Oxygen Therapy & Delivery Device

산소요법 장비의 원리와 사용법

1. 산소 요법 장비
2. 가습기 (Humidifier)
3. 에어로졸 치료

1. 산소 요법 장비
가. 산소 요법의 목적
중환자실에 입원하는 거의 모든 환자는 산소 치료를 받게 된다. 이렇게 우리가 흔히 사용하는 산소 치료의 목적으로는
1) 저산소혈증(hypoxemia)의 교정,
2) 호흡운동부하(Work of Breath)의 감소,
3) 심근운동부하(Myocardial Work)의 감소
4) 폐의 가스교환 능력의 진단 등이 있다.

나. 산소 공급 장치의 분류
1) High flow system : Venturi mask
2) Low flow system : Nasal cannula, Oxygen mask, Reservoir bag

1) 고유량법 (High flow system)
가) 환자가 호흡하는 흡입 공기 전체를 system이 모두 공급하는 것
나) 벤튜리 마스크 (Venturi mask)
다) 환자에게 공급되는 흡입 공기의 산소 분압이 일정하며 예측 가능하다.
라) 장점 : 환자의 호흡양상의 변화에 관계없이 산소분압을 비교적 정확하게 조절할 수 있다.
마) 단점 : 사용하기가 간편하지 않다.

2) 저유량법 (Low flow system)
가) 환자가 호흡하는 흡입 공기의 일부만 system이 공급하고, 충분히 공급하지 못하여 room air가 섞이는 것
나) 비 캐뉼러 (nasal cannula), 산소 마스크 (oxygen mask)
다) 환자의 호흡 양상의 변화에 따라 산소 분압이 변화된다.
4) 장점 : 사용하기가 간편하다.
5) 단점 : 호흡양상에 따라 산소분압이 달라진다.


저유량 산소요법은 호흡 양상(pattern)이 규칙적이고 일정하며 분당 환기량이 8~10 L/min,
일회호흡량이 300~700 ml, 호흡수가 분당 20회 이하이고, 흡기 기류가 10~30 L/min 사이인
환자에게 효과적이다. 만일 환자의 호흡 양상이 불규칙적이고 깊은 호흡 또는 얕은 호흡을
하고 있는 경우에는 저유량법보다 고유량법으로 산소를 공급하는 것이 좋다. 저유량법에서
분당 환기량이 많아질수록(일회 호흡량의 증가 또는 호흡수의 증가) 흡입산소의 농도는
낮아지고, 반대로 분당 환기량이 적어질수록 산소농도는 높아진다.






Oxygen mask Reservoir mask Venturi mask
partial rebreathing mask
nonrebreathing mask

다. 비 캐뉼러 (nasal cannula)
비 캐뉼러는 환자에게 적용하기 쉽고 편안하다. 공급되는
산소 기류 속도에 따라 예상되는 흡입 산소 농도는 표와 같
으나 이는 정상 호흡 양상을 보이는 경우에서 계산된 것이
며 실제 환자에게 적용될 경우에는 빈호흡, 얕은 호흡 등
호흡 양상에 따라 변동이 크다. 산소줄 내에 물이 고이는
경우 산소가 전달되지 않을 수 있으므로 캐뉼러 끝에서 산
소가 제대로 나오는지 귀로 들어 확인할 필요가 있다. 또한
가습병(humidifier bottle)을 사용하는 경우 병의 밀봉 부위
의 누출 여부를 확인하여야 한다.

라. 산소 마스크 (nonreservoir oxygen mask)
환자의 코와 입을 포함하여 얼굴에 부착하는 가벼운 플라스틱 마스크이다. 흡입 공기는 순수 산소와 대기 (room air)가 환자의 호흡 양상, 마스크와 얼굴 사이의 고정 정도에 따라 섞여서 공급된다. 호기 가스는 마스크 옆면의 작은 구멍을 통하거나 대부분은 얼굴과 마스크 사이의 틈새를 통하여 배출된다. 마스크의 공간은 산소의 reservoir로서의 역할을 한다. 호기 가스내의 이산화탄소가 일부 마스크 내에 남아 재호흡 될 수도 있는데 이를 피하기 위해서는 5L/min 이상의 산소를 공급하여야 한다.

부착 : 탄력 밴드를 이용하여 가급적이면 마스크가 얼굴에 밀착되도록 부착한다. 코 부분에 있는 유연금속밴드를 이용하여 코 부위가 밀착되도록 하여야 하나 과도한 압력이 걸리지 않도록 한다. 흡입 공기내의 산소 분압은 마스크 용적, 호흡 양상, 산소 유량에 따라 가변적이며 정상 호흡일 경우 산소 유량 5~10L/min에서 산소분압 0.3~0.6 정도로 예상할 수 있다. 매우 높은 유량을 공급할 경우 최대 산소 분압은 0.7~0.8까지 공급할 수 있다.

마. 저장 마스크 (Reservoir mask)
1) 부분 재호흡 마스크 (partial rebreathing mask)
2) 재호흡 방지 마스크 (nonrebreathing mask)
부분 재호흡 마스크는 호기 가스의 일부가 저장 백으로 일부 유입되는 것을 말한다. 그러나 호 기 때 초기에 나오는 가스는 상기도의 가스 교환이 일어나지 않는 부분(upper airway
deadspace)에서 호기되는 기류이므로 이산화탄소양이 거의 없다. 따라서 이것이 이산화탄소의 재호흡(rebreathing)을 의미하는 것은 아니다. Nonrebreathing 마스크는 마스크와 저장 백 사이에 밸브가 있어서 호기 시 가스가 저장 백으로 들어가는 것을 막으며 호기 가스는 마스크에 있는 일 방향 밸브를 통하여 밖으로 배출된다.
부착 : 산소마스크와 같은 방법으로 부착한다. 흡기 시 빠른 깊은 호흡을 할 경우 저장 백의 양만으로는 충분하지 않을 수 있어 일부 대기가 혼합될 수 있다. 저장 백 마스크가 제대로 기능을 하려면 충분한 산소 기류 공급이 보장되어야 하며 흡기 시에도 백의 일부는 팽창되어 있어야 한다. 산소 기류가 10 L/min에서 산소 분압은 0.35~0.6 정도이며 15L 이상 공급할 경우 산소 분압은 1.0 까지 도달할 수 있다.

바. 벤튜리 마스크 (Venturi mask)
Venturi mask는 고유량법으로 환자가 호흡(흡입)하는 가스 전체를 system이 모두 공급한다. 미리 jet flow에 의하여 산소와 대기가 일정한 비율로 혼합되어 일정한 고정된(fixed) 산소 분압을 가진 가스가 환자에게 공급된다. 벤튜리 장치의 원리는 좁은 구멍을 통하여 가스가 빠른속도로 지나가면 주위의 압력이 낮아져서 주변의 대기가 유입된다는 베르누이(Bernoulli)의 원리를 이용한 것이다.



임상 적용 Tip 1.
실제 임상에서 오해하기 쉬운 점의 하나는 FIO2 24%에서는 산소를 3 L로 설정하고 FIO2 50% 에서는 15 L로 설정하기 때문에 후자의 경우 환자에게 더 많은 기류가 공급되는 것으로 착각 하기 쉽다. 그러나 그림에서와 같이 산소 분압이 낮은 경우 공기 유입구가 넓어 많은 양의 공기가 유입되고, 산소 분압이 높은 경우 공기 유입구가 좁아 적은 양의 공기가 유입된다. 따라

Reservoir Mask
Partial rebreathing : FIO2 range 0.35 ~ 0.6 at flows of 10+ L/min
Nonrebreathing : FIO2 range 0.6~0.7 at flows of 10 L/min

Advantage Disadvantage
-------------------------------------------------------
Higher FIO2 than simple mask FiO2 varies widely
Improved humidification versus
cannula
Unable to measure FIO2
Easy to apply Potential for CO2 rebreathing
Higher oxygen flows possible Mask limits speaking, eating, drinking

서 전체적으로 환자에게 공급되는 가스의 양은 산소 분압에 관계없이 일정한 편이다.

Table. 대기/산소 유입 비율



예 1) 28 %에서 대기와 산소가 10/1의 비율로
혼합되므로 산소 6 L + 대기 60 L
(10 x 6) = 66 L
예 2) 40 %에서 대기와 산소가 3/1의 비율로 혼합되므로 산소 12 L + 대기 36 L (12
x 3) = 48 L 가 공급된다.

임상 적용 Tip 2.
벤튜리 장치의 FIO2 OO %에 기록된 산소 설정 수치는 최소한의 산소 유량이다. 고유량법에서 는 환자가 흡입하는 기류를 모두 system에서 공급하여야 하므로 환자의 최고 흡기 유량 (peak inspiratory flow) 이상의 기류를 공급하여 주어야 한다. 최고 흡기 유량은 분당 환기량
의 대략 4배 정도로 예상된다. 따라서 빈호흡(30회/분)과 일회 호흡량이 증가된(500 ml) 환자의 분당 환기량은 30 x 0.5 L = 15 L, 최고 흡입 유량은 15 L x 4 = 60 L 로 예상된다. 위
의 예 2 환자의 경우 FIO2 40%에서 산소를 12 L로 설정한 경우 총 공급 기류가 48L이므로 빈호흡을 보이는 환자의 경우 최고 흡기 유량에 못 미치게 된다. 따라서 마스크와 안면사이의 틈으로 대기가 유입되어 희석되므로 결과적으로 산소 분압이 낮아지게 된다. 과호흡을 보이는 환자의 경우 같은 산소 분압이라도 산소 기류를 높게 설정하여 총 공급 기류를 충분히 보장하여야 설정한 산소 분압을 유지할 수 있다.

임상 적용 Tip 3.
벤튜리 마스크 FIO2 0.4 ( O2 : 12 L/min)에서 산소 유량을 15 L로 올리면 FIO2가 증가하나 요 ? ( 산소 : 대기 유입 비율 = 1 : 3 )
: FIO2 0.4 설정에서 산소 유량을 올리면 그만큼 산소가 지나갈 때 노즐 주위에 발생하는 음압도 증가하여 대기의 유입양이 증가한다. 즉 산소와 대기의 혼합비율은 일정하게 유지되므로 FIO2 는 변화 없다.

Oxygen Conc.(%) Air/ Oxygen
24 25/1
28 10/1
34 5/1
40 3/1
60 1/1

12 L + 36 L (3 x 12) = 48 L 12/48 L = 0.25
15 L + 45 L (3 x 15) = 60 L, 15/60 L = 0.25
즉 산소를 12 L에서 15 L로 증가시키더라도 총 공급 기류의 양은 증가하나 산소 분압은 일정하게 유지된다.

사. 공기유입 분무기 (air-entrainment neubulizer, all-purpose
nebulizer) venturi mask 에서는 가습이 불충분한데, 공기유입 분무기는 고정 산소분압을 일정하게 유지하며 에어로졸 가습이 가능하다. 그러나 고농도의 산소 분압에서는 공급되는 기류의 양이 제한 (15 L 이하)되기 때문에 비교적 정상 호흡 양상을 보이는 환자에서 높은 산
소 분압이 요구되는 경우에만 사용되어야 한다.



2. 가습 장비 (Humidity Equipment)
정상 상태에서는 흡입 공기는 상기도를 통과하며 가온, 가습되어 기관에 도달하면 37 oC에서 100% 가습된다. 상기도의 자연적인 가습, 가온 경로를 우회하는 기관 삽관이나 기관창냄술 (tracheostomy) 등을 하고 있는 경우 건조한 찬 기류가 기관지 점막의 건조, 궤양, 점액마개(mucus plug) 형성, 점액섬모 기능 장애를 초래한다. 따라서 인공적인 의료 가스를 사용하는 환자에서는 가습, 가온 장치의 사용이 필요하다.
Recommendation for humidification levels during mechanical ventilation;
American Association for Respiratory Care

가. 가습 장비의 종류
1) Heat and moisture exchangers (HME)
2) Low-flow humidifiers (Unheated)
3) High-flow humidifiers(heated)

===============================================
Temperature Absolute humidity Relative humidity
-----------------------------------------------
33±2 30 % NS

나. 저유량 가습기 (Low-flow humidifiers (Unheated))
병동에서 가장 흔히 사용하는 가습 장비로 저유량 (<10l/min)를> 40L/min) 적용되는 인공호흡기, CPAP과 연결하여 사용된다.
Body humidity의 100% 정도로 가습 가능하다. 가습, 가온된 가스는 흡기 튜브를 지나며 온도가 떨어져 수증기가 물로 응집되어 튜브 내에 물이 고이게 된다. 일부 인공호흡기
기종(Servo)에서는 흡기 튜브 내에 가열 철선(heated-wire)이 있어서 수증기의 응집을 억제하여 가습 효과를 올린다. 적절한 온도 설정은 37.0oC 가 권장된다.

Pass-over humidifier : 가열된 물표면 위로 가스가 지나가며 가습되는 원리
Casecade humidifier (Fisher & Paykel MR 700 pass-over humidifier)




3. 에어로졸 치료

가. 에어로졸 치료 (에어로졸 : 고체 또는 액체 입자가 가스 내에 부유되어 있는 상태)
대부분의 치료용 에어로졸은 입자 크기가 1~10 μm 사이를 갖는다. 에어로졸 입자는 기류를 따라 이동하다가 기관지 표면에 부딪혀서 침착되는 ① 관성 박힘 (inertial impaction), 중력에 의해 가라앉는 ② 침전(sedimentation)에 의하여 호흡기에 흡수된다. 입자 크기가 5~10 μm는 주로 관성 박힘에 의하여 상기도에 침착되고 1~5 μm는 침전에 의하여 하기도에 침착된다.
입자 크기에 따라 폐 내에 침착되는 정도, 부위가 다르기 때문에 MDI 제제를 사용할 경우
정확한 기법과 작동 시점이 중요하다. 정량 흡입기, 저용량 분무기는 약제를 흡입할 때 저속
흡입( < 0.5L/min)으로 결흐름 (laminar flow)를 유지하여 하기도에 도달하도록 하고, 흡입 후
4~10초간 호흡을 정지시키므로 에어로졸의 침전을 촉진 시킬 수 있다. 약제 흡입을 호흡의
어느 시점에서 시작할 지에 대하여도 논란이 있어왔으나 일반적으로는 FRC에서 천천히
흡입을 시작하며 MDI 제제를 작동시키도록 권고된다. DPI 제제는 lactose 운반체에 의하여
결집되어 있다가 빠른 속도로 흡입 시 소용돌이흐름 (turbulent flow)에 의하여 분산되어 기도
내에 침착된다. 즉 정량 흡입기, 저용량 연무기의 경우 빠르게 많은 양을 흡입하는 것보다
느리게 흡입 후 숨을 적절히 참는 것이 더 많은 양의 약제를 흡수할 수 있다. DPI 의 경우
빠른 속도로 흡입하는 것이 중요하다. 실제 에어로졸은 흡입량의 10~12% 정도만 폐 내에
침착되며 기관 삽관을 하고 있는 경우 4~5 %정도만 침착된다. 에어로졸 치료는
기관지확장제, 진해 거담제, 유도 객담 채취 시 사용된다. 객담의 점도가 높은 경우 배출이
용이하도록 하기 위하여 전신적인 수분공급, 물리치료에 보조적인 방법으로 사용될 수 있다.
이외에 인두기관기관지염, 크룹, 발관 후 부종 시에 사용될 수 있다.

나. 에어로졸 치료 기구
1) 저용량 분무기 (small-volume neubulizer; SVN)
2) 정량 흡입기 (metered-dose inhaler; MDI)
3) 건조가루 흡입기 (dry-powder inhaler; DPI)
4) 대용량 제트 분무기 (large-volume nebulizer)
5) 초음파분무기 (ultrasonic nebulizer; USN)

다. 저용량 분무기 (small-volume neubulizer)
가장 초창기에 개발된 분무기로 베르누이 원리를 이용하며 간편하고 마스크, T-piece에
연결하여 기관지확장제 투여에 이용된다. 내시경 전 처치 시 사용되는 약제 분무용으로도
사용된다. 에어로졸 입자의 크기는 1~5 μm이며 효율이 낮아 투여된 약제의 10% 정도만 폐에
침착되므로 MDI 제제 사용량보다 10배 정도를 처방하게 된다. (albuterol solution : 2.5 mg
x 10% = 250 μg, Ventolin MDI 100 μg/puff x 2 = 200 μg)
저용량 분무기는 환자가 충분한 교육에도 불구하고 MDI 제제 흡입 기술이 적절치 못하거나
흡입력이 약할 때, MDI 제제를 흡입하고 숨을 4초 이상 참지 못하는 경우 사용된다. 또한
응급실 상황에서 심한 호흡곤란이 있는 경우 사용된다. 단점으로는 동일한 약을 전달하는데
시간이 오래 걸리고, 오염으로 인한 감염 위험이 있다. 가스원은 압축 분무기 (compressor
neubulizer)를 이용한다.





라. 초음파분무기 (ultrasonic nebulizer; USN)
초음파분무기는 물속에서 진동판의 크리스탈이 빠른 속도로 진동할 때 수면에서 에어로졸
입자가 분출되는 원리를 이용한 것이다. 공기압력 방식의 분무기와 비교하여 발생하는
에어로졸의 크기가 일정하고 작으며 (3 μm), 환자의 협조가 덜 필요하며 진동, 소음이 작은
장점이 있다.
Compressor nebulizer Ultrasonic nebulizer




마. 기계 환기 중 에어로졸 치료
기계 환기 중에는 약제가 기관 삽관 튜브에 침착되기 때문에 투여 용량의 3~5% 정도만이
환자의 폐에 전달된다. 기관 삽관 튜브의 내경이 작을수록, 흡기 유속이 빠를수록 전달되는
약제의 양은 감소한다. 기계 환기 중 기관지 확장제 치료는 정량식 흡입기(MDI) 또는 저용량
분무기를 사용할 수 있으며 도달되는 약효는 비슷하다. 그러나 정량식 흡입기를 사용하는 것이 인공호흡기의 순환 구조, 기도압, 일회호흡량 전달 등에 미치는 영향이 적기 때문에 선호된다. 사용되는 약 용량은 기관 삽관 튜브에 50% 정도가 침착되기 때문에 기계 환기를 받지 않는 환자에서의 사용량보다 2배 정도를 투여한다. 저용량 분무기를 사용하는 경우 Y piece에서 46 cm 이내에 흡입 튜브에 연결한다. 정량식 흡입기를 사용하는 경우 기계환기기 순환 회로에 연결하는 여러 가지 어댑터(adapter)가 사용된다. 이중 공기통(chamber) 방식이 더 선호된다.









참 고 문 헌
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ed. Lippincott-Raven, Philadelphia,1997. pp 335-404, 421-468.
2. Shapiro BA, kacmarek RM, Cane RD, Peruzzi WT, Hauptman D. Clinical application
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3. Dhand R, Tobin MJ. Inhaled bronchodilator therapy in mechanically ventilated
patients. Am J Resp Crit Care Med 1997;156:3-10.
4. American association for respiratory care. Clinical practice guideline. Selection of
device, administration of bronchodilator and evaluation of response to therapy in
mechanically ventilated patients. Respir Care. 1999;44:105-113.__