KR100481207B1 - 수술 후에 환자로부터 증기 마취제를 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투여된 증기 마취제로부터 회복하도록 동물을 치료하는 방법에 관하는데, 상기 방법은 환기 비율과 무관하게 동물에게 동일 PCO₂를 유지하기 위하여 CO₂를 함유하지 않는 가스의 투여 비율을 초과하는 동물의 환기 비율로, 정해진 비율의 CO₂를 함유하지 않는 가스 및 CO₂를 함유하는 가스를 환자에 전달하는 단계로 구성된다.

Description

수술 후에 환자로부터 증기 마취제를 제거하는 방법{ELIMINATION OF VAPOUR ANAESTHETICS FROM PATIENTS AFTER SURGICAL PROCEDURES}

본 발명의 목적은 수술에 앞서 투여된 증기 마취제로부터 환자를 빨리 회복시키기 위하여 당업자에게 공지된 표준 순환 마취 장치에 부가될 수 있는 간단한 호흡 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 수술에 앞서 투여된 증기 마취제로부터 환자를 빨리 회복시키기 위한 상기 호흡 장치의 용도에 관한다.

또한, 본 발명은 수술에 앞서 투여된 증기 마취제로부터 빨리 회복하도록 환자를 치료하는 방법에 관한다.

생리학

정맥혈은 산소(O ₂ )가 고갈되고 이산화탄소(CO ₂ )가 풍부한 근육 및 기관으로부터 심장으로 되돌아간다. 신체의 여러 부분에서 나온 혈액은 심장에서 혼합되고 (혼합된 정맥혈) 펌프 작용을 받아 폐로 옮겨진다. 폐에서 혈관은 작은 폐낭(폐포)을 둘러싸고 있는 소혈관계로 분해된다. 폐포를 둘러싸고 있는 혈관계는 농도 구배에 따른 확산으로 가스 교환을 위한 넓은 표면적을 제공한다. 혼합된 정맥혈(P vCO₂)에서 CO₂의 부분압력(PCO₂)과 폐포 PCO₂ 사이에 농도 구배가 존재한다. 호흡 동안 PvCO₂와 폐포 PCO₂ 사이에 평형이 이루어질 때까지 CO₂는 들숨의 시작 시점부터 혼합된 정맥혈로부터 폐포로 확산한다. 환자가 숨을 내쉬는 경우에, 이런 날숨의 종결은 폐포로부터 도래하고 모세혈관과 폐포 사이의 평형 농도를 반영하는 것으로 간주된다; 상기 가스에서 PCO₂는 호기말(end-tidal) PCO ₂ (PETCO ₂ )라고 한다.

혈액이 폐포로 통과하여 심장의 펌프 작용에 의해 동맥으로 이동할 때, 이는 동맥 PCO ₂ (PaCO ₂ )로 알려져 있다. 동맥혈은 모세혈관과 폐포 사이의 평형 상태에서 PCO₂와 동등한 PCO₂를 가진다. 매번 호흡할 때마다 일정량의 CO₂가 제거되고 CO₂를 거의 함유하지 않는 신선한 공기가 폐까지 흡입되고 잔류 폐포 PCO₂를 희석하여, CO₂가 혼합된 정맥혈에서 폐포로 확산하도록 새로운 구배를 확립한다. 보통 ℓ/min으로 표시되는 호흡이나 환기(V)의 속도는 폐로 옮겨진 CO₂를 제거하고 약 40mmHg(정상 인체)의 평형 PCO₂(PaCO₂)를 유지하는데 요구되는 속도와 정확하게 일치한다. 열 또는 운동에 의해 다량의 CO₂가 발생되는 경우에, 더 많은 CO₂가 발생되고 폐로 옮겨진다. 이후, 폐포에서 여분의 CO₂를 제거하고 동일한 평형 PaCO₂를 유지하기 위하여 좀더 강하게 호흡해야 한다(과호흡). 하지만, CO₂ 생성이 정상으로 유지되면서 과호흡되면, PaCO₂는 감소한다.

모든 V가 CO₂를 배출하는데 기여하지는 않는다는 점은 중요하다. 일부 V는 공기 통로(기관지) 및 혈액이 거의 관류하지 않는 폐포에 들어가고, 따라서 CO₂를 배출하는데 기여하지 않는다. 잘 관류된 폐포로 들어가서 가스 교환에 참여하는 V 부분은 폐포 환기(VA)로 불려진다.

치료 의약 연구에서는 PaCO₂를 변화시키지 않으면서 강한 호흡을 필요로 하는 여러 가지 상황이 존재한다(표 1 참조).

표 1:

제목: 호흡항진동안 PETCO₂를 일정하게 유지하려는 선행 연구의 요약

범례: 흡입된 PCO₂를 조절하는 방법: M=수동; A=자동. CO₂ 공급원: R= 재호흡; E=외부.

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이는 배출된 가스나 외부 공급원으로부터 CO₂를 흡입함으로써 과호흡에 대한 보상을 필요로 한다. 흡입이 요구되는 CO₂의 양은 PaCO₂를 얼마나 정밀하게 조절해야 하는 지에 따라서, 수동으로 또는 자동화 서보-제어 기구로 조절해야 한다. 입력 신호는 PETCO₂이다. PaCO₂의 안정성은 한편으로 환기와 CO₂ 생성 변화에 의존하고, 다른 한편으로 이런 변화를 보상하는 시스템의 기능에 의존한다.

정맥 투여된 약물의 마취 효과의 종료는 신진대사와 재분배에 좌우된다. 따라서, 마취제로부터 회복 시간은 약물의 약리학적 성상에 의해 결정되고 가속될 수 없다.

이는 흡입된 증기 마취제에는 적용되지 않는다. 증기 마취제의 흡입과 제거는 폐를 통하여 주로 이루어진다. 뇌로 들어가는 혈액에서 증기 마취제의 부분압은 혈액과 폐 사이의 증기 평형에 좌우된다. 폐에서 증기 농도는 흡입된 가스에서 증기 농도, 호흡 속도 및 폐와 혈액 사이에 가스 전달 속도에 좌우된다. 최근의 마취제 데스플루란과 세보플루란은 극히 낮은 혈액 용해도를 갖는다. 따라서 폐와 혈액 사이에 전달되는 약물의 양은 무시될 수 있을 만큼 소량이다. 이런 이유로, 증기 마취제로부터 깨어나는 환자에서 호흡 속도가 높을수록 폐에서 좀더 많은 증기가 제거된다. 하지만, 자발적으로 호흡하는 마취 환자에서는 잔류하는 정맥 투여된 마취약, 진통제, 수술효과, 잔류하는 증기 마취제 자체의 호흡 진정 효과로 인해 환기가 저하된다.

실제적으로, 폐에서 증기를 제거하여 증기 마취제의 효과로부터 깨어나는 속도를 빠르게 하는 과정을 촉진하기 위한 개입 범위는 제한된다.

선행 기술의 제안

1. 인공 환기

수술의 종결 시점에서 수동으로 또는 기계적으로 환자를 과호흡시키는 것은 마취제로부터 회복 시간을 단축하는데 비효과적이다.

a) 순환 마취제 장치를 이용한 높은 환기는 배출된 가스의 재호흡을 유발한다. 이들 가스는 CO₂뿐만 아니라 증기 마취제도 함유한다. CO₂는 장치내 CO₂ 흡수제에 의해 제거되지만, 배출된 증기 마취제는 환자에게 되돌아간다.

b) 과호흡에서 이런 시도는 동맥 PCO₂를 감소시킨다. 낮은 동맥 PCO₂는 호흡 자극을 제고하고, 이는 증기 제거를 지연시킨다(혈액의 적절한 산소화를 차단할 수 있다).

이는 거의 실용화되지 않았다.

2. 장치 관류:

장치에서 높은 신선한 가스 흐름은 장치로부터 증기를 세척하는데 비효율적이다. 상기 순환 마취 장치는 약 8ℓ체적을 가진다(2.5 ℓ의 환자 폐 부피는 계산하지 않았다). 산소 흐름 계량기에서 10 ℓ/min의 최대 신선 가스 흐름에서, 장치로부터 증기 마취제를 세척하는데 약 4분이 걸린다.

3. 과거에, 일부 마취학자들은 호흡 장치에 CO₂를 첨가함으로써 환자의 호흡을 자극하려고 시도하였다. 원리는 장치에서 CO₂ 농도를 높이고 환자가 CO₂와 일부증기를 배출할 때까지 좀더 강하게 호흡하도록 환자를 자극하는 것이었다. 이는 많이 포기되었으며 소모적이고 위험한 관행으로 분류되었다.

a) 이런 관행은 1a와 1b에서 열거된 이유로 인하여 소모적이다. 또, 이는 과도한 CO₂ 흡수 결정이 소모된다는 점에서 비생산적이다.

b) 이런 기술은 환기를 증가시킴으로써 환자가 여분의 CO₂에 반응할 수 없다면 환자를 위험하게 할 수 있다. 환자들이 CO₂를 흡수하면, 유해할 수 있는 높은 혈액 CO₂ 농도가 발생하게 된다. CO₂ 양이 많아지면, 환자는 호흡하는데 충분한 공기가 존재하지 않는다고 느끼기 때문에 깨어나는데 큰 부담을 갖게 된다.

4. 환기 증가, PCO₂는 일정하게 유지

PCO₂를 낮추지 않으면서 환기를 증가시키려면 장치에 CO₂를 부가해야 한다. 이는 외부 공급원 또는 환자가 배출한 가스로부터 공급될 수 있다. 현재 기술된 모든 시스템은 환자에게 공급되는 CO₂의 양을 조절하는 서보-제어 시스템 또는 피드백 루프에 의존한다. 이들 장치는 복잡하고 까다로우며 비싸다. 마취제로부터 회복동안 증기 마취제의 제거를 촉진하는데 이용되는 장치는 보고된 바가 없다.

전술한 4가지 사실에 비추어, 수동 또는 자동의 서보-제어 방식에는 상당한 한계점이 존재한다. 이들은 다음과 같이 기술될 수 있다:

1. 입력 신호

일정하게 유지하기 원하는 매개변수는 동맥 PCO₂인 반면에, 피드백 시스템은 배출된 가스에서 CO₂ 농도 및 호기말 PCO₂(PETCO₂)를 입력 신호 및 종료점으로 이용한다. PETCO₂는 여러 상황에서 동맥 PCO₂와 구별될 수 있다. 더 나아가, PETCO₂에서 변화는 동맥 PCO₂의 변화와 무관하다. 이로 인하여 PETCO₂는 동맥 PCO₂를 제어하는 입력으로서 부적절하다. 가령, 정상보다 적은 호흡은 PETCO₂를 감소시켜(동맥 PCO₂를 증가시켜), 서보-제어기가 흡입된 CO₂의 부적절한 증가에 반응하도록 유발한다.

2. 증가

정밀 제어를 달성하려는 시도에서 서보-제어 시스템에서 증가가 너무 높게 설정되면, 반응이 불안정해지고 제어 변수의 변동을 유발할 수 있다. 반대로, 증가가 너무 낮게 설정되면, 보상이 지연된다. 신호를 과다하게 줄이면, 반응이 목표치에 도달하지 못하게 된다. 이런 문제점을 해결하기 위해서, 서보-제어기는 복잡한 알고리듬과 값비싼 장비를 필요로 한다.

3. 고유 한계

서보-제어 시스템은 PETCO₂에서 변화를 감지한 이후 이를 보정하는 원리로 작동한다. 이상적인 조건하에서도, 이런 시스템은 자발적으로 호흡하는 환자에서 급박한 VT 크기를 예측하고 적절한 CO₂ 하중을 전달할 수 없다.

많은 사람들이 마취된 환자의 회복을 촉진하려는 시도를 하였으며 이와 관련하여 실질적인 많은 노력을 해 왔다. 하지만, 전술한 대로 대부분은 성공적하지 못하였다. 이런 시도를 하는 이유는 보다 빠른 의식 회복, 회복동안 간호 필요성의 감소, 메스꺼움과 수술후 호흡기 합병증의 위험 감소이다. 따라서, 보건 관리 시스템은 많은 비용을 절감하게 된다. 이와 관련하여, 수술실과 회복실의 보건 관리 시스템에 소요되는 비용은 각각 분당 대략 $5.00(캐나다 달러)와 $2.00(캐나다 달러)이다. 북아메리카에서 실시되는 전체 마취 회수는 약 35,000,000/년이고, 어림하면 연간 약 50,000,000회이다. 북아메리카 추정치에는 멕시코 또는 중앙아메리카의 다른 나라를 포함시키지 않았다. 회복실과 수술실에서 평균적으로 5분씩 회복 시간을 감소시키면 전세계적으로 연간 수십억 달러를 절감할 수 있다. 북아메리카에서만, 수술실과 회복실에서 5분씩 감소시키면 $1,000,000,000을 절감할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 증기 마취제를 투여한 환자의 회복을 촉진하는데 이용되는 표준 순환 마취 장치에 부가될 수 있는 개선된 호흡 장치 또는 장치 구성 요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 환자의 회복을 촉진하기 위하여 증기 마취제의 투여 동안 상기 장치를 사용하고 이런 장치를 사용하는 치료 방법을 제공하는 것이다.

당업자는 아래에 기술된 발명의 요약 및 구체예의 상세한 설명을 통하여 본 발명의 또 다른 목적을 이해할 수 있다.

도 1 은 증기 마취제 투여로부터 환자가 좀더 빨리 회복하도록 할 수 있는 간단한 호흡 장치 및 구성요소의 특성을 개략적으로 도시한다. 도시된 상기 장치는 분시 환기가 증가함에도 불구하고 PCO₂를 일정하게 유지하여 증기 마취제를 보다 빠르게 제거할 수 있다.

도 2 는 당업자에게 공지된 표준 순환 마취 장치의 일부분을 도시한다.

도 3 은 도 2에 개략적으로 도시된 순환 마취 장치의 일부분에 부가된 간단한 호흡 장치의 한가지 구체예를 나타내는데, 상기 장치는 도 2에 도시된 공지된 장치와 결합된 도 1에 개략적으로 도시된 장치의 개량이다(순환 마취제 장치로 사용되는 장치에 따라, 도 1에 도시된 기본 장치가 상이하게 개량될 수 있음은 당업자에게 자명하다).

도 4A 는 도 2에 도시된 기본 구조와 결합된 도 3에 도시된 구조를 나타낸다(도 3은 도 2 구조와 결합된 도 1 구조의 개량이다).

도 4B와 4C 는 다른 위치에서 도 4A에 도시된 구조의 일부분을 확대하여 개략적으로 나타낸다.

도 5 는 VT(일회 환기량)와 PETCO₂를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 통기로 PCO₂와 VT를 나타내는 그래프이다.

도 7A, 7B, 8A, 8B는 PaCO₂와 PETCO₂에서 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명에서는 증기 마취제를 투여한 환자의 회복을 촉진하기 위하여 표준 순환 마취 장치에 부가될 수 있는 신규한 호흡 장치 및 이의 구성요소를 제공한다.

본 발명에 따른 상기 장치 및 이의 구성요소가 일반적인 마취 순환 장치와 결합될 때, 환자에 이산화탄소의 투여는 환기 속도에 무관하게(환기 속도가 환기 제어 속도보다 빠르기만 하면) 환자의 체내에서 일정한 PCO₂를 유지시키지만 환자가 정상 호흡하는지 과호흡하는지에 상관없이, 환자의 폐에서 제거되는 증기 마취제 속도는 환자에 의한 전체 환기에 따라 직접적으로 변화된다. 따라서, 증기 마취제는 폐에서 제거된다. 하지만, 이산화탄소는 환자의 휴지 속도 또는 사전설정된 제어 속도보다 빠른 속도로 폐에서 제거되지 않는다(사전설정된 CO₂ 제거 속도는 아래에 기술된 장치로 신선한 가스의 투입 속도에 기초하여 설정될 수 있다).

따라서, 본 발명에 따른 간단한 호흡 장치는 간단한 장치를 함께 형성하고 아래와 같이 구성되는 구성요소를 포함한다: (a) 가스가 장치로부터 환자로 배출되는 배출구, (b) 환자에게 전달되도록 가스를 배출구로 전달하는 일-방향 밸브를 구성하는 재호흡방지 밸브, 상기 재호흡방지 밸브는 환자가 배출구로 호흡할 때 가스가 재호흡방지 밸브를 통과하여 가스를 전달하는 장치 부분으로 이동하지 못하도록 하면서 대기 또는 다른 곳으로 가스를 통과시키며, (c) 밸브를 통하여 환자에게 전달되는 호흡 방지 밸브와 소통하는 가스 공급원(상기 공급원은 산소나 공기 또는 다른 가스일 수 있지만 CO₂는 포함하지 않고, 공기는 생리학적으로 미량의 CO₂를 포함한다), (d) 가스를 저장하고 가스 공급원으로부터 환자에 의해 호흡되지 않는 여분의 가스를 수용하기 위한 신선한 가스 흐름원과 소통하는 신선한 가스 저장부분, 상기 저장부분은 환자가 호흡하고 가스 공급원으로부터 가스를 흡입할 때 가스가 저장된 신선한 가스 저장부분으로부터 환자가 가스를 수용할 수 있도록 하며, (e) CO₂와 다른 가스(일반적으로 산소)를 포함하는 예비 가스 공급원, 여기서 CO₂의 부분 압력은 호흡이 신선한 가스 저장 부분과 가스 흐름원에서 전달된 가스로부터 이행되지 않을 때 환자에 의해 요구되는 가스양을 보충하도록 환자에 의해 요구될 때 재호흡 방지 밸브로 전달되는 환자의 혼합된 정맥혈에서 CO₂의 부분 압력과 일치하고, 상기 가스 공급원과 신선한 가스 저장부분 및 예비 가스 공급부는 배출구와 이격된 밸브의 측부에 배치된다.

적절하게는, 압력 릴리프 밸브는 신선한 공기 저장부분이 가스로 과도하게 채워지는 경우에 신선한 가스 저장부분이 어떤 식으로도 파괴되지 않도록 신선한 가스 저장 부분과 소통한다.

예비 가스 공급부는 수요 밸브 조절기를 포함하는데, 부가 가스가 요구되는 경우에, 상기 수요 밸브 조절기는 호흡 방지 밸브로 가스를 전달하기 위한 재호흡 방지 밸브에 예비 가스 공급부를 개방하고 부가 가스가 필요하지 않은 경우에 상기 수요 밸브 조절기는 닫히고 단지 신선한 가스만 신선한 가스 공급원과 신선한 가스 저장부분으로부터 재호흡 방지 밸브로 흘러간다. 신선한 가스 공급원은 CO₂를 제거하는데 바람직한 폐포 환기에 동일한 속도로 신선한 가스(CO₂를 함유하지 않는 가스)를 공급하도록 설정된다.

이런 접근방법의 기본 개념은 호흡이 증가할 때 CO₂를 제거하는데 기여하는 신선한 가스 흐름으로부터 신선한 가스 흐름 속도(PCO₂)가 일정하게 유지된다는 것이다. 예비 가스 공급원으로부터 환자에 의해 흡입되는 가스의 잔여는 혼합된 정맥혈에서와 동등한 PCO₂를 갖고 혼합된 정맥혈과 폐포 가스 사이의 CO₂ 농도 구배에 기여하지 않으며, 따라서 CO₂의 제거에 기여하지 않는다. 혼합된 정맥혈로 접근하면(가령, 폐동맥에 카테터가 존재하는 경우), 혼합된 정맥의 PCO₂는 직접 측정할 수 있다. 측정 가능성이 없다면, PETCO₂로부터 추정할 수 있다. PETCO₂는 수술 설비에서 일반적으로 존재하거나 당업자에 의해 쉽게 활용할 수 있는 카프노그래프를 이용하여 배출된 PCO₂를 측정하여 결정한다.

실제로, 상기 장치는 환자에 의해 호흡된 CO₂의 양을 전체 호흡량과 정확하게 연속적으로 일치시켜 동맥 PCO₂의 교란을 차단한다. 이는 변화를 항상 보상하려는 서보-제어기와 상반된다. 하지만, 당업자는 서보-제어기나 컴퓨터를 사용함으로써 장치를 자동화시켜 예비 가스 공급원으로부터 가스량을 전달하고 감시할 수 있다.

본 발명에 따라, 환자가 증가 마취제 투여로부터 좀더 빨리 회복하도록 환자를 치료하고 증기 마취제 투여이후에 환자의 회복을 촉진하는데 신규하고 간단한 호흡 장치가 사용된다.

본 발명에 따라, 증기 마취제 투여로부터 환자의 회복을 촉진하는 설비의 제조에 상기 장치가 사용된다.

본 발명에 따라, 상기 장치는 증기 마취제 투여로부터 환자의 회복을 촉진하는데 이용된다.

본 발명에 따라, 증기 마취제 투여로부터 동물(예, 사람)을 회복시키기 위하여 동물을 치료하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 환기 비율과 무관하게 동물에서 동일 PCO₂를 유지하기 위하여 CO₂를 함유하지 않는 가스의 투여 비율을 초과하는 동물의 환기 비율로, 정해진 비율의 CO₂를 함유하지 않는 가스 및 CO₂를 함유하는 가스를 환자에 전달하는 단계로 구성된다.

따라서, 동물의 환기 비율이 동물에 의해 흡입된 비-CO₂-함유 가스의 동물에 전달 비율을 초과하면, 동물에 의해 흡입된 CO₂-함유 가스는 동물에서 PCO₂를 일정하게 유지시킨다.

이런 이유로, 폐에서 증기 마취제를 제거하는 본 발명의 용도에서, CO₂-함유 가스와 비-CO₂-함유 가스를 포함하는 혼합 가스의 전체 환기는 폐에서 증기를 제거하는 역할을 한다.

이런 장치와 치료 방법은 당업자가 이해하는 바와 같이, 이산화탄소의 제거와 분시 환기를 분리하기 원하는 상황, 예를 들면 호흡기 근육 훈련; 폐 신장 수용체, 기관기관지 긴장 상태의 역할 조사; 확장부전증을 막기 위한 폐의 확대; 호흡의 제어 및 다른 용도에 적용될 수 있다.

상기 장치와 치료 방법은 신체로부터 질소를 제거하기 위하여 우주비행사와 심해 잠수부에 의해 이용될 수도 있다. 이는 정상 바륨 또는 과바륨 상태에서 일산화탄소 중독을 치료하는데 이용될 수도 있다. 신선한 가스는 100% 산소를 함유하고, 예비 가스는 약 6% CO₂ 및 94% 산소를 함유한다. 이런 경우에 신선한 가스 및 예비 가스 공급원 둘 모두 질소를 함유하지 않는다.

장치(도 1)는 2개의 포트(C와 D)에 원위 연결된 재호흡방지 밸브(A)로 이루어진다. 제 1 포트는 CO₂를 함유하지 않는 신선한 가스 공급원(E)과 신선한 가스 저장부분(F)에 평행하게 연결된다. 일-방향 압력 릴리프 밸브(G)는 과다한 신선한 가스를 배출시킴으로써 저장부분(F)의 과충전을 방지한다. 제 2 포트(D)는 일-방향 밸브(H)를 통하여 CO₂를 포함하는 가스 공급원에 연결되는데, 여기서 PCO₂는 혼합된 정맥의 PCO₂와 거의 같다. 이는 "예비 가스" (I)라고 한다. 재호흡방지 밸브 A는 배출구 J에 연결되는데, 환자는 상기 배출구로부터 호흡한다.

과호흡으로 일정한 PCO ₂ 를 유지하는 장치의 기능 분석

분시 환기 "V"가 (E)에서 신선한 가스 흐름 " FGF"보다 적거나 동일하면, 환자는 단지 신선한 가스(CO₂를 함유하지 않는 가스)만을 흡입한다. V가 FGF를 초과하면, CO₂를 함유하지 않은 신선한 가스를 포함하는 저장부분(F)이 먼저 비워지고 흡입된 가스의 잔여는 CO₂를 함유하는 예비 가스(I)로부터 유입된다. 예비 가스는 CO₂ 교환에 참가하지 않는 것으로 간주하여, 제공된 실제 환기가 FGF에 의해 한정되도록 보장한다. 만일 FGF 속도가 5ℓ/분이고 환자가 5ℓ/분 이하로 호흡한다면, 환자는 신선한 가스 공급원(E, F)으로부터 유입되는 비-CO₂-함유 가스만 흡입하게 된다. 분시 환기가 FGF를 초과하면, 분시 환기와 신선한 가스 흐름 사이의 차이는 환자에서 CO₂를 제거하기 위한 구배를 제공하지 않는 농도로 CO₂를 함유하는 예비가스(I)로부터 유입된 가스로 구성된다.

마취 순환 장치에 장치 적용

표준 마취 순환 장치, 자발적 호흡의 개요(도 2)

환자가 숨을 내쉴 때, 흡기 밸브(1)는 닫히고 배기 밸브(2)는 열리며 가스는 장치의 배기 림(3)을 구성하는 파상 관을 통하여 재호흡 백(4)으로 흘러간다. 재호흡 백이 충전되면, 통기로 압력-제한(APL) 밸브(5)는 열리고 배출된 가스의 잔여는 APL 밸브를 통하여 가스 불순물 제거제(도시되지 않음)로 배출된다. 환자가 흡입할 때, 장치에서 음(-) 압력은 배기 밸브(2)를 닫고 흡기 밸브(1)를 열며 장치(6)의 흡기 림을 구성하는 파상 관을 통하여 가스가 흐르도록 한다. 흡입은 신선한 가스 호스(7)로부터 모든 가스를 유입하고 재호흡 백(4)으로부터 가스를 유입하여 호흡량의 균형을 맞춘다. 재호흡 백으로부터 가스는 내부에 CO₂를 함유하는 배기 가스를 포함한다. 상기 CO₂는 가스가 CO₂ 흡수기(8)를 통과할 때 추출되고, 따라서 CO₂ 없이 환자(P)에게 전달된다(하지만 배출된 증기 마취제를 여전히 함유한다).

마취된 환자를 과호흡시키기 위한 장치의 개량(도 3)

개량된 장치는 아래와 같이 구성된다:

1. a) 수동 보조 호흡(9)뿐만 아니라 자발 호흡 중에 작용하는 재호흡방지 밸브, 예를 들면 Laerdal에 의해 제조된 밸브 #560200;

b) 배기 가스(10)를 모으고 이를 가스 불순물 제거 시스템(도시되지 않음) 또는 마취 장치의 배기 림(도 4)으로 지향시키는 배기 가스 매니폴드, 예를 들면 배기 편향기 #850500;

c) 자체 팽창백(12)으로 가스를 지향시키는 일-방향 밸브에 의해 유입이 조절되는 자체 팽창 백(11)으로 구성되고 표준 자가 팽창 백으로 기능하는 장치.

2. 계량기(22)를 갖춘 증기를 함유하지 않은 신선한 가스, 예를 들면 산소 또는 산소와 질소산화물(13)의 공급원.

3. 4개의 포트를 갖춘 매니폴드(14):

a) 신선한 가스(13)의 투입용 포트(15);

b) 신선한 가스 저장 백(17)용 포트(16);

c) 매니폴드내 압력이 대기압보다 5cm H₂O 낮을 때 열리는 일-방향 유입 밸브가 부착된 포트(18), 예를 들면 리빙스턴 보건 관리 서비스 카탈로그 #9005(모든 신선한 가스는 개방이전에 사용되도록 보장한다);

d) 가스 백(19), 이의 PCO₂는 유입 밸브(18)에 연결된 혼합 정맥 PCO₂와 거의 일치한다(대안으로, 밸브 및 가스 저장 백은 SCUBA 다이빙에 사용되는 것과 유사한 Lifetronix MX91120012와 같은 요구 조절기 및 압축 가스 실린더로 교체될 수 있다);

e) 매니폴드내 압력이 5cm H₂O보다 높을 때 매니폴드로부터 대기로 가스를 방출하는 일-방향 유출 밸브가 부착된 포트(20), 예를 들면 리빙스턴 보건 관리 서비스 카탈로그 #9005.

마취 장치에서 조작 방법(도 4A)

재호흡방지 밸브(Laerdal형)(9)의 원위 단부는 환자에게 부착된다.

재호흡방지 밸브의 근위 단부는 3-방향 호흡 밸브(21)에 부착되는데, 상기 밸브는 순환 마취 장치(도 4B) 또는 새로운 장치(도 4C)로부터 흡기 가스의 방향을 조정할 수 있다. 자가 팽창 백의 재호흡방지 밸브의 배기 매니폴드(10)는 마취 장치의 배기 림(3)에 부착된다. 흡입되는 가스의 공급원에 관계없이, 마취 장치의 배기 림으로 배기된다.

환자의 폐로부터 증기 마취제를 최대로 제거하기 위해서, 3-방향 호흡 콕마개를 회전시켜 환자가 새로운 장치로부터 흡입하도록 한다(도 4C). 3-방향 밸브를 전방으로 회전시킨 이후, 첫 먼저 호흡으로부터 흡입된 가스는 증기를 함유하지 않고, 증기 마취제 제거를 위한 최대 구배를 제공한다.

증가된 호흡 속도는 폐에서 증기 제거를 더욱 향상시킨다. 자발적으로 호흡하는 환자는 FGF(22)를 낮추고 PCO₂를 상승시킴으로써 분시 환기를 증가시키도록 자극할 수 있다. 이런 접근 방법을 이용하면, PCO₂는 호흡 속도에 관계없이 상승하여, 일정한 호흡 자극을 결과한다. 모든 환기는 증기를 제거하는데 효과적이다.

환자의 환기가 제한적으로 진행되면, 환자는 자가-팽창 백(11)으로 과호흡시킬 수도 있다. 각 경우에, 환자의 PCO₂는 FGF(22)에 의해 결정된다. FGF가 일정하게 유지되는 한, PCO₂는 분시 환기에 관계없이 일정하게 유지된다.

장치의 효능을 증명하기 위하여, 인간과 개에서 여러 번의 검사를 실시하였다. 인간은 자발적으로 호흡하고, 개는 기계적으로 환기시켰다.

인간에서 조사

윤리 위원회로부터 승인 및 명시적 동의를 얻은 후에, 19-25세의 4명의 건강한 피험자는 코 클립을 끼고 마우스피스(mouth piece)를 통하여 호흡하였다. 정상적인 호흡동안, FGF는 신선한 가스를 포함한 백이 각 흡입 직후에 비도록 FGF를 조절함으로써 V와 일치하도록 설정하였다. 이후, 피험자는 3분 동안 최대로 호흡하도록 지시하였다. 흐름은 피토 관(Voltek Enterprise, Willowdale Canada)으로 기록하고, 신호는 통합하여 부피를 얻었다. CO₂는 마우스피스(Medical Gas Analyzer LB-2, Sensormedics Corp., Anaheim California)에서 연속적으로 채취하였다. 아날로그 신호는 60개 샘플· S^-1에서 디지털화시키고 데이터 획득 소프트웨어 (WINDAS/200, DATAQ 장치, Inc. Akron Ohio)를 이용하여 기록하였다.

개에서 조사

윤리 위원회의 승인을 얻은 후에, 각 성별로 20-25kg의 6마리 잡종개는 메토헥시탈(5-7 mg · kg^-1, 이후 150-300 mg· kg^-1.min^-1)로 마취시키고 관을 삽입한다. 적절한 마취 깊이는 속눈썹 반사 작용, 자발적 움직임의 부재, 안정적인 심장박동과 혈압으로 유추한다. 카테터는 가스 분석용 혈액을 주기적으로 채취하고 혈압을 모니터하기 위하여 대퇴부 동맥에 위치시킨다. 이들 개는 전통적인 기계 피스톤 환기 장치(Harvard Apparatus model 618, South Natick, MA)로 환기시킨다. 각 개에, 400㎖의 팽창 체적(VT)과 10min^-1의 맥박 빈도(f)(작업량 사이클 0.5)가 사용된다. 모든 개는 호흡 효과가 나타나지 않도록 VT를 약 50㎖로 증가시켜 무호흡 임계치 이하로 환기시킨다. 호흡 CO₂는 기관내 튜브의 근위 단부에서 연속적으로 채취한다. 흐름은 호흡 기류계로 측정하고, 신호는 통합하여 체적을 수득한다. 아날로그 신호는 17개 샘플 ·S^-1에서 디지털화시키고 인간 피험자에 대한 실험에 이용된 것과 동일한 데이터 획득 소프트웨어를 이용하여 기록한다.

개들 사이에서 초기 PaCO₂의 차이(CO₂에 대한 개별 감수성, 마취 수준에서 차이 또는 VT/체중 비율에서 차이를 반영)로 인하여, 예비 가스에서 CO₂ 농도는 혼합된 정맥 PCO₂(PvCO₂)에 근사하도록 각 개에서 FETCO₂보다 1.5±0.5% 높게 임의 조절한다. 예비 가스에서 CO₂ 농도를 설정하는데 좀더 높은 융통성을 부여하기 위하여, 상기 장치는 수요 밸브를 일-방향 PEEP(호기말 양압) 밸브로 교체하고 실린더를 사전 혼합된 가스를 포함하는 백으로 교체함으로써 개량한다. 상기 장치는 인간을 대상으로 한 실험에 이용되는 장치와 기능면에서 동일하다. 상기 장치는 환기장치의 유입 포트에 연결한다. 제어 조건하에, FGF는 새로운 가스 저장부분이 매회 환기 사이클 동안 비워지도록 조정한다; 종점은 FICO₂에서 제로(0) 이상으로 근소한 증가에 의해 확인된다. 항정-상태에 도달한 이후(5분 간격으로 획득된 2가지 연속 PaCO₂에서 차이 < 1.5 mmHg), VT는 5분 간격으로 400에서, 600, 900, 1200 ㎖로 증가시킨다. VT(약 400 ㎖)와 FGF가 정해진 2번째 실험에서, f는 5분 간격으로 10에서, 14, 18, 22 min^-1로 증가시킨다. 혈액 가스를 결정하기 위한 혈액 시료는 각 5분 간격의 시작과 종결 시점에서 대퇴부 동맥으로부터 채취된다.

모든 데이터는 평균값±표준 편차로 표시한다. 적절한 경우에 사후 검증(post hoc) 분석으로 일-방향 또는 2-방향 ANOVA를 이용하여 유의한 차이를 검사하였다. 0.05 미만의 p 값은 유의한 것으로 간주한다.

결과:

인간 피험자

도 5는 3분의 최대 환기 효과동안 피험자(1)의 VT와 PETCO₂를 나타낸다. 모든 피험자에 대한 결과는 표 3에 요약한다; 데이터는 0(환기의 시작), 1.5, 3분에서 10회 호흡의 평균치를 나타낸다. PETCO₂는 전체 과호흡 과정에서 대조값으로부터 유의하게 변하지 않았다(p = 0.08, ANOVA). 피험자 사이에서 V와 호흡 패턴에 상당한 변화가 있긴 했지만, 개별 피험자는 전체 과정동안 특정 호흡 패턴을 유지하는 경향이 있었다.

개

도 6은 f 또는 VT 변화동안 개 #5에서 통기로 PCO₂와 VT를 나타낸다 도 7과 8은 f 또는 VT 변화동안 모든 개에서 PaCO₂와 PETCO₂ 변화를 나타낸다. f 증가는 평균 PaCO₂ 또는 PETCO₂에 현저한 영향을 주지 않는다(각각 P=0.28과 p=0.11; ANOVA). VT 증가는 1200 ㎖ VT에서만 대조로부터 평균 PaCO₂를 감소시킨다(p=0.01); 대조적으로, VT 변화는 평균 PETCO₂에 영향을 주지 않는다(p=0.25). 대조와 최대 환기 사이의 PaCO₂에서 평균 절대 변화는 f에 대하여 2.2±1.8 mmHg(0.4 내지 4.8)이고 VT에 대하여 3.4±2.3 mmHg(0.4 내지 5.6)이다.

주석

상기 시스템은 과호흡하는 인간 피험자와 기계적으로 과호흡된 개에서, 넓은 범위의 환기(56 내지 131 ℓmin^-1)와 호흡 패턴에서 PETCO₂ 감소를 최소화시킨다. 과호흡된 개에서 PaCO₂ 변화가 비록 작긴 하지만, a) 예비 가스 PCO₂와 개 PVCO₂의 부정확한 정합; b) 개에서 작업 기간의 연장; c) 과호흡 정도에 기인한다. 이에 더하여, 상이한 수준의 환기는 전신과 폐 혈류(환기-혈류 정합, 생리적 ·해부학적 사강)에 변화를 유도하고, PaCO₂와 PvCO₂에 영향을 준다. 이런 변화 원인에도 불구하고, 개에서 실시한 연구에서 PaCO₂의 변화 범위는 보다 복잡한 장비를 이용한 연구에서 보고된 바와 비슷하다(표 1 참조).

과호흡으로 인한 PCO₂에서 변화를 방지하도록 설계된 통상적인 서보-제어 기술은 본 발명의 장치보다 CO₂ 생성에서 변화에 의한 영향을 덜 받는다; 하지만, 이들은 다른 단점을 안고 있다. PETCO₂에서 탐지된 변화가 PaCO₂에서 변화에 의해 야기된다는 가정이 항상 보장되는 것은 아니다(14). 환기 패턴에서 작은 변화는 PETCO₂를 PaCO₂에서 분리시켜, PETCO₂가 PaCO₂의 제어에 부적절한 입력이 되도록 유발할 수 있다. 가령, 좀더 작은 VT는 VA를 감소시키긴 하지만(이는 PaCO₂를 감소시키는 경향이 있다) PETCO₂ 역시 감소시켜, 서보-제어기가 흡입된 CO₂의 부적절한 증가에 반응하도록 유발한다. 이상적인 조건하에서도, PETCO₂에서 변화를 교정하기 위한 서보-제어 시스템은 자발적으로 호흡하는 피험자에서 임박한 VT의 크기를 예측할 수 없고, 따라서 적절한 CO₂ 부하를 전달할 수 없다. 정밀한 제어를 달성하려는 시도동안 서보-제어 시스템에서 획득이 너무 높게 설정되면, 반응은 불안정해지고 제어 변수의 변동을 초래한다(11). 반대로, 획득이 너무 낮게 설정된면, 보상이 지연된다(9). 신호를 과감쇠(over-damping)시키면, 반응이 목표에 도달하지 못하게 된다. 이런 문제점을 해결하기 위하여, 서보-제어기는 복잡한 알고리즘(16) 및 값비싼 장비를 필요로 한다.

CO₂ 생성이 일정해지는 경우에, 본 발명의 장치는 V 변화에 수동적 보상을 제공한다는 점에서 서보-제어 시스템보다 이론적인 이점을 갖는다. 이는 VA 변화를 최소화시키고, 후속적인 보상의 필요성을 없앤다. V가 FGF보다 작아지는 짧은 기간을 포함한 불규칙 호흡 동안에도 VA는 거의 일정하게 유지된다. 이런 상황에서, 과다한 FGF는 신선한 가스 저장 부분에 저장되고, 이후 환기가 FGF를 초과하는 경우에 VA에 기여한다.

증가된 호흡 작용 또는 운동으로 발생하는 것처럼, CO₂ 생성이 과호흡동안 증가하는 경우에, 본 발명에 따른 방법은 수정을 요한다. 보상하기 위하여, 아래의 방정식 1에 표시된 바와 같이 예비 가스의 PCO₂를 PvCO₂ 이하로 낮추거나 FGF를 증가시킴으로써 추가 VA를 제공할 수 있다:

[방정식 1] VA = FGF + (V-FGF)(PvCO₂- 예비 가스 PCO₂)/PvCO₂

자발적으로 호흡하는 피험자가 과호흡동안 이런 변수 V를 갖기 때문에, FGF를 수정하여 CO₂ 생성을 보상하는 것은 일정한 조절을 요한다. 따라서, 예비 가스의 PCO₂와 PvCO₂ 사이의 농도 구배를 확립하기 위하여 예비 가스의 PCO₂를 감소시켰다; 이런 구배가 일정하면, VA는 V의 함수이다. 피험자에서 나타나는 넓은 범위의 V에 대하여, 예비 가스에서 5.5% CO₂(46 mmHg의 PvCO₂에 상응하는 6.5% 대신에) 농도는 증가된 호흡 작용에 기인한 CO₂ 생성의 증가를 보상하는 최적 구배를 제공하는 것으로 확인되었다.

따라서, V로부터 VA를 분리하는 간단한 장치를 설명한다. 이는 CO₂ 생성이 일정한 경우에 과호흡을 일반적으로 수반하는 VA 증가를 최소화시킨다. 이는 CO₂ 생성의 증가를 보상하도록 개량할 수 있다. 상기 장치는 연구용 서보-제어 시스템에 대한 간편하고 저렴한 대안의 기초를 제공하고 치료에 이용될 수 있다.

앞선 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 구체예를 구체적으로 기술하였지만, 이런 설명은 본 발명의 원리를 제시한 것에 불과하고 본 발명을 한정하지 않는다. 더 나아가, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 개변이 가능하기 때문에, 본원에 포함된 모든 내용은 본 발명을 예시한 것이며, 이를 제한하지 않는다.

Claims (28)

1. 마취된 환자를 환기시키기 위한 호흡 장치 시스템에 있어서, 아래와 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 호흡 장치:

   a) 재호흡된 가스를 전달하기 위한 일-방향 흡기 림; 배출된 가스를 수용하기 위한 일-방향 배기 림으로 구성되는 기초 표준 순환 마취 장치;

   b) 이산화탄소를 함유하지 않는 재호흡방지된 가스의 공급원; 신선한 가스를 저장하기 위한 재호흡방지된 신선한 가스 저장부분; PCO₂ 값을 선택할 수 있는 이산화탄소를 함유하는 재호흡방지된 예비 가스의 공급원; 가스 전달 도관으로 구성되고, 재호흡방지된 가스만을 공급하는 보조 호흡 도관;

   c) 흡기 림과 소통하도록 배치된 재호흡방지 밸브;

   d) 흡기 림이나 전달 도관으로부터 유래된 가스를 선택적으로 통과시키기 위하여 흡기 림 및 전달 도관과 소통하도록 배치된 3-방향 호흡 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 신선한 가스 저장부분과 소통하는 압력 릴리프 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 예비 가스가 요구되는 경우에 이를 전달하기 위하여 예비 가스 공급원과 소통하는 수요 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 예비 가스가 요구되는 경우에 이를 전달하기 위하여 예비 가스 공급원과 소통하는 수요 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡 장치.
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