推定値」は、消費される酸素の総量を一回換気量で割ることによって計算できます。
各測定の前に、気管内酸素モニターは 20.8% で校正され、口外酸素モニターは 21% で校正されました。表1に各流量におけるFiO2 LFNCの平均値を示します。これらの値は、「計算」値よりも 1.5​​ ～ 1.9 倍高くなります (表 1)。口の外の酸素濃度は室内空気よりも高くなります (21%)。扇風機の風導入前は平均値が減少した。これらの値は「推定値」に相当します。気流の場合、口外の酸素濃度が室内空気に近い場合、気管内のFiO2値は2L/min以上の「計算値」よりも高くなります。空気流の有無にかかわらず、流量が増加するにつれて FiO2 の差は減少しました (図 2)。
表２に簡易型酸素マスク（エコライト酸素マスク；大阪府：日本メディカルネクスト株式会社）の各酸素濃度における平均ＦｉＯ２値を示す。これらの値は、酸素濃度の増加とともに増加しました（表2）。同じ酸素消費量の場合、LFNK の FiO2 は単純な酸素マスクよりも高くなります。1 ～ 5 L/min では、FiO2 の差は約 11 ～ 24% です。
表 3 に、各流量および酸素濃度における HFNC の平均 FiO2 値を示します。これらの値は流量が低い場合でも高い場合でも目標酸素濃度に近い値でした（表3）。
LFNC を使用した場合、気管内 FiO2 値は「推定」値よりも高く、口腔外 FiO2 値は室内空気よりも高かった。空気の流れは、気管内および口腔外の FiO2 を減少させることがわかっています。これらの結果は、LFNC 再呼吸中に呼気呼吸が発生したことを示唆しています。空気流の有無にかかわらず、流量が増加するにつれて FiO2 の差は減少します。この結果は、別の要因が気管内の FiO2 の上昇に関連している可能性があることを示唆しています。さらに、彼らは酸素化により解剖学的死腔内の酸素濃度が増加することも示しましたが、これは FiO2 の増加によるものである可能性があります [2]。LFNC は呼気時に再呼吸を引き起こさないことが一般に認められています。これは、鼻カニューレの測定値と「推定」値の差に大きな影響を与える可能性があると予想されます。
1 ～ 5 L/min の低流量では、マスクの一部が解剖学的デッドゾーンになると酸素濃度が上がりにくいため、プレーンマスクの FiO2 は鼻カニューレよりも低くなりました。酸素の流れは室内空気の希釈を最小限に抑え、FiO2 を 5 L/min 以上で安定させます [12]。5 L/min 未満では、室内空気の希釈とデッドスペースの再呼吸により、低い FiO2 値が発生します [12]。実際、酸素流量計の精度は大きく異なる場合があります。MiniOx 3000 は酸素濃度の監視に使用されますが、このデバイスには呼気酸素濃度の変化を測定するのに十分な時間分解能がありません (メーカーは 90% の応答を表すために 20 秒を指定しています)。これには、より速い時間応答を備えた酸素モニターが必要です。
実際の臨床では、鼻腔、口腔、咽頭の形態が人によって異なるため、FiO2 値が本研究で得られた結果と異なる場合があります。さらに、患者の呼吸状態は異なり、酸素消費量が増えると呼気中の酸素含有量が低下します。これらの条件により、FiO2 値が低下する可能性があります。したがって、実際の臨床状況で LFNK と簡易酸素マスクを使用する場合、信頼できる FiO2 を評価することは困難です。しかし、この実験は、解剖学的死腔と反復呼気呼吸の概念が FiO2 に影響を与える可能性があることを示唆しています。この発見を考慮すると、FiO2 は、「推定値」ではなく条件に応じて、低流量でも大幅に増加する可能性があります。
英国胸部学会は、臨床医が目標飽和範囲に従って酸素を処方し、目標飽和範囲を維持するために患者を監視することを推奨しています[14]。この研究における FiO2 の「計算値」は非常に低い値でしたが、患者の状態によっては実際の FiO2 が「計算値」よりも高くなる可能性があります。
HFNC を使用すると、流量に関係なく FiO2 値が設定酸素濃度に近くなります。この研究の結果は、10 L/分の流量でも高い FiO2 レベルを達成できることを示唆しています。同様の研究では、10 ～ 30 L の間で FiO2 に変化がないことが示されました [12、15]。HFNC の高流量により、解剖学的デッドスペースを考慮する必要がなくなることが報告されています [2、16]。解剖学的デッドスペースは、10 L/分を超える酸素流量で洗い流される可能性があります。ダイサートら。VPT の主な作用機序は鼻咽頭腔の死腔を洗い流すことであり、それによって総死腔が減少し、分時換気量 (すなわち肺胞換気量) の割合が増加するのではないかと仮説が立てられています [17]。
以前のHFNC研究では、カテーテルを使用して鼻咽頭のFiO2を測定しましたが、FiO2はこの実験よりも低かった[15、18-20]。リッチーら。鼻呼吸中にガス流量が 30 L/min を超えると、FiO2 の計算値が 0.60 に近づくことが報告されています [15]。実際には、HFNC には 10 ～ 30 L/min 以上の流量が必要です。HFNC の特性により、鼻腔内の状態が大きな影響を及ぼし、HFNC は高流量で活性化されることがよくあります。呼吸が改善した場合は、FiO2 で十分であるため、流量の減少も必要になる場合があります。
これらの結果はシミュレーションに基づいており、FiO2 の結果が実際の患者に直接適用できることを示唆するものではありません。ただし、これらの結果から、挿管やHFNC以外のデバイスの場合、FiO2値は条件により大きく変動することが予想されます。臨床現場でLFNCや簡易酸素マスクを使って酸素を投与する場合、通常はパルスオキシメーターを用いた「末梢動脈酸素飽和度」（SpO2）値のみで治療を評価します。貧血が進行すると、SpO2、PaO2、動脈血酸素量に関係なく、患者を厳密に管理することが推奨されます。さらに、Downes ら。およびビーズリーら。不安定な患者は、高濃度酸素療法の予防的使用により実際に危険にさらされている可能性があることが示唆されている[21-24]。身体的悪化の期間中、高濃度酸素療法を受けている患者はパルスオキシメーターの測定値が高くなります。これにより、P/F 比の徐々に低下することが隠蔽される可能性があり、そのため適切なタイミングでスタッフに警告できず、機械的介入が必要となる差し迫った悪化につながる可能性があります。サポート。以前は、高い FiO2 が患者の保護と安全を提供すると考えられていましたが、この理論は臨床現場には適用できません [14]。
したがって、周術期や呼吸不全の初期段階で酸素を処方する場合にも注意が必要です。研究の結果は、正確な FiO2 測定は挿管または HFNC でのみ得られることを示しています。LFNC または簡易酸素マスクを使用する場合は、軽度の呼吸困難を防ぐために予防的に酸素を供給する必要があります。これらのデバイスは、呼吸状態の重要な評価が必要な場合、特に FiO2 の結果が重要な場合には適さない可能性があります。低流量であっても、FiO2 は酸素流量とともに増加し、呼吸不全を隠す可能性があります。さらに、術後治療に SpO2 を使用する場合でも、流量はできるだけ低いことが望ましいです。これは呼吸不全の早期発見に必要です。酸素流量が多いと、早期検出が失敗するリスクが高まります。酸素の投与量は、酸素投与によりどのバイタルサインが改善されるかを判断した後に決定する必要があります。この研究の結果のみに基づいて、酸素管理の概念を変更することは推奨されません。しかし、私たちは、この研究で提示された新しいアイデアは、臨床現場で使用される方法の観点から考慮されるべきであると信じています。また、ガイドラインで推奨される酸素量を決定する際には、日常的な吸気流量測定のFiO2値に関わらず、患者にとって適切な流量を設定する必要がある。
FiO2 は酸素投与の管理に不可欠なパラメータであるため、酸素療法の範囲と臨床症状を考慮して FiO2 の概念を再検討することを提案します。ただし、この研究にはいくつかの制限があります。ヒトの気管内でFiO2を測定できれば、より正確な値が得られる。しかし、現時点では、そのような測定を非侵襲的に実行することは困難です。将来的には、非侵襲的な測定装置を使用したさらなる研究が行われる必要があります。
本研究では、LFNC自発呼吸シミュレーションモデル、簡易酸素マスク、HFNCを用いて気管内FiO2を測定した。呼気中の酸素の管理は、解剖学的死腔内の酸素濃度の増加につながる可能性があり、これは吸入される酸素の割合の増加に関連している可能性があります。HFNC を使用すると、10 リットル/分の流量でも高い割合の酸素吸入が得られます。最適な酸素量を決定するときは、吸入される酸素の割合の値だけに依存するのではなく、患者および特定の条件に適切な流量を確立する必要があります。臨床現場で LFNC と単純な酸素マスクを使用するときに吸入される酸素の割合を推定することは困難な場合があります。
得られたデータは、呼気呼吸が LFNC の気管内の FiO2 の増加と関連していることを示しています。ガイドラインで推奨される酸素量を決定する際には、従来の吸気流量を使用して測定されたFiO2値に関係なく、患者にとって適切な流量を設定する必要があります。
人間の被験者: すべての著者は、この研究には人間や組織が関与していないことを確認しました。動物被験者: 著者全員は、この研究には動物や組織が関与していないことを確認しました。利益相反: ICMJE 統一開示フォームに従って、すべての著者は次のことを宣言します: 支払い/サービス情報: すべての著者は、提出された作品に対していかなる組織からも財政的支援を受けていないことを宣言します。金銭的関係: すべての著者は、現在または過去 3 年間に、提出された作品に関心を持つ可能性のあるいかなる組織とも金銭的関係を持たないことを宣言します。その他の関係: すべての著者は、提出された作品に影響を与える可能性のあるその他の関係や活動がないことを宣言します。
本調査にご協力いただきました志田徹氏（IMI株式会社、熊本カスタマーサービスセンター、日本）に感謝いたします。
小島裕也、仙道良、岡山直子 他(2022 年 5 月 18 日) 低流量デバイスと高流量デバイスにおける吸入酸素比: シミュレーション研究。治療 14(5): e25122。土井:10.7759/cureus.25122
© Copyright 2022 小島らこれは、クリエイティブ コモンズ表示ライセンス CC-BY 4.0 の条件に基づいて配布されるオープン アクセスの記事です。オリジナルの著者と情報源が明記されている限り、あらゆる媒体での無制限の使用、配布、複製が許可されます。
これは、クリエイティブ コモンズ表示ライセンスに基づいて配布されるオープン アクセスの記事であり、著者と出典が明記されている限り、あらゆる媒体での無制限の使用、配布、複製が許可されます。
(a) 酸素モニター、(b) ダミー、(c) テスト用肺、(d) 麻酔装置、(e) 酸素モニター、および (f) 電気人工呼吸器。
人工呼吸器の設定は以下の通りであった：一回換気量５００ｍｌ、呼吸数１０呼吸／分、吸気対呼気比（吸気／呼気比）１：２（呼吸時間＝１秒）。実験では、テスト肺のコンプライアンスを 0.5 に設定しました。
「スコア」は酸素流量ごとに計算されます。鼻カニューレを使用して、LFNC に酸素を投与しました。
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