Biophysics · 24.06

弾性動脈の生体力学（biomechanics）：伸展性（distensibility）

Biomechanics of elastic arteries — distensibility

🧠 弾性動脈elastic artery弾性動脈（elastic artery）elastic artery（弾性動脈）は、低圧ではエラスチンelastinエラスチン（elastin）elastin（エラスチン）、高圧ではコラーゲンを段階的に使うため、圧–容積関係が非線形non-linear非線形（non-linear）non-linear（非線形）になる。

血管壁の非線形応答

低圧域では伸びやすいエラスチンelastinエラスチン（elastin）elastin（エラスチン）が主に荷重を担う。圧力が上がると波状のコラーゲン線維collagen fibersコラーゲン線維（collagen fibers）collagen fibers（コラーゲン線維）が伸ばされて順次動員され、過伸展hyperextension過伸展（hyperextension）hyperextension（過伸展）を防ぐ。この線維動員fiber recruitment線維動員（fiber recruitment）fiber recruitment（線維動員）のため、動脈壁を一定のヤング率Young's modulusヤング率（Young's modulus）Young's modulus（ヤング率）だけで表すことはできない。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='elevated blood pressure'>血圧上昇</span>"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='elastin'>エラスチン</span>が伸びる"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='collagen fibers'>コラーゲン線維</span>が順次張る"]
  C --> D["壁の実効<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stiffness'>剛性</span>が上昇"]
  D --> E["過度な拡張を制限"]

コンプライアンスと伸展性

コンプライアンス $C$ は圧変化当たりの容積変化、伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性） $D$ はそれを基準容積 $V$ で正規化した量である。

C=\frac{\Delta V}{\Delta p},\qquad D=\frac{1}{V}\frac{\Delta V}{\Delta p}

コンプライアンスは血管サイズに依存するが、伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）は相対変化なので大きさの異なる血管を比較しやすい。測定する圧範囲によって値が変わる点にも注意する。

ウィンドケッセル機能と加齢

収縮期に弾性動脈elastic artery弾性動脈（elastic artery）elastic artery（弾性動脈）が血液を受け入れ、拡張期に弾性エネルギーを返すことで、心臓の拍動流pneumatic pulsatile拍動流（pneumatic pulsatile）pneumatic pulsatile（拍動流）は末梢で平滑化される。これがウィンドケッセル効果Windkessel effectウィンドケッセル効果（Windkessel effect）Windkessel effect（ウィンドケッセル効果）である。加齢や動脈硬化で伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）が低下すると、同じ一回拍出量stroke volume一回拍出量（stroke volume）stroke volume（一回拍出量）でも収縮期圧systolic pressure収縮期圧（systolic pressure）systolic pressure（収縮期圧）と脈圧が上がりやすい。

この壁変形には粘弾性viscoelasticity粘弾性（viscoelasticity）viscoelasticity（粘弾性）も関与し、半径増大による壁応力wall stress壁応力（wall stress）wall stress（壁応力）の変化はラプラスLaplaceラプラス（Laplace）Laplace（ラプラス）・フランクFrankフランク（Frank）Frank（フランク）の式で結び付けられる。

まとめ

エラスチンelastinエラスチン（elastin）elastin（エラスチン）からコラーゲンへの荷重分担load sharing荷重分担（load sharing）load sharing（荷重分担）が、動脈壁の非線形non-linear非線形（non-linear）non-linear（非線形）性を生む。
コンプライアンスは絶対的absolute絶対的（absolute）absolute（絶対的）な容積変化、伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）は基準容積で正規化した相対変化である。
動脈の硬化はウィンドケッセル機能Windkessel functionウィンドケッセル機能（Windkessel function）Windkessel function（ウィンドケッセル機能）を低下させ、脈圧を増大させる。