呼吸装置

酸素が欠乏している、または有毒な雰囲気の場合は、背中に空気供給装置を積んで運ぶことができます。
1945年のイギリス海軍コマンドー

呼吸装置または呼吸セットとは、呼吸が不可能、困難、有害、または危険な過酷な環境において、人が呼吸できるようにしたり、呼吸を補助したりする機器です。人工呼吸器、医療用人工呼吸器、または蘇生器も呼吸装置とみなされます。複数の人が使用する空間に周囲の空気以外の呼吸ガスを供給または循環させる機器は、通常、生命維持システムの一部であると言われています。呼吸ガスが、ユーザーが占有している囲いではなく、ユーザーに直接供給される場合、1人用の生命維持システムにも呼吸装置が含まれることがあります。

呼吸装置はいくつかの方法で種類別に分類できます。

  • 呼吸によるガス源：自己完結型ガス供給、遠隔供給ガス、または浄化された周囲空気
  • 環境別：水中/高圧、陸上/常圧、高高度/低圧
  • 呼吸回路の種類：オープン、セミクローズ、クローズド回路
  • ガス供給タイプ別：定流量、オンデマンド供給、または補助供給
  • 換気駆動力：ユーザーの呼吸努力、または外部からの機械的仕事
  • 動作圧力条件による：大気圧または大気圧から隔離された状態
  • ガス混合：空気、酸素濃縮空気、純酸素、または混合ガス
  • 目的別：水中ダイビング、​​登山、航空、産業、緊急脱出、医療

呼吸インターフェースとは、呼吸装置が呼吸ガスをユーザーとの間で送出・送出するための供給システムです。通常は何らかの形のフェイスピース、フード、ヘルメットなどが用いられますが、一部の医療介入では侵襲的な方法が必要となる場合もあります。

ユニットは複数のタイプに分けられます。よく知られているレクリエーション用スキューバセットは、自己完結型、オープンサーキット、需要に応じて供給、高圧貯蔵空気、常圧、水中ダイビングタイプで、バイトグリップで固定されたマウスピースを通して空気を送ります。

定義と範囲

意味論的には、呼吸装置という用語は、呼吸を可能にしたり容易にしたりすることを特に目的とした一連の装置および材料を意味します。これには、シュノーケルや人工気道のような基本的な装置から、麻酔器や宇宙服のような複雑な装置までが含まれます。実際の使用法はさまざまであり、呼吸装置、呼吸セット、人工呼吸器、および人工呼吸器は、選択された情報源に応じて異なる、類似した意味と重複する意味を持ちます。[ 1 ]呼吸セットは呼吸装置の二次的な同義語のようで、インターネット検索はすべて呼吸装置にリダイレクトされるようです。メリアム・ウェブスターによると、人工呼吸器は人工的に補助された呼吸を提供する医療機器、または空間に新鮮な空気を循環させる装置である可能性があり、一方、呼吸器は通常、空気中の粒子状汚染物質から使用者を保護するために着用されるマスクですが、人工呼吸を提供するための装置を意味することもあります。濾過マスクという意味での使用は19世紀初頭に遡り、人工呼吸という意味では19世紀後半に遡り、どちらも定着しています。[ 1 ]

英国安全衛生庁（HSE）は、呼吸用保護具と呼吸装置を区別しています。呼吸用保護具は、モーターを使用して周囲の空気をフィルターに通す動力付きフィルター装置と、着用者の呼吸によって周囲の空気をフィルターに通す動力なしフィルター装置に分類されます。この文脈における呼吸用保護具の特徴は、空気がどの段階でも著しく圧縮されず、ろ過され、ほぼ大気圧にあることです。HSEによる呼吸装置の定義では、空気圧縮機や圧縮ガスボンベなどの独立した供給源から呼吸に適したガスの供給を受ける装置とされています。この場合、供給ガスが何らかの段階で圧縮されることを意味します。HSEでは、呼吸用保護具として呼吸用保護具に分類されています。[ 2 ]

Vocabulary.comでは、呼吸装置は「呼吸不全の場合に呼吸を補助する装置」と説明されており、これは医療用人工呼吸器や蘇生器の機能的な説明である。[ 3 ]

マグロウヒル科学技術用語辞典では、呼吸装置を「呼吸不可能または有毒なガスまたは液体の中で人が活動できるようにする器具。酸素供給源と、呼気中の二酸化炭素を除去する再生装置を含む」と定義しており、これはあらゆるタイプまたは用途の再呼吸器の説明である。[ 4 ]

呼吸ガス源

米国労働安全衛生局（OSHA）は、呼吸ガスの発生源に基づいて呼吸装置の種類を区別しており、人工呼吸器を呼吸装置の一種またはクラスとみなしている。[ 5 ]

大気供給型呼吸器は、給気呼吸器（SAR）や自給式呼吸器（SCBA）など、周囲の大気とは独立した供給源から呼吸ガスを使用者に供給する呼吸装置である。[ 5 ]

自給式呼吸装置（SCBA）は、呼吸ガス源を使用者が携行するタイプの大気供給呼吸装置である。[ 5 ]

給気呼吸器（SAR）またはエアライン呼吸器は、使用者が携帯していない供給源から呼吸ガスを供給するためにホースを使用する大気供給呼吸装置の一種である。[ 5 ]

空気清浄呼吸器は、フィルター、カートリッジ、またはキャニスターを用いて、周囲の空気を空気清浄部に通すことで特定の空気汚染物質を除去する呼吸器です。空気を空気清浄部に通す仕組みは、使用者の肺を通して通す場合もあれば、機械装置を通して通す場合もあります。[ 5 ]

呼吸ガス源としては、周囲の大気、低圧コンプレッサーからリアルタイムで供給される圧縮空気、酸素濃縮器から供給される酸素濃縮空気、 [ 6 ]高圧貯蔵圧縮空気、超臨界圧縮空気、[ 7 ]酸素または混合ガス混合物、液体酸素、化学的に生成された酸素、あるいは周囲の大気とこれらのガス源の組み合わせが挙げられます。[ 8 ]

呼吸ガス調整器

加圧ガス供給を使用する場合、呼吸ガスは吸入に適した圧力、つまり大気圧に近い圧力で呼吸インターフェースに供給されなければならない。これは通常、呼吸ガスレギュレーター（減圧レギュレーター）によって行われ、供給ラインからのガス供給圧力を下げる。[ 9 ]呼気は通常、大気圧のまま周囲に排出されるが、内蔵呼吸システムやガス回収システムなどの特殊なケースでは、呼気は大幅に低い圧力で、場合によっては遠隔地で排出されることもあり、安全にこれを行うために背圧レギュレーターが必要になる場合がある。[ 10 ]

呼吸回路タイプ

供給ガス呼吸器は、ガスが使用者にどのように供給されるかによって分類できます。いくつかのオプションの組み合わせがあります。

一定の流れ

ガスは連続的に供給することができ、これは定流量、連続流、またはフリーフローシステムとして知られています。使用者は顔面を通過する新鮮なガスの流れから吸入し、同じ流れに吐き出します。供給速度は、合理的に予測可能な作業速度において、吸入ガスに以前に吐き出されたガスが過度に含まれないように十分なものでなければなりません。これは単純ですが、供給ガスの無駄になります。[ 11 ] [ 12 ]

要求

ガスは、使用者が吸入するとオンデマンドで供給されます。吸入開始時の圧力降下を利用してデマンドバルブの開度を制御し、要求がなくなると自動的に停止します。この方法はガス使用量を節約しますが、呼吸仕事量は大きくなります。デッドスペースを制限するために、内部容積を小さくしながらも、使用者に対して適度に密閉するフェイスピースが必要です。[ 13 ]一部のデマンド供給型呼吸器は、連続流量モードに切り替えることができます。[ 5 ]

開回路

開放型呼吸装置とは、呼吸ガスを一切再利用せず、全て周囲に排出する呼吸装置である。[ 14 ]

供給は、流れが停止した際に維持される圧力と、装置内の呼吸ガス圧が周囲圧力を下回るかどうかに基づいて、さらに正圧システムと負圧システムに分類できます。供給中に混合しないオープンサーキットシステムはシンプルで、供給されるガスは一定かつ信頼性があります。[ 5 ]

濃縮ガス

定流量供給と需要供給はどちらも2つの供給源からガスを供給することができ、その1つは周囲の大気であり、一般的には酸素補給と呼ばれ、医療目的で使用されることが多く、ユーザーが医療用低酸素症のリスクがある場合や、酸素分圧が自然に低い高地で使用されます。[ 15 ]

閉回路と半閉回路

閉回路および半閉回路の呼吸セットは、リブリーザーやガスエクステンダーとも呼ばれ、使用者の呼気から二酸化炭素を吸収して酸素を添加する呼吸装置です。これにより、未使用の酸素と希釈剤（存在する場合）をリサイクルできます。リブリーザー システムは、付属のガス呼吸セットのあらゆる用途に使用できます。混合気を制御する必要がある場合は開回路よりも複雑になる可能性があり、短時間の持久力を要する用途では重くなる可能性があります。高酸素濃度による火災の危険性が大きくなる可能性があります。長時間の持久力と適度な軽量化が求められるその他の用途では、ガスを大幅に節約でき、同等の開回路オプションよりもはるかにシンプルで軽量になる可能性があります。リブリーザーシステムは、閉回路または半閉回路で、振り子式またはループ式の流路構成を有し、ガスは逆止弁を介して使用者の呼吸によって循環する（ほぼすべての自己完結型装置）、注入された新鮮なガスのエネルギーによって循環する（ドレーゲルモデル1915「ブビコップ」、DM20およびDM40、および米国海軍Mk Vヘリウムヘルメットガスエクステンダー[ 16 ]）、または外部電源入力によって循環する（宇宙服内の酸素は電動ファンによって循環される）。[ 17 ] 呼吸努力によって駆動されるリブリーザーユニットは、特に深度の高い場所でガス密度が高い場合に呼吸仕事量が増加するため、希釈剤がヘリウムであっても、潜水用リブリーザーの制限要因となる。[ 18 ]

自己完結型またはリモート供給型

呼吸装置は自己完結型に分類されることもあり、その場合は全てが使用者によって持ち運ばれるか、供給パネルからガスを供給するホースと、場合によっては呼気ガスを戻すための戻りホースによって遠隔的に供給される。[ 9 ]

リモートで提供されるアプリケーションには次のものがあります:

1910年、コロラド州のプリメロ炭鉱で起きた爆発後の負傷者の収容

自己完結型アプリケーションには次のものが含まれます。

ユーザー呼吸インターフェース

呼吸インターフェース（一般的にフェイスピースとも呼ばれる）は、呼吸装置がユーザーへの呼吸ガスの流量を制御するための供給システムです。インターフェースの種類とフィット感の選択は、利便性、有効性、快適性、そして時には安全性に大きな影響を与えます。現在、いくつかの種類が使用されています。[ 26 ]

鼻カニューレ

鼻カニューレは比較的目立たず、酸素補給に広く使用されています。基本的なバージョンは、毎分1～6リットルの流量で連続的に酸素補給を供給するために使用されます。供給のために鼻孔に挿入する2つの短い突起があり、共通のチューブに接続されています。チューブは通常、耳に引っ掛けて支えます。[ 27 ]より複雑なリザーバーカニューレは、酸素を節約する酸素補給装置で、呼気中に鼻の下の小さなリザーバーに一定流量の酸素を蓄積し、次の吸入の開始時にボーラスで供給します。これにより、酸素の大部分がガス交換が行われる肺の部位に到達し、死腔での無駄がほとんどなくなります。[ 28 ]

鼻マスク

鼻マスクは鼻を覆い、上唇、鼻の側面、鼻梁を密閉します。[ 26 ]

鼻ピローマスク

鼻ピローマスクは鼻孔の縁を密閉する。睡眠呼吸障害のある安定した患者に使用される。[ 26 ]

人工気道

人工気道は、医療機器を用いて気道を確保するためのものです。これは適切な処置を行う者による介入を必要とし、声門上、声門下、または外科手術によって設置されます。これらの用途は主に救急医療および外科手術で使用されます。このクラスの機器には、ラリンジアルマスク、食道気管コンビチューブ、気管内チューブ、気管切開チューブなどがあります。[ 29 ]

マウスピース

マウスピースは、通常バイトグリップで固定され、唇で密閉され、スキューバ器材、シュノーケル、および一部の脱出用呼吸装置でよく使用されます。[ 30 ]マウスピースはシンプルで効果的で、デッドスペースが最小限で、調整の必要がなく確実に密閉されますが、ユーザーが積極的に所定の位置に保持する必要があり、長時間使用すると顎の疲労を引き起こす可能性があります。マウスピース保持ストラップを使用すると、顎の疲労を軽減し、緊急時にマウスピースを握れなくなるリスクを軽減できます。[ 31 ]マウスピースを使用すると、送達されたガスを口で呼吸することしかできず、バイパスを防ぐために鼻を塞ぐ必要がある場合があります。マウスピースを使用すると、明瞭な会話が困難または不可能になり、飲食するには一時的にマウスピースを外す必要があります。

口腔マスク

口腔マスクは、口の中に歯と唇の間に装着し、舌が気道を塞ぐのを防ぐガイドが付いています。あまり使用されません。[ 26 ]

呼吸マスク

呼吸マスクはフェイスピースとも呼ばれ、口と鼻、場合によっては目や顔の他の部分も覆い、顔に密着する部品です。呼吸マスクは通常効果的で、口と鼻での呼吸を可能にし、通常は使用者が努力することなく適切に密閉できます。用途に応じて幅広いデザインが用意されています。欠点は、マスクを装着している間は飲食ができない、一部のモデルは会話の妨げになる、あるいは比較的大きなデッドスペースがあるといった点です。覆う面積によって3つの基本的な構成が区別されます。

口鼻マスクは口鼻マスク、口鼻マスク、クォーターマスクとも呼ばれ、口と鼻孔を覆い、鼻梁と口の両側、顎の顔の前面をデッドスペースなく密閉します。[ 26 ]

ハーフマスクは顎の下まで覆うのに対し、フルフェイスマスクは目だけでなく鼻と口も覆います。そのため、デッドスペースが非常に大きくなるため、デッドスペースを減らすためにインナーオーリナールマスクが設けられます。スキューバダイビングやフリーダイビングで使用されるダイビングハーフマスクは、目と鼻を覆うものであり、呼吸器具ではありません。

フルフェイスマスクは通常、保護された空間に目を含める必要がある場合にのみ使用され、デッドスペースを減らすために内側の口鼻マスクが含まれることがよくあります。

呼吸フード

呼吸フードは呼吸インターフェースの一種で、頭部と首、そしてオプションで肩や上半身を完全に覆うことができ、[ 32 ]ゆったりとしたバッグで覆われています。このバッグは首を密閉するものもあれば、首や肩に比較的ぴったりとフィットするものもあります。これらは数種類の脱出用呼吸器具（脱出フード）[ 33 ]や、酸素補給経路（酸素フード）として使用されます。フルレングスのバイザー付き呼吸フードは、スプレー塗装、造船、木工作業場などの産業作業で、フリーフロー給気式呼吸器と併用されることが一般的です。[ 34 ]

呼吸ヘルメット

呼吸ヘルメットは通常、頭部を覆う硬質の呼吸ユーザーインターフェースとして定義され、衝撃や貫通から頭部を保護します。[ 32 ]医学用語では、呼吸ヘルメットは呼吸フードと同義であり、硬質の保護構造を持つ必要はありません。[ 35 ] [ 26 ]

周囲圧力領域

呼吸装置は、潜水、トンネル掘削、ケーソン作業などの高圧、周囲の大気が呼吸できない、または医療上の理由で酸素補給が必要な常圧、高高度や宇宙での低圧など、さまざまな圧力状況で使用できます。

低圧システム

高所呼吸装置は、自然大気の酸素含有量が身体活動、意識、または生命を維持するには不十分であるが、大気圧は圧力服を必要としない、非加圧（大気圧）の航空活動および登山活動に使用されます。

この用途では、リブリーザーとオープンサーキットの両方の機器が使用されており、機器によって純酸素または補助酸素が供給されます。通常、周囲の空気は低気圧のために低酸素状態となるだけなので、どちらの方向への微量のリークも、効率とガスの耐久性にのみ影響します。[ 15 ]

常圧システム

呼吸器は、鉱山からの脱出や救助、消防活動、あるいは通常の大気圧に近い圧力の低酸素性または有毒な雰囲気下での作業に使用されます。呼吸器からのガス漏れは、周囲のガスを吸い込むよりも一般的に害が少ないため、周囲のガスによる汚染を防ぐため、これらの呼吸器はわずかに過圧（正圧とも呼ばれます）で呼吸ガスを供給することがあります。

このサブクラスには、自己完結型ユニットと航空会社が提供するユニットの両方が含まれ、自己完結型ユニットでは、ガスの耐久性を延ばすためにリブリーザー技術が使用される場合があります。

高圧システム

高圧環境で使用することを目的とした呼吸セットは、毒性濃度の酸素を含むガスを供給してはならない。[ 30 ]高圧環境で使用する呼吸セットのほとんどは常圧水中呼吸器であるが、加圧トンネルやケーソン内では危険物質による汚染のため、呼吸器が必要となる場合がある。環境への軽微な漏洩は通常、それほど重要ではない。

開回路式、閉回路式、自己完結型、遠隔供給型など、いずれも一般的に使用されているが、酸素毒性や減圧の必要性により、ガス組成の選択は複雑になる。窒素中毒や過度のガス密度による過大な呼吸努力の可能性から、深度深く潜るにはヘリウムを希釈剤として使用する必要がある。圧力変動が激しいため、減圧症の予防には減圧操作が複雑になり、減圧を加速するために特殊な混合ガスを使用するのが一般的である。このため、ダイバーは異なる深度で複数の混合ガスを使用する必要があり、誤った深度で使用すると有毒となる可能性がある。あるいは、混合ガスの確実な制御と監視を行う閉回路式装置が必要となる。深海でダイバーへの呼吸ガス供給が遮断されるような故障は、瞬く間に命に関わる可能性があるため、主ガス供給装置に加えて、緊急用呼吸装置を携行する場合がある。 [ 9 ]

周囲圧力からの隔離

周囲圧力の極端な場合、使用者は生存するために環境から隔離されなければならない。例えば、単一気圧潜水服では、着用者は表面大気圧に保たれ、深海環境の高い周囲圧力から隔離される。また、圧力服や宇宙服では、服の内部は外部環境圧力よりも加圧される。これらの用途では、酸素再呼吸システムが通常使用される。これは、オープンサーキットに比べて比較的安全で、単純で効率的であり、本質的に服の内部圧力に影響を与えないからである。液体空気も宇宙服に使用されており、[ 36 ]服の内部圧力が通常の大気圧に近くなり、オープンサーキットになることを意味する。外部環境への、または外部環境からの漏れは、通常、システム障害と緊急事態を示す。[ 37 ]

正圧システムと負圧システム

呼吸装置の文脈では、正圧システムと負圧システムは、医療用途か非医療用途かに応じて、若干異なる意味を持つことがあります。

労働安全衛生

この文脈では、これらの用語は呼吸回路を汚染物質の漏れから保護することを指します。

陽圧とは、呼吸器の使用中、フェイスピース内部の口や鼻の周囲の圧力が、呼吸器のフェイスピース外部の周囲圧力よりも常にわずかに高く保たれ、周囲のガスや液体が呼吸空間に漏れ出さないことを意味します。[ 5 ]これには、吸入を補助し、呼気を抑制するという生理学的効果もありますが、呼吸の総仕事量には影響しません。

陰圧とは、吸入中のある時点でフェイスピース内部の圧力がフェイスピース外部の周囲圧力よりも低くなることを意味し、周囲のガスや液体が呼吸空間に漏れるのを防ぐためにフェイスピースの密閉性が求められる。[ 5 ]この圧力オフセットは通常、原因に応じてすべての呼吸または数回の呼吸にわたって一定であり、呼気を助け吸入に抵抗するという逆の効果があり、呼吸の総仕事量には純粋な影響を及ぼさない。

水中ダイビング

水中の周囲圧力は水深によって変化し、ダイバーの水中姿勢は、肺とマウスピース内の送気ガスとの間の圧力変動に最大約250mmHg（25mb）の影響を与える可能性があるが、通常はそれ以下である。この圧力変動は、デマンドバルブ、フリーフローヘルメットの排気バルブ、またはリブリーザーのカウンターラングに対する肺の相対的な位置によって正または負の圧力となる。正静的肺負荷および負静的肺負荷とも呼ばれる[ 18 ]。

医療用人工呼吸器

この文脈では、これらの用語は、自発呼吸をしていない人に吸入を誘発するメカニズムを指します。

陽圧換気は、呼吸ガスを周囲圧よりも高い圧力で供給し、気道にガスを送り込んで肺を膨らませる方法です。このシステムは、ほとんどの人工呼吸器や人工呼吸器で採用されています。

陰圧換気は、患者の胴体が外気圧より低い圧力にさらされ、胸郭の拡張によって生じる圧力差によって大気圧の空気が肺に引き込まれることで起こります。この装置は伝統的に「鉄の肺」として知られています。

アプリケーション

呼吸装置は、周囲の環境が適切な呼吸ガスを提供しないさまざまな用途において、呼吸に適したガスを供給するために使用されることがあります。

水中呼吸装置

さまざまな呼吸装置を備えたダイビングドライスーツの博物館展示

水中呼吸装置とは、使用者が水中で呼吸できるように設計された呼吸装置であり、オープンサーキットスキューバダイビング、​​ダイビングリブリーザー、水面供給式ダイビング機器、および大気圧と制御された圧力の単一気圧システムの両方が含まれます。[ 9 ]

大気圧水中呼吸装置 の主なカテゴリは次のとおりです。

他に 2 つのタイプも特定できます。

  • 脱出セットは、故障した潜水艦、沈没した装甲車両、不時着したヘリコプターなど、故障した船舶や車両から水面へ到達するために、少量の呼吸ガスを供給する装置です。これらは開放型または閉鎖型の回路を持つ場合があります。
  • 大気圧式水中呼吸装置も使用され、装甲型大気圧潜水服は水面気圧に近い内部圧力を維持する。これらの呼吸装置は、閉鎖回路式リブリーザーであることが多い。[ 37 ]

産業用呼吸装置

呼吸不可能な常圧雰囲気（毒性、刺激性、麻薬性、または低酸素性である可能性がある）での作業には、呼吸ガスを供給する必要がある。これには消火活動、被害制御、探査、救助活動、および人体への汚染を避けなければならない常圧環境（危険物環境）が含まれる。開放回路式および再呼吸器システムを使用でき、移動の必要性に応じて自給式（SCBA）および遠隔供給システムも使用される。汚染から保護する対象に応じて、正圧装置または負圧装置が適切である場合がある。[ 5 ]

給気呼吸器（SAR）は、エアライン呼吸器とも呼ばれ、周囲の大気が直接呼吸するには不適切、または使用者側でフィルターを通した後に呼吸するには不適切である場合に使用される呼吸保護具の一種である。[ 12 ] [ 38 ]この装置は、必要に応じて正圧で空気を供給することも、使用者のピーク需要率よりも高い速度で一定流量の空気を供給することもできる。[ 39 ]

危険な雰囲気の性質に応じて、ユーザーは体全体を環境から隔離するための個人用保護具（防護服）を着用する必要がある場合があります。

緊急時および脱出用呼吸セット

米海軍緊急脱出呼吸装置（EEBD）

脱出用呼吸器は、緊急時に使用される自己完結型の大気供給または空気浄化呼吸器の一種であり、呼吸可能な大気のない場所から、周囲の空気が安全に呼吸できる比較的安全な場所まで移動することを可能にすることを目的としています。これらは大気圧システムであり、以下のものが含まれます。

初期の脱出装置はリブリーザー型であることが多く、浮上不能となった潜水艦からの脱出に主に使用されました。また、陸上、鉱業、そして軍隊では戦車からの脱出にも使用されています。

小型オープンサーキットスキューバヘリコプター乗務員用呼吸装置は、不時着したヘリコプターから脱出するための呼吸ガスを供給するという同様の目的を持っています。

遠隔的に供給される別のタイプの緊急呼吸セットは、潜水艦や高圧室に 組み込まれた呼吸システムです。

海軍のダイバーが再圧室内で内蔵呼吸マスクをテストしている

内蔵型呼吸システムとは、医療、緊急時、あるいは危険の最小化のために周囲のガスに代わるガスが必要となる閉鎖空間に設置される呼吸ガス源です。潜水室、高圧治療室、潜水艦などに搭載されています。

高圧治療室では通常、酸素を豊富に含んだ治療用ガスを供給するために使用されますが、これをチャンバーの雰囲気として使用すると、許容できない火災の危険が生じます。[ 40 ] [ 41 ]この用途では、排気ガスはチャンバーの外に排出されます。[ 40 ]飽和潜水室や表面減圧室でも用途は同様ですが、チャンバーの雰囲気が有毒に汚染された場合に呼吸可能なガスを供給するという追加機能があります。[ 40 ]この機能には外部排気は必要ありませんが、通常は同じ装置が酸素濃縮ガスの供給に使用されるため、デフォルトで外部に排気されるのが一般的です。

潜水艦におけるその機能は、緊急時に呼吸可能なガスを供給することです。緊急時には、艦内周囲の大気が汚染されたり、浸水したりする可能性があります。この用途では、艦外は通常艦内よりも圧力が高く、受動的な手段による外部排気は不可能であるため、艦内への排気は許容され、一般的に唯一の実行可能な選択肢となります。

民間航空機の客室気圧が低下した乗客に供給される緊急用酸素も、内蔵型呼吸システムの基本形です。このシステムでは、一定量の酸素が生成され、一定時間供給されます。この供給量は、周囲の空気中の酸素濃度が意識を維持するのに十分な高度まで航空機を安全に降下させるのに十分な量です。これらのシステムは機内に排気されます。

煙フードやその他の避難用呼吸器は、火災やその他の事故で周囲の空気の質が損なわれる可能性があるものの、必要な活動を維持するのに十分な酸素が残っている可能性がある、建物からの避難に必要となる可能性のある多くの産業環境で使用されます。

緊急時および脱出用呼吸装置は、十分な酸素があり、浄化することが合理的に実行可能な場合には浄化された周囲の空気を供給することができ、または呼吸可能であることが知られている貯蔵呼吸ガスを供給することができる。

酸素補給

酸素補給とは、大気圧下で大気から得られる酸素に加えて、酸素を補給することです。低圧環境下、あるいはあらゆる圧力条件下での医療目的において、酸素補給は必要または望ましい場合があります。酸素補給では流量が規定されることが多いですが、望ましい結果を得るためには肺胞内の分圧が重要であり、これは呼吸器の供給システムと大気圧に大きく依存します。鼻や口から一定流量の酸素を開放型回路で供給するシステムでは、多くの酸素が死腔や呼気時に無駄に消費されます。

酸素節約装置

閉回路式リブリーザーは貯蔵酸素の節約に非常に効果的ですが、周囲の酸素を一切利用しないため、貯蔵酸素の使用量を最小限に抑える効果は使用場所によって異なります。このリブリーザーは、濃縮された周囲のガスが全く存在しない（水中や宇宙空間）、周囲の圧力が低すぎる（超高高度）、酸素分圧が十分でない、あるいは汚染物質によってリスクが許容できないなどの理由で、濃縮された周囲のガスを使用できない状況に最も適しています。

オープンサーキット酸素供給は、呼吸周期において、ガス移動が起こる肺胞に吸入される時点で行うと最も効果的です。これは吸入の最初の段階です。吸入周期の後半で供給された酸素は生理的死腔に吸入され、血液中に拡散できないため、何の役にも立ちません。吸入されない呼吸周期の段階で供給された酸素も、一時的に蓄えられない限り、無駄になります。[ 42 ]

口と鼻に供給される一定流量の連続吸入には単純なレギュレータを使用しますが、供給されるガスの大部分が肺胞に到達せず、半分以上がまったく吸入されないため非効率的です。安静時および呼気時にフリーフロー酸素を蓄積するシステム（リザーバーカニューレ、部分的再呼吸マスク、非再呼吸マスク）では、より多くの酸素を吸入に利用でき、肺の最も奥まで到達する吸入初期段階で選択的に吸入されます。また、リザーバーバッグに収容できる場合は、吸入された量を死腔に回収して次の呼吸に再利用することもできます。最高の効率を得るには、流量を呼吸インターフェースの貯蔵容量、ユーザーの呼吸の一回換気量および呼吸数に一致させる必要があり、一回換気量および呼吸数は運動量の変化により短期間で大きく変化する可能性があるため、これらの方法は活動的なユーザーにはあまり効果的ではありません。

デマンド バルブによる供給では、ユーザーが積極的に吸入していないときの酸素の浪費が回避され、適切に調整された希釈オリフィスと組み合わせると、貯蔵されている酸素の大部分を節約できますが、解剖学的および機械的なデッド スペースを埋めるために酸素が浪費されるため、ユーザーによるある程度の身体的努力が必要になります。

1980年代以降、呼吸サイクルの中で酸素がより効率的に利用される段階で酸素を供給することで、貯蔵酸素を節約する装置が登場しました。これにより、貯蔵酸素の持続時間が長くなり、小型軽量の携帯型酸素供給システムも実現可能になります。この種の装置は携帯型酸素濃縮器と併用することもでき、より効率的な供給が可能になります。[ 42 ]

パルス投与酸素節約装置（またはデマンドパルス装置）は、吸入開始を感知し、定量ボーラスを供給します。必要量に正しく調整されていれば、肺胞に十分かつ効果的に吸入されます。このようなシステムは、空気圧式または電気式で制御できます。[ 42 ]

アダプティブデマンドシステムは、パルスデマンド投与の発展形です。これは、ユーザーの活動レベルに合わせてパルスボーラス投与量を自動的に調整する装置です。この適応応答は、運動量の変化によって引き起こされる酸素飽和度の低下を軽減することを目的としています。[ 42 ]これらの装置から吐き出されたガスは環境に排出され、酸素が失われるため、閉回路式リブリーザーよりもガス効率は低くなりますが、二酸化炭素スクラバーやカウンターラングがないため、重量と容積が軽減されます。また、周囲の空気中の酸素を利用するため、低高度での効率が向上します。

高地酸素補給

登山用呼吸器は、自然と低酸素状態にある環境において、大気中よりも高濃度の酸素を供給する。純酸素を呼吸すると、血液中の酸素分圧が上昇する。例えば、エベレスト山頂で純酸素を呼吸する登山者は、海面で空気を呼吸するよりも動脈血中の酸素分圧が高い。その結果、高所でより大きな身体能力を発揮できるようになる。呼吸器は軽量で、厳しい寒さの中でも信頼性が高くなければならない。体温で飽和した呼気ガスが霜で窒息しないようにするためである。[ 43 ]

ユーザーが貯蔵酸素を携行しなければならない高所登山では、ガスを効率的に使用して酸素セットの耐久性を最大化することが望ましい。[ 15 ]理論的に利用可能な供給システムには、リザーバーのない定流量システム（シンプルで信頼性が高いが、無駄が非常に多い）、リザーバー付きの定流量システム（ユーザーの需要に合わせて調整すると単純な定流量よりも効率的で、比較的シンプルで信頼性が高い）、デマンドバルブシステム（ユーザーの需要に自動的に追従するが、吸入ガスの大部分をデッドスペースで無駄にする）、パルスドーズデマンドシステム（デッドスペースでのガスの無駄は少ないが、比較的複雑な制御システムに依存するため信頼性の問題が生じる）、または閉回路システム（非常に効率的だが二酸化炭素スクラバーを必要とする）がある。リブリーザーの二酸化炭素吸収による発熱反応は、使用中にスクラバーの内容物が凍結するのを防ぎ、ユーザーの熱損失を減らすのに役立つが、かさばって重く、常時使用していないときは凍結しやすい。[ 25 ]化学的に生成された酸素と圧縮ガス酸素の両方が実験的な閉回路酸素登山システムで使用されてきたが、機器の信頼性が高いため、比較的無駄が多いものの、リザーバーマスクを使用した開回路定流量酸素が現場では通常使用されている。[ 44 ] [ 15 ]

航空用と登山用の呼吸器の使用条件にはかなりの類似点があるものの、呼吸器をそのまま転用することが一般的には不可能になるほどの違いも存在します。主な考慮事項の一つは、登山者は飛行士とは異なり、呼吸器が故障した場合に安全な高度まで速やかに降下することができないため、呼吸器の信頼性が重要となることです。もう一つの要件は、登山者は呼吸器を自ら携行する必要があるため、酸素補給による利点が、呼吸器のかさばりや重量を運ぶデメリットを上回らなければならないことです。その他の要件としては、呼吸による追加負荷が少なく、低温でも機能し、熱と湿気の保持が望ましいことが挙げられます。登山の高度範囲も限られており、加圧の要件はありません。[ 25 ]

酸素療法

酸素療法は医療として酸素補給を行うことである。[ 45 ]急性期の治療適応症には、低酸素症（血中酸素濃度の低下）、一酸化炭素中毒、群発性頭痛、減圧症などがある。また、麻酔導入中に血中酸素濃度を維持するために予防的に投与されることもある。[ 46 ]酸素療法は、重度のCOPDや嚢胞性線維症などの症状によって引き起こされる慢性低酸素症にしばしば有効である。[ 47 ] [ 45 ]投与される分圧は、周囲の空気よりわずかに増加する低流量から、減圧症やその他の症状の高圧酸素治療で使用される絶対圧2.8 barまでの範囲である。自発呼吸のある患者には、鼻カニューレ、フェイスマスク、人工気道、または高圧室内の呼吸器内蔵デマンドマスクや酸素フードを介して酸素を供給できる。[ 48 ] [ 49 ]投与は連続流、バッグリザーバーマスク、オンデマンド、またはパルスオンデマンドで行うことができる。[ 42 ]

自力で十分に呼吸できない患者には、人工呼吸器や蘇生器によって呼吸ガスが供給される。[ 50 ]

医療用呼吸装置

麻酔器

麻酔器（イギリス英語）または麻酔機械（アメリカ英語）は、麻酔を誘発し維持する目的で医療用ガスと吸入麻酔剤の新鮮なガス流を生成・混合するために使用される医療機器である。[ 51 ]

麻酔器

麻酔器は、人工呼吸器、呼吸システム、吸引装置、患者モニタリング装置と併用されるのが一般的です。厳密に言えば、「麻酔器」という用語はガス流を生成する部品のみを指しますが、現代の麻酔器では通常、これらの装置がすべて1つの独立したユニットに統合されており、便宜上、このユニットは麻酔器と呼ばれています。先進国では、最も一般的に使用されているのは持続流麻酔器です。持続流麻酔器は、正確な濃度の麻酔蒸気を混合した医療ガスを供給し、安全な圧力と流量で患者に持続的に供給するように設計されています。これは、患者自身の吸気によって作動し、必要に応じてガス流を供給する 間欠流麻酔器とは異なります。

人工呼吸器と蘇生器

機械的換気とは、使用者がガス流を誘発する駆動力を与えることができない場合に、人工呼吸器または蘇生器によって使用者に呼吸ガスを供給することである。このような人工換気は蘇生の特徴であり、必要に応じて医療用人工呼吸器によって提供される。機械的換気には、その制限機構によって2つの基本的なタイプに分けられる。制限圧に達すると供給が停止する圧力制御式と、呼吸ごとに設定された流量を供給する量制御式がある。これらの方法にはいずれも限界があり、状況によっては最適に機能しないことがある。[ 50 ]

人工呼吸器は、呼吸可能な空気を肺に出し入れすることで機械的換気を行い、身体的に呼吸ができない、または呼吸が不十分な患者に呼吸を供給する装置です。人工呼吸器はコンピューター制御のマイクロプロセッサを搭載していますが、患者はシンプルな手動のバッグバルブマスクを使用して換気することもできます。人工呼吸器は主に、集中治療、在宅ケア、救急医療（単独装置として）、および麻酔科（麻酔器の一部として）で使用されています。

蘇生器は、意識不明で呼吸をしていない人の肺を陽圧で膨らませ、酸素を供給して生存を維持する装置である。[ 52 ]

人工呼吸器と蘇生器には多くの共通点があります。主な違いは、機器の使用方法にあると考えられます。

機械換気には3つのモードがあり、医療用人工呼吸器によって呼吸が行われる方法です。制御モードでは、各呼吸は機械的に行われますが、タイミング機構または患者の呼吸努力によってトリガーされることもあります。これらの呼吸は、量または圧力によって制御されます。サポートまたは自発モードでは、各呼吸は患者によってトリガーされ、人工呼吸器によってサポートされます。コンビネーションモードでは、制御呼吸とサポート呼吸が組み合わされており、また、量制御呼吸と圧力サポートまたは制御呼吸が組み合わされている場合もあります。[ 53 ]

高所用呼吸装置

エドモンド・ヒラリーとテンジン・ノルゲイ、1953年5月29日、オープンサーキット酸素補給装置を使用してエベレスト初登頂に成功した後

高高度用呼吸装置は、航空業界では、高高度飛行が可能な非加圧航空機の標準装備として、また非加圧航空機の緊急装備として、また高高度登山に使用されています。

環境の影響

標高1,500メートルから3,500メートル（4,900フィートから11,500フィート）の高地では、酸素分圧の低下による生理学的影響が現れ、運動能力の低下や呼吸数の増加などがみられます。動脈血酸素飽和度は健康な人では一般的に90%以上ですが、動脈血酸素分圧は低下します。[ 54 ]

高度3,500～5,500メートル（11,500～18,000フィート）の非常に高い高度では、動脈血酸素飽和度が90%を下回り、動脈血PO2も低下するため、運動中や睡眠中に極度の低酸素血症が発生する可能性があり、高地肺水腫が発生する場合もあります。この高度域では、重度の高山病がよく見られます。[ 54 ]

高度5,500メートル（18,000フィート）を超える極度高度では、重度の低酸素血症、低炭酸ガス血症、アルカローシスが起こり、生理機能が徐々に低下し、順応能力を超える可能性があります。そのため、この高度域には人が居住していません。[ 54 ]

生理学的効果

生理学的に有効な領域として知られる海抜約 3,000 メートル (10,000 フィート) までの領域では、通常、酸素レベルは人間が酸素補給なしで活動できるほど高く、高山減圧症はまれです。

生理的欠乏域は、高度3,600 m（12,000フィート）から約15,000 m（50,000フィート）まで広がっています。この領域では、低酸素症、閉じ込めガス圧低下（体内に閉じ込められたガスが膨張する）、および発生ガス圧低下（窒素などの溶解ガスが組織内に形成される、いわゆる減圧症）のリスクが高まります。[ 55 ]高度約4,300 m（14,000フィート）を超えると、下層大気中の酸素量に近づけるために酸素を豊富に含む呼吸用混合気が必要となり、 [ 22 ]高度12,000 m（40,000フィート）を超えると、酸素は正圧下で供給されなければなりません。高度15,000メートル（49,000フィート）を超えると、肺から二酸化炭素が排出される圧力（約87mmHg）が外気圧を超えるため、呼吸は不可能になります。アームストロング限界として知られる高度19,000メートル（62,000フィート）を超えると、喉や肺に溜まった体液は体温で蒸発してしまうため、加圧服が必要になります。通常、高度3,000メートル（10,000フィート）相当の高度を維持するために、100%酸素が使用されます。

生理的順応

人間は高地に十分長く滞在すれば高度5,200～5,500メートル（17,000～18,000フィート）に順応できるが、高地救助活動では救助隊を迅速に派遣する必要があり、順応に必要な時間は確保できないため、高度約3,700メートル（12,000フィート）を超えると酸素呼吸装置が必要となる。[ 15 ]

理論的な解決策

高度10,000メートル（34,000フィート）では、100%酸素で海面と同等の酸素分圧を維持できます。高度12,000メートル（40,000フィート）を超えると、100%酸素による陽圧呼吸が不可欠です。陽圧呼吸なしでは、高度13,000メートル（43,000フィート）を超える高度に短時間さらされただけでも意識を失う可能性があります。[ 56 ]酸素節約装置は、開放回路呼吸装置と併用することで、大気圧呼吸が可能な低高度でのガス使用効率を向上させることができます。

管理

高度が十分に高い場合、たとえ順応後であっても、空気中の酸素分圧は有効な作業や意識を維持するには不十分であり、さらに高い高度では人間の生命を維持することができません。低酸素症が問題となる高度では、大気圧で酸素含有量の高い呼吸ガスを使用することが現実的な解決策となります。与圧された航空機客室（約8,000フィート）に相当する高度を供給するのに十分な酸素補給は多くの用途に十分ですが、海面相当（P O 2約0.21バール）といった高濃度の酸素を使用することで、より多くの有酸素運動能力を得ることができます。これとバランスを取るために、酸素を節約し、呼吸器の使用者の負担を最小限に抑える必要があります。

実用的な側面

登山や救助活動のように、ユーザーが補助酸素を携行し、かなり長期間にわたって重要な作業を実行する必要がある場合、酸素使用の効率と呼吸装置の信頼性がより重要になり、これらの特性と携行しなければならない重量はトレードオフの関係にあります。

吸入酸素分圧を海面相当圧、あるいは大気中の分圧よりも高い一定値にするために必要な酸素補給量は高度に依存し、高度の上昇に伴い圧力降下量に正比例して増加する。実際に使用される酸素補給量は、運動強度に応じて 変化する呼吸分時換気量にも比例する。

酸素濃縮器

電力使用量に制限がなく、作業場所が固定されている場合、酸素濃縮器は効果的な解決策となる可能性があります。[ 6 ]酸素濃縮器は、ガス供給源（通常は大気）から窒素を選択的に除去し、酸素を濃縮した製品ガス流を供給する装置です。また、産業用や酸素療法用の医療機器としても使用されています。[ 57 ]一般的に使用されている2つの方法は、圧力スイング吸着法と膜ガス分離法です。これらの方法は、補給酸素濃度を高くする必要がない場合に最も効率的です。

圧力スイング吸着式酸素濃縮器は、分子ふるいを用いてガスを吸着し、高圧下で大気中の窒素をゼオライト鉱物に急速に圧力スイング吸着させる原理に基づいて動作します。したがって、このタイプの吸着システムは機能的には窒素スクラバーであり、大気中の他のガスは通過させ、酸素が主要ガスとして残ります。[ 58 ]膜を介したガス分離も圧力駆​​動プロセスであり、その駆動力は原料の入口と製品の出口との間の圧力差です。このプロセスで使用される膜は一般に非多孔性層であるため、膜を介したガスの重大な漏洩は発生しません。膜の性能は、透過性と選択性に依存します。透過性は浸透物質のサイズに影響されます。ガス分子が大きいほど拡散係数は低くなります。膜ガス分離装置は通常、ガスを膜モジュールに送り込み、拡散率と溶解度の差に基づいて目的のガスを分離します。[ 59 ]生成ガスは、適切な呼吸装置を介してユーザーに直接供給できます。

パルス投与式（間欠流量式またはオンデマンド式とも呼ばれる）携帯型酸素濃縮器は、最も小型の装置で、重量はわずか2.3キログラム（5ポンド）です。小型であるため、ユーザーは治療で得られるエネルギーを持ち運びに費やすことが少なくなります。この装置は、呼吸の開始時に一定量（ボーラス）の酸素濃縮空気を投与します。これは、呼吸の中で生理的死腔を超えて肺のガス交換領域に到達する可能性が最も高い部分です。酸素を効率的に利用できることが、装置をコンパクトに保つ​​鍵となっています。[ 60 ]

閉回路酸素リブリーザー

閉回路システムでは、未使用の酸素は保持され、再呼吸されるため、利用率はほぼ 100% になりますが、高度の上昇による膨張や呼吸ループからの偶発的な漏れにより、ある程度の損失が生じる可能性があります。

酸素の圧力が長時間にわたって約0.5バールを超えると肺酸素毒性のリスクがあり、これは大気圧が海面の約半分になる高度5500メートル以下の場所で発生する可能性があります。[ 30 ]

閉回路式酸素リブリーザーは酸素利用の点で最も効率的ですが、比較的大型で、二酸化炭素吸収剤を使用する必要があります。二酸化炭素吸収剤は酸素供給量に見合う量を使用するか、定期的に交換する必要があります。酸素供給が停止した場合、ループ内のガスが適切にパージされていない場合、または外気によって汚染されている場合、ループ内のガスは外気よりも低酸素状態になる可能性があります。酸素濃度のモニタリングがない場合、ユーザーは酸素濃度の低下に気付かない可能性があります。[ 15 ]

閉回路酸素システムは、1953年のイギリスのエベレスト登山中にトム・ボーディロンとチャールズ・エヴァンスによってテストされました。 [ 15 ]

開回路希釈器デマンドレギュレータ

ダイリューターデマンドレギュレーターは、第二次世界大戦中に高高度飛行用に開発され、広く使用されました。ダイリューターデマンドレギュレーターは、レギュレーター内のオリフィスを通して外気をマスク内に引き込み、同時にレギュレーター内のデマンドバルブを通して純酸素を供給します。航空用途では、外気オリフィスの大きさはアネロイドバルブオペレーターによって制御され、大気圧に正比例します。高度が上昇するにつれて圧力が低下し、オリフィスが小さくなるため、ユーザーに供給される酸素濃度は高くなります。正しく調整されていれば、混合気中の酸素分圧は海面0.21バール付近でほぼ一定に保たれます。このシステムは、外気と貯蔵酸素を効率的に組み合わせて使用​​します。[ 15 ] 地上での使用においては、アネロイドバルブ操作器の機能は、より単純で軽量かつ頑丈な手動操作式オリフィスセレクターノブに置き換えることができる。これにより段階的な濃度範囲が与えられ、より軽量で信頼性が高く、効率はやや劣り、ユーザーによる適切な選択が必要となる。また、ユーザーは必要に応じて混合比を手動で調整することもできる。手動で選択するため、飛行には適さず、高度を急激に変化させない歩行者には適している。[ 15 ] オリフィスとレギュレーターを通過する流量は吸入流量に敏感であり、吸入流量が高いほど酸素分圧をいくらか高くするように設計することができ、これによりより大きな運動を補うことができる。[ 15 ]

強制加圧ゾーン

これは、大気圧での100%酸素では不十分な領域であり、吸入可能な酸素圧を確保するために何らかの加圧が必要となる。加圧方法としては、部分加圧と完全加圧の2種類がある。

与圧服とは、高高度飛行士が着用する防護服です。高高度飛行士は、気圧が低すぎて、保護具を着用していない人が正圧の純酸素を呼吸しても生存できない高度を飛行することがあります。このような服には、全圧型（例：宇宙服）と部分圧型（航空機乗務員が使用するもの）があります。部分圧型服は、高度での呼吸を補助するために機械的な逆圧をかけることで機能します。

アポロ11号で宇宙飛行士バズ・オルドリンが着用したアポロ宇宙服。月面探検のための完全自己完結型生命維持装置を備えている。
国際宇宙ステーションの外で宇宙飛行士マイケル・フィンケが着用しているオーラン宇宙服。臍帯ケーブルを介して遠隔電源供給を受けている。

宇宙服は、宇宙空間の過酷な環境で人間を生存させるために着用される衣服であり、主に真空と極端な温度から人間を保護するために使用されます。呼吸ガスは純酸素であり、これにより宇宙服内の圧力を最も低く抑えることができます。宇宙服は、客室の圧力が失われた場合の安全対策として宇宙船内で着用されることが多く、船外活動(EVA)に不可欠です。現代の宇宙服は、基本的な圧力服を複雑な機器と環境システムで補強しており、着用者の快適性を維持し、手足を曲げるために必要な力を最小限に抑え、真空に対して硬くなるという柔らかい圧力服の自然な傾向に抵抗します。自己完結型の酸素供給および環境制御システムを使用すると、宇宙船から独立した、より自由な動きが可能になります。[ 20 ]

宇宙服には目的によって3種類あり、IVA（船内活動）、EVA（船外活動）、IEVA（船内外活動）である。IVAスーツは与圧された宇宙船内で着用することを目的としており、そのため軽量で快適である。IEVAスーツはジェミニG4Cスーツのように宇宙船の内外での使用を目的としている。微小隕石や急激な温度変化からの保護など、宇宙の過酷な環境からより高度な保護機能を備えている。EVAスーツ（ EMUなど）は惑星探査や船外活動のために宇宙船の外で用いられる。EVAスーツは宇宙のあらゆる環境から着用者を保護するだけでなく、機動性と機能性も提供する必要がある。[ 20 ]

安全性

呼吸器は通常、個人用保護具として使用され、必要な場合は、同じ環境でも使用しないよりも使用した方が安全ですが、その使用には危険性が伴います。危険性の中には呼吸器に特有のものもあれば、より一般的なものもあります。より明白な一般的な危険性は、ガス供給の喪失、ガス供給の汚染、不適切なガス供給です。その結果、低酸素症、高酸素症、高炭酸ガス血症、漏れによる呼吸ガスの汚染による中毒や感染が起こる可能性があります。高濃度の酸素が供給される場所では火災の危険性があり、高圧ガス貯蔵所を使用する場合は高圧装置に関連する危険性があり、液体酸素を使用する場合は極寒の危険性があります。[ 61 ]

リスク管理の一般的な方法には、設計基準、製造中の品質管理、機器の試験と認証、オペレーターの適切な訓練、機器の種類や使用状況に応じた使用規制、そして状況に応じた機器の適切な選択などが含まれます。機器によっては、適切なメンテナンスと使用前の点検・試験が必要です。

使用による生理学的影響

呼吸器の種類によっては、装着者の呼吸抵抗や死腔の増加、あるいは携行重量の増加によって、装着者の身体的作業能力に影響を及ぼす可能性があります。その影響としては、呼吸パターンの変化、低換気、そして呼吸仕事量の増加に伴う二酸化炭素貯留などが挙げられます。これらの影響は、重労働時に特に顕著となり、最大作業能力が低下します。[ 62 ]

呼吸装置設計におけるヒューマンファクター

呼吸器の設計におけるヒューマンファクターとは、使用者と呼吸器の相互作用が呼吸器の設計に及ぼす影響のことである。呼吸器の使用者は、生存または健康を維持し、適度な快適さを保ち、使用中に必要とされる作業を遂行するために、呼吸器に依存している。呼吸器の設計は、呼吸器が所望の機能を果たす際の有効性に大きく影響する。呼吸器は装着感が快適で、構成材料に対するストレス障害やアレルギー反応を引き起こさないものでなければならない。信頼性が高く、使用中に常に注意を払ったり調整したりする必要がないものでなければならない。また、故障時には可能な限り徐々に性能が低下し、最小限のリスクで是正措置を講じることができるようにする必要がある。[ 63 ]呼吸器は、重量によって使用者に過度の負担をかけたり、デッドスペース、呼吸仕事量の増加、視界の遮断によって作業能力を不必要に低下させたりしてはならない。[ 62 ]

使用者の人体寸法、体力、持久力、関節の柔軟性などには大きなばらつきがあります。呼吸装置は、合理的に実行可能な限り広範囲の身体機能に対応でき、使用者、環境、作業に適合したものでなければなりません。装置と使用者とのインターフェースは、機能性に大きな影響を与える可能性があります。[ 64 ]呼吸装置は幅広い使用者によって使用される可能性があり、すべての使用者に対して機能する必要があります。装置の正しい操作と使用が使用者の安全にとって重要な場合、新しい装置に迅速に慣れることができるように、同じ用途の異なるメーカーやモデルでも同様に機能することが望ましいです。これが不可能な場合は、必要なスキルを習得するための追加トレーニングが必要になる可能性があり、医療介入の場合は、熟練した操作者が装置をセットアップし、使用中にその機能を監視する必要がある場合があります。[ 65 ]

呼吸装置の使用者は、呼吸装置の使用に伴うリスクを規制規則および実施規範に照らして許容できるレベルまで低減するために必要な範囲で支援できるチームによる支援を受けることができる。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]

呼吸器は、危険な状況下、または使用者が適切な呼吸をするために補助を必要とする状況において、呼吸を補助するために使用されます。主な要件は、使用中および使用後に使用者の生命と健康を維持することです。二次的な要件としては、使用者の快適性と、意図された活動を遂行するのに十分な能力を提供することが挙げられます。使用者はシステムの不可欠な部分であり、安全な操作は、使用者の能力と機器の適切な機能に依存する場合があります。[ 69 ]

フォールトトレランスとは、システムの一部のコンポーネントに障害が発生した場合でも、システムが適切に動作を継続できるようにする特性です。動作品質が低下する場合、その低下は障害の重大性に比例します。これは、単純に設計されたシステムでは、小さな障害でも完全な機能停止につながる可能性があるためです。フォールトトレランスは、高可用性システムや安全性が重視されるシステムで特に重要です。システムの一部が機能停止した場合でも機能を維持する能力は、「グレースフルデグラデーション」と呼ばれます。[ 70 ]呼吸器の一部やユーザーは、システムの安全性が重視されるコンポーネントとみなされる場合があり、したがって、障害に対する耐性が必要です。ユーザーの場合、これは意図されたタスクを実行するのに十分な体力、能力、および状況認識によって実現されます。機器は、特定の用途に適しており、適切なフォールトトレランスを提供するように設計、製造、保守できるものを選択する必要があります。人間工学に基づいた適切な設計は、ユーザーエラーの機会を最小限に抑えます。

呼吸の仕事

開回路デマンドレギュレータの呼吸抵抗のグラフ。グラフの面積（緑）は、1回の呼吸サイクルにおける呼吸の正味機械的仕事量に比例する。

呼吸装置は、使用者が最小限の呼吸努力で呼吸できるようにし、追加の死腔を最小限に抑える必要があります。

呼吸仕事量（WOB）とは、呼吸ガスを吸入および呼出するために消費されるエネルギーです。通常、単位体積あたりの仕事量（例えばジュール/リットル）または仕事率（電力）（ジュール/分など）で表されます。これは、体積や時間を参照しないと特に有用ではないためです。WOBは、肺動脈圧と肺容積の変化を乗じた値、または呼吸に起因する酸素消費量で計算できます。[ 71 ]

呼吸器使用時の全呼吸仕事量は、生理的呼吸仕事量と呼吸器の機械的呼吸仕事量の合計である。通常の安静時において、生理的呼吸仕事量は体全体の酸素消費量の約5%を占める。この値は、病気[ 72 ]や、呼吸器、周囲の圧力、呼吸ガスの組成などによるガス流量の制約によって大幅に増加する可能性がある[ 73 ] 。

呼吸マスクの構造

オーシャンリーフフルフェイスマスク（IDM）
カービー・モーガン37の内部。デッドスペースを最小限に抑えるために使用される口腔鼻マスク、通信システムのマイクとスピーカーが見える。

呼吸マスクと潜水ヘルメットはどちらも使用者に呼吸ガスを供給します。その他の機能は異なる場合や一部重複する場合があります。[ 74 ]

シール

マスクが過酷な環境で使用され、ガス供給の汚染を防ぐ必要がある場合、使用者の姿勢に関わらず、マスクの縁は気密または防水シールを形成する必要があります。このシールは、マスクのエラストマースカートと顔の皮膚の間にあります。マスクのフィット感はシールと快適性に影響を与え、顔の形や大きさの多様性を考慮する必要があります。これはフルフェイスマスクではそれほど問題ではなく、ダイビングヘルメットでもそれほど問題ではありませんが、頭全体のサイズ、首の長さや周囲径など、他の問題も影響するため、調整やいくつかのサイズオプションが必要になります。[ 30 ]

髪の毛がシールの下を通過するとシールが損傷する可能性があり、漏れの量は髪の毛の量と、場合によってはシールの損傷部分の位置によって異なります。[ 30 ]

耳抜き

呼吸マスク内の気体空間は、比較的緩やかな圧力変化に対しては、本質的に自己平衡化します。周囲の圧力が大きく変化する場所でマスクを使用する場合、使用者は中耳内の圧力を平衡化させる必要があり、多くの人にとって、そのためには鼻孔を塞ぐ方法が必要となります。[ 30 ]

ダイビングヘルメットやほとんどのフルフェイスマスクでは、使用者の指が鼻に触れることができないため、快適性と利便性の異なる様々な機械的補助が試みられてきました。[ 75 ] [ 30 ]酸素補給用のマスクは、装着したまま鼻を塞げるほど柔らかい場合もあれば、一時的に取り外せる場合もあります。汚染された雰囲気で使用するマスクは通常、一定の周囲圧力で使用されるため、この問題は発生しない可能性があります。

ビジョン

異常に大きな視野を持つ米海軍マーク12フリーフローヘルメットを使用しているダイバー

フルフェイス呼吸マスクまたはヘルメットの使用者の視野は、ヘルメットまたはマスクの不透明部分によって狭くなります。特にデマンドバルブの嵩張りにより、周辺視野は下方領域で狭くなる可能性があります。ヘルメットの設計は、低質量と慣性の間の妥協点であり、比較的小さな内部容積と視野が制限されるビューポートと、大きな内部容積を持つ大きなビューポートがあります。ビューポートを目の近くに配置することは視界を良くしますが、幅広いダイバーの鼻の前に十分なスペースを確保する必要があるため、複雑になります。円筒状に湾曲したビューポートは、水中で視覚的な歪みを引き起こし、ダイバーの距離判断の効率を低下させる可能性がありますが、大気中で使用するマスクでは一般的です。球面状のビューポートは、最近の大気圏内用スーツでは構造上の理由から一般的に使用されており、内部容積が十分に大きい場合に有効です。十分な周辺視野を確保できる幅にすることができます。ヘルメットの視野は、ヘルメットの可動性によって影響を受けます。頭で直接支えられるヘルメットは頭と一緒に回転できるので、ユーザーはビューポートをターゲットに向けることができますが、周辺視野はビューポートの寸法によって制約されます。水中に浸かったときの空気中の重さと不均衡な浮力は首で支えなければならず、慣性荷重と流体荷重も首で支えなければなりません。胸当てや宇宙服に固定されたヘルメットは胴体で支えられ、はるかに大きな荷重を安全に支えることができますが、頭と一緒に回転しません。視野を向けるには上半身全体を回転させなければなりません。このため、体を回転させることが難しい場合でもユーザーが許容できる視野を確保できるように、より大きなビューポートを使用する必要があります。回転しないヘルメットの中で頭を回転させる必要があるため、内部のクリアランスが必要になり、したがって大きな容積が必要になります。

IDA-71マスク。マスクの上部から突き出たハンドルで操作する中央のワイパーブレードが見える。

マスクやヘルメットのビューポートの内側表面は、外部環境が内部のガスの露点よりも低い場合、曇りやすくなる傾向があります。その場合、凝縮した水の小さな水滴が透明素材を通過する光を分散させ、視界がぼやけます。内側表面を曇り止め界面活性剤で処理すると曇りを軽減できますが、それでも曇る可能性はあります。その場合は、水ですすぐか、透明になるまで乾燥した空気を吹き付けるかのいずれかによって、積極的に曇りを除去できなければなりません。標準的なヘルメットには、すすぎ用の吐き出し口が装備されている場合があります。デマンドヘルメットには、乾燥空気をフェイスピースの内側に導くフリーフロー供給バルブが付いている場合があります。フルフェイスのダイビングマスクは、主にスキューバ用か水面補給用かによって、すすぎ用またはフリーフローのいずれかを使用できます。フルフェイスマスクやヘルメットは、吸入される前に新鮮な乾燥ガスの流れをビューポートの内面に導くことができる。また、排気流路に逆止弁を備えた口鼻インサートを使用することで、温かく湿った呼気がフェイスプレートに到達するのを防ぐこともできる。すすぎが不可能な場合は、飛沫の発生を防ぐため、ビューポート表面に曇り止め界面活性剤を塗布することができる。ビューポートの結露を除去するために、手動ワイパーブレードが使用されることもある。

光学的な補正が必要なユーザーには、様々な選択肢があります。コンタクトレンズは、あらゆる種類のマスクやヘルメットの下で着用できます。通常の眼鏡はほとんどのヘルメットで着用できますが、調整はできません。一部のフルフェイスマスクでは、内側に補正レンズを取り付けることができますが、目からレンズまでの距離が最適ではない場合があります。遠近両用レンズもご用意しています。接着レンズの曇り止め方法は、通常のガラスレンズと同じです。

ダイビング用のオープンサーキット呼吸装置は、排気口から呼気ガスの泡を発生させます。フリーフローシステムは最大の流量を生成しますが、排気口をビューポートの後ろに配置することで、ダイバーの視界を遮ることはありません。デマンドシステムでは、呼吸仕事量を最小限に抑えるため、セカンドステージのダイアフラムと排気口を口または肺とほぼ同じ深さに配置する必要があります。ダイバーがとる可能性のある様々な姿勢において一貫した呼吸努力を得るには、排気口とバルブが口の近くにあることが最も効果的です。そのため、ヘルメットやマスクのビューポートから泡を遠ざけるための何らかのダクトが必要です。これにより、排気ガスは一般的に頭の側面を迂回し、泡が耳を越えて上昇する際に騒音が発生する傾向があります。クローズドサーキットシステムは、排気ガスの量がはるかに少なく、ダイバーの背後に放出できるため、大幅に静音化されます。ディフューザーシステムはオープンサーキット装置では試されましたが、成功していません。ただし、リブリーザーではステルス性を向上させるために使用されています。

安全

調節ストラップで固定されたマスクは、外れたり正しい位置からずれたりする可能性があり、周囲の空気や水が浸入して呼吸ガスが失われる可能性があります。フルフェイス型呼吸マスクはサイズが大きいため外れやすく、通常は後頭部で接続された4本または5本の調節ストラップでしっかりと固定する必要がありますが、外れてしまう可能性もあるため、使用者がマスクを装着し直し、十分にマスク内をパージして呼吸を継続できるようにする必要があります。ヘルメットはよりしっかりと固定されているため、外れた場合は緊急事態とみなされます。

内部容積

デッドスペースの容積は、あらゆる呼吸器具にとって重要です。内部口鼻マスクは、ヘルメットやフルフェイスマスクの内部デッドスペースを最小限に抑えるためによく使用され、また、ビューポートの内面の曇りを軽減する効果もあります。

ヘルメットの浮力

軽量デマンドダイビングヘルメットは、水中でほぼ中性浮力になるようにバラストが入れられており、首に過度の静的負荷がかかりません。

フリーフローダイビングヘルメットは、高いガス流量によって、潜在的に大きなデッドスペースを補うため、吐き出されたガスは再呼吸する前に排出されます。フリーフローヘルメットは内部容積が大きく、デマンドヘルメットよりも重く、通常は首への過度の負担を防ぐために肩に載せられるため、頭が動いてしまうことはありません。水中では、過剰な浮力はダイバーのウェイトシステムへの接続、またはジョッキングストラップによって相殺されます。

SCBAハーネス

ユーザーがガス供給装置を運ばなければならない場合、装置の重量、バランス、慣性、およびハーネスの荷重分散が快適性と安全性に大きな違いを生む可能性があります。特に、消防、救助、登山など、ユーザーが困難な状況で重労働をしなければならない場合はそうです。ユーザーは合理的に実行可能な限り、そして少なくとも予想される作業を安全に遂行できるだけの動きの自由度がなければなりません。同時に、必要な操作中は装置がしっかりと所定の位置に維持されていなければなりません。バルブと圧力ゲージへのアクセスはガス管理にとって重要であり、機器をチームで共有する場合は、個人に合わせて簡単に素早く調整できることが役立ちます。ダイビングでは、浮力と浮力分散が安全にとって重要です。

ガス管理

航空会社は緊急用ガス供給シリンダー付きの人工呼吸器を供給しました。

供給ガス呼吸器の場合、予期せぬガス切れは通常非常に望ましくなく、緊急事態となる可能性も十分にあります。ガス残量を監視し、ガス残量の低下を早期に察知して適切な措置を講じ、必要に応じて利用可能なバックアップシステムへ脱出することが、ガス管理において不可欠な要素です。[ 76 ]

ガス耐久性

ガス管理の最も基本的な側面は、現在利用可能なガスの予想される持続時間と、予測可能な状況下での活動によってそれがどのように影響を受けるかを現実的に把握することです。[ 9 ]通常の監視方法は、残存ガス圧の定期的なチェックです。通常、このための機器としては、レギュレーターの第一段階に取り付けられたシリンダー圧力計が用いられます。ガス圧のチェックを怠る可能性が合理的に考えられるほど、使用者が過負荷状態にある場合は、低ガス警報、手動予備ガス切り替え、またはその両方を作動させることが賢明です。これら3つはすべて、救助や消防活動に使用される産業用呼吸セットに搭載されています。水中潜水では、圧力計が標準装備されており、状況に応じてスキューバベイルアウトセット、バディダイバーによるガス供給、または緊急浮上といった代替ガス供給システムが選択されます。選択はリスク評価によって異なり、場合によっては標準操作手順や行動規範にも左右されます。予備バルブは、視界不良の状況下では依然として使用されることがあります。バディシステムと緊急浮上は、浅瀬の開放水域で、計画的な減圧義務のないレクリエーションダイバーによって頻繁に利用されます。職業ダイバーは独立したベイルアウトセットの携行が義務付けられる場合があり[ 68 ]、テクニカルダイバーは、呼吸ガス供給が危険にさらされる可能性のある、合理的に予測可能な状況に備えて、複数の緊急時対応計画を用意している場合があります[ 76 ] 。

複数の呼吸ガス混合物が利用できる場合、現在の状況に適さないガスを選択するリスクを最小限に抑える必要があります。[ 76 ]

医療機器では、制御・監視システムのユーザーインターフェースが操作者のミスの発生確率に影響を与える可能性がある。[ 77 ]

リブリーザーの持久力

呼吸器にガスを供給するリブリーザーや生命維持装置の耐久性は、呼気ガスから二酸化炭素を除去する能力にも左右されます。これはスクラバー耐久性と呼ばれます。

参照

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