総説 2018;25: 人工呼吸管理中の自発呼吸の功罪海老島宏典 1 吉田健史 2, 3 内山昭則 *4 要約 : 人工呼吸中に自発呼吸を温存することは, 背側肺領域優位の換気を促し, 低い気道内圧 ( プラトー圧 ) でも呼気終末肺容量が比較的保たれ, 酸素感も改善することから

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たみじろうこけい
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1 総説 2018;25: 人工呼吸管理中の自発呼吸の功罪海老島宏典吉田健史 *2, 3 内山昭則要約 : 人工呼吸中に自発呼吸を温存することは, 背側肺領域優位の換気を促し, 低い気道内圧 ( プラトー圧 ) でも呼気終末肺容量が比較的保たれ, 酸素感も改善することから, 最も侵襲性の低い肺リクルートメント療法であると考えられているしかし, 急性呼吸窮迫症候群の重症例など呼吸努力の特に強い症例では, 肺保護換気戦略に則ってプラトー圧を制限したとしても経肺圧が増加し, 人工呼吸器関連肺傷害の危険因子となり得ることが多数報告されているまた, そのような症例に対し, 肺保護換気戦略に従って 1 回換気量を制限したとしても, pendelluft 現象により肺局所の過伸展から肺損傷を引き起こす可能性がある呼吸努力を最小限に抑えた自発呼吸の温存または, 筋弛緩による full support は症例ごとの呼吸状態を慎重に見極めることで, 一連の管理方法となり得ると考える Key words: 1spontaneous breathing, 2mechanical ventilation, 3acute respiratory distress syndrome, 4 ventilator-induced lung injury Ⅰ. はじめに 1950 年代に陽圧換気用人工呼吸器が開発され, 呼吸不全患者に対する機械的人工呼吸法の適応は急速に拡大した陽圧人工呼吸下では人工呼吸器関連肺傷害など呼吸器関連合併症の予防に焦点をあてた肺保護換気戦略が主流となっており 1) 4), 人工呼吸中の自発呼吸の温存は肺機能の改善や呼吸筋の廃用症候群などの合併症の予防に有益と考えられてきた 5) 8) Ⅱ. 人工呼吸管理中に肺にかかるstress 人工呼吸器による陽圧の気道内圧は, 肺胞と胸郭の両方を拡張させることにより1 回換気量が確保されるつまり, 人工呼吸管理中に肺胞が伸展 / 虚脱するためにかかる stress は肺胞内圧から胸膜圧を引いた経肺胞圧が最も適切な生理学的用語となる気流がない状態では気道抵抗に対する圧がゼロとなり経肺胞圧は経肺圧 (= 気道内圧胸膜圧 ) と等しくなることから, 人工呼吸管理中の肺の伸展 / 虚脱に作用するstressは経肺圧で評価することができる 9) 2010 年 Brielらにより重症急性呼吸窮迫症候群 (acute respiratory distress syndrome, ARDS) 患者では高い PEEP 設定が院内死亡率を低下させることが報告され 10), 個々の症例に適したPEEP 設定の重要性が再認識された前述の式に従えば, 適切な呼吸器設定の決定に際し, 症例ごとの胸膜圧の同定が重要となる胸膜圧の測定方法では,1949 年にBuytendijkは食道内圧が胸膜圧の代用になり得ることを初めて報告した 11) その後, 呼吸生理学的研究分野において, 食道内圧は胸膜圧の代替として長きにわたり頻用されてきたしかし, 食道内圧の測定には専用の食道内バルーンの挿入が必要であり, 留置位置の調節など手技の煩雑さなどから, 臨床現場ではほとんど使用されていなかった近年, Prof. Laurent Brochardを中心としたworking group 大阪大学医学部附属病院集中治療部 ( 大阪府吹田市山田丘 2-15) 受付日 2017 年 12 月 11 日 *2 Keenan Research Centre, Li Ka Shing Knowledge Institute, St. Michael s Hospital 採択日 2018 年 1 月 5 日 (30 Bond street Toronto, ON, M5B IW8, Canada) *3 Interdepartmental Division of Critical Care Medicine, University of Toronto (190 Elizabeth street R. Fraser Elliott Building, Tronto, ON M5G 2C4, Canada) 大阪大学大学院医学系研究科麻酔集中治療医学講座 ( 大阪府吹田市山田丘 2-2) -243-

2 日集中医誌 J Jpn Soc Intensive Care Med Vol. 25 No. 4 (a) (b) Paw +30 Paw +30 Ppl +10 PCap +12 Interstitial fluid Ppl -20 PCap +8 Fig. 1 Spontaneous effort and transpulmonary and transvascular pressures During a mechanical breath(a), the transpulmonary pressure(paw Ppl=PL)distending the lung is + 20(30 10); the pulmonary blood vessels are compressed by the positive-pressure breath and the transvascular pressure(pcap Ppl)is low(assume 12 10=2). When spontaneous effort is added(b), the PL(30+20=+50)is greater, thereby increasing the VT and causing lung injury. In addition, the negative Ppl( 20)distends the pulmonary blood vessels and increases perfusion; the transvascular pressure is greater(assume 8 20=+28), increasing fluid shift to the interstitium. In the presence of injury, permeability(and therefore propensity to alveolar edema)is increased. Paw, airway pressure; Pcap, capillary hydrostatic pressure; Ppl, pleural pressure. Reprinted with permission of the American Thoracic Society. Copyright 2017 American Thoracic Society. Cite: Yoshida T, Fujino Y, Amato MB, Kavanagh BP/ 2017 /Fifty Years of Research in ARDS. Spontaneous Breathing during Mechanical Ventilation. Risks, Mechanisms, and Management./ Am J Respir Crit Care Med. / 195 / (PLeUral pressure working Group, PLUG) が, ベッドサイドでの正確な食道内圧測定の普及に努めている 12) Ⅲ. 人工呼吸管理中の自発呼吸が及ぼす生理的変化 1) 経肺圧の上昇自発呼吸がなければ気道内圧の陽圧の一部は胸郭の伸展に消費されるため, 経肺圧が気道内圧を上回ることはない肺保護戦略の観点に立てば, 気道内圧 ( プラトー圧 ) の制限によって経肺圧が下がり, 肺損傷の riskを回避することが可能となるしかし, 人工呼吸管理中に自発呼吸努力が生じると, 横隔膜をはじめとした呼吸筋の能動的な収縮により胸郭は自発的に拡がるため, 胸膜圧は陰性化し経肺圧は上昇する12) 14) (Fig. 1) 2)Pendelluft 現象正常肺では人工呼吸器や自発呼吸により発生した陽性または陰性の胸膜圧変化は瞬時に肺表面全体に均一に伝播され, 肺尖部, 腹側肺, 背側肺, それぞれの部位での変化値は等しくなることが多くの肺生理学実験で示されている ( 肺のfluid-like behavior) 一方, ブタの急性肺傷害モデルでは, 肺局所表面の胸膜圧変化は不均一であることが示された 15),16) (Fig. 2) すなわち, 急性肺傷害モデルでは, 人工呼吸管理中の自発呼吸により横隔膜周囲で発生した陰圧の胸膜圧は背側領域により重点的に伝播され, 背側と腹側の肺領域に非常に大きな胸膜圧の圧較差を生じていた ( 胸膜圧変化値の背側領域 vs. 腹側領域 ; 13±4.0 cmh2o vs. 6.4 ±3.8 cmh2o) 16) これは, 肺血流の増加した部位 (dependent lung) や浸出液炎症細胞で肺胞が満たされた部位では胸膜圧変化の伝播様式が固体様に変化することを意味している ( 肺のsolid-like behavior) 肺領域間での胸膜圧変化の不均衡は, 吸気フローの不均衡 ( 胸膜圧の低い背側肺に吸気フローが流入する ) だけでなく, 腹側肺から背側肺への空気の移動 (pendelluft 現象 ) を引き起こすこれにより吸気相に腹側肺が虚脱, 背側肺は過膨張することになる 3) 肺循環血液量の増加自発呼吸により生じる胸腔内の陰圧は, 静脈還流の増加と肺血管の拡張による前負荷の増大と後負荷の軽 -244-

3 人工呼吸管理中の自発呼吸の功罪 (a) (b) (c) Pes Ppl (Global) (Regional) (cmh2o) (Sec) (Sec) Fig. 2 Spontaneous effort and distribution of regional ventilation and pleural pressure Dynamic computed tomographic scan in end-expiration(a)demonstrates that the aerated lung(blue)is nondependent, while the dependent lung is densely atelectatic(red). At end-inspiration during a spontaneous breath(b), there is little change in the nondependent aerated lung(blue); the dependent lung, previously densely atelectatic (red), is now partially aerated(green/red)(i.e., tidal recruitment). The inspiratory pleural pressure traces(c), measured at the arrow tips, show the negative deflections( swings )in regional Ppl and global Pes during inspiration. However, the swing in regional Ppl is greater(by twofold)than the swing in Pes, indicating that diaphragm contraction results in greater distending pressure applied to the regional lung near the diaphragm, compared with the pressure transmitted to the remainder of the lung(i.e., Pes). A, anterior; HU, Hounsfield units; I, inferior; L, left; P, posterior; Pes, esophageal pressure; Ppl, pleural pressure; R, right. Reprinted with permission of the American Thoracic Society. Copyright 2017 American Thoracic Society. Cite: Yoshida T, Fujino Y, Amato MB, Kavanagh BP/ 2017 /Fifty Years of Research in ARDS. Spontaneous Breathing during Mechanical Ventilation. Risks, Mechanisms, and Management./ Am J Respir Crit Care Med. / 195 / 減により肺循環血液量は増加する 17),18) Ⅳ. 自発呼吸を温存するメリットとデメリット 1) メリット呼吸筋の活動により生じた陰圧の胸膜圧は均一に肺表面に伝播し, 経肺圧を増加させるこのため, 低い気道内圧で肺リクルートメントを促すことが可能となり, 呼気終末肺容量の維持, すなわち無気肺の予防に効果的である 19) また, 横隔膜の筋緊張は腹圧による胸腔 ( 呼吸器系 ) への圧迫を軽減するこのように自発呼吸を温存した人工呼吸管理は最も侵襲性の低い肺リクルートメントとなる 19) 横隔膜の収縮は dependent lung である背側領域優位の換気を促すため, 換気血流ミスマッチ (V /Q ミスマッチ ) の改善にも寄与する同時に肺血流量増加も促すため酸素化の改善に大きく貢献する 5),6) また, 呼吸筋の周期的な緊張と弛緩は, 呼吸筋の機能不全や廃用症候群の予防となるこれらの理由により, 人工呼吸中に自発呼吸を温存することは古くから推奨されてきた 5),6),8),20) 例えば mild moderate ARDS では自発呼吸を温存することで, ガス交換と含気分布が改善すると多数報告されている 6),13),15),21),22) 2001 年にPutensenらは急性肺損傷症例において, 自発呼吸を温存した人工呼吸群でICU 滞在日数も短縮することを報告している 6) したがって, 正常重症度の高くない肺傷害症例では自発呼吸は温存されるべきであるしかし, これまで報告された基礎および臨床研究の多くは, 重症肺傷害の症例を除外していることに留意する必要がある 2) デメリット人工呼吸管理中の自発呼吸の存在は前述の通り, 肺コンプライアンスを改善させるしかし, 重症肺傷害症例では自発呼吸努力の存在は必ずしもメリットとはならない重症肺傷害症例において肺保護換気戦略に則って気道内圧 ( プラトー圧 ) を低く管理していたとしても, 呼吸困難感などにより強い呼吸努力から胸膜圧に過度な陰性変化が生じた場合, 経肺圧は非常に高くなり肺損傷が悪化する可能性がある 13),23) 過剰な呼吸努力は,CO2 貯留, アシドーシス, 低酸素血症, 痛み, 発熱, 全身または肺血管の炎症などの際に認めやすく, 臨床的にはsevere ARDSの病態を呈していることが多い YoshidaらはウサギARDSモデルを用いて人工呼吸中の気道内圧 ( プラトー圧 ) を制限しても, 強い自発呼吸によって病理組織学的肺損傷の悪化と -245-

4 日集中医誌 J Jpn Soc Intensive Care Med Vol. 25 No. 4 CT 画像による consolidation の増加を認めたと報告している 13),23) さらに肺保護換気戦略に従って1 回換気量を制限した場合, 人工呼吸管理中の自発呼吸努力は pendelluft 現象を惹起するため, 肺局所の過伸展が生じる可能性がある 16) Pendelluft 現象はブタを用いた実験だけでなく, 術後 ARDS 患者においても確認されているが, pendelluft 現象が肺傷害の直接の誘引となることは未だ証明されていないしかし, 短時間で虚脱と過伸展が入れ替わることは肺に悪影響を及ぼしているものと推察される最後に過剰な呼吸努力は, 吸気筋だけでなく呼気筋にも過剰収縮をもたらすこの結果, 呼気時に横隔膜の頭側シフトと胸膜圧の上昇が生じ, 呼気時経肺圧は低下するこの結果, 呼気時肺容量の減少すなわち肺胞の虚脱や低酸素血症が起こる可能性がある 24) これらの理由から, 人工呼吸管理中は過度な自発呼吸努力を避けることが, 人工呼吸器関連肺傷害の予防, すなわち肺保護換気戦略に効果的な方法となる Ⅴ. 人工呼吸器設定に関する推奨方法人工呼吸管理中の自発呼吸努力が強くなるほど, 肺損傷の危険性は高まるつまり, 肺損傷を予防する最善の方法は呼吸努力の強度を最小限に抑えることであるそして, 過度な自発呼吸努力が存在する場合に筋弛緩により自発呼吸を抑えることは, 肺保護換気戦略に最適な方法となる 2010 年にPapazianらは, 重症 ARDS 症例 (PaO2/FIO2<120 mmhg) の早期に48 時間筋弛緩薬を投与した群では非投与群と比較して生存率が13.8% 上昇しただけでなく, 圧損傷の発生頻度も低下したと報告している 25) 十分な鎮静と鎮痛,CO2 の貯留を防ぎ, アシドーシスを補正することによっても呼吸努力は軽減される 1 回換気量を制限することは必ずしも推奨しないなぜなら1 回換気量の減少は, 特に従量式呼吸器設定の場合には, 呼吸努力の強度を上げる可能性があるからである過度の呼吸努力は pendelluft 現象を増悪し, 局所の圧損傷を引き起こすだけではなく, 含気肺から背側の無気肺領域へのガス移動に伴い, 肺野全体としては 1 回換気量が減少する可能性もある患者と人工呼吸器の同調性を保つことは, 非常に重要である従量式 (volume control) 換気では自発呼吸と人工呼吸器が非同期を生じやすく, 呼吸努力が過度となりダブルトリガ (double triggering) を起こしやすくなる鎮静や鎮痛を増やすよりも呼吸器設定を見直して, 従圧式 (pressure control) または圧補助 (pressure support) モードに切り替えるほうが, ダブルトリガの予防に有効な場合もある 26) 28) 最後に, 肺リクルートメントと十分なPEEPは肺コンプライアンスを改善し, 呼吸努力の強度を低下させる可能性がある 15) コンプライアンスの改善は肺の solid-like behavior 軽減をもたらし, 呼吸努力強度の低下やpendelluft 現象の抑制にも効果があると考えられる 16) また, 肺リクルートメントによって機能的残気量を増やすことができれば, 横隔膜の形態は平坦に近づき, 横隔膜の筋繊維長が短縮し収縮力は減弱する 29) ため, 胸膜圧を減弱しpendelluft 現象を緩和する可能性がある 15) Ⅵ. 結語人工呼吸管理中の自発呼吸の存在には一長一短があるが, 自発呼吸を温存するpartial ventilatory support と筋弛緩により自発呼吸を完全に抑制するfull ventilatory supportは決して相反する治療法ではなく, ARDSの重症度と肺保護換気戦略に基づいてどちらも選択され得る呼吸管理である人工呼吸管理中の自発呼吸温存の問題点は, 自発呼吸の強度, 経肺圧, pendelluft 現象の発生の有無など通常のモニターでは予測困難なものであるため, 過剰な自発呼吸努力の発生を避けた人工呼吸器管理を目指す必要がある利益相反の開示吉田健史はSociety of Emergency and Critical Care MedicineおよびTaiwan Society of Critical Care Medicine より講演料を得ているまた,Restracomp より研究費を得ているその他の著者には規定された利益相反 (conflict of interest, COI) はない文献 1) Brower RG, Fessler HE. Mechanical ventilation in acute lung injury and acute respiratory distress syndrome. Clin Chest Med 2000;21: viii. 2) Brower RG, Ware LB, Berthiaume Y, et al. Treatment of ARDS. Chest 2001;120: ) Amato MB, Barbas CS, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 1998;338: ) Acute Respiratory Distress Syndrome Network, Brower RG, Matthay MA, et al. Ventilation with lower tidal volumes compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000;342:

5 人工呼吸管理中の自発呼吸の功罪 5) Stock MC, Downs JB, Frolicher DA. Airway pressure release ventilation. Crit Care Med 1987;15: ) Putensen C, Zech S, Wrigge H, et al. Long-term effects of spontaneous breathing during ventilatory support in patients with acute lung injury. Am J Respir Crit Care Med 2001;164: ) Levine S, Nguyen T, Taylor N, et al. Rapid disuse atrophy of diaphragm fibers in mechanically ventilated humans. N Engl J Med 2008;358: ) Esteban A, Frutos-Vivar F, Muriel A, et al. Evolution of mortality over time in patients receiving mechanical ventilation. Am J Respir Crit Care Med 2013;188: ) Talmor D, Sarge T, O Donnell CR, et al. Esophageal and transpulmonary pressures in acute respiratory failure. Crit Care Med 2006;34: ) Briel M, Meade M, Mercat A, et al. Higher vs lower positive end-expiratory pressure in patients with acute lung injury and acute respiratory distress syndrome: systematic review and meta-analysis. JAMA 2010;303: ) Buytendijk JH. Intraesophageal pressure and lung elasticity [thesis]. Groningen, the Netherlands: University of Groningen; ) Akoumianaki E, Maggiore SM, Valenza F, et al; PLUG Working Group (Acute Respiratory Failure Section of the European Society of Intensive Care Medicine). The application of esophageal pressure measurement in patients with respiratory failure. Am J Respir Crit Care Med 2014;189: ) Yoshida T, Uchiyama A, Matsuura N, et al. Spontaneous breathing during lung-protective ventilation in an experimental acute lung injury model: high transpulmonary pressure associated with strong spontaneous breathing effort may worsen lung injury. Crit Care Med 2012;40: ) Yoshida T, Uchiyama A, Fujino Y. The role of spontaneous effort during mechanical ventilation: normal lung versus injured lung. J Intensive Care 2015;3:18. 15) Yoshida T, Roldan R, Beraldo MA, et al. Spontaneous effort during mechanical ventilation: maximal injury with less positive end-expiratory pressure. Crit Care Med 2016;44:e ) Yoshida T, Torsani V, Gomes S, et al. Spontaneous effort causes occult pendelluft during mechanical ventilation. Am J Respir Crit Care Med 2013;188: ) Mauri T, Yoshida T, Bellani G, et al; PLeUral pressure working Group (PLUG--Acute Respiratory Failure section of the European Society of Intensive Care Medicine). Esophageal and transpulmonary pressure in the clinical setting: meaning, usefulness and perspectives. Intensive Care Med 2016;42: ) Eckstein JW, Hamilton WK. Changes in transmural central venous pressure in man during hyperventilation. J Clin Invest 1958;37: ) Keenan JC, Formenti P, Marini JJ. Lung recruitment in acute respiratory distress syndrome: what is the best strategy?. Curr Opin Crit Care 2014;20: ) Marini JJ. Spontaneously regulated vs. controlled ventilation of acute lung injury/acute respiratory distress syndrome. Curr Opin Crit Care 2011;17: ) Wrigge H, Zinserling J, Neumann P, et al. Spontaneous breathing improves lung aeration in oleic acid-induced lung injury. Anesthesiology 2003;99: ) Hering R, Peters D, Zinserling J, et al. Effects of spontaneous breathing during airway pressure release ventilation on renal perfusion and function in patients with acute lung injury. Intensive Care Med 2002;28: ) Yoshida T, Uchiyama A, Matsuura N, et al. The comparison of spontaneous breathing and muscle paralysis in two different severities of experimental lung injury. Crit Care Med 2013;41: ) Coggeshall JW, Marini JJ, Newman JH. Improved oxygenation after muscle relaxation in adult respiratory distress syndrome. Arch Intern Med 1985;145: ) Papazian L, Forel JM, Gacouin A, et al; ACURASYS Study Investigators. Neuromuscular blockers in early acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2010;363: ) Kallet RH, Alonso JA, Luce JM, et al. Exacerbation of acute pulmonary edema during assisted mechanical ventilation using a low-tidal volume, lung-protective ventilator strategy. Chest 1999;116: ) Pohlman MC, McCallister KE, Schweickert WD, et al. Excessive tidal volume from breath stacking during lungprotective ventilation for acute lung injury. Crit Care Med 2008;36: ) Chanques G, Kress JP, Pohlman A, et al. Impact of ventilator adjustment and sedation-analgesia practices on severe asynchrony in patients ventilated in assist-control mode. Crit Care Med 2013;41: ) Pengelly LD, Alderson AM, Milic-Emili J. Mechanics of the diaphragm. J Appl Physiol 1971;30:

6 日集中医誌 J Jpn Soc Intensive Care Med Vol. 25 No. 4 Abstract Pro and Cons of spontaneous breathing during mechanical ventilation Hironori Ebishima, Takeshi Yoshida *2, 3, Akinori Uchiyama Intensive Care Unit, Osaka University Hospital *2 Keenan Research Centre, Li Ka Shing Knowledge Institute, St. Michael s Hospital *3 Interdepartmental Division of Critical Care Medicine, University of Toronto Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Osaka University Graduate School of Medicine 2-15 Yamadaoka, Suita, Osaka , Japan *2 30 Bond street Toronto, ON, M5B IW8, Canada *3 190 Elizabeth street R. Fraser Elliott Building, Tronto, ON M5G 2C4, Canada 2-2 Yamadaoka, Suita, Osaka , Japan Spontaneous breathing during mechanical ventilation has long been recognized as beneficial, since spontaneous breathing increases aeration and oxygenation and preserves diaphragmatic muscle function. Spontaneous effort also reduces the pleural pressure and increases the transpulmonary pressure. Unlike the situation in normal lungs, however, the change in transpulmonary pressure is not uniformly transmitted in injured lungs, resulting in the pendelluft phenomenon. Clinical data suggest that the vigorous effort of spontaneous breathing may cause or worsen acute lung injury by increasing the transpulmonary pressure and pendelluft phenomenon. Ventilator strategies for patients with acute respiratory distress syndrome with and without spontaneous breathing should not be conflicting, but rather compatible, if spontaneous effort is adequately controlled. Key words: 1 spontaneous breathing, 2mechanical ventilation, 3 acute respiratory distress syndrome, 4 ventilatorinduced lung injury J Jpn Soc Intensive Care Med 2018;25:

の筋弛緩剤投与の理論的根拠となっているさらに筋弛緩剤投与以外で自発呼吸関連肺傷害を軽減させる治療方法として PEEP 付加を発見した (Yoshida T, et al. Am J Respir and Crit Care Med 2018) PEEP 付加により横隔膜の湾曲をより平坦にすること

の筋弛緩剤投与の理論的根拠となっているさらに筋弛緩剤投与以外で自発呼吸関連肺傷害を軽減させる治療方法として PEEP 付加を発見した (Yoshida T, et al. Am J Respir and Crit Care Med 2018) PEEP 付加により横隔膜の湾曲をより平坦にすること専門分野集中治療人工呼吸管理肺生理学 Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS- 急性呼吸促迫症候群 ) Ventilator Induced Lung Injury (VILI- 人工呼吸器関連肺傷害 ) Lung Imaging (dynamic CT EIT) 食道バルーン管理 ( 経肺圧管理及び不同調管理 ) 横隔膜電気活動モニタリング (EAdi)