1) Classification of Ventilator
인공 호흡기는 양압을 발생시켜 환자의 폐에 공기를 불어넣어 주는 기계로 환기 양식은 control variable에 따라 volume control (VCV)와 pressure control ventilation(PCV)로 구분하고, phase variable에 따라 controlled mandatory ventilation(CMV), assist controlled mandatory ventilation (ACMV), intermittent mandatory ventilation (IMV), synchronized intermittent mandatory, spontaneous ventilation으로 구분할 수 있다.
(1) Controlled Variables
호흡기가 발생하는 output이 pressure, volume, flow(time)이며, 이 중 한 가지 변수만이 주위 여러 여건에 대해 변하지 않고 일정하게 유지되도록 설정된다.
Controlled variable은 환자의 유순도와 저항에 따라 영향 받지 않고 일정하게 유지된다.
① Variables : Pressure, Volume, Flow(time)
② Parameters : Compliance, Resistance
예를 들어 pressure control ventilator (PCV)에서는 pressure가 독립변수가 되어 환자의 유순도나 저항에 의해 변하지 않으나, volume과 flow는 호흡기계의 유순도와 저항에 따라 변한다.
(2) Phase Variables
인공 호흡기의 호흡주기는 흡기를 시작, 유지, 종료시키는 변수를 말하며 4 phase로 구분된다.
① Trigger : 호기에서 흡기로 변화 (start)
② Limit : 흡기 지속 (sustain)
③ Cycle : 흡기에서 호기로 변화 (end)
④ Base : 호기
대부분의 인공 호흡기는 time이나 pressure (flow)를 trigger variable로 사용한다.
흡기가 시작되면서 pressure, volume, flow가 차차 증가하는데, 이들 중 하나나 그 이상의 변수가 정해진 수치 이상 더 증가하지 않는 변수를 limit variable(target)이라 한다. limit variable에 도달했더라도 흡기가 끝나는 것은 아니다.
pressure, volume, flow, time 중 어느 변수 하나라도 미리 정한 수치에서 도달하면 흡기가 끝나는 것을 cycle variable이라 한다. Pressure-support ventilation에서 cycle은 flow가 되고, volume ventilation인 경우 cycle은 volume이나 time이 되며, Pressure ventilation에서의 cycle은 time이 된다.
2) Breath Types during Mechanical Ventilation
(1) Mandatory Breath
Ventilator에 의해 trigger, limit, cycle이 이루어지는 mechine-cycled breath이다.
(2) Assisted Breath
환자에 의해 trigger되며 ventilator에 의해 limit, cycle이 이루어지는 machine - cycled breath이다.
(3) Spontaneous Breath
환자에 의해 trigger, limit, cycle이 이루어지는 patient-cycled breath이다.
3) Specific Ventilation Modes
(1) CMV (Controlled Mechanical Ventilation)
CMV는 호흡능력이 없는 환자에게 적용되는 mode로 ventilator가 환자의 호흡을 완벽하게 통제한다. 정해진 호흡 횟수, tidal volume 또는 minute volume 대로 환자의 호흡 능력과 관계없이 인위적인 호흡이 이루어진다. 스스로 호흡할 수 없는 환자에게는 완벽한 ventilation을 보장해 주기 때문에 완전히 마비되었거나 호흡이 없는 환자에게 적용된다.
Volume-controlled ventilaton, pressure-controlled ventilation이 있다.
① PCV(Pressure Controlled Ventilaton)
PCV mode는 설정된 airway pressure가 흡기의 목표인 환기 양식으로 정해진 흡기에 도달할 때까지 흡기 시간은 일정하게 유지된다 (Time-triggerd, Pressure-limited, time-cycled). Airway pressure와 lung compliance에 따라 flow가 바뀌어, 정상적으로는 호흡 시작시에 flow가 높아지고, 흡기 마지막 순간에는 “0”까지 떨어진다.
* 장점 1) 기도압력을 설정하여 최대기도압을 제한하므로 baro-trauma를 예방할 수 있다.
2) Decelerating flow pattern을 사용하여 흡기 기간중 일정한 기도압 유지로 폐포들을 재확장(recruitment)시키고 산소화를 향상시킬 수 있다.
* 단점 1) 일회 호흡량이 일정하지 않다.
2) 환자 호흡과 마찰이 있을 수 있다.
3) 평균 기도압 상승: barotrauma 증가, venous return 감소.
② VCV(volume Controlled Ventilation)
CMV mode에서 설정된 일회호흡용적이 흡기의 목표인 환기 양식으로 정해진 시간동안 일정한 flow로 초기 설정된 volume을 전달한다. (Time-triggered, Flow-triggered, Volume-cycled)
* 장점 1) 정해진 일회호흡량 유지로 환자의 lung상태와 상관없이 lung volume 유지
2) 간단하고 신뢰할 수 있다.
* 단점 1) 과도한 기도 압력의 발생으로 barotrauma 발생 가능성이 높다.
2) 환자 호흡과 마찰이 있을 수 있다.
3) 호흡성 알칼로시스 유발
(2) ACV(Assist Control Ventilation)
ACV에서 ventilation은 환자의 inspiratory effort를 감지하여 inspiration을 유도하도록 조절된다. 일단 환자가 inspiratory effort(trigger)로 ventilator의 시동을 걸게 되면 정해진 만큼의 gas가 환자에게 전달된다. 환자가 ventilator를 시동 걸 능력이 없는 경우 정해진 횟수로 controlled mode로 되돌아간다.
Trigger에는 Pressure triggered와 flow triggered가 있다. Pressure-triggered는 inspiration을 시작시키는 것이 pressure의 변화라는 것을 말한다. 즉, 환자의 respiratory effort가 있으면 ventilator circuit 내에는 음압이 걸리게 되며 ventilator는 이 음압을 inspiration을 시작시키는 variable로 사용한다. Flow triggered는 환자의 expiration시의 circuit내의 flow를 감지하여 inspiration을 시작시키는 variable로 사용된다.
Assist mode로 인공 호흡을 하고 있는 경우에 환자에 의해 trigger된 inspiration이 언제 expiration으로 되는가는 Control mode에서와 마찬가지로 tidal volume
(inspiration pressure)과 flow rate(I:E ratio)를 결정해 주어야 한다.
(3) IMV(Intermittent Mandatory ventilation)
인공 호흡기에 의한 일정수의 강제 호흡(controlled mandatory breath)외에 환자의 자발 호흡을 허용하는 것으로 환자의 자발호흡이 있는 상태에서 가끔 한번씩(일정 시간이 지난 후-time trigger) 인공 호흡기가 호흡을 해주는 양식이다.
SIMV(Synchronized Intermittent mandatory Ventilation)
SIMV는 IMV와 비슷하나 환자의 흡기 노력이 있을 때 (trigger) 환자의 호흡에 맞추어 기계 호흡을 전달해주고 만약 호흡이 없다면 강제 호흡을 시행하는 것이다.
(Patient-trigger ; Pressure-trigger or Flow-trigger)
Spontaneous breath와 mechanical breath의 전환은 controlled variable에 의한다. 예를 들어 SIMV 6회를 원한다면 이 환자는 10초에 1번씩 mechanical breath를 받는 것이며 이 10초가 fundamental time period가 된다. 첫 번째 fundamental time period가 시작되면 첫 번째 자발 호흡에서 mechanical breath(assist/control mode)가 한번 작동되며 fundamental time period 시작 후 10초 동안에는 assist control mode는 작동이 중단된다.
* 장점 1) 호흡성 알칼리증 방지
2) 근이완제 및 수면제 사용 감소
3) 낮은 평균 기도압 유지
4) 폐의 환기/관류비(V/Q ratio) 개선
5) Weaning 촉진
6) 호흡근 위축 방지
7) 심장 기능의 대상실조 (decompensation) 가능성 감소
: 흉곽 내압 증가 완화로 정맥환류 유지
동맥압 증가 전도를 줄여서 우심실 afterload 증가로 축소시킨다.
* 단점 1) 이산화탄소 증가 위험성 (호흡성 산증 유발 가능성 증가)
2) 호흡일의 증가
3) 호흡근 피로
4) 심장 기능의 대상실조 가능성 증가
: 심실기능이 저하되어 있는 환자에서 정맥환류 유지로 폐부종, 심부전증의 위험성이 있으며 이때 흉곽내압의 감소는 좌심실의 afterload를 증가시킬 수 있다.
(4) PSV (Pressure Support Ventilation)
PSV는 흡기 시작이 환자가 trigger하는 자발 호흡에 의해 유발되고 정해진 inspiratory flow에 도달하면 흡기가 끝난다. 호흡 수, 흡기 시간, tidal volume이 모두 환자에 의해 이루어진다 (patient-triggered, pressure-limited, flow-cycled). 호흡은 근위 기도에서 pressure or flow trigger에 의해 시작된다. 환자의 흡기 노력으로 시작하여 미리 정한 흡기압 정도까지 도움을 받는 것이다.
최소한의 inspiratory flow가 있는 한 airway pressure를 어느 정도 유지시켜 줌으로써 환자의 자가 호흡을 증진시켜주는 방법으로 흡기시에만 pressure가 주어지고 흡기유량이 정해진 정도이하로 감소되면 호기가 시작된다(flow cycling mechanism).
PSV mode는 SIMV, CPAP mode등과 함께 setting된다.
* 장점 ① 환자의 편안함
② 환자와 호흡기간의 synchrony를 개선
③ 호흡일 감소
④ 혈역학적 효과 없음.
⑤ Weaning의 촉진
⑥ Extubation 가능성 여부 확인
⑦ Sedation의 필요성 감소
* 단점 ① 인공 호흡기 종류마다 PSV delivery의 variation이 크다.
② 호흡 회로가 새는 경우 지속적인 흡기압 보조
③ 저환기 - 저항의 증가나 혹은 유순도 감소
- 호흡 드라이브의 변동시
④ 호흡 역학 감시가 어렵다.
(5) CPAP (Continuous Positive Airway Pressure)
CPAP은 환자가 base line으로 상승된 양압에서 자발적 호흡을 하는 것으로, 이는 환자 자신의 호흡에 따라 적용하는 것과 같으며, functional residual capacity를 증가시키는 효과가 있다. Oxygenation 유지를 위하여 positive pressure는 필요하지만 mechanical ventilation은 필요하지 않는 경우에 사용된다.
(6) VSV (Volume Support Ventilation)
VSV는 환자가 자발 호흡은 있으나 호흡능력이 충분하지 않을 때 적용하는 방식이다. 인공 호흡기는 기대되는 자발 호흡 횟수와 최소한의 tidal volume을 설정한다. VSV는 연속되는 각 호흡마다 흡기 압력을 이전 호흡에서 선정된 목표 tidal volume치와 비교하여 계산되어 나온 volume/pressure에 맞춰 조절한다.
Limit는 normal pressure보다 10-20cmH2O 정도 높게 setting한다.
(7) PRVC (Pressure-Regulated Volume Control)
PRVC는 환자의 자발 호흡이 없을 때 시행되는 것으로 일정 압력 범위 내에서 가장 낮은 pressure로 주어진 target volume을 제공할 수 있는 방법이다.
PRVC mode를 사용하려면 호흡 횟수, 흡기 시간, tidal / minute volume과 같은 control value를 결정해 주어야 한다.
인공 호흡기는 4회 연속 호흡의 test breath 과정부터 시작한다. 연속되는 각 호흡마다 이전 호흡에서 결정된 target tidal / minute volume치와 비교하여, 계산되어 나온 volume / pressure에 따라 흡기 압력을 조절한다.
First breath는 5cmH2O의 inspiratory pressure로 적당량의 volume을 전달하여 호흡 기계의 compliance를 계산한다. 그 다음 3번의 breath는 앞서 계산된 compliance에 의거하여 set target volume을 제공하는 데 필요한 pressure의 75%로 기계 호흡을 시행한다. 그 후에는 매 inspiratory마다 pressure를 3cmH2O씩 증가시키면서 set tidal volume이 전달되도록 유지시킨다.
만약 환자의 상태가 호전되어 그 pressure에서 volume이 set target volume보다 많아지면 inspiratory pressure를 3cmH2O씩 감소하면서 set target volume이 전달되는 최소한의 pressure를 찾아내어 기계 호흡을 시킨다.
(8) Bilevel Pressure Assist
Non-Invasive ventilation(via nasal or facial cannular)로 부분적 보조를 해 주는 방식이다. Blower는 높은 gas flow를 발생한다. 환자의 노력이나 호흡 수 셋팅에 반응하여 EPAP(PEEP)에서 IPAP(PS)으로 호흡기가 작동하며 IPAP에서 EPAP는 제조업자가 정해놓은 역치 이하로 흡기 flow가 감소하거나 정해놓은 시간에 따라 작동한다.
T-can 통해 적용시 상기도를 거치지 않으므로 가온 가습기가 반드시 구비되어야 한다.
(9) Proportional Assist Ventilation
새로운 형태의 호흡 보조 방식이다.
환자의 노력에 따라 자유롭게 gas flow를 돕는다.
근위 기도에서 pressure, flow, volume등의 호흡기에 의해 증폭된다.
(10) Airway Pressure Release Ventilation
CPAP의 2 level (Inspiration pressure, Expiration pressure)을 시간 간격 (High time, Low time)과 함께 설정한다. 이는 자발적 호흡이 두 수준에서 발생하도록 한다.
(11) Mandatory Minute Ventilation
자발적 호흡을 하는 환자에게 적용하는 mode이며 최소한으로 설정한 수준은 맞추도록 한다. 호흡기는 환자의 minute ventilation을 모니터링하여, 환자의 자발적 호흡이 변화하는 것에 대해 자동적으로 조절한다. 환자 호흡량은 PSV나 mandatory ventilation을 통해 조정한다.
MMV에서는 high-respiration rate에 대한 alarm 설정을 잘해 놓아야 한다.
예를 들어, minute volume이 6ℓ인 환자의 경우 tidal volume 0.6ℓ × RR 10회/분이나, tidal volume 0.15ℓ×40회/분의 두 가지 경우가 모두 minute volume은 동일하다.
(12) Volume - Assured Pressure Support
VAPS는 최소한의 tidal volume을 보장하는 mode이다. 최소한의 tidal volume을 설정하지 않으면 pressure는 증가하고, flow는 원하는 tidal volume에 도달할 때까지 지속적으로 공급될 것이다.
(13) BIPAP (Evita 2, Evita 4)
Pressure Controlled Ventilation 양식에 bilevel pressure (inspiration pressure, expiration pressure) 적용시 inspiration과 expiration시에 자발 호흡을 허용한다.