인공호흡기(人工呼吸器)는 호흡에 필요한 공기나 기체를 폐로 들어오고 나가게 하여 인공적인 호흡 조절, 즉 기계환기(mechanical ventilation)를 수행하는 의료 기기이다. 영어로는 벤틸레이터(ventilator)라고 부른다. 자발적으로 호흡할 수 없거나 호흡이 불충분한 환자에게 적용되며, 주로 중환자 치료, 응급 치료, 마취 과정 및 가정 간호에서 사용된다. 인공호흡기를 사용 중인 환자가 기계호흡을 중지하고 자발적 호흡으로 돌아가는 것이 치료의 궁극적인 목표이다.
어원 및 명칭
'인공호흡기'는 한자어 '人工呼吸器'에서 유래하였으며, '사람의 손으로 만든(人工) 호흡(呼吸)을 돕는 기구(器)'라는 의미를 지닌다. 의학 용어로는 '기계 환기' 또는 '기계적 환기'라는 표현이 사용되기도 한다.
구조와 원리
인공호흡기는 크게 양압환기(positive pressure ventilation) 방식과 음압환기(negative pressure ventilation) 방식으로 나뉜다. 현대 의료 현장에서는 주로 양압환기 방식이 사용된다. 양압환기 방식은 기계가 외부에서 압력을 가하여 기체를 기도를 통해 폐로 밀어 넣는 방식이며, 음압환기 방식은 흉강의 움직임을 조절하여 호흡 기체가 폐로 들어가도록 하는 방식이다.
인공호흡기의 기본 구성 요소는 다음과 같다. 첫째, 장치를 구동하기 위한 에너지 공급(전기, 압축 가스 등), 둘째, 호흡의 타이밍과 크기를 조절하기 위한 압력 및 유속의 출력, 셋째, 장치의 출력 성능과 환자의 상태를 모니터링하는 수단이다. 최근의 인공호흡기는 컴퓨터로 제어 가능한 터보 펌프와 임베디드 시스템을 이용하여 환자의 필요에 따른 정확한 압력과 유량 조절이 가능하다.
기능 및 설정 변수
인공호흡기를 통해 조절할 수 있는 주요 변수로는 일회호흡량(tidal volume, VT), 분당호흡수(respiration rate), 흡입산소농도(FiO2), 호기말양압(PEEP), 흡기압력, I:E 비율(흡기와 호기 시간의 비율), 트리거 감도(trigger sensitivity) 등이 있다.
환기 양식(모드)
인공호흡기의 주요 모드는 다음과 같이 분류된다.
- CMV(Controlled Mandatory Ventilation): 모든 환기를 인공호흡기가 담당하는 완전 강제환기 모드이다.
- AC/ACMV(Assist Control Mandatory Ventilation): 환자의 호흡 노력 유무에 따라 강제 호흡 또는 보조 호흡을 제공하는 모드로, 가장 흔히 사용된다.
- SIMV(Synchronized Intermittent Mandatory Ventilation): 환자의 자발호흡을 인정하면서 주기적으로 강제 호흡을 제공하는 모드로, 인공호흡기 이탈(weaning) 시 사용된다.
- PSV(Pressure Support Ventilation): 환자의 자발호흡이 있을 때만 설정된 압력으로 호흡을 보조하는 모드이다.
- CPAP(Continuous Positive Airway Pressure): 자발호흡이 가능한 환자에게 일정한 양압을 지속적으로 제공하는 모드이다.
- ASV(Adaptive Support Ventilation): 목표 분당 환기량을 설정하면 인공호흡기가 자동으로 일회호흡량과 호흡수를 조절하는 최신 모드이다.
적응증
인공호흡기 적용을 고려하는 주요 임상적 상황은 다음과 같다. 저산소 호흡부전(SpO2 90% 미만), 과탄산 호흡부전(pH 7.3 미만, PaCO2 50mmHg 초과), 호흡 정지, 의식 저하로 인한 기도 확보의 어려움, 호흡근의 피로, 대사성 산증 등이 있다.
역사
기계환기의 역사는 1670년 존 메이요(John Mayow)가 인체 외부에 음압을 걸어 기계환기를 할 수 있다는 개념을 고안한 데서 시작되었다. 1928년 Drinker respirator, 1931년 John Haven Emerson의 개량형 철폐(iron lung) 등이 개발되어 20세기 초 소아마비 유행 시기에 널리 사용되었다. 1952년 Roger Manley가 가스를 동력원으로 하는 인공호흡기를 개발하였고, 1955년 Forrest Bird가 Bird Universal Medical Respirator를 출시하였다. 1971년에는 SERVO 900 인공호흡기가 개발되어 전 세계 중환자 치료 환경에 적용되었으며, 이는 최초로 용적조절환기를 적용할 수 있는 기기였다.
합병증
인공호흡기 사용과 관련된 주요 합병증으로는 압력손상(barotrauma)으로 인한 기흉, 인공호흡기 유발 폐손상(VILI), 저혈압 및 우심장 기능부전, 인공호흡기 관련 폐렴(VAP), 산소 독성, 횡격막 기능 이상 등이 있다. 인공호흡기는 시스템 고장이 사망으로 이어질 수 있으므로 안전 필수 시스템(safety-critical system)으로 분류되며, 전원 부족 시 수동 호흡이 가능한 백업 메커니즘과 안전 밸브를 갖추어야 한다.
