Biophysics · 28.01

呼吸器系の伝導部とガス交換部

Conductive and gas-exchange parts of the respiratory system

🧠 呼吸器系respiratory system呼吸器系（respiratory system）respiratory system（呼吸器系）は、空気を肺胞まで運ぶ伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）と、血液との交換を行う呼吸部に分けて考える。伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）は気体の加温・加湿・浄化にも関わるがガス交換には直接参加せず、その容積は解剖学的死腔anatomical dead space解剖学的死腔（anatomical dead space）anatomical dead space（解剖学的死腔）となる。

伝導部と呼吸部

伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）は鼻腔から終末細気管支terminal bronchiole終末細気管支（terminal bronchiole）terminal bronchiole（終末細気管支）までで、気管、気管支、細気管支bronchiole細気管支（bronchiole）bronchiole（細気管支）を含む。これに対し呼吸部は呼吸細気管支respiratory bronchiole呼吸細気管支（respiratory bronchiole）respiratory bronchiole（呼吸細気管支）、肺胞管alveolar duct肺胞管（alveolar duct）alveolar duct（肺胞管）、肺胞からなり、薄い肺胞―毛細血管障壁を介してガスが移動する。したがって、呼吸周期respiratory cycle呼吸周期（respiratory cycle）respiratory cycle（呼吸周期）が空気を動かしても、肺胞まで届かず伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）に残った分はガス交換へ寄与しない。

肺胞換気量alveolar ventilation, V_A肺胞換気量（alveolar ventilation, V_A）alveolar ventilation, V_A（肺胞換気量）を考えるときは一回換気量tidal volume一回換気量（tidal volume）tidal volume（一回換気量）から死腔dead space死腔（dead space）dead space（死腔）量を引く必要がある。浅く速い呼吸では、分時換気量minute ventilation, V̇E分時換気量（minute ventilation, V̇E）minute ventilation, V̇E（分時換気量）が保たれていても一回ごとに死腔dead space死腔（dead space）dead space（死腔）が占める割合が増え、肺胞へ届く新鮮fresh新鮮（fresh）fresh（新鮮）な空気が少なくなりうる。

気道分岐と流れの抵抗

円筒内の層流laminar flow層流（laminar flow）laminar flow（層流）近似では、気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）はハーゲンHagenハーゲン（Hagen）Hagen（ハーゲン）–ポアズイユPoiseuilleポアズイユ（Poiseuille）Poiseuille（ポアズイユ）の法則から次のように表せる。

R_{aw}=\frac{8\eta L}{\pi r^4}

$\eta$ は気体の粘性viscosity粘性（viscosity）viscosity（粘性）率、 $L$ は管長、 $r$ は半径である。半径が4乗で効くため、気管支平滑筋bronchial smooth muscle気管支平滑筋（bronchial smooth muscle）bronchial smooth muscle（気管支平滑筋）の収縮、粘膜浮腫mucosal edema粘膜浮腫（mucosal edema）mucosal edema（粘膜浮腫）、分泌物によるわずかな狭窄でも、一つの気道の抵抗は大きく増える。ただし実際の肺は分岐管が並列につながるので、末梢気道peripheral airway末梢気道（peripheral airway）peripheral airway（末梢気道）は個々には細くても総断面積total cross-sectional area総断面積（total cross-sectional area）total cross-sectional area（総断面積）が大きい。式を一本の硬い管へ無条件に当てはめず、分岐数や呼吸に伴う径変化も考える。

ガス交換面までの連続した過程

flowchart TD
  A["鼻腔から<span class='jp-term jp-term-diagram' title='terminal bronchiole'>終末細気管支</span><br>加温・加湿・浄化"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anatomical dead space'>解剖学的死腔</span><br>交換には直接参加しない"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='respiratory bronchiole'>呼吸細気管支</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alveolar duct'>肺胞管</span>"]
  C --> D["肺胞へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fresh'>新鮮</span>な空気が到達"]
  D --> E["肺胞―毛細血管障壁でガス交換"]

換気は空気を交換面まで運ぶ過程であり、拡散は膜を越える過程である。気道狭窄airway obstruction気道狭窄（airway obstruction）airway obstruction（気道狭窄）は前者を障害し、肺胞壁の肥厚や面積減少は血液―肺胞間のガス交換を障害する。この区別により、同じ低酸素でも原因となる場所を切り分けられる。

病態を構造から読む

喘息では平滑筋収縮smooth muscle contraction平滑筋収縮（smooth muscle contraction）smooth muscle contraction（平滑筋収縮）や粘膜浮腫mucosal edema粘膜浮腫（mucosal edema）mucosal edema（粘膜浮腫）により気道半径が減少し、主に伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）の抵抗が上がる。
肺気腫では末梢気道peripheral airway末梢気道（peripheral airway）peripheral airway（末梢気道）の虚脱に加えて肺胞壁が失われ、呼吸部の交換面積も減少する。
肺炎や肺水腫では肺胞内に液体が増え、換気と拡散の両方が損なわれうる。

まとめ

伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）は空気を運び、呼吸部は肺胞―毛細血管間の交換を担う。
伝導部conducting zone伝導部（conducting zone）conducting zone（伝導部）の容積は解剖学的死腔anatomical dead space解剖学的死腔（anatomical dead space）anatomical dead space（解剖学的死腔）となるため、分時換気量minute ventilation, V̇E分時換気量（minute ventilation, V̇E）minute ventilation, V̇E（分時換気量）と肺胞換気量alveolar ventilation, V_A肺胞換気量（alveolar ventilation, V_A）alveolar ventilation, V_A（肺胞換気量）は同じではない。
気道半径の減少は抵抗を強く増やすが、実肺では並列分岐と径の動的変化も考慮する。