臨床工学技士問題表示
臨床工学技士国家試験
解説
人工心肺中の脱血回路に流れる血液は患者から戻る混合静脈血であり,その酸素飽和度(SvO2)は全身の酸素供給(DO2)と酸素消費(VO2)のバランスで決まる。$\text{DO2}=\text{CO}\times C_{a\mathrm{O}_2}$,$\text{VO2}=\text{CO}\times\bigl(C_{a\mathrm{O}_2}-C_{v\mathrm{O}_2}\bigr)$ で表され,送血流量(CO相当),ヘモグロビン濃度,動脈酸素化(生体肺または人工肺の機能),および組織酸素消費が主要因である。送血流量不足,過度の希釈(低Hb),酸素化能低下(生体肺あるいは人工肺での酸素化低下)はいずれもDO2を低下させ,組織での酸素抽出が増えてSvO2は低下する。一方,体温低下は代謝を抑制しVO2を減少させるため,SvO2は低下せずむしろ上昇方向に働く。したがって「原因として考えられない」のは体温の低下である。
選択肢別解説
送血流量(CO相当)の不足はDO2を低下させ,組織での酸素抽出が増えるため混合静脈血酸素飽和度(SvO2)は低下する。よって脱血回路の酸素飽和度低下の原因として考えられる。
過度の血液希釈はヘモグロビン濃度を低下させ動脈酸素含有量(CaO2)を下げるためDO2が低下し,結果としてSvO2は低下する。原因として考えられる。
体温の低下は代謝抑制によりVO2を減少させ,DO2/VO2のバランスは改善方向に働くためSvO2は低下しない(むしろ上昇傾向)。したがって原因として考えられない。
生体肺の機能不全は動脈酸素化を障害しCaO2を低下させるためDO2が不足し,SvO2は低下する。よって原因として考えられる。
吹送ガス酸素濃度の低下は人工肺での酸素化能を低下させ動脈酸素化が不十分となるためDO2が低下し,SvO2は低下する。原因として考えられる。
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解説
送血ポンプの代表であるローラポンプは容積移送(閉塞型)で、チューブを圧閉し回転数×1回転当たりの移送量でほぼ流量が決まるため、後負荷の影響を受けにくく回転数による流量制御が容易である。一方、回路閉塞時には内圧が急上昇しやすく、チューブ破裂や溶血の危険が高い。遠心ポンプは非閉塞型で、回転数と流量の関係が前後負荷・回路抵抗に強く依存するため、回転数だけでは実流量を保証できず流量計が必須となる。遠心ポンプは血液への機械的損傷が比較的少ないため、ECMOやVADなど長期補助循環に適する。以上より、正しいのは「遠心ポンプは長期補助循環に適している」「ローラポンプは回転数による流量制御が容易である」である。
選択肢別解説
誤り。一般に遠心ポンプは非閉塞型で剪断応力が過度になりにくく、チューブを圧挫するローラポンプより血液損傷(溶血)が少ないとされる。したがって「遠心の方が血液損傷が起こりやすい」は不正確。
誤り。遠心ポンプは回転数と流量が前負荷・後負荷・回路抵抗に依存して変動するため、設定回転数から実流量を推定できない。実流量を把握するために超音波式などの流量計が必須である。
正しい。遠心ポンプは血液損傷が比較的少なく、連続流で長時間の運転に向くため、ECMO/PCPSや補助人工心臓(VAD)など長期補助循環に適している。
正しい。ローラポンプは容積移送(陽圧の閉塞型)で、1回転当たりの送液量がほぼ一定であり、回転数に比例して流量を制御しやすい(チューブ径や圧閉度の影響は受けるが、後負荷の影響は小さい)。
誤り。ローラポンプは閉塞型のため回路閉塞時に回路内圧が急上昇し、チューブ破裂や溶血の危険が高い。圧モニタやリリーフ機構が必要とされる理由である。
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解説
人工心肺下では、体温管理や血液希釈などによって血液の物性や酸素運搬能が変化する。低体温では気体(酸素)の溶解度は増えるため、血漿中に物理的に溶け込む酸素量は温度低下で増加する。一方、ヘモグロビンの酸素解離曲線は左方移動し(P50低下)、ヘモグロビンの酸素結合力が高まる。また低体温は血液粘稠度を上昇させる。血液希釈は粘稠度を下げ、末梢血管抵抗を低下させる方向に働く。小児は体重あたりの代謝量・酸素消費量が成人より高いため、体重(あるいは体表面積)あたりの適正灌流量を多めに設定する。以上より、低体温で血中酸素溶解度が低下するという記述(選択肢3)は誤りである。
選択肢別解説
正しい。小児は基礎代謝量と酸素消費量(VO2)が体重あたりで成人より高いため、体重(または体表面積)あたりの適正灌流量は成人より多めに設定するのが原則である。臓器灌流・酸素供給を十分に確保する目的による。
正しい。血液希釈でヘマトクリットが下がると血液粘稠度が低下し、末梢血管抵抗(SVR)は低下する方向に働く。体外循環中の充填液による希釈は灌流圧の低下や組織血流の維持に寄与する。
誤り。低体温では気体の溶解度が増す(ヘンリーの法則に基づく)ため、血中の酸素溶解度は低下ではなく増加する。したがって記述は不正確であり、この選択肢が誤り。
正しい。低体温は酸素解離曲線を左方移動させ、ヘモグロビンの酸素親和性を高める(P50低下)。その結果、同一の酸素分圧でもヘモグロビンに結合する酸素が増えやすくなる。
正しい。温度低下に伴い血液粘稠度は上昇し、微小循環での流動性が低下しやすい。体外循環中の低体温管理では、この粘稠度上昇による臓器血流低下に留意する必要がある。
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解説
ECMOは大別して静脈-動脈(V-A)と静脈-静脈(V-V)があり、V-Aは循環補助(心拍出や血圧の維持)を目的に用い、V-Vは主にガス交換補助(呼吸補助)を目的に用いる。V-A ECMOでは大腿動脈などへ逆行性に送血するため、流量を上げるほど大動脈圧が上がり左心室の後負荷はむしろ増加し得る。V-V ECMOでは送血血が近接する脱血側へ回り込む「再循環(recirculation)」が生じ得るため、カニュラ位置や流量設定に注意する。PCPS(経皮的心肺補助)は遠心ポンプ+膜型人工肺を用いたV-A ECMOと同様の回路構成で迅速導入を目的とした用法であり、回路構成の観点では同一とみなされる。
選択肢別解説
誤り。現在の臨床で主流なのは動脈-静脈(A-V)方式ではなく、静脈-動脈(V-A)と静脈-静脈(V-V)の2方式で、適応により使い分ける。A-V ECMO(動脈から静脈への拍動を利用した補助)は一般的ではない。
誤り。高度な心機能低下では循環補助が必要であり、静脈-動脈(V-A)ECMOを選択する。V-V ECMOはガス交換(呼吸)補助で、血行動態の補助はできない。
誤り。V-A ECMOは逆行性送血により大動脈圧が上昇し、流量が増えるほど自己左室の駆出に対する抵抗が増して左心室後負荷は増加し得る。左室拡張や肺うっ血のリスクにも注意が必要。
正しい。V-V ECMOでは送血・脱血が静脈系内で近接すると、送血血が十分に体循環へ行く前に再度脱血される再循環が生じ得る。カニュラ位置や回路流量・患者血流状態の最適化で低減する。
正しい。PCPS(経皮的心肺補助)は遠心ポンプと膜型人工肺で構成され、大腿静脈脱血・大腿動脈送血などのV-A ECMOと同一の回路構成である(運用目的や導入形態の違いはあるが、回路構成は同じ)。
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解説
膜型人工肺では、酸素化(PaO2)は主に吹送ガスの酸素濃度(FiO2)と血液側因子(血流量、Hb量、血液の酸素飽和度)で規定され、二酸化炭素除去(PaCO2)は主に吹送ガス流量(スイープガス流量)で調整するのが基本である。膜素材では、多孔質膜は微小孔を介してガス交換するため長時間使用で濡れ(親水化)や血漿漏出が起こりやすく、その結果ガスと血液が直接接触し得る。一方、均質膜(シリコーンなど)は非多孔質で血漿漏出を生じにくく長期使用に適する。流路構造では、外部灌流型(血液が中空糸の外側=シェル側を流れる)は流路が複雑で流れの乱れ(乱流・二次流)が生じやすく、内部灌流型(血液が中空糸内腔を流れる)よりも血流の乱れが起こりやすい。よって本問の正答は「外部灌流型は内部灌流型よりも血流に乱流が生じやすい」である。
選択肢別解説
誤り。吹送ガス流量(スイープガス流量)を増やすと主にCO2除去が促進されPaCO2が低下する方向に働く。PaO2は主としてFiO2と血液側因子に依存し、スイープガス流量の増加はPaO2に与える影響が小さい。
誤り。FiO2を上げるとPaO2が上昇するのが基本で、PaCO2の低下は主に吹送ガス流量の増加で得られる。FiO2の変更自体はCO2除去に本質的な効果を持たない。
誤り。多孔質膜は微小孔を介してガス交換するため、長時間使用で孔の濡れや血漿漏出が生じると、ガスと血液が直接接触し得る。したがって「直接接触しない」との断定は不適切。
誤り。均質膜(シリコーン等)は非多孔質であり、微小孔が存在しないため血漿漏出は起こりにくい。長期使用に適するのはこの特性による。
正しい。外部灌流型は血液が中空糸束の外側(シェル側)を流れるため流路が複雑で、流れの剥離や二次流が生じやすく乱れやすい。内部灌流型(中空糸内腔を直線的に流れる)に比べ、血流の乱れが生じやすい。
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解説
中空糸型膜型人工肺では、酸素化(PaO2)は主にガス側酸素濃度(FiO2)で、脱炭酸(PaCO2)は掃気(スイープ)ガス流量で調節できるため、両者は実用上ほぼ独立に制御できる。多孔質(微小孔)膜では、孔内にガスが存在し、血液とガスが孔口で直接界面を形成するため「血液と酸素は直接接触しない」は誤りである。シリコーンなどの均質膜は溶解拡散機構でガスが透過し、CO2の透過性はO2より高い。外部灌流型は中空糸外側を血液が横切るクロスフローとなり乱流・混合が生じやすく、内部灌流型は中空糸内腔を流れるため層流化しやすい。また多孔質膜は本来疎水性だが、血漿蛋白が吸着すると表面が親水化して孔が濡れ、血漿漏出(プラズマリーク)を招く。
選択肢別解説
正しい。中空糸型膜型人工肺では、酸素化は主にFiO2(約21~100%)の設定で、CO2除去は掃気(スイープ)ガス流量(L/min)で制御するのが基本であり、PaO2とPaCO2は相互にほぼ独立して調節できる(CO2はO2より膜・血液中での拡散性が高く、スイープ流量に敏感)。実臨床では血流量やHb濃度、膜性能も影響するが、制御則として独立調整が可能とされる。
誤り。多孔質膜(微小孔膜)では、孔に満たされたガスと血液が孔口で直接ガス–血液界面を形成してガス交換が行われる。したがって「血液と酸素は直接接触しない」は不正確で、むしろ直接接触(界面形成)がある。
誤り。シリコーン膜は均質膜で溶解拡散機構によりガスが透過する。CO2はO2より溶解度・拡散係数が高く、透過性はCO2の方が大きい(一般にCO2/O2透過性比はおおよそ4~5)。
誤り。外部灌流型は中空糸外側を血液がクロスフローで流れ、繊維束内の障害物効果により乱流・混合が生じやすい。内部灌流型は中空糸内腔を血液が流れるため層流になりやすい。よって記述は逆。
誤り。多孔質膜は本来疎水性で孔の濡れを抑えているが、血漿蛋白の吸着により表面が親水化し、孔が濡れて血漿漏出(プラズマリーク)が生じやすくなる。疎水化ではない。
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