심화 1. 기계환기

(1) 일회호흡량(tidal volume, V_T): 1회의 호흡 동안 폐에 들어갔다 나오는 공기의 부피

(2) 분당호흡량(minute ventilation, V_E): 1분 동안 호흡하는 공기의 부피 (= V_T × RR)

(3) 기도압력(airway pressure, P_AW): Ventilator 회로(circuit) 및 기도에 작용하는 공기의 압력

* 회로압력(circuit pressure, P_cir)이라고도 한다.

(4) 최고압력(peak pressure, P_peak): 1회의 호흡 동안의 P_AW의 최대치

(5) 고원압력(plateau pressure, P_plat): 흡기 종료 직전 더 이상의 inflow가 없을 때의 P_AW

(6) 호기말양압(positive end-expiratory pressure, PEEP): 호기가 종료될 때 폐포 허탈을 방지하기 위해 인공적으로 걸어주는 약한 양압

(7) I:E ratio: 1회의 호흡 동안 흡기와 호기의 지속시간의 비

(8) Volume-control: 미리 정해진 V_T를 매 호흡마다 일정하게 공급하는 기계환기 방법

• 이 경우 P_AW는 환자의 기도 저항, 폐 유순도(compliance)에 따라 달라지게 됨

* Flow-controlled라고도 부른다. Flow는 volume을 시간으로 나눈 단위이다.

(9) Pressure-control: 미리 정해진 P_AW를 매 호흡마다 일정하게 공급하는 기계환기 방법

• 이 경우 V_T는 환자의 기도 저항, 폐 유순도에 따라 달라지게 됨

(1) 진정제(sedative)

① 기관내 삽관 및 양압환기 자체가 매우 불편하므로 투여를 고려해야 함

② 단, 장기간 사용시 기계환기 기간을 불필요하게 늘릴 수 있음

ex) Etomidate, ketamine, propofol, dexmedetomidine, midazolam 등

(2) 신경근차단제(neuromuscular blockade)

① 호흡근의 O₂ demand가 너무 클 경우 이를 완전히 제거하기 위해 투여 고려

② 단, 장기간 사용시 호흡근을 약화시킬 수 있으며, 단기간 사용하더라도 반드시 진정제와 같이 투여해야 함

ex) Succinylcholine, vecuronium, rocuronium, cisatracurium 등

(1) 정해진 RR에 따라 환자의 자발호흡 유무와 관계없이 공기를 폐로 주입하는 모드

(2) 적응증: 환자의 자발호흡이 전혀 없을 때 (신경근차단제 투여 후 등)

(3) 장점: 환자의 호흡의 모든 부분을 의사가 조절할 수 있음

(4) 단점: 환자가 자발호흡이 있으면 심한 부조화(patient-ventilator dyssynchony)가 발생

(1) 정해진 RR(control) 또는 환자의 자발호흡(assist)에 따라 공기를 폐로 주입하는 모드

(2) 적응증: 환자의 자발호흡이 없거나 약할 때 (주로 기계환기 적용 초기)

(3) Volume assist-control ventilation(VACV): 공기 주입 시 정해진 V_T만큼의 공기만 주입함

① 장점: 최소한의 V_T를 보장함

② 단점: 폐 유순도가 낮으면 P_peak, P_plat이 증가해 barotrauma를 일으킬 수 있음

(4) Pressure assist-control ventilation(PACV): 공기 주입 시 정해진 P_AW를 유지하며 공기를 주입함

① 장점: Barotrauma가 적음(자발호흡이 없거나 약할 때)

② 단점: 기도 저항이 높거나 폐 유순도가 낮으면 V_T가 충분히 확보되지 않을 수 있음

* 또한, 환자가 자발호흡을 적극적으로 할 경우 흡기 시 P_AW가 낮아지게 되는데, PACV mode는 자발호흡을 감지하지 못하고 P_AW를 유지하기 위해 더 많은 공기를 주입하게 된다. 이러할 경우 오히려 지나치게 큰 V_T가 확보되어 폐 손상이 발생할 수 있다.

(1) 환자가 자발호흡을 시작하려는 것이 감지되는 순간 정해진 P_AW를 유지하며 공기를 주입하는 모드

* 위의 PACV와 유사하나, 환자가 자발호흡을 시도해야만 ventilator가 작동한다는 점에서 차이가 있다.

(2) 적응증: 환자의 자발호흡이 뚜렷이 있을 때 (주로 기계환기 중단을 검토할 때)

(3) 장점: Patient-ventilator synchrony 증진

① 흡기의 시작에 환자가 관여: 자발호흡이 시작될 때 P_AW가 순간적으로 낮아지는데, 이를 감지해 ventilator가 공기를 주입하기 시작함

② 흡기의 종료에 환자가 관여: 자발호흡이 종료될 때 air flow가 점점 낮아지는데, 일정 flow 이하로 감소하는 것이 감지되면 ventilator가 공기 주입을 중단함

(4) 단점: 자발호흡이 없거나 드물면 ventilator가 작동하지 않아 그대로 무호흡/저호흡(apnea/hypopnea) 발생

(1) 환자가 자발호흡이 없으면 CMV, 자발호흡이 있으면 PSV로 작동하는 모드

(2) 장점: PSV의 장점을 취하면서 apnea/hypopnea는 예방할 수 있음

(3) 단점: Ventilator 의존성 및 유지 기간을 연장시킨다는 연구 결과

(1) PACV와 유사하나, 정해진 P_AW를 주입하지 않고 희망하는 V_T에 따라 P_AW를 조절하는 모드

ex) 희망하는 V_T가 400 mL일 때, 직전 호흡에서 P_AW 20 cmH₂O를 적용한 결과가 V_T 360 mL였다면, 이번 호흡에서는 P_AW 23 cmH₂O를 적용해 V_T 400 mL를 맞추려고 함

(2) 장점: VACV와 PACV의 장점을 고루 취함

(3) 단점: 환자 상태에 따라 과도한 V_T가 확보되어 폐 손상이 발생할 수 있음

• PACV와 유사하나, minute ventilation만 입력하면 ventilator가 기도 저항 등을 계산해 폐에 최소한의 부하가 걸리는 V_T와 RR을 조절하는 모드

(1) 원인

① Endotracheal tube의 vocal cord 바깥으로의 이탈

② Endotracheal tube 또는 cuff의 파열:

③ Ventilator circuit의 leak

(2) Volume-control 중인 경우

① P_peak 감소: 흡기 도중 공기가 기도/폐가 아닌 다른 공간으로 새고 있으므로 압력 감소

② V_T 감소: 의도했던 V_T에서 일부 공기가 새어나가므로 실제로 폐로 전달되는 공기 부피 감소

(3) Pressure-control 중인 경우

① V_T 증가: Air leak가 있으므로 P_AW를 유지하기 위해서는 더 많은 공기를 주입해야 하므로 V_T 증가

② Expiratory flow가 baseline으로 돌아오지 않음: V_T가 증가해 호기 시간이 길어지며, 아직 호기가 진행 중일 때 흡기가 시작됨

(1) 원인

① 폐실질 이상: ARDS, 폐렴, 폐부종, 무기폐, 흡인 등

② 흉막 이상: 기흉, 흉막 삼출 등

③ Endotracheal tube의 끝이 trachea가 아닌 한쪽 main bronchus에 위치 (= one-lung ventilation)

(2) Volume-control 중인 경우

① P_peak 증가: 잘 팽창하지 않는 폐를 팽창시키기 위해 더 높은 압력이 필요함

② P_peak - P_plat 값 작음

* P_peak는 흡기가 진행 중인, 즉 폐가 팽창하고 있을 때의 기도 압력이므로 폐 유순도와 기도 저항 모두를 반영한다. 반면 P_plat은 흡기가 거의 끝난, 즉 폐의 팽창이 완료되었을 때(= 폐 안으로 들어가는 flow가 없을 때)의 기도 압력이므로 기도 저항 없이 폐 유순도만 반영한다. 따라서 P_peak - P_plat이 작다면, 즉 P_plat도 증가해 있다면, P_peak의 증가 이유가 기도 저항의 증가가 아닌 폐 유순도의 감소라고 추측할 수 있다.

(3) Pressure-control 중인 경우

① V_T 감소: 동일한 압력에 폐가 팽창하는 정도가 낮으므로 더 적은 양의 공기가 폐로 주입됨

② Expiratory flow가 빠르게 baseline으로 돌아옴: 유순도가 낮으면 탄력성(elasticity)이 높고, 호기가 빠르게 진행됨

(1) 원인

① 기도 폐쇄: Bronchospasm(COPD, 천식), endotracheal tube 꺾임, mucus plugging 등

② 기도 부종: Anaphylaxis, laryngeal edema 등

(2) Volume-control 중인 경우

① P_peak 증가: 기도 저항을 이겨내고 동일한 양의 공기를 주입하기 위해서는 더 높은 압력이 필요함

② P_peak - P_plat 값 큼: P_plat은 폐의 유순도만 반영하며 기도 저항은 반영하지 않으므로 상대적으로 정상

(3) Pressure-control 중인 경우

① V_T 감소: 기도 저항이 크면 시간당 주입되는 공기의 양(= flow)이 더 낮음

② Expiratory flow가 느리게 baseline으로 돌아옴: 기도 저항이 높아 호기 속도가 느려 호기가 더 늦게 종료됨

(1) P_AW가 지나치게 커질 경우 alveoli에 가해지는 압력이 증가해 alveolar rupture가 발생

① Pneumothorax/-mediastinum, subcutaneous emphysema, 심할 경우 pneumoperitoneum까지 가능

② Pneumothorax의 경우 pleural space에 공기가 차면 V_T 유지를 위해 더 높은 P_AW가 필요해짐 → 악순환

(2) 임상양상: 급격한 P_peak, P_plat 증가 → 호흡곤란, 호흡음 감소 → 긴장성 기흉으로 이행되며 저혈압

(1) V_T가 지나치게 커질 경우 alveoli에 가해지는 tension이 증가해 염증 반응 발생 (volutrauma)

(2) Alveoli가 호기 말에 collapse되었다가 흡기 시에 다시 열리는 과정이 반복되는 것도 stress로 작용할 수 있음 (atelectrauma)

(1) 양압환기 → 흉강 내 압력 증가 → venous return 감소 → 저혈압 발생 가능 → 심할 경우 RV failure도 동반 가능

(3) 고혈압이 동반된 심장성 폐부종 환자의 경우 preload/afterload가 감소해 오히려 치료적일 수도 있음

(1) 기관내 삽관과 관련된 합병증: 성대 손상, 기관 내 육아종, 기관연화증(tracheomalacia) 등

(2) 인공호흡기 유발 횡격막 기능이상(ventilator-induced diaphragm dysfunction, VIDD)

① 자발호흡 없이 ventilator에만 장기간 의지하면 횡격막의 atrophy가 발생 → ventilator 유지 기간이 길어짐

② Ventilator의 호흡주기와 환자의 호흡주기가 불일치할 경우에도 발생 가능

(3) 산소 독성: 높은 FiO₂ 및 PaO₂를 장기간 유지하면 reactive oxygen species 생성 가능

(4) 인공호흡기 관련 폐렴

(1) 낮은 V_T, P_AW

① 주입된 공기는 모든 alveoli에 고르게 분산되지 않으며, 상대적으로 정상인 alveoli를 선호하는 경향이 있음

② 따라서 일반적인 V_T를 적용하면 정상 alveoli에 과한 부하가 가해지므로, 의도적으로 낮은 V_T, 낮은 P_AW를 적용함

ex) ARDS에서의 V_T = 6 mg/kg (건강한 성인의 평균 V_T가 약 500 mL이므로 6 mL/kg보다는 약간 높음)

(2) FiO₂ 및 PEEP

① FiO₂ 및 PEEP이 증가하면 PaO₂가 증가하나, 둘 다 단점이 있음

• FiO₂를 증가시키면 산소 독성이 발생할 수 있음

• PEEP을 증가시키면 alveoli에 가해지는 부하가 증가함

② 더 심한 ARDS에는 low FiO₂, high PEEP을, 더 경한 ARDS에는 high FiO₂, low PEEP을 선택함

(1) 높지 않은 V_T, P_AW

• 지나치게 높은 V_T, P_AW는 폐실질 질환에서처럼 alveoli 과팽창 및 과부하를 일으킬 수 있음

(2) 높지 않은 RR

① COPD 등 폐쇄성 폐질환은 호기 때 기류제한으로 인해 air trapping이 발생할 수 있음

• 이 trapped air로 인해 호기 말에 인위적인 PEEP을 적용하지 않아도 양압이 발생 → 이를 auto-PEEP이라고 함

• Auto-PEEP으로 인해 P_AW 증가, alveoli에의 과부하 등이 발생할 수 있음

② PaCO₂를 낮추기 위해 RR을 늘리면 호기 시간이 짧아지고, 호기가 완전하게 이루어지지 못해 auto-PEEP이 악화됨

③ 따라서 어느 정도의 hypercapnia와 respiratory acidosis를 용인하더라도 RR을 너무 높이지 않는 것이 중요

* 이를 permissive hypercapnia라고 한다. 심할 경우 pH 7.25까지 지켜보는 경우도 있다.

(3) FiO₂ 및 PEEP

• Auto-PEEP이 이미 작용하고 있는 경우가 많아 PEEP보다는 FiO₂를 늘려 산소화를 꾀함