Biophysics · 28.02

ヒト呼吸器系の箱型モデル（box model）

Box model of the human respiratory system

🧠 呼吸器の箱型モデルbox model箱型モデル（box model）box model（箱型モデル）は、肺と胸壁を弾性要素、気道を抵抗要素として表す。 大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）、胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）の差を追うと、肺が開いた状態を保つ仕組みと気流が生じる順序を同じ図で理解できる。

モデルを構成する圧力

大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧） $P_{atm}$ は体外、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧） $P_{alv}$ は肺胞内、胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧） $P_{ip}$ は肺と胸壁の間の圧力である。肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）と大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）の差は気道内の流れを、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）と胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）の差は肺の膨張を決める。

経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）は

P_{tp}=P_{alv}-P_{ip}

で定義される。安静時には胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）が通常は大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）より低いため、経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）は正となり、内向きに縮もうとする肺を開いた状態に保つ。この圧差は弾性体に加わる応力に相当する考え方である。

肺と胸壁のつり合い

肺は内向きに弾性収縮elastic recoil弾性収縮（elastic recoil）elastic recoil（弾性収縮）し、胸壁は安静換気の範囲では外向きに戻ろうとする。呼気終末の機能的残気量functional residual capacity (FRC)機能的残気量（functional residual capacity (FRC)）functional residual capacity (FRC)（機能的残気量）では、この二つの反対向きの力がつり合い、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）は大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）と等しくなって気流が止まる。胸膜腔pleural cavity胸膜腔（pleural cavity）pleural cavity（胸膜腔）は独立した空箱ではなく、肺と胸壁の力を結び付ける薄い液体層として働く。

吸気では呼吸筋が胸壁を拡げ、胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）がさらに低下し、経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が増えて肺容積が増える。その結果として肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）が一時的に大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）より低くなり、空気が流入する。

圧力変化から気流まで

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inspiratory muscle'>吸気筋</span>が収縮"] --> B["胸郭容積が増加"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intrapleural pressure'>胸膜腔内圧</span>が低下"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transpulmonary pressure'>経肺圧</span>が増加"]
  D --> E["肺胞容積が増加"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alveolar pressure'>肺胞内圧</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='atmospheric pressure'>大気圧</span>より低下"]
  F --> G["空気が肺胞へ流入"]

箱型モデルbox model箱型モデル（box model）box model（箱型モデル）の価値は、筋収縮が空気を直接引き込むのではなく、胸壁、胸膜腔pleural cavity胸膜腔（pleural cavity）pleural cavity（胸膜腔）、肺胞容積、圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）という順に伝わることを明示できる点にある。気流の大きさには気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）も加わる。

気胸で何が失われるか

気胸では胸膜腔pleural cavity胸膜腔（pleural cavity）pleural cavity（胸膜腔）へ空気が入り、胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）が大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）へ近づく。経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が低下するため肺を開いていた力が失われ、肺は弾性収縮elastic recoil弾性収縮（elastic recoil）elastic recoil（弾性収縮）によって虚脱する。一方、胸壁は外向きへ戻る。これは単なる「胸腔内intrathoracic胸腔内（intrathoracic）intrathoracic（胸腔内）に空気が増えた」現象ではなく、二つの弾性要素を結ぶ圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）が途切れた状態である。

まとめ

肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）と胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）の差である経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）は肺の膨張、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）と大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）の差は気流を決める。
正の経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が肺を開いた状態に保つ。
吸気は胸壁運動から圧力・容積変化を経て気流へ至る。
気胸では経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が失われ、肺と胸壁がそれぞれの弾性方向へ動く。