Biophysics · 27.10

循環の補助因子―ウィンドケッセル効果

Auxiliary factors of circulation — the Windkessel effect

🧠 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）は、弾性動脈elastic artery弾性動脈（elastic artery）elastic artery（弾性動脈）が収縮期に血液と弾性エネルギーを蓄え、拡張期に反跳recoil反跳（recoil）recoil（反跳）して放出することで、断続的な心拍出を持続的な末梢血流へ平滑化する仕組みである。平滑化の時間尺度は末梢抵抗peripheral resistance末梢抵抗（peripheral resistance）peripheral resistance（末梢抵抗） $R$ と動脈コンプライアンスarterial compliance動脈コンプライアンス（arterial compliance）arterial compliance（動脈コンプライアンス） $C$ の積で決まる。

収縮期の貯蔵と拡張期の放出

左心室が駆出ejection駆出（ejection）ejection（駆出）すると、大動脈へ入る流量は末梢へ直ちに流出する量を一時的に上回る。余分な血液は弾性動脈elastic artery弾性動脈（elastic artery）elastic artery（弾性動脈）を広げ、壁に弾性エネルギーとして蓄えられる。大動脈弁が閉じた後は、伸展した動脈壁の反跳recoil反跳（recoil）recoil（反跳）が血液を末梢へ押し続けるため、拡張期にも圧力と血流が保たれる。

flowchart TD
  A["収縮期：心室が血液を<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ejection'>駆出</span>"] --> B["大動脈が拡張して血液を一時貯蔵"]
  B --> C["弾性エネルギーを壁に蓄える"]
  C --> D["拡張期：動脈壁が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='recoil'>反跳</span>"]
  D --> E["末梢へ血液を送り続ける"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pulsatile'>拍動性</span>入力を平滑な血流へ変換"]

RC時定数

単純なウィンドケッセルWindkesselウィンドケッセル（Windkessel）Windkessel（ウィンドケッセル）モデルでは、末梢への流出を抵抗 $R$ 、動脈が圧力上昇あたりに受け入れる容積をコンプライアンス $C=\Delta V/\Delta p$ で表し、時定数time constant時定数（time constant）time constant（時定数）は

\tau=RC

となる。 $\tau$ が大きいほど拡張期圧diastolic pressure拡張期圧（diastolic pressure）diastolic pressure（拡張期圧）はゆっくり低下する。動脈圧で見たように、動脈壁の伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）が動脈硬化によって低下すると $C$ も低下し、収縮期の圧上昇と脈圧が大きくなって、拡張期の圧保持も弱くなる。 $R$ の上昇は流出を遅くする一方、心臓の後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）を増す。

静脈還流を助ける要因

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）は主に動脈側の流れを補助する。静脈側では、静脈弁venous valves静脈弁（venous valves）venous valves（静脈弁）が逆流を防ぎ、骨格筋ポンプskeletal-muscle pump骨格筋ポンプ（skeletal-muscle pump）skeletal-muscle pump（骨格筋ポンプ）が静脈を圧迫して血液を心臓側へ送る。吸気時の胸腔内圧intrathoracic pressure胸腔内圧（intrathoracic pressure）intrathoracic pressure（胸腔内圧）低下と腹腔内圧上昇intra-abdominal hypertension腹腔内圧上昇（intra-abdominal hypertension）intra-abdominal hypertension（腹腔内圧上昇）による呼吸ポンプも還流を助ける。

これらは血液を新たに作る駆動源ではなく、心臓が作った圧力エネルギーと身体運動を利用して流れを維持する補助機構である。動脈側の拍動平滑化は血管階層に沿う平均流速mean flow velocity平均流速（mean flow velocity）mean flow velocity（平均流速）に重なる時間変動を小さくし、静脈還流は閉鎖循環回路closed-circuit breathing system閉鎖循環回路（closed-circuit breathing system）closed-circuit breathing system（閉鎖循環回路）を支える。

まとめ

弾性動脈elastic artery弾性動脈（elastic artery）elastic artery（弾性動脈）は収縮期に血液と弾性エネルギーを蓄え、拡張期に放出する。
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）により、拍動性pulsatile拍動性（pulsatile）pulsatile（拍動性）の心拍出が拡張期にも続く末梢血流へ平滑化される。
時定数time constant時定数（time constant）time constant（時定数） $\tau=RC$ は、末梢抵抗peripheral resistance末梢抵抗（peripheral resistance）peripheral resistance（末梢抵抗）と動脈コンプライアンスarterial compliance動脈コンプライアンス（arterial compliance）arterial compliance（動脈コンプライアンス）が圧減衰を決めることを示す。
静脈弁venous valves静脈弁（venous valves）venous valves（静脈弁）、骨格筋ポンプskeletal-muscle pump骨格筋ポンプ（skeletal-muscle pump）skeletal-muscle pump（骨格筋ポンプ）、呼吸ポンプは、低圧の静脈還流を補助する。