Biophysics · 28.03

呼吸周期（respiratory cycle）

Respiratory cycle

🧠 呼吸周期respiratory cycle呼吸周期（respiratory cycle）respiratory cycle（呼吸周期）は、胸郭運動が圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）を生み、吸気と呼気の気流が交互alternating交互（alternating）alternating（交互）に起こる一連の過程である。気流は「胸郭が動いているか」だけでなく、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）の大小で方向が決まる。

吸気：筋収縮から流入まで

安静吸気では横隔膜と外肋間筋external intercostal muscle外肋間筋（external intercostal muscle）external intercostal muscle（外肋間筋）が収縮し、胸郭容積が増える。胸膜腔内圧intrapleural pressure胸膜腔内圧（intrapleural pressure）intrapleural pressure（胸膜腔内圧）と経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）を介して肺胞が拡張すると肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）が大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）よりわずかに低くなり、空気が流入する。吸気終末には肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）が再び大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）と等しくなるので、肺容積が最大でも瞬間的な気流は0である。

気流の向きを肺胞から外向きを正として定めると、

\dot V=\frac{P_{alv}-P_{atm}}{R_{aw}}

となる。吸気中は $P_{alv}<P_{atm}$ なので $\dot V<0$ 、すなわち実際の流れは内向きである。符号規約を変えて内向きを正とする場合は分子の順序も逆になる。

呼気：弾性収縮による流出

静かな呼気では吸気筋inspiratory muscle吸気筋（inspiratory muscle）inspiratory muscle（吸気筋）が弛緩し、肺と胸壁に蓄えられた弾性エネルギーが解放される。肺胞容積が減少して肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）が大気圧atmospheric pressure大気圧（atmospheric pressure）atmospheric pressure（大気圧）より高くなるため、空気は外へ流れる。通常は受動過程だが、努力呼気forced expiration努力呼気（forced expiration）forced expiration（努力呼気）では腹筋や内肋間筋internal intercostal内肋間筋（internal intercostal）internal intercostal（内肋間筋）が胸腔内圧intrathoracic pressure胸腔内圧（intrathoracic pressure）intrathoracic pressure（胸腔内圧）をさらに高める。

同じ圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）でも、流れ抵抗 $R_{aw}$ が大きいほど流量は小さい。閉塞性疾患occlusive (obstructive) disease閉塞性疾患（occlusive (obstructive) disease）occlusive (obstructive) disease（閉塞性疾患）では呼気時に胸腔内圧intrathoracic pressure胸腔内圧（intrathoracic pressure）intrathoracic pressure（胸腔内圧）が上がることで末梢気道peripheral airway末梢気道（peripheral airway）peripheral airway（末梢気道）が圧迫され、吸気よりも呼気の流れが制限されやすい。

一周期における圧力と流れ

flowchart TD
  A["呼気終末<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='alveolar pressure'>肺胞内圧</span>＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='atmospheric pressure'>大気圧</span>・流れ0"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inspiratory muscle'>吸気筋</span>収縮<br>胸郭容積増加"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alveolar pressure'>肺胞内圧</span>＜<span class='jp-term jp-term-diagram' title='atmospheric pressure'>大気圧</span><br>内向き気流"]
  C --> D["吸気終末<br>圧力が再び等しく流れ0"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='elastic recoil'>弾性収縮</span><br>肺胞<span class='jp-term jp-term-diagram' title='volume loss'>容積減少</span>"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alveolar pressure'>肺胞内圧</span>＞<span class='jp-term jp-term-diagram' title='atmospheric pressure'>大気圧</span><br>外向き気流"]
  F --> A

容積の極値と流量0の時点が一致する一方、胸郭運動、肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）、気流のピークは同時ではない。スパイロメトリーspirometryスパイロメトリー（spirometry）spirometry（スパイロメトリー）を読む際には、容積曲線pressure-volume curve容積曲線（pressure-volume curve）pressure-volume curve（容積曲線）の傾きが流量に対応することを意識する。

呼吸周期が乱れる要因

気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）増大では、同じ圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）に対する流量が減り、特に呼気が長くなる。
コンプライアンス低下reduced vascular complianceコンプライアンス低下（reduced vascular compliance）reduced vascular compliance（コンプライアンス低下）では、同じ容積変化を得るために大きな経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が必要となる。
呼吸筋疲労respiratory muscle fatigue呼吸筋疲労（respiratory muscle fatigue）respiratory muscle fatigue（呼吸筋疲労）では、胸郭を動かす駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）そのものが不足する。

これらはすべて換気を減らしうるが、圧力、抵抗、弾性のどこが変わったかは異なる。

まとめ

吸気は胸郭拡大による肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）低下、呼気は主に弾性収縮elastic recoil弾性収縮（elastic recoil）elastic recoil（弾性収縮）による肺胞内圧alveolar pressure肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧）上昇で起こる。
気流の方向は肺胞内圧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）の差で決まり、両者が等しい瞬間には流れが止まる。
気流量は圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）に比例し、気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）に反比例する。