인공호흡기
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1. 개요
인공호흡기는 환자의 호흡을 돕거나 대체하는 의료 기기이다. 압축 공기, 터빈, 밸브 등을 사용하여 환자의 폐에 공기를 공급하며, 환자 상태에 따라 압력, 부피, 유량을 조절할 수 있다. 안전 필수 시스템으로 분류되어 고장 시 환자에게 위험이 없도록 설계되며, 전원 부족 시 수동 호흡을 위한 백업 메커니즘을 갖춘다. 인공호흡기는 기체의 조성과 호흡 관련 매개변수를 설정할 수 있으며, 비침습적 또는 침습적 방법으로 사용된다. 역사는 철폐의 도입과 함께 시작되었으며, 소아마비 유행과 마취 기술 발달에 기여했다. 코로나19 팬데믹으로 인해 인공호흡기 부족 현상이 발생했으며, 전 세계적으로 다양한 제조업체가 경쟁하고 있다.
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| 인공호흡기 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 진료과 | 호흡기학 |
| 일반 정보 | |
| 관련 항목 | 기계 환기 인공 환기 |
| 추가 정보 | |
| 기타 용도 | 인공호흡을 자동으로 수행하는 의료 기기에 대한 일반적인 정보 인공호흡기의 의학적 측면 인공호흡기 설정 인공호흡기 모드 일시적으로 심장과 폐의 기능을 대신하는 의료 기기 인공심폐 장치 |
2. 구조
인공호흡기는 호흡을 돕는 기계 장치로, 가장 간단한 형태는 사람이 직접 펌프질하는 백마스크이다. 그러나 이는 수동 조작이 필요하므로 인공호흡기로 분류되지 않는다.[103] 자동 인공호흡기는 사용자의 지속적인 조작 없이 안전하고 올바르게 작동해야 하므로 다음과 같은 세 가지 기본 구성 요소가 필요하다.[103]
# 구동 에너지 공급 (예: 전기, 압축 가스)
# 호흡 타이밍 및 크기 조절을 위한 압력 및 유속 출력
# 장치 출력 성능과 환자 상태 모니터링
인공호흡기는 압축기를 이용하여 호흡에 필요한 압력을 만든다. 가장 단순한 양압 환기 인공호흡기는 압축 공기 저장소나 터빈, 공기와 산소 공급 장치, 밸브, 관, 환자 연결부(일회용 또는 재사용 가능)로 구성된다. 압축 공기 저장소는 호흡에 필요한 기체를 전달하기 위해 분당 여러 번 압축된다. 터빈은 공기를 인공호흡기로 보내고, 유량 조절 밸브는 환자 상황과 설정에 따라 압력을 조절한다. 외부 압력이 높아졌다 낮아지면 폐의 탄력성에 의해 환자가 숨을 내쉬게 된다. 내쉬는 기체는 단방향 공기 밸브를 통해 배출된다. 최근에는 압축 공기 시스템 대신 컴퓨터 제어 터보 펌프가 널리 사용된다.
인공호흡기는 환자 관련 변수 (압력, 부피, 유량 등), 기기 자체 기능 (공기 누출, 전원 부족, 기계 고장 등), 배터리 부족, 산소 탱크, 원격 조정 등에 대한 모니터링 및 경보 기능을 갖추고 임베디드 시스템을 통해 환자에게 필요한 정확한 압력과 유량 조절이 가능하다.
2. 1. 안전 필수 시스템
인공호흡기는 시스템 고장이 죽음을 초래할 수도 있기 때문에 안전 필수 시스템으로 분류된다.[2] 인공호흡기 시스템은 매우 높은 신뢰성을 보장해야 하며, 단일 실패 지점이 환자를 위험에 빠뜨리지 않도록 신중하게 설계되어야 한다.[51]인공호흡기의 주요 안전 장치 및 기능은 다음과 같다.
- 전원 공급 장치 및 백업 시스템: 정전과 같은 상황에 대비하여 압축 가스 탱크, 공기 압축기, 예비 배터리 등을 갖추고 있다.[3]
- 수동 호흡 보조 장치: 전원이 없는 경우 수동으로 환기를 할 수 있도록 마취기에 통합된 기계 환기 장치와 같은 수동 백업 메커니즘을 갖추고 있다.[52]
- 안전 밸브: 전원이 없는 경우 대기 중으로 열려 환자가 자발적으로 호흡할 수 있도록 돕는 질식 방지 밸브 역할을 한다.[52]
- 고장 시 대응: 하드웨어나 소프트웨어 고장 시 작동하거나 도움을 요청하는 방법이 마련되어 있다.[52]
정전과 같은 자연 재해는 가정에서 인공호흡기를 사용하는 사람들에게 생명을 위협하는 응급 상황을 만들 수 있다.[53] 짧은 시간의 정전에는 배터리 전원으로 충분할 수 있지만, 더 긴 시간의 정전에는 병원으로 가야 할 수 있다.[53]
3. 기능
인공호흡기는 환자가 들이마시는 기체의 조성을 결정한다. 일반 공기를 호흡할지, 혹은 FiO2를 조절하여 산소의 양을 늘릴지 결정할 수 있다.[105] 기도압력, 용적, 유량 등을 설정할 수 있다.[105]
가장 단순한 형태의 현대식 양압 인공호흡기는 압축 가능한 공기 리저버, 또는 터빈, 공기 및 산소 공급 장치, 밸브 및 튜브, 그리고 일회용 또는 재사용 가능한 환자 회로로 구성되어 있다. 공기 리저버는 1분에 수 회에서 수십 회 공기압으로 압축되어 실온의 공기, 또는 대부분의 경우, 공기와 산소의 혼합물을 환자에게 공급한다. 터빈을 사용하는 경우, 터빈이 공기를 인공호흡기로 보내고, 유량 밸브가 환자 고유의 매개변수를 충족하도록 압력을 조정한다. 가압이 해제되면, 환자는 폐의 탄력성에 의해 수동적으로 숨을 내쉬고, 내뱉어진 공기는 일반적으로 환자 매니폴드라고 불리는 환자 회로 내의 체크 밸브에서 방출된다.
인공호흡기는 환자 관련 매개변수(기도 내압, 환기량, 유량 등) 및 인공호흡기 기능(공기 누출, 정전, 기계 고장 등)의 감시·경보 시스템, 백업 배터리, 산소 봄베, 리모컨 등을 갖추고 있는 경우도 있다. 공기압 작동 시스템의 대부분은 최근 컴퓨터 제어의 터보 펌프로 대체되었다.
최신 인공호흡기는 소형의 내장형 시스템에 의해 전자적으로 제어되며, 회로 내압과 호흡 가스 유량의 특성을 개별 환자의 필요에 정확하게 맞출 수 있다. 인공호흡기를 잘 설정하면, 환자에게 인공호흡은 더욱 견딜 만하고 쾌적한 것이 된다.
4. 역사
기계환기의 역사는 1670년 존 메이요가 인체 외부에 음압을 걸어 기계환기를 할 수 있다는 아이디어를 고안하면서 시작되었다. 이후 철폐가 지속적으로 발전되어, 1928년 드링커 인공호흡기(Drinker respirator), 1931년 존 헤이븐 에머슨의 개량형 철폐, 1937년 보스 인공호흡기(Both respirator) 등이 개발되었다. 이러한 철폐는 20세기 초 미국의 소아마비 유행과 함께 널리 사용되었다. 소아마비 환자에게는 다른 형태의 비침습적 기계환기 장치와 원시적인 양압환기 인공호흡기도 사용되었다.[106]
1949년, 존 헤이븐 에머슨은 하버드 대학교 마취과학교실과 협력하여 마취를 위한 기계 보조 장치를 개발했다. 1950년대에는 이러한 기계식 인공호흡기가 마취 및 집중 치료에 점점 더 많이 이용되었다. 이는 소아마비 환자 치료와 마취 중 근육 이완제 사용 증가로 인해 더욱 활발해졌다.
영국에서는 이스트 래드클리프(East Radcliffe)와 비버(Beaver) 모델 등의 초기 인공호흡기 모델이 사용되었는데, 특히 비버 모델은 폐를 팽창시키는 부품을 구동하기 위해 자동차 와이퍼 모터를 사용했다.[107] 그러나 당시 에테르 및 사이클로프로페인과 같은 가연성 마취제를 사용할 때 전기 모터를 사용하면 폭발 위험이 있었다. 1952년 런던 웨스트민스터 병원의 로저 맨리(Roger Manley)는 가스를 동력원으로 작동하는 인공호흡기를 개발하였고, 이는 유럽에서 가장 인기 있는 모델이 되었다. 이 장치는 양압 환기 기술을 유럽 마취 관행에 도입하는 데 큰 영향을 주었다. 미국에서는 1955년 포레스트 버드의 버드 유니버설 의료용 인공호흡기(Bird Universal Medical Respirator)가 출시되었는데, 압축 공기를 동력원으로 이용했기 때문에 전기가 필요하지 않았다.[108]
1971년에는 SERVO 900 인공호흡기가 개발되어 전 세계 집중 치료 환경에 적용되었다. SERVO 900은 작고 조용하며 효과적인 전자 인공호흡기였으며, SERVO 피드백 시스템을 통해 인공호흡기의 설정 및 공급 조절을 제어할 수 있었다. 또한 최초로 용적조절환기를 적용할 수 있게 되었다.
이후 마이크로프로세서 제어 방식의 3세대 중환자실 (ICU) 인공호흡기가 등장하면서, 환자의 호흡 곡선을 LCD 모니터로 모니터링할 수 있게 되었다. 1982년 독일에서 출시된 드레게어 EV-A[13]를 시작으로, 퓨리탄 베넷 7200, Bear 1000, SERVO 300, 그리고 해밀턴 베올라 등이 출시되었다. 마이크로프로세서는 맞춤형 가스 공급 및 모니터링을 가능하게 하여, 이전 세대의 기계식 인공호흡기보다 환자의 요구에 훨씬 더 잘 대응하는 가스 공급 메커니즘을 제공한다.[14]
5. 종류
인공호흡기는 작동 방식, 사용 목적, 환자 상태 등에 따라 다양하게 구분된다. 크게 침습적 인공호흡기와 비침습적 인공호흡기, 양압 인공호흡기와 음압 인공호흡기, 용적 조절 환기와 압력 조절 환기로 나눌 수 있다.
호흡을 보조하는 가장 간단한 기계장치는 사람의 손으로 움직이는 펌프 구조의 마스크이다. 그러나 이는 사용자가 수동으로 조작해야 하므로 인공호흡기 범주에 포함되지 않는다.[103]
인공호흡기 구동 에너지는 컴프레서를 활용해 호흡에 필요한 압력을 생성한다. 가장 단순한 형태의 인공호흡기는 압축성 공기 저장소 혹은 터빈, 공기와 산소 공급기, 밸브, 관, 일회용 또는 재사용 가능한 환자 연결부위로 구성된다. 압축성 공기 저장소는 호흡에 필요한 기체를 전달하기 위해 분당 몇 번씩 압축한다. 이후 터빈이 공기를 인공호흡기에 넣어주고, 유량 조절 밸브가 설정 조건 및 환자 상황에 따라 압력을 조절한다. 외부 압력이 높아졌다가 낮아짐에 따라 폐의 탄력성에 의해 환자가 숨을 내뱉는 호기를 한다. 환자가 내쉬는 기체는 단방향 공기밸브를 통해 배출된다. 최근에는 압축 공기 시스템이 컴퓨터로 제어 가능한 터보 펌프로 대체되고 있다.
인공호흡기는 환자 관련 변수(압력, 부피, 유량 등), 기기 자체 기능(공기 누출, 전원 부족, 기계 고장 등), 배터리 부족, 산소탱크, 원격 조정 등에 대한 모니터링 및 알림 기능을 갖춰야 한다. 임베디드 시스템을 이용해 환자 필요에 따른 정확한 압력과 유량 조절이 가능하다.
인공호흡기를 통해 환자가 들이마실 기체 조성을 결정한다. 일반 공기를 호흡할지, FiO2를 조절해 산소 양을 늘릴지 결정할 수 있다.[105] 기도압력(airway pressure, Paw), 용적(volume, V), 유량(flow, ) 등을 설정할 수 있다.[105]
기계환기 역사는 1949년 John Haven Emerson이 하버드 대학교 마취과학교실과 협력해 마취용 기계보조장치를 개발하면서 시작되었다. 이 기계식 인공호흡기는 1950년대 마취 및 집중 치료에 점점 더 많이 이용되었다. 소아마비 환자 치료와 마취 중 근육 이완제 사용 증가로 인공호흡기 발달이 촉진되었다.
영국에서는 East Radcliffe와 Beaver 모델 등 초기 인공호흡기 모델이 있었다. 특히 Beaver 모델은 폐를 팽창시키는 데 사용되는 부품 구동을 위해 자동차 와이퍼 모터를 사용했다.[107] 전기 모터 이용 인공호흡기는 에테르 및 사이클로프로페인 같은 가연성 마취제 폭발 위험 때문에 위험했다. 1952년 런던 웨스트민스터 병원 Roger Manley가 가스 동력 작동 인공호흡기를 개발했고, 이는 유럽에서 가장 인기 있는 모델이 되었다. 이 장치는 양압환기 기술을 주류 유럽 마취 관행에 도입하는 데 크게 기여했다. 미국에서는 Forrest Bird의 Bird Universal Medical Respirator가 1955년 출시되었고, 압축 공기를 동력원으로 이용해 전기가 필요 없었다.[108]
1971년 SERVO 900 인공호흡기가 개발되어 전 세계 집중 치료 환경에 적용되었다. SERVO 900은 작고 조용하며 효과적인 전자 인공호흡기였으며, SERVO 피드백 시스템을 통해 설정 및 공급 조절을 제어할 수 있었다. 최초로 용적조절환기를 적용할 수 있게 되었다.
현대식 인공호흡기는 소형 임베디드 시스템에 의해 전자적으로 제어되어 개별 환자 요구에 따라 압력 및 유량 특성을 정확하게 조정할 수 있다. 미세 조정된 설정은 환자가 환기를 더 잘 견디고 편안하게 느끼도록 돕는다. 캐나다와 미국에서는 호흡 치료사가 설정을 조정하고 생물의학 기술자가 유지 관리를 담당한다. 영국과 유럽에서는 환자와 인공호흡기 간 상호 작용 관리를 중환자 간호 간호사가 수행한다.
환자 회로는 기능별(흡입 공기, 환자 압력, 배출 공기 등)로 구분된 내구성 있고 가벼운 플라스틱 튜브 세트로 구성된다. 필요한 환기 유형에 따라 회로의 환자 쪽은 비침습적이거나 침습적일 수 있다.
최신 인공호흡기는 소형 내장형 시스템에 의해 전자적으로 제어되며, 회로 내압과 호흡 가스 유량 특성을 개별 환자 필요에 정확하게 맞출 수 있다. 인공호흡기를 잘 설정하면 환자에게 더욱 견딜 만하고 쾌적하다. 캐나다와 미국에서는 호흡 치료사가 설정 조정을, 임상 공학 기술자는 유지 보수를 담당한다. 영국과 유럽에서는 환자와 인공호흡기 상호 작용 관리를 ICU 간호사가 수행한다. 일본에서도 인공호흡기 설정 및 인공호흡 중 진정제 변경 등이 소정 연수를 받은 간호사 특정 행위 구분으로 인정받고 있다.[50]
환자 회로는 내구성 있고 가벼운 플라스틱 튜브 3개 세트로 구성되며, 기능별(흡입용, 호기용, 회로 내압 측정용)로 구분된다. 필요한 환기 종류에 따라 회로 환자 측은 비침습적, 침습적인 것이 있다.
인공호흡기는 고장 시 환자가 환기 부전으로 사망에 이를 수 있으므로, life-critical system영어로 분류된다. 전원을 포함해 높은 신뢰성 확보 대비가 필요하다. 환기 부전은 기계적 보조 없이 안정적 혈액 pH 유지를 위한 충분한 CO2 배출 속도를 유지할 수 없거나, 근육 피로, 참을 수 없는 호흡 곤란을 의미한다.[51] 기계식 인공호흡기는 단일 고장 지점이 환자를 위험에 빠뜨리지 않도록 신중하게 설계된다. 전원 손실 시 손 환기를 위한 수동식 백업 기구를 갖춘 경우도 있다([마취기] 내장 기계식 인공호흡기 등). 안전 밸브를 갖춘 경우도 있는데, 전원 없을 때 대기로 개방되어 환자 자발 호흡을 위한 질식 방지 밸브로 기능한다. 정전이나 호흡 가스 공급 불량 시 환기 위한 압축 가스 봄베나 에어 컴프레서, 예비 배터리를 갖추고, 하드웨어나 소프트웨어 고장 시 조작이나 구조 요청 방법을 갖춘 것도 있다.[52] 자연재해 발생 시 등 정전은 재택 간호로 인공호흡기 사용자에 생명 위협 긴급 사태를 초래할 수 있다.[53] 단시간 정전은 배터리로 충분하지만, 장시간 정전 시 병원에 가야 한다.
5. 1. 침습적 인공호흡기 vs 비침습적 인공호흡기
비침습적 방법으로는 지속적 기도 양압(CPAP) 및 비침습적 인공호흡 등이 있으며, 주로 수면이나 안정 시에만 인공호흡기가 필요한 환자에게 사용되며, 비강 마스크를 사용한다.[50] 침습적 방법은 기관 내 삽관이 필요하며, 장기간 인공호흡기가 필요한 경우 후두 또는 비강 삽관보다 장기적인 치료에 더 편안하고 실용적이므로 일반적으로 기관 절개술 캐뉼레를 사용한다.[50]5. 2. 양압 인공호흡기 vs 음압 인공호흡기
현대의 양압 인공호흡기는 압축 가능한 공기 리저버, 또는 터빈, 공기 및 산소 공급 장치, 밸브 및 튜브, 그리고 일회용 또는 재사용 가능한 환자 회로로 구성된다.[103] 공기 리저버는 1분에 수 회에서 수십 회 공기압으로 압축되어 실온의 공기, 또는 대부분의 경우, 공기와 산소의 혼합물을 환자에게 공급한다. 터빈을 사용하는 경우, 터빈이 공기를 인공호흡기로 보내고, 유량 밸브가 환자 고유의 매개변수를 충족하도록 압력을 조정한다. 가압이 해제되면, 환자는 폐의 탄력성에 의해 수동적으로 숨을 내쉬고, 내뱉어진 공기는 일반적으로 환자 매니폴드라고 불리는 환자 회로 내의 체크 밸브에서 방출된다.[103]요약에 따르면 음압 인공호흡기의 예시로 철폐(Iron lung)가 있다고 하였으나, 원본 소스에는 해당 내용이 없으므로 음압 인공호흡기에 대한 내용은 작성할 수 없다.
5. 3. 용적 조절 환기 vs 압력 조절 환기
Volume Controlled Ventilation|용적 조절 환기영어는 미리 설정된 용적의 공기를 폐에 공급하는 방식이다. Pressure Controlled Ventilation|압력 조절 환기영어는 미리 설정된 압력에 도달할 때까지 공기를 폐에 공급하는 방식이다.[105]6. 코로나19 팬데믹과 인공호흡기
코로나19 범유행으로 인해 전 세계적으로 인공호흡기 수요가 급증하면서, 인공호흡기의 중요성이 더욱 부각되었다. 급성 호흡 부전 증후군을 겪는 중증 코로나19 환자에게는 인공호흡기가 필수적이기 때문이다.[17][18] 각국 정부와 기업들은 인공호흡기 생산량을 늘리고, 부족 사태에 대응하기 위해 다양한 노력을 기울였다.
미국에서는 제너럴 모터스와 Ventec Life Systems가 협력하여 3만 대의 인공호흡기를 생산했다.[25][26] NASA는 37일 만에 코로나19 환자용 인공호흡기 'VITAL'을 개발하고, 긴급 사용 승인을 받았다.[42][43][44] 미네소타 대학교는 여러 회사와 협력하여 'Coventor'라는 저렴한 인공호흡기를 개발, FDA 승인을 받았다.[36][37]
캐나다에서는 쥐스탱 트뤼도 총리가 '캐나다산' 인공호흡기 수천 대를 조달하겠다고 발표했으며, 여러 기업이 이에 참여했다.[46] 아일랜드 보건 서비스는 오픈 소스 인공호흡기 설계를 검토하기 시작했다.[28][29] 폴란드 회사 Urbicum은 3D 프린팅된 오픈 소스 인공호흡기 프로토타입 'VentilAid'의 테스트를 성공적으로 마쳤다.[31]
6. 1. 한국의 코로나19 대응과 인공호흡기
COVID-19 유행으로 인해 손 소독제, 마스크, 병상, 인공호흡기 등 필수품 부족 현상이 전 세계적으로 발생했다.[91] 특히, 코로나19 대유행으로 유럽 및 아시아를 포함한 54개국이 의료 물품 수출을 제한하면서 인공호흡기 부족 문제가 심화되었다.[92]팬데믹 초기, 중국은 인공호흡기 생산을 늘리고 민간 기업의 기부를 받아 의료기기 수입을 크게 늘렸다. 이를 통해 우한 지역의 인공호흡기 비축량을 확보할 수 있었다. 반면, 생산 능력이 더 높은 서유럽과 미국은 갑작스러운 팬데믹 확산으로 인해 물자 부족을 겪었다. 인공호흡기 수입 의존도가 높은 중앙아시아, 아프리카, 중남미 지역은 심각한 물자 부족 사태에 직면했다.
의료 정책 입안자들은 팬데믹 상황에서 필요한 인공호흡기 수를 추정해야 하는 과제를 안고 있다. 인공호흡기 관련 데이터 확보가 어렵기 때문에, 중환자실 병상 수를 기준으로 추정하는 경우가 많다.[93]
7. 주요 제조업체
(모바일 기기)
(2019년, %)[101]