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환기(Ventilation)장치의 발전

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경기 수원남부소방서 박윤택
기사입력 2020-04-14

이번 호에서는 환기장치의 역사와 현장 소생술에서 양압 환기장치를 효율적으로 적용하는 방법에 대해 알아보고자 한다.

 

구급대원이 중증 응급환자를 만났을 때 호흡 상태 평가와 중재는 소생의 첫 단추가 된다. 호흡 유지에 실패할 경우 환자에게는 저산소 혈증으로 인한 뇌 손상이 나타날 수 있다. 최악의 경우 뇌사상태에까지 이를 수 있다.

 

기도유지와 산소공급을 할 때도 환기 장애가 해결되지 않으면 반드시 적극적인 환기(Ventilation)를 위해 최선을 다해야 한다.

 

현장에서 호흡곤란을 호소하는 환자의 산소포화도가 94% 이하라면 비관(Nasal Prong)으로 시작할 수 있으나 95% 이상으로 좋아지지 않는다면 안면 마스크를 사용해야 한다. 비관과 안면 마스크의 분당 유량은 산소 맥박포화도 측정기값을 참고하게 된다. 

 

만약 안면 마스크로도 충분한 환기가 되지 않는다면 기도 개방과 기본 기도유지기(코인두 유지기나 입인두 유지기)를 산소마스크와 함께 사용해야 한다. 하지만 이것도 효과가 없다면 보조 호흡(assisted respiration)을 해줘야 한다.

 

▲ [표 1] 산소공급기구별 효과

 

보조 호흡은 일회 호흡량(Tital Volume)이 부족할 때 이를 보충하는 것이다. 의식의 존재와 호흡 능력에 따라 수동적인 방법(BVM) 또는 기계적인 방법을 선택해 사용할 수 있다.

 

자발 호흡이 없는 경우에는 외부의 힘으로 공기가 들어가는 양압 호흡을 해줘야 하는데 119구급차에는 수동식 양압 환기장치인 ‘백 밸브 마스크(Bag Valve Mask)’와 자동식 양압 환기장치인 ‘EM-100’ 또는 ‘Microvent(CPR)’가 있다.

 

현재 시중에 판매 중인 자동식 환기장치에는 수요 밸브와 양압 환기 방식의 EM-100과 OxyLife II Plus, 양압 환기 방식의 Microvent(CPR)가 있다.

 

수동식 환기장치의 발전

옛날 의학자들은 수술 전 마취를 위해 양압 환기를 사용했다. 1530년 스위스의 의학자 ‘Paracelsus’(1493~1541)는 ‘Bellows method’라는 양압 환기 장비를 개발했다. 이 장비는 심폐소생술의 역사를 소개하는 데 있어 빠지지 않고 등장할 만큼 의미가 크다. 자발 호흡이 없을 때 입에 삽입된 튜브에 풀무(Bellows)를 연결하는 방식이다. Paracelsus 팽창법 또는 Bellows 소생법으로 알려진 최초의 기계식 환기장치라 할 수 있다.

 

1943년 세계 2차 대전 중 미국 군의관인 Dr. Joseph Kreiselam(1895-1968)의 이름으로 만들어진 소생기는 사용법이 더욱 간단해졌다. bellows1)의 형태로 공기를 불어 넣을 수 있었고 과도한 압력 방지 밸브와 산소 연결관이 있어 현재의 백 밸브 마스크와 매우 유사하다. 

 

▲ [그림 1] 산소 소생기의 개발과 발전(ST JOHN 박물관)

▲ [그림 2] 최초의 수동식 소생기

 

최초의 상업적 수동식 산소 소생기는 1956년 독일의 개발기술자 ‘Holger Hesse’와 마취학자 ‘Henning Ruben’에 의해 개발됐다. 이들이 1956년 ‘AMBU’라는 회사를 설립하면서 개발한 산소 소생기는 ‘Ambu Bag’으로 불렸다. 이는 산소 저장 백 없이 자체 백만으로도 21%의 산소를 공급할 수 있었다.

 

또 저장 백에 연결하면 100%에 가까운 수준으로 산소공급이 가능했다. 개발 당시 우발적인 과압에 의한 압력손상(Barotrauma)을 예방하고자 Pop-Off-Valve2)를 설치했다. 이 장비는 지금의 장비와 크게 다르지 않아 지금도 전 세계적으로 사용되고 있다. 

 

모든 형태의 백 밸브 마스크는 인공호흡용 백(bag), 역류 방지 밸브(Non-rebreathing valve)와 안면 마스크로 구성됐다. 모양은 모두 흡사하다. 

 

백 밸브 마스크는 영아와 소아, 성인용으로 구분된다. 백(bag)의 용량은 제조사에 따라 차이가 있다. 백 밸브 마스크 소생기는 100%에 가까운 농도의 산소를 공급하기 위해 저장낭이 달려있다. 

 

백 밸브 마스크의 효용성에 관한 연구는 유럽의 프랑스(15개 센터), 벨기에(5개 센터) 지역의 OHCA(병원 전 심정지) 2043명에 대한 Cardiac Arrest Airway Management Trial(CAAM)에서 심폐소생술 중 ETI3) 사용과 비교해(4.2% vs 4.3%) 비슷한 생존율을 나타낼 만큼 유용한 장비다.

 

하지만 백 밸브 마스크 사용 그룹에서 합병증과 술기 적용에 어려움이 있는 것으로 나타나 평소 충분한 훈련이 필요할 것으로 보인다(6.7%에서 부적절한 환기량, 15.2%에서 역류와 흡인 발생).

 

기계식 환기장치의 발전

의식변화를 동반한 환기 장애 환자에게 적용되는 Resuscitator(인공호흡기)는 1907년 독일 엔지니어 ‘Heinrich Dräger’가 광산에서 발생하는 질식환자에게 사용한 후 Pulmotor Resuscitator1)로 상품화했다. 이는 질식환자에게 산소나 공기를 폐 안팎으로 펌프질(Pumping)을 하기 위한 호흡기였다. 이후 대표적으로 Lung motor(1920s년)와 Emerson Resucitor(1940~1950s)로 발전됐다.

 

이 장비들은 경량화해 구급차나 휴대용으로 개발된 수동식공급장치다. 주로 수술을 위한 마취나 질식(이산화탄소 중독을 포함), 익수환자 등에 활용되곤 했다. 산소를 동력원으로 양압(20㎝H2O)과 음압(–25㎝H2O)이 교대로 환기되는 Time-Cycling 방식을 사용했다.

 

▲ [그림 3] 양압식 산소소생기의 개발과 발전


이 장치들은 두 가지 문제가 있었다. 환자의 호기(Exhalation)를 재흡입하는 문제와 기계가 설정한 호흡 패턴(유연하지 않은 제어기술)이 기도 내압(기도 내 저항 등)을 충분히 반영하지 못했다는 문제였다. 초기에는 ‘Time Cycle system’4) 구동 방식이었으나 이후 압력순환 스위칭 메커니즘으로 변화했다.

 

Time Cycling 방식은 흉부의 수용 능력(기도 저항을 감지하지 못했다)에 따른 맞춤 제공이 안 돼 폐가 팽창해 공기가슴증과 피하기종을 발생시켰다. 때로는 구토와 흡인을 유발하는 요소가 되기도 했다. 이 장치들은 성인용으로 적합했고 소아에게는 높은 압력에 대한 위험을 이유로 사용되지 못했다. 나중에 Lung motor는 소아용으로 개발되기도 했다.

 

수요 밸브(Demand Valve)의 등장

PulmotorㆍEmerson 소생기의 대안으로 1960년대 ‘Demand Valve’(수요 밸브)가 개발됐고 지금도 여전히 사용 중이다. DVR(Demand Valve Resuscitator) 또는 DVOT(Demand valve oxygen therapy)라고도 부르는데 원래는 잠수부를 위한 장비(레귤레이터)에서 발전했다. 이는 주로 해군 잠수사들에게 적용되던 장비다.

 

환자가 흡기(음압)하는 능력에 따른 환기를 보조하는 것으로 Demand(요구하다)를 한자로 표기한 수요(需要) 밸브라고 불린다. PulmotorㆍEmerson 소생기와 비교하면 기도 저항을 잘 감지해 환자의 능동적 환기에 잘 대응할 수 있게 설계됐다. 주로 자발 호흡 장애로 양압 호흡이 필요한 응급상황과 자발 호흡은 있지만 고농도 산소공급이 필요한 환자에게 사용됐다.

 

원리는 Triger(호흡유발 스위치)를 누르거나 환자가 흡입하면 약간의 음압이 발생하면서 밸브가 열린다. 이때 산소(100% 고농도 산소가 최대 40L/min)가 공급되고 숨을 쉬면 차단되는 구조다. 환자의 흡기 능력이 증가할수록 유입량은 많아지게 되는 형태로 설계됐다(이는 AHA 권고사항에 따른다).

 

즉 흡기 시에는 능동적 양압이 증가하고 호기 시에는 완화된다. 단점은 산소가 과다 주입돼 가슴을 과 팽창시킬 수 있으며 과 팽창으로 폐 손상이나 공기가슴증, 피하기종을 유발할 수 있어 주의가 필요하다. 

 

▲ [그림 4] 수요 밸브의 형태와 흡기 호기의 방향


산소소생기(Resuscitator)로의 진화

미국심장협회(AHA)는 1986년과 1992년 각각 수요 밸브의 압력 제한 안전장치 부족을 개선하라고 권고했다. 1994년 캐나다의 Oxylator라는 업체에서 상품명 ‘EM-100’이 개발됐는데 이 장비는 기존의 수요 밸브나 인공호흡기가 아니었다. 그렇다고 해서 현재 EM-100을 수요 밸브로 구분하지 않는 건 아니다.

 

EM-100은 소생기라는 개념으로 진화했으며 초기 압력방식만 지원하다가 이후 속도와 환기량(Volume)을 모두 조절 할 수 있는 형태의 Microvent(CPR), OxyLife 등으로 발전돼 사용 중이다. 산소소생기는 기존 수요 밸브와 달리 과다환기를 방지할 수 있었다. 게다가 CPR 중 적절한 환기와 환기 마찰(fighting) 등을 해결했다.

 

폐 손상(기압손상과 용적손상)

우리는 양압 환기장치의 부작용을 알아둘 필요가 있다.

 

시행자의 숙련되지 못한 환기의 일반적 부작용은 공기가 위를 부풀게(팽창) 해 구토를 유발한다는 점이다. 흡인ㆍ역류성 손상에 따라 폐렴의 원인이 되며 많은 양의 공기나 높은 압력(빠른 제공을 포함) 때문에 기압손상(Barotrauma)5)과 용적손상(Volutrauma)6)이 나타날 수 있다. 

 

▲ [표 2] 양압 환기 제공 시 영향을 받는 기도 내압 수치

 

높은 압력의 환기가 계속될 때 파열된 허파꽈리와 간질 사이의 압력 차로 인해 허파꽈리 중격(사이막) 파괴가 나타날 수 있다. 이때 허파꽈리 내 공기가 간질로 이동하는 간질성 기종이 나타나게 된다. 이는 사강(dead space)을 증가시키면서 산소의 확산화를 방해한다. 그 결과 폐동맥압 증가에 따른 정맥 환류(Venus return) 감소 현상을 일으켜 순환계 폐순환을 방해하기도 한다.

 

기압손상의 대표적인 질환은 공기가슴증과 세로칸공기가슴증, 피하기종이다. 허파꽈리가 터지면서 유출된 공기가 간질에서 세로칸으로 이동해서 기종 격동, 피하조직으로 확대되는 걸 피하기종이라 하고 세로칸 벽측흉막을 통해 흉강으로 이동하는 걸 공기가슴증이라 부른다. 

 

연구에 따르면 공기가슴증은 간헐적인 높은 압력에도 나타날 수 있다2). 높은 압력과 큰 용적에서 상해가 큰 것으로 보고되기 때문에3) 양압 환기 시 높은 압력은 곧 큰 용적을 의미한다는 걸 알아야 한다.

 

▲ [표 3] 양압 환기 제공 시 발생 가능한 문제

 

적절한 환기량을 제공하는 방법으로 다음을 제시하고자 한다.

 

AHA 2015 Guide line에서는 성인 심폐소생술 중에는 1회 환기량을 500~600㎖를 권고하고 있다. 전문기도기(ETT, LT, I-gel 등)가 삽관된 경우에는 6초마다 1회의 인공호흡(10회/분)을 제공한다고 명시돼 있다.

 

따라서 전문기도기가 삽입되지 않은 상태에서 BVM 단독 환기를 할 경우는 1초에 걸쳐 1/2의 환기를 해줘야 350㎖ 이상의 일회호흡량(TV)이 제공된다. 전문기도기가 삽입된 경우 BVM은 1초에 걸쳐 1/3 환기를 하는 게 가장 적절한 방법이다(마스크의 밀착상태, 기도 저항, 폐 탄성 등에 영향을 받기 때문이다)4).

 

기계식(자동식) 산소소생기의 현장 사용

병원 전 단계의 산소소생기는 임상적 상태에 따라 수동식 모델과 자동식 모델로 사용된다.

 

수동식 산소소생기는 BVM 단독 사용, BVM with Airway와 BVM with Advanced Airway(ETT, LT, I-gel)에 의한 조합으로 활용된다. 자동식 산소소생기는 ‘119구조ㆍ구급에 관한 법률’에 따른 적재 장비지만 많은 대원은 소생술 현장에서 수동식 산소소생기를 사용하고 있다.

 

자동식 산소소생기는 크게 세 가지 목적으로 활용된다. 

1. 산소 보충의 목적으로 고압 탱크에서 압력조절장치(regulator)를 통한 방법

     - Oxylator, Oxylife, Microvent

2. 환기량이 부족하나 자발 호흡이 있는 경우 수요 밸브를 통한 방법 

     - Oxylator, Oxylife

3. 심정지와 같이 자발 호흡이 없는 경우 양압 환기법으로 사용 

 

▲ [그림 5] 환기량 측정기와 산소소생기를 활용한 모습


전문기도기가 삽입된 상태라면 자동식 산소소생기의 조합만으로도 소생술을 진행할 수 있어 현장에서 더욱 여유로운 이점이 있다. 그렇지 않더라도 환기량을 확인할 수 있는 장비가 있다면 적절한 환기량을 제공하고 이송 중에도 편리하게 쓰일 수 있다.

 

119구급대에 사용 중인 산소소생기들은 1회 환기량과 적절한 기도 내압을 제공하고 있어 중증의 환기 장애나 호흡 정지 또는 심정지 상황에서 안전하고 편리하게 사용할 수 있는 것으로 판단된다.

 

▲ [표 4] 산소소생기의 환기량과 기도 내압 비교5)([표 2]에서 안전한 기도 내압은 20㎝H20이라고 했다)

 

산소소생기의 한계

▲ [표 5] 산소 소생기의 종류와 특성

 

수동식 소생기와 비교하면 폐 탄성(유순도)8)을 느낄 수 없어 무기폐나 폐부종이 있는 환자에게는 사용하지 말아야 한다. 기도 저항이 증가하는(기관지 협착, 기도폐쇄 등) 때도 환기를 효과적으로 할 수 없기 때문에 주의가 필요하다. 또 단독으로 기기를 고정할 수 없으므로 Ventcircuit 같은 도구를 사용하면 도움이 된다.

 

별도의 동력이 없는 대신 산소통의 압력을 사용한다. 수요 밸브 형태로 사용할 땐 산소를 절약할 수 있지만 산소소생기로 사용할 땐 과다한 산소가 소모될 수 있으므로 현장 소생술이 길어지면 별도의 산소탱크가 필요할 수도 있다. 소생기가 저환기를 인식하지 못하기 때문에 현장 소생술 중에는 산소포화도 측정기나 PI9) 측정 도구가 별도로 있으면 도움이 된다.

  


1) 풀무 : 주로 불을 피우거나 악기의 음을 내는 데 쓰는 도구로 공기를 불어 넣는 데 사용

2) Pop-off-Valve(Pressure Relife Valve)는 15~20㎝H2O로 Bagging(가슴 상승)한다. 소아에게는 60㎝H2O 이상인데 Pop-off-Valve 쓰면 30㎝H2O 이하로 설정된다.

3) Endotracheal Intubation

4) 일정한 시간 동안 정해진 압력과 유량으로 공급되는 방식(기도 내압이나 저항 등은 고려되지 않음)

5) 높은 기도압은 허파꽈리를 과 팽창시키고 파괴해 공기가슴증이나 세로칸공기가슴증, 폐기종을 유발할 수 있다. 이것은 주로 40㎝H2O 이상의 PEEP과 100㎝ H2O 이상의 최대 흡기압에서 유발된다. 

6) 볼륨이 조절되지 않은 상태에서 큰 볼륨은 폐를 허탈(Collapse) 되지 않은 정상적인 폐 부위의 과 팽창이 돼 손상을 입는다. 이것은 허파꽈리 모세혈관의 투과성 증가와 외피 세포와 내피세포 붕괴를 통해 폐부종을 발생시킬 수 있다.

7) 기도 내압 : 기도 안의 압력을 말한다. 숨을 뱉을 때 허파꽈리 단계에서 가장 높고 들이마실 때는 허파꽈리에 가까운 기도일수록 낮다.

8) Lung Compliance(폐 탄성) : 폐 조직이 가지고 있는 탄성을 말하는 것으로 허파꽈리 내압이 증가할 때 용적이 증가하는 성질(BVM을 짤 때 저항감을 느낄 수 있다)

9) PI(purfusion index) : 맥박 강도 지수는 말초조직의 비박동성 혈액에 대한 박동성 혈류의 비율을 나타내는 것이다. 최근에 판매되는 Pulse Oximeter에 표시가 되고 있어 말초까지 혈류의 흐름 강도를 확인하는 보조도구로 쓰이고 있다.

 

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Reference

1) 위키백과 en.m.wikipedia.org/wiki/Resuscitator 

2)  기계 환기에 의한 폐 손상 : 압력 상해에서 생물학적 상해까지, 중환자의학회지, 서지영 외 1인, 2001

3)  J Forensic Sci. 1974 Jul;19(3):548-56.Respirator-induced pneumothorax and subcutaneous emphysema: experimental overin flation of cadaver lungs. Lawrence RD.

4)  Bag-Valve-Mask의 사용방법에 따른 일회 호흡량이 평균 기도입의 변화 연구, 조승묵/정현근. 2012

5) 산소소생기 Oxylator EM-100, MicroVent CSI-3000, Oxy-Life II의 환기량과 기도 내압 비교 –마네킨 연구-, 심규식/김은미/노상균. 2017

 

* 본 글은 ‘현장사례로 본 구급 장비 운영론’을 참고했습니다.

 

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경기 수원남부소방서_ 박윤택

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 3월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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