ガス交換の力学的解析｜換気力学の三要素｜呼吸

看護師のための生理学の解説書『図解ワンポイント生理学』より。

 

[前回の内容]

肺サーファクタントとRDS

 

今回は、ガス交換について解説します。

 

内田勝雄
山形県立保健医療大学名誉教授

 

 

〈目次〉

• 換気力学
• 時定数
• 弾性抵抗
• 粘性抵抗
• 慣性抵抗
• コンプライアンス

 

換気力学

肺におけるガス交換（換気）は、

 

①胸腔内圧（intrapleural pressure、P）

②換気量（ventilation volume、ボリューム、V）

③換気速度（flow、フロー = dV/dt）

 

を用いて物理的に解析できる。この3つを換気力学の三要素という。

 

この三要素間の関係は以下の式で示される。

 

P＝V/C＋RdV/dt・・・（1）

 

ここでCおよびRは、それぞれコンプライアンス（compliance）および気道抵抗（airway resistance）である（図1、表1）。

 

図1換気のアナロジーとしての電気回路

 

表1換気と電気回路のアナロジー

 

 

時定数

RCの積は、換気の場合も電気回路の場合も、時定数（time constant）で、単位は秒である。

 

一般に指数関数的減少あるいは増加を示す現象において、時定数は初期値の1/e（e：自然対数の底（Napier's constant） ≒ 2.718）まで変化する時間として定義される。

 

換気の場合の時定数は、肺容量が呼気開始時の1/eになるまでの時間に相当する。電気回路では、電池、コンデンサーおよび抵抗の直列回路を接続させコンデンサーに十分に電荷を蓄えてから、放電を開始し電荷が放電前の値の1/eになるまでの時間である。いずれの場合も時定数が短いほど変化が速いことになる。

 

弾性抵抗

1/Cは弾性抵抗（elastic resistance）に相当し、「肺の伸びにくさ（硬さ）」を表す。正常値は、約5cmH₂O/L である（コンプライアンスCの基準値は、約0.2L/cmH₂O）。

 

粘性抵抗

Rは粘性抵抗（viscous resistance）に相当し、「気道における空気の通りにくさ」を表す。通常、気道抵抗といえば粘性抵抗を指す。基準値は、約1.5（cmH₂O/L）・s である。

 

慣性抵抗

Vの2回微分（加速度）に比例する気道抵抗を慣性抵抗（inertial resistance）という。基準値は、約0.01（cmH₂O/L）・s²で、粘性抵抗の1/100以下である。上記の式（1）ではこれを無視してある。慣性抵抗は電気回路ではコイルに相当する。

 

コンプライアンス

換気量（V）を縦軸、胸腔内圧（P）を横軸にとった圧－容積曲線（pressure-volume curve）の⊿P（⊿V）の極小および極大点を結んだ直線の勾配がコンプライアンス（肺の軟らかさの程度）である。すなわち、C = ⊿V/⊿P と定義される。左心室の機能を表す圧－容積曲線では、縦軸に左心室圧、横軸に左心室容積をとるので、Cの逆数（E：elastance）が勾配になる。

 

肺と心臓では、図2、図3のように圧－容積曲線の横軸と縦軸が逆になっているが、意味は同じなので比較すると分かりやすい。なお、肺および心臓で圧（示強性因子）と容積（示量性因子）の積は、それぞれ換気および収縮の仕事に相当する。

 

図2肺の圧─容積曲線

図3心臓の圧─容積曲線

 

 

[次回]

肺気量－基本量と基本容量

 

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本記事は株式会社サイオ出版の提供により掲載しています。

 

［出典］ 『新訂版　図解ワンポイント　生理学』 （著者）片野由美、内田勝雄／2015年5月刊行／ サイオ出版