鉄の肺

鉄の肺
エマーソンの鉄の肺
専門呼吸器科
ICD-9-CM93.99
メッシュD015919

鉄の肺は陰圧人工呼吸器の一種で、人体の大部分を覆い、密閉された空間の気圧を変化させて呼吸を刺激する機械式人工呼吸器です。 [ 1 ] [ 2 ]筋肉の制御が失われた場合や、呼吸仕事量が人の能力を超えた場合に呼吸を補助します。 [ 1 ]この治療が必要になるのは、ポリオやボツリヌス中毒などの病気や、特定の毒物（バルビツール酸系薬剤やツボクラリンなど）が原因である可能性があります。

現代医学では、より現代的な呼吸療法が開発され[ 3 ]、また世界のほとんどの地域でポリオが根絶されたため、鉄の肺の使用はほとんど時代遅れとなっている。 [ 4 ]しかし、2020年にCOVID-19パンデミックが発生したことで、一時的な人工呼吸器を必要とする患者数の増加が懸念されていた陽圧人工呼吸器の安価で容易に生産できる代替品として、鉄の肺への関心が再燃した。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

鉄の肺は、呼吸筋の制御を失った患者の呼吸を刺激するために設計された、大きな水平方向の円筒です。患者の頭部は円筒の外側に露出し、胴体は円筒内に密閉されます。円筒内の空気圧は、吸入と呼気を促進するために循環します。ドリンカー、エマーソン、ボスなどの人工呼吸器は鉄の肺の例であり、手動または機械で駆動できます。小型の胸甲人工呼吸器やジャケット人工呼吸器は、患者の胴体のみを覆います。人間の呼吸は陰圧によって行われ、胸郭が拡張し横隔膜が収縮することで、空気が肺に出入りします。

体外陰圧換気の概念は、 1670年にジョン・メイヨーによって導入されました。広く使用された最初の装置は、 1928年にフィリップ・ドリンカーとルイス・ショーによって開発された鉄の肺でした。鉄の肺は当初、石炭ガス中毒の治療に使用されていましたが、20世紀半ばにはポリオによる呼吸不全の治療薬として有名になりました。ジョン・ヘイブン・エマーソンは、1931年に改良され、より手頃な価格のバージョンを導入しました。ドリンカーモデルよりも安価で軽量なボス人工呼吸器は、1937年にオーストラリアで発明されました。英国の慈善家ウィリアム・モリスはボス・ナフィールド人工呼吸器の製造に資金を提供し、英国および大英帝国全体の病院に寄贈しました。1940年代と1950年代のポリオの大流行時には、鉄の肺が病棟を埋め尽くし、横隔膜が麻痺した患者の回復を助けました。

ポリオ予防接種プログラムと近代的な人工呼吸器の開発により、先進国では鉄の肺の使用はほぼ根絶されました。挿管によって患者の肺に空気を送り込む陽圧換気システムは、鉄の肺のような陰圧システムよりも一般的になっています。しかし、陰圧換気は正常な生理的呼吸に近く、中枢性低換気症候群などのまれな症状では好ましい場合があります。[ 1 ]ポール・アレクサンダーの死後、2024年の時点で、米国ではマーサ・リラードという1人の患者だけがまだ鉄の肺を使用していました。[ 8 ] COVID-19パンデミックと近代的な人工呼吸器の不足に対応して、いくつかの企業は、簡単に製造できる新しい鉄の肺のプロトタイプを開発しました。

デザインと機能

鉄製肺シリンダー（黒色）。密閉された開口部から患者の頭部が露出している。横隔膜（黄色）が機械的に伸縮し、シリンダー内の空気圧を変化させることで、患者の胸郭が膨張（吸気）（上）および収縮（呼気）（下）する。
胸甲呼吸器を装着した患者
1939年のオランダのニュース映画「鉄の肺」の機能

鉄の肺は典型的には人が横たわる大きな水平の円筒で、円筒の端にある穴から頭が突き出ているため、頭全体（喉頭まで）が円筒の外に出て周囲の空気にさらされ、体の残りの部分は円筒の中に密閉され、空気圧が継続的に上下して呼吸を刺激する。[ 9 ]

患者に吸入を促すため、シリンダーから空気が送り出され、わずかな真空状態が生じ、患者の胸部と腹部が膨張する（シリンダーの外側、患者の露出した鼻または口から空気が肺に引き込まれる）。次に、患者が息を吐くため、シリンダー内の空気がわずかに圧縮される（または周囲の室内気圧と等しくなる）。これにより、患者の胸部と腹部が部分的に潰れ、肺から空気が押し出される。患者はシリンダーの外側、露出した口と鼻から息を吐き出す。[ 9 ]

この装置の例としては、ドリンカー人工呼吸器、エマーソン人工呼吸器、ボス人工呼吸器などが挙げられる。鉄肺は手動または機械で駆動できるが、通常は電動モーターで駆動され、柔軟なポンプダイヤフラム（通常はシリンダーの端と患者の頭部の反対側に設置）に接続されている。[ 10 ]より大型の「部屋サイズ」の鉄肺も開発され、複数の患者（それぞれの頭部が外壁の密閉された開口部から突き出ている）を同時に換気できるようにした。密閉された部屋の中に看護師や呼吸療法士が入り、患者の世話をするのに十分なスペースが確保されている。[ 10 ]

鉄の肺の小型版で、患者1人用としては、いわゆるキュイラス人工呼吸器（胴体を覆う防弾チョッキにちなんで名付けられた）がある。キュイラス人工呼吸器は患者の胴体、つまり胸部と腹部のみを覆うが、それ以外は基本的に元のフルサイズの鉄の肺と同じように機能する。キュイラス人工呼吸器の軽量版として、ジャケット人工呼吸器、ポンチョ人工呼吸器、レインコート人工呼吸器があり、これは柔軟性があり不浸透性の素材（プラスチックやゴムなど）を金属またはプラスチック製のフレームに張り、患者の胴体を覆うように装着する。[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]

方法と使用

1953年頃の映画用に作られた鉄肺病棟

人間は、ほとんどの哺乳類と同様に、陰圧呼吸によって呼吸します。[ 13 ]胸郭が拡張し、横隔膜が収縮することで胸腔が拡張します。これにより胸腔内の圧力が低下し、肺が拡張して空間を満たします。これにより、肺内の空気の圧力が低下し（大気に対して負圧になり）、大気から肺に空気が流れ込みます。これが吸入です。横隔膜が弛緩すると、逆のことが起こり、人は吐き出します。人が関与する筋肉を制御する能力の一部またはすべてを失うと、呼吸が困難または不可能になります。

発明と初期の使用

初期開発

ギュータースロー市立博物館所蔵の1950年代の鉄肺。ドイツでは、このような人工呼吸器は10台未満しか一般公開されていない。

1670年、イギリスの科学者ジョン・メイヨーは体外陰圧換気のアイデアを考案しました。メイヨーは、空気を吸い込み、吐き出すためのふいごと袋からなる模型を製作しました。 [ 14 ]最初の陰圧換気装置は、1832年にイギリスの医師ジョン・ダルジールによって記述されました。同様の装置の実用化は数年後に報告されました。初期の試作品には、パリのウォイレズ博士（1876年）が設計した手動のふいご駆動式「スピロフォア」 [ 15 ]や、南アフリカのステュアート博士（1918年）がポリオ治療用に特別に設計した気密木箱などがありました。ステュアートの箱は、腰と肩の部分が粘土で密閉され、モーター駆動のふいごで駆動されていました。[ 16 ]

ドリンカーとショータンク

2018年、ネットリー病院の礼拝堂に展示されたドリンカーの鉄肺

しかし、これらの装置が初めて広く使用されたのは、1928年にアメリカのフィリップ・ドリンカーとルイス・ショーによって開発された。[ 17 ]鉄の肺は、初期には「ドリンカー人工呼吸器」と呼ばれ、ハーバード公衆衛生大学院の産業衛生学教授であったフィリップ・ドリンカー（1894-1972）とルイス・アガシー・ショー・ジュニアによって発明された。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]この装置は、2台の掃除機から供給される空気ポンプと電動モーターで駆動されていた。空気ポンプは長方形の密閉された金属製の箱内の圧力を変化させ、肺に空気を出入りさせた。[ 21 ]ドリンカー人工呼吸器が人間に初めて臨床使用されたのは、1928年10月12日、アメリカのボストン小児病院 であった。 [ 19 ] [ 22 ]被験者はポリオによる呼吸不全で瀕死の状態だった8歳の少女だった。 [ 20 ]チャンバーに入れてから1分も経たないうちに劇的に回復した彼女の行動は、この新しい装置の普及に貢献した。[ 23 ]

バリエーション

ボストンの製造業者ウォーレン・E・コリンズはその年に鉄の肺の生産を開始しました。[ 24 ] [ 25 ]当初は石炭ガス中毒の被害者の治療のために開発されましたが、20世紀半ばにはポリオによる呼吸不全の治療に使用されたことで最も有名になりました。[ 18 ]

デンマークの生理学者アウグスト・クロウは、 1931年にニューヨークを訪れ、ドリンカー式人工呼吸器が実際に使用されているのを見てコペンハーゲンに戻った後、臨床用途向けに設計されたデンマーク初の人工呼吸器を製作しました。クロウの装置は、ドリンカーの装置とは異なり、モーターが市内のパイプラインから供給される水で駆動されていました。クロウは乳児用人工呼吸器も製作しました。[ 26 ]

1931年、ジョン・ヘイヴン・エマーソン（1906–1997）は改良された安価な鉄の肺を発表した。[ 27 ] [ 28 ]エマーソンの鉄の肺には、必要に応じてシリンダーから出し入れできるベッドがあり、タンクにはポータルウィンドウがあり、介助者が手を伸ばして手足やシーツ、ホットパックを調整できた。[ 21 ]ドリンカーとハーバード大学は、エマーソンが特許権を侵害したとして訴訟を起こした。エマーソンは、このような救命装置はすべての人が自由に利用できるべきだと主張して自己を弁護した。[ 21 ]エマーソンはまた、ドリンカーの特許のすべての側面が以前に他の人によって公開または使用されていたことを証明した。発明は特許を受けるためには新規でなければならないため、発明が以前に公開/使用されていたということは、新規ではなく、したがって特許を受けられないことを意味した。エマーソンは訴訟に勝ち、ドリンカーの特許は無効と宣言された。

英国初の鉄の肺は、1934年にアバディーンの医師ロバート・ヘンダーソンによって設計されました。ヘンダーソンは1930年代初頭にドリンカー人工呼吸器の実演を見学し、スコットランド帰国後に独自の装置を製作しました。製作から4週間後、ヘンダーソン人工呼吸器はアバディーンシャー州ニューディアのポリオを患っていた10歳の少年の命を救うために使用されました。この成功にもかかわらず、ヘンダーソンは病院施設を秘密裏に使用して装置を製作したとして叱責されました。[ 29 ] [ 30 ]

両方の人工呼吸器

陰圧式人工呼吸器であるボス人工呼吸器は、1937年にオーストラリアでポリオが流行し、呼吸麻痺を補うための人工呼吸器の緊急需要が高まった際に発明されました。ドリンカー型人工呼吸器は効果的で多くの命を救いましたが、装置が非常に大きく重く（約750ポンド、約340kg）、かさばり、高価であったため、普及は妨げられました。成人用人工呼吸器の価格は、1930年の米国では約2,000ドル（2024年の38,000ドルに相当）、1950年代半ばのヨーロッパでは約1,500ポンド（2023年の50,000ドルに相当）でした。 1936年にメルボルンに納入された人工呼吸器の価格は、2,000オーストラリアポンド（2022年の216,000ドルに相当）でした。その結果、オーストラリアとヨーロッパではドリンカー装置はほとんど使用されませんでした。[ 31 ]

南オーストラリア州保健局は、アデレード出身の兄弟、エドワードとドン・ボスに、安価な「鉄の肺」の開発を依頼した。[ 32 ]生物医学エンジニアのエドワード・ボスは、ドリンカーの人工呼吸器と同様の機能を持つ合板製のキャビネット型人工呼吸器を設計・開発した。この人工呼吸器は、患者の体内に一時的にアクセスできる二弁式のデザインを採用していた。[ 31 ]ボスの人工呼吸器は、ドリンカーの人工呼吸器よりもはるかに安価（わずか100ポンド）で、重量も軽く、製造と輸送も迅速だった。[ 31 ] [ 33 ]この人工呼吸器の需要は非常に高く、製造後1時間以内に患者が使用することが多かった。[ 34 ]

1938年、ポリオが再び流行していたロンドンを訪れたボスは、そこで人工呼吸器を追加生産し、それが英国の自動車製造業者で慈善家のウィリアム・モリス（ナフィールド卿）の注目を集めた。ナフィールドは設計に興味をそそられ、カウリーの自動車工場で約1700台の人工呼吸器の生産に資金を提供し、英国全土および大英帝国の病院に寄贈した。[ 34 ]すぐに、ボス＝ナフィールドの人工呼吸器は、米国設計の約13分の1のコストで、1000台単位で生産できるようになった。[ 32 ] 1950年代初頭までに、英国には700台以上のボス＝ナフィールドの鉄肺があったが、ドリンカーの装置はわずか50台だった。[ 35 ]

  • 1943年、第110オーストラリア軍病院で患者の治療に使用されている両キャビネット型人工呼吸器
    1943年、第110オーストラリア軍病院で患者の治療に使用されている両キャビネット型人工呼吸器
  • リーズのサックレイ医学博物館に展示されているボス＝ナフィールド鉄肺。写真はモリス自動車工場での組み立ての様子。[36]
    リーズのサックリー医学博物館に展示されているボス＝ナフィールド鉄肺。写真はモリス自動車工場での組み立ての様子。[ 36 ]

ポリオの流行

1960 年のポリオ流行の際、ロードアイランド州の病院のスタッフが鉄肺タンク人工呼吸器を装着した患者を診察している。

1940年代から1950年代にかけてポリオが猛威を振るった際、病院の病棟には鉄の肺が何列も並べられ、球麻痺ポリオや球脊髄ポリオに罹患した子供や一部の成人を助けました。横隔膜麻痺のポリオ患者は、通常2週間、鉄の肺の中で回復を待ちました。[ 37 ] [ 38 ]

成果

ポリオのために鉄の肺で治療を受けた患者は、症状の重症度と治療期間によってさまざまな転帰を経験した。[ 39 ] ほとんどの患者は数週間から数ヶ月だけ鉄の肺を必要とした。しかし、胸筋が永久に麻痺した少数の患者は、一生鉄の肺に閉じ込められることになった。鉄の肺の外で再び呼吸することを学ぶことは、患者にとってしばしば困難で恐ろしい過程だった。ほとんどの患者は治療を通じて徐々に胸筋が強化され、装置の外で過ごせる時間が増えた。完全に回復して治療を終えることができた患者もいた。重症例では、特に誤嚥性肺炎と中枢呼吸中枢障害などの致命的な合併症が発生した。20世紀後半には、ワクチン接種プログラムにより、先進国におけるポリオの新規症例は事実上根絶された。このため、近代的な人工呼吸器の開発と気管挿管および気管切開の広範な使用により、鉄の肺は現代医学からほぼ姿を消した。 1959年にはアメリカで1,200人がタンク式人工呼吸器を使用していましたが、2004年までにその数はわずか39人にまで減少しました。 [ 37 ] 2014年までに鉄の肺を装着している人はわずか10人になりました。[ 40 ]

現代の開発と使用

交換

陽圧換気システムは現在、陰圧換気システムよりも一般的になっています。陽圧換気システムは、気道を通して患者の肺に空気を送り込むことで機能します。 1952年のポリオ流行時に、デンマークのコペンハーゲンにあるブレグダムス病院で初めて使用されました。 [ 41 ] [ 42 ]これは成功を収め、1953年までにヨーロッパ全土で鉄肺に取って代わりました。[ 43 ]

陽圧人工呼吸器の利点は、患者の気道をきれいにし、ポリオの急性期に患者を半座位にできる点である。呼吸麻痺患者に鉄の肺を使用した場合の死亡率は80～90％にも達し、嚥下筋が麻痺したために患者の多くが自分の唾液で溺れるか、気道閉塞により血流中に二酸化炭素が蓄積してアシドーシスを起こし臓器機能不全に陥るかのいずれかであった。鉄の肺の代わりに陽圧人工呼吸器を使用することで、コペンハーゲンの病院チームは死亡率を最終的に11％まで下げることができた。[ 43 ]この方法で治療された最初の患者は、球麻痺型ポリオを患っていたヴィヴィ・エバートという12歳の少女だった。

鉄の肺は、現代の呼吸療法において現在、限られた役割しか担っていません。呼吸筋麻痺の患者の多くは、陽圧で気道に空気を送り込む最新の人工呼吸器を使用しています。これらの人工呼吸器は一般的に効果的であり、患者の動きや介護者の診察能力を鉄の肺ほど制限しないという利点があります。

継続使用

陽圧換気システムには利点があるものの、陰圧換気は正常な生理的呼吸に近似しており、肺内の空気の分布もより正常になります。また、中枢性低換気症候群など、まれな疾患[ 1 ]では、陰圧換気が望ましい場合もあります。中枢性低換気症候群では、脳底部の延髄呼吸中枢の機能不全により、患者は呼吸の自律神経制御ができなくなります。ポリオ患者として報告されているダイアン・オデルは、脊柱変形のため人工呼吸器の使用が禁忌とされていました[ 44 ]。

交換部品の入手が困難な場合もあるにもかかわらず、現在でも少なくとも数名の患者が、多くの場合自宅で古い機械を使用しています。[ 45 ]

ポストポリオ保健国際のジョーン・ヘッドリーは、2008年5月28日時点で、米国ではまだ約30人の患者が鉄肺を使用していると述べた。[ 46 ]この数字は不正確である可能性があり、ヒューストンだけで2008年に自宅で鉄肺を使用している患者が19人いた。[ 47 ]

ノースカロライナ州ラティモアのマーサ・メイソンは、72年間のうち61年間を鉄の肺の中で過ごした後、2009年5月4日に亡くなりました。[ 48 ]

2009年10月30日、オーストラリアのメルボルン在住のジューン・ミドルトンさんは、鉄の肺で最長の時間を過ごした人物としてギネスブックに登録されていたが、60年以上鉄の肺で過ごした後、83歳で亡くなった。[ 49 ]

2013年、ポストポリオ保健インターナショナル（PHI）は、米国における鉄肺の使用者は6～8人程度と推定していましたが、2017年時点で事務局長は一人も把握していませんでした。しかしその後、少なくとも3人（おそらく最後の3人）[ 50 ]が鉄肺を使用しているという報道が浮上し[ 51 ] 、ナオミ・ウー[ 52 ]をはじめとするメイカースペースコミュニティの人々が、特にガスケットなどの旧式部品の製造に興味を持つようになりました[ 53 ] [ 54 ] 。

2021年、全米公共ラジオの番組「ラジオ・ダイアリーズ」と「オール・シングス・コンシダード」は、1953年から毎日鉄の肺を使って生活している数少ないアメリカ人の一人、マーサ・リラードについて報道した。インタビューの中で、彼女は機械を正常に動作させるための交換部品の入手に苦労していると語っている。[ 55 ]

2024年3月11日、アメリカ合衆国テキサス州ダラス在住のポール・アレクサンダー氏が78歳で亡くなりました。彼は6歳から72年間、誰よりも長く鉄の肺に閉じ込められ、鉄の肺で生きた最後の人物でした。彼の死により、マーサ・リラード氏はアメリカ合衆国で鉄の肺を使用していることが知られている唯一の人物となりました。[ 8 ]

COVID-19 パンデミック

2020年初頭、COVID-19パンデミックへの対応として、進行性・重症のCOVID-19患者に必要な最新式の人工呼吸器の世界的な緊急不足に対処するため、いくつかの企業が、すぐに製造可能な新型の鉄の肺のプロトタイプを開発しました。これらの開発には以下が含まれます。

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さらに読む

  • ダワン、ナヴィーン。「フィリップ・ドリンカー対ジョン・ヘイヴン・エマーソン：鉄肺マシンをめぐる戦い、1928～1940年」医学伝記ジャーナル28.3（2020年）：162-168。
  • フィリップ・A・ドリンカー、チャールズ・F・マッカーン著「鉄の肺：最初の実用的な呼吸補助手段」JAMA 255.11 (1986): 1476-1480.オンライン
  • マーケル、ハワード。「鉄の肺の起源：フィリップ・ドリンカー、チャールズ・F・マッカン、ジェームズ・L・ウィルソン、そしてポリオ患者への人工呼吸器投与の初期の試み」『子どものケア：ミシガン大学小児科・感染症科の記念事業』（健康科学モノグラフ歴史センター、第5号、アナーバー、1998年）75～92ページ。オンライン
  • マクスウェル、ジェームズ・H.「鉄の肺：途中の技術か、それとも必要なステップか？」ミルバンク・クォータリー（1986年）：3-29ページ。オンライン
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