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この記事を引用: Kojima Y., Sendo R., Okayama N. et al.(2022 年 5 月 18 日) 低流量および高流量デバイスの吸入酸素比率: シミュレーション研究。キュア14（5）：e25122。doi: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 モデルが使用されました。低流量および高流量の鼻プロングと単純な酸素マスクを介して受け取った吸入酸素の割合を測定します。酸素の 120 秒後、吸入された空気の割合が 30 秒間毎秒測定されました。各条件で 3 つの測定を行いました。
結果: 低流量の鼻カニューレを使用すると、気流によって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に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。高流量の鼻カニューレを使用すると、10 L/min の流量でも高い割合で酸素を吸入できます。最適な酸素量を決定するときは、吸入酸素の割合の値に関係なく、患者と特定の条件に適した流量を設定する必要があります。臨床環境で低流量鼻プロングと単純な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は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の投与は、臨床医学では一般的な手順です。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) [1-5] があります。吸入空気中の酸素の割合 (FiO2) は、肺胞の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 比の診断的価値は依然として議論の余地がありますが、臨床診療において広く使用されている酸素化の指標です [6-8]。したがって、患者に酸素を投与する際に FiO2 の値を知ることは臨床的に重要です。
挿管中は、換気回路を備えた酸素モニターで 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と、吸気時間に基づく FiO2 の「推定値」しか測定できません。この「スコア」は、一回換気量に対する酸素供給の比率です。ただし、これは呼吸の生理学の観点からいくつかの要因を考慮していません。研究によると、FiO2 測定値は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]。呼気中の酸素の投与は、口腔、咽頭、気管などの解剖学的死腔の酸素濃度の増加につながる可能性がありますが、現在の文献に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因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」で十分であると考えています。
近年、HFNC は救急医療や集中治療の分野で特に注目されています [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 つの主な利点があります。これは、酸素を処方するとき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 比に関して重要であるため、測定された FiO2 値が気道または肺胞内の酸素濃度を表していると仮定する必要がある場合があります。
挿管以外の酸素送達方法は、通常の臨床診療でよく使用されます。したがって、不必要な過酸素化を防ぎ、酸素化中の呼吸の安全性についての洞察を得るために、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指しました。
これは、人間が関与しないため、倫理的な承認を必要としないパイロット研究です。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]。人工呼吸器とテスト肺 (Dual Adult TTL; Grand Rapids, MI: Michigan Instruments, Inc.) の麻酔装置 (Fabius Plus; ドイツ、リューベック: Draeger, Inc.) は、自発呼吸を模倣するように準備されました。2 つのデバイスは、硬い金属ストラップで手動で接続されます。テスト肺の 1 つのベローズ (ドライブ側) は人工呼吸器に接続されています。試験用肺のもう一方のふいご（受動側）は「酸素管理モデル」に接続されています。人工呼吸器が肺をテストするために新鮮なガスを供給するとすぐに (ドライブ側)、他のベローズ (パッシブ側) を強制的に引っ張ってベローズを膨らませます。この動きにより、マネキンの気管からガスが吸入され、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次のとおりです。一回換気量 500 ml、呼吸数 10 回/分、吸気と呼気の比率 (吸入/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は 0.5 に設定されました。
酸素管理モデルには、酸素モニター (MiniOx 3000; Pittsburgh, PA: American Medical Services Corporation) とマネキン (MW13; Kyoto, Japan: Kyoto Kagaku Co., Ltd.) が使用されました。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; 北アイルランドのコールレーン: Armstrong Medical) では、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 はケースごとに評価されます。HFNC の場合、実験は 45%、60%、および 90% の酸素濃度で実施されました。
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) を介して供給される酸素で上顎切歯の 3 cm 上で測定されました (図 1)。) 電気人工呼吸器 (HEF-33YR; 東京、日本: 日立) を使用してマネキンの頭から空気を吹き出し、呼気による逆呼吸をなくす挿管を行い、2 分後に FiO2 を測定しました。
酸素に 120 秒間さらされた後、FiO2 が 30 秒間毎秒測定されました。各測定後、マネキンと実験室を換気してください。FiO2 は、各条件で 3 回測定しました。各測定器の校正後、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、自発呼吸の内容によって計算方法が異なります（表1）。スコアは、麻酔装置に設定された呼吸条件に基づいて計算されます (1 回換気量: 500 ml、呼吸数: 10 呼吸/分、吸気対呼気比 {吸入: 呼気比} = 1:2)。
「スコア」は、酸素流量ごとに計算されます。鼻カニューレは、LFNC に酸素を投与するために使用されました。
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サンプトン: 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]。すべての結果を小数点第 2 位まで四捨五入しています。
「スコア」を計算するには、1回の呼吸で肺に吸い込まれる酸素の量は、鼻カニューレ内の酸素の量と等しく、残りは外気です。したがって、2 秒の呼吸時間で、2 秒で鼻カニューレによって配信される酸素は 1000/30 ml です。外気から得られた酸素量は、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、消費された酸素の総量を 1 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を 20.8% に校正し、口腔外酸素モニターを 21% に校正しました。表 1 は、各流量での平均 FiO2 LFNC 値を示しています。これらの値は、「計算された」値の 1.5 ～ 1.9 倍です (表 1)。口の外の酸素濃度は、室内の空気よりも高い (21%)。扇風機の風を導入する前は平均値が下がっていました。これらの値は「推定値」に似ています。気流がある場合、口外の酸素濃度が室内空気に近い場合、気管内の FiO2 値は 2 L/min を超える「計算値」よりも高くなります。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 は、簡易酸素マスク (エコライト酸素マスク、大阪、日本: 日本メディカルネクスト株式会社) の各酸素濃度での平均 FiO2 値を示しています。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)。同じ酸素消費量で、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 は、各流量と酸素濃度での HFNC の平均 FiO2 値を示しています。これらの値は、流量が少ないか多いかに関係なく、目標の酸素濃度に近かった (表 3)。
LFNC を使用した場合、気管内の FiO2 値は「推定」値よりも高く、口腔外の FiO2 値は室内空気よりも高かった。気流は、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、酸素化が解剖学的死腔の酸素濃度を増加させることも示しました。これは、FiO2 の増加によ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的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、プレーン マスクの FiO2 が鼻カニューレよりも低かったのは、マスクの一部が解剖学的にデッド ゾーンになると酸素濃度が上がりにくいためと考えられます。酸素の流れは、部屋の空気の希釈を最小限に抑え、FiO2 を 5 L/分以上に安定させます [12]。5 L/min 未満では、部屋の空気の希釈と死腔の再呼吸により、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ります。MiniOx 3000 は酸素濃度を監視するために使用されますが、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、応答時間の速い酸素モニターが必要です。
実際の臨床では、鼻腔、口腔、咽頭の形態は個人差があり、FiO2 値は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、酸素消費量が多いほど、呼気中の酸素含有量が低くなります。これらの条件は、FiO2 値の低下につながる可能性があります。したがって、実際の臨床状況で LFNK と単純な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。ただし、この実験は、解剖学的死腔と反復呼気の概念が FiO2 に影響を与える可能性があることを示唆しています。この発見により、FiO2 は「推定」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」は非常に低いものでしたが、患者の状態によっては「計算値」よりも高い実際の FiO2 を達成することが可能です。
HFNC を使用すると、流量に関係なく FiO2 値は設定酸素濃度に近くなります。この研究の結果は、10 L/min 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 の高い流量は、解剖学的死腔を考慮する必要をなくすと報告されています [2,16]。解剖学的死腔は、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。ダイサート等。VPT の主な作用機序は、鼻咽頭腔の死腔のフラッシングであり、それによって全死腔が減少し、分時換気 (すなわち、肺胞換気) の割合が増加するという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]。リッチー等。鼻呼吸時にガス流量が 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。呼吸が改善する場合は、FiO2 で十分な場合があるため、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、これらの結果を踏まえると、挿管や HFNC 以外のデバイスの場合、条件によって FiO2 値が大きく変動することが予想されます。臨床現場で LFNC または単純な酸素マスクを使用して酸素を投与する場合、治療は通常、パルスオキシメータを使用した「末梢動脈酸素飽和度」（SpO2）値によってのみ評価されます。貧血の発症に伴い、SpO2、PaO2、および動脈血中の酸素含有量に関係なく、患者の厳格な管理が推奨されます。さらに、ダウンズ等。とビーズリー等。高濃度酸素療法の予防的使用により、不安定な患者が実際に危険にさらされる可能性があることが示唆されています[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の測定値が高くなり、P/F 比の漸進的な減少が隠され、スタッフに適切なタイミングで警告を発せず、機械的介入を必要とす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当てはまりません [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でも注意が必要です。この研究の結果は、正確な FiO2 測定値は挿管または HFNC でのみ得られることを示しています。LFNC または単純な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酸素を提供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していない可能性があります。低流量であっても、FiO2 は酸素の流れとともに増加し、呼吸不全を覆い隠す可能性があります。また、術後の治療に SpO2 を使用する場合でも、できるだけ流量を少なくすることが望まれます。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、早期発見の失敗のリスクが高まります。酸素の投与量は、酸素投与によって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。ただし、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する必要があると考えています。さらに、ガイドラインで推奨される酸素量を決定する際には、日常的な吸気フロー測定の FiO2 値に関係なく、患者に適切なフローを設定する必要があります。
FiO2 は酸素投与を管理する上で不可欠なパラメータであるため、酸素療法の範囲と臨床状態を考慮して、FiO2 の概念を再考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。人間の気管でFiO2を測定できれば、より正確な値が得られます。しかし、現在のところ、侵襲的であることなくそのような測定を行うことは困難です。非侵襲的な測定装置を使用したさらなる研究は、将来的に実施する必要があります。
この研究では、LFNC 自発呼吸シミュレーション モデル、簡易酸素マスク、および HFNC を使用して、気管内 FiO2 を測定しました。呼気中の酸素の管理は、解剖学的死腔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 では、10 l/min の流量でも高い酸素吸入率が得られます。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、患者と特定の条件に適した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した場合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 の気管における 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、従来の吸気フローを使用して測定された FiO2 値に関係なく、患者に適切なフローを設定する必要があります。
ヒト被験者: すべての著者は、ヒトまたは組織がこの研究に関与していないことを確認しました。動物の被験者: すべての著者は、この研究に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。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組織と金銭的関係を持ってい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いた志田徹氏（株式会社 IMI、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。
小島陽一、仙道亮、岡山直子 他(2022 年 5 月 18 日) 低流量および高流量デバイスの吸入酸素比率: シミュレーション研究。キュア14（5）：e25122。doi:10.7759/cureus.25122
© Copyright 2022 小島ら.これは、Creative Commons Attribution License CC-BY 4.0 の条項に基づいて配布されるオープン アクセスの記事です。元の作成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、および複製が許可されます。
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(a) 酸素モニター、(b) ダミー、(c) テスト肺、(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次のとおりです。一回換気量 500 ml、呼吸数 10 回/分、吸気と呼気の比率 (吸入/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は 0.5 に設定されました。
「スコア」は、酸素流量ごとに計算されます。鼻カニューレは、LFNC に酸素を投与するために使用されました。
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