Biophysics · 27.04

心臓の圧力–容積（pressure–volume）関係

Pressure–volume relation of the heart

🧠 左心室の圧―容積ループpressure-volume loop容積ループ（pressure-volume loop）pressure-volume loop（容積ループ）（pressure–volume loop）は、一拍中の圧力と容積の変化を閉曲線で表し、充満・等容性収縮isovolumetric contraction等容性収縮（isovolumetric contraction）isovolumetric contraction（等容性収縮）・駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）・等容性isovolumic等容性（isovolumic）isovolumic（等容性）弛緩を同時に読める。ループの幅は一回拍出量stroke volume一回拍出量（stroke volume）stroke volume（一回拍出量）、面積は一拍の外的仕事external work外的仕事（external work）external work（外的仕事）に対応する。

ループを構成する四相

心周期cardiac cycle心周期（cardiac cycle）cardiac cycle（心周期）を横軸に左心室容積、縦軸に左心室圧ventricular pressure心室圧（ventricular pressure）ventricular pressure（心室圧）をとって追跡する。充満では容積がESVからEDVへ増え、等容性収縮isovolumetric contraction等容性収縮（isovolumetric contraction）isovolumetric contraction（等容性収縮）では容積一定のまま圧力が上昇する。駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）では圧力が一度上昇した後に低下しながら容積が減り、等容性isovolumic等容性（isovolumic）isovolumic（等容性）弛緩ではESVのまま圧力が下がる。

SV=EDV-ESV,\qquad EF=\frac{SV}{EDV}

$SV$ は一回拍出量stroke volume一回拍出量（stroke volume）stroke volume（一回拍出量）、 $EF$ は駆出率ejection fraction駆出率（ejection fraction）ejection fraction（駆出率）である。EFは収縮機能の一指標だが、前負荷・後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）にも依存するため、単独で心筋収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）と同一視しない。

flowchart TD
  A["充満：容積が ESV から EDV へ増加"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mitral valve'>僧帽弁</span>閉鎖"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isovolumetric contraction'>等容性収縮</span>：圧力上昇"]
  C --> D["大動脈弁開放・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ejection'>駆出</span>：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='volume loss'>容積減少</span>"]
  D --> E["大動脈弁閉鎖"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isovolumic'>等容性</span>弛緩：圧力低下"]
  F --> A

前負荷・後負荷・収縮性

前負荷は収縮直前の心筋伸展に関係し、概ねEDVの増加として現れる。後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）は駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）に逆らう動脈側負荷で、増加すると一般に駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）開始により高い圧力が必要となり、ESVが増えやすい。収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）が高まると同じ前負荷・後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）でもより小さいESVまで駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）できる。

収縮終期end-systolic収縮終期（end-systolic）end-systolic（収縮終期）圧―容積関係ESPVR容積関係（ESPVR）ESPVR（容積関係）の傾きは収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）の指標、拡張終期telophase終期（telophase）telophase（終期）圧―容積関係EDPVR容積関係（EDPVR）EDPVR（容積関係）は心室の受動的な硬さ・コンプライアンスを反映する。病態を読むときは、ループの一箇所ではなく、幅・高さ・位置・境界関係がどう変わるかを考える。

仕事への接続

ループの各点は一拍中の状態を示し、閉曲線が囲む面積 $\left|\oint p,dV\right|$ は心室が血液へ行う外的仕事external work外的仕事（external work）external work（外的仕事）になる。この意味は心臓の仕事で、循環側の圧力変化との関係は循環系の圧力変化で扱う。

まとめ

圧―容積ループpressure-volume loop容積ループ（pressure-volume loop）pressure-volume loop（容積ループ）は心周期cardiac cycle心周期（cardiac cycle）cardiac cycle（心周期）の圧力変化と容積変化を一つの閉曲線に統合する。
ループの幅は $SV=EDV-ESV$ 、面積は一拍の外的圧―容積仕事を表す。
前負荷、後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）、収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）はループを異なる方向へ変形させる。
ESPVRは収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）、EDPVRは拡張期の受動的硬さを評価する手掛かりになる。