Biophysics · 28.05

呼吸の生体力学（biomechanics）―コンプライアンスと閉塞性・拘束性疾患

Biomechanics of respiration — compliance, obstructive/restrictive disease

応用トピック: 急性呼吸窮迫症候群の病態・症状・診断・治療呼吸機能検査：静的・動的肺気量

🧠 肺コンプライアンスlung compliance肺コンプライアンス（lung compliance）lung compliance（肺コンプライアンス）は、経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）を変えたとき肺容積がどれだけ変わるかを表す。呼吸のしにくさは、肺を拡げるための弾性負荷と、気道を通して空気を動かす抵抗負荷に分けると理解しやすい。

コンプライアンスと弾性

肺コンプライアンスlung compliance肺コンプライアンス（lung compliance）lung compliance（肺コンプライアンス） $C_L$ は圧力―容積曲線pressure-volume curve容積曲線（pressure-volume curve）pressure-volume curve（容積曲線）の傾きである。

C_L=\frac{\Delta V}{\Delta P_{tp}}

$C_L$ が小さい肺は硬く、同じ容積を増やすのに大きな経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）が必要である。逆数はエラスタンスelastanceエラスタンス（elastance）elastance（エラスタンス）で、元の形へ戻ろうとする強さを表す。これは応力―ひずみstrainひずみ（strain）strain（ひずみ）関係を呼吸器へ応用した考え方だが、肺の圧力―容積関係にはヒステリシスhysteresisヒステリシス（hysteresis）hysteresis（ヒステリシス）があり、一定のばねspringばね（spring）spring（ばね）定数だけでは表せない。

表面張力とサーファクタント

\Delta P=\frac{2\gamma}{r}

肺胞内面の液体は表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力） $\gamma$ によって面積を小さくしようとする。肺胞を単純な球面として近似したラプラスLaplaceラプラス（Laplace）Laplace（ラプラス）の式では、同じ表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）なら半径 $r$ が小さいほど肺胞を保つのに必要な圧力差pressure difference圧力差（pressure difference）pressure difference（圧力差）が大きい。実際の肺胞は互いに連結しており、肺サーファクタントpulmonary surfactant肺サーファクタント（pulmonary surfactant）pulmonary surfactant（肺サーファクタント）が表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）を、とくに小さくなった肺胞で低下させることで虚脱を防ぎ、肺コンプライアンスlung compliance肺コンプライアンス（lung compliance）lung compliance（肺コンプライアンス）を高める。

サーファクタント不足では肺胞を開く圧力が増え、無気肺atelectasis無気肺（atelectasis）atelectasis（無気肺）が起こりやすい。単に「肺胞が小さいから潰れる」のではなく、表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）を下げる仕組みが失われた結果として圧力負荷が増す。

閉塞性と拘束性の違い

病態	主な物理的変化	呼吸への影響	代表的な測定傾向
閉塞性	気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）の増大、呼気時の気道虚脱	空気を速く吐きにくい	1秒量forced expiratory volume in one second (FEV1)1秒量（forced expiratory volume in one second (FEV1)）forced expiratory volume in one second (FEV1)（1秒量）と1秒率FEV1/FVC ratio1秒率（FEV1/FVC ratio）FEV1/FVC ratio（1秒率）が低下、RV増加を伴いうる
拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）	肺・胸壁コンプライアンスの低下	肺を十分に拡げにくい	TLCとVCが低下、1秒率FEV1/FVC ratio1秒率（FEV1/FVC ratio）FEV1/FVC ratio（1秒率）は保たれやすい

閉塞性疾患occlusive (obstructive) disease閉塞性疾患（occlusive (obstructive) disease）occlusive (obstructive) disease（閉塞性疾患）では気道半径の低下が流れを制限し、拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）疾患では線維化などにより圧力―容積曲線pressure-volume curve容積曲線（pressure-volume curve）pressure-volume curve（容積曲線）の傾きが小さくなる。肺気量lung volume肺気量（lung volume）lung volume（肺気量）だけでなく、時間内にどれだけ吐けたかを合わせて評価する。

病態から測定値まで

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='shortness of breath / breathlessness'>息切れ</span>"] --> B{"主要な負荷はどこか"}
  B -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='airway resistance (Raw)'>気道抵抗</span>増大"| C["呼気流量が低下"]
  C --> D["閉塞性パターン<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='FEV1/FVC ratio'>1秒率</span>低下・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='air trapping'>空気捕捉</span>"]
  B -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='reduced vascular compliance'>コンプライアンス低下</span>"| E["同じ吸気量に大きな圧力が必要"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='restrictive pattern'>拘束性パターン</span><br>TLC・VC低下"]

肺気腫では弾性収縮elastic recoil弾性収縮（elastic recoil）elastic recoil（弾性収縮）が弱くコンプライアンス自体は高くなる一方、呼気時に気道を開いておく力が不足して閉塞性変化を示す。したがって「コンプライアンスが高いほど正常」とは限らない。

まとめ

コンプライアンスは経肺圧transpulmonary pressure経肺圧（transpulmonary pressure）transpulmonary pressure（経肺圧）変化に対する容積変化で、低いほど肺は拡げにくい。
表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）は肺胞虚脱alveolar collapse肺胞虚脱（alveolar collapse）alveolar collapse（肺胞虚脱）を促し、サーファクタントはそれを下げて肺胞を安定化する。
閉塞性疾患occlusive (obstructive) disease閉塞性疾患（occlusive (obstructive) disease）occlusive (obstructive) disease（閉塞性疾患）は主に流れの抵抗、拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）疾患は主に弾性負荷の増大として区別する。
肺気量lung volume肺気量（lung volume）lung volume（肺気量）、流量、圧力―容積関係を組み合わせて病態を読む。