Biophysics · 28.06

呼吸仕事

Respiratory work

🧠 呼吸仕事work of breathing呼吸仕事（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事）は、呼吸筋が圧力を発生させて肺容積を変える際の力学的仕事である。 肺・胸壁の弾性、気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）、組織の粘性viscosity粘性（viscosity）viscosity（粘性）に費やされるため、どの負荷が増えたかによって楽な呼吸様式も変わる。

圧力―容積曲線と仕事

微小な容積変化 $dV$ を圧力 $P$ に逆らって生じさせる仕事は $P,dV$ であり、吸気・呼気それぞれの仕事はその経路に沿った積分で表される。一周期の閉曲線積分の大きさは、回収されずに散逸dissipate散逸（dissipate）dissipate（散逸）した正味の力学的エネルギーである。

W_{\mathrm{diss}}=\left|\oint P\,dV\right|

吸気と呼気が同じ経路を戻らないためループには面積が生じ、この面積は一周期に散逸dissipate散逸（dissipate）dissipate（散逸）するエネルギーに対応する。粘弾性viscoelasticity粘弾性（viscoelasticity）viscoelasticity（粘弾性）体のエネルギー散逸dissipate散逸（dissipate）dissipate（散逸）と同じ見方ができる。仕事率は一呼吸の仕事と呼吸数の積なので、浅い呼吸でも極端に速くなれば時間当たりの負担は増える。

呼吸仕事の三成分

弾性仕事：肺と胸壁を拡げ、肺胞表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）に逆らう仕事。吸気時に蓄えられ、その一部は受動呼気で回収される。
気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）に対する仕事：粘性viscosity粘性（viscosity）viscosity（粘性）のある気体を気道内で流す仕事。流量と気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）が大きいほど増える。
組織抵抗に対する仕事：肺・胸壁組織の変形に伴う内部摩擦へ費やされる仕事。

これらの割合は一定ではない。コンプライアンスと気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）が変わると、最小のエネルギーで換気できる呼吸数と一回換気量tidal volume一回換気量（tidal volume）tidal volume（一回換気量）の組み合わせも変化する。

病態に適応する呼吸様式

flowchart TD
  A["必要な肺胞換気を維持"] --> B{"増えた負荷"}
  B -->|"弾性負荷<br>硬い肺"| C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tidal volume'>一回換気量</span>を小さくする"]
  C --> D["浅く速い呼吸"]
  B -->|"抵抗負荷<br>狭い気道"| E["流量と呼吸数を抑える"]
  E --> F["ゆっくり深い呼吸・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='prolonged expiration'>呼気延長</span>"]

拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）疾患では大きく肺を拡げる弾性仕事が高価なので浅く速い呼吸になりやすい。一方、閉塞性疾患occlusive (obstructive) disease閉塞性疾患（occlusive (obstructive) disease）occlusive (obstructive) disease（閉塞性疾患）では流速を上げるほど抵抗性の圧力損失が増えやすく、ゆっくりした呼吸と長い呼気が有利になる。ただし浅すぎる呼吸は死腔換気dead-space ventilation死腔換気（dead-space ventilation）dead-space ventilation（死腔換気）の割合を増やすため、呼吸様式には限界がある。

呼吸筋疲労への接続

必要な圧力が持続的に高いと、呼吸筋の酸素消費と血流需要が増える。換気を維持できなくなると肺胞低換気alveolar hypoventilation肺胞低換気（alveolar hypoventilation）alveolar hypoventilation（肺胞低換気）と二酸化炭素carbon dioxide, CO₂二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素）貯留が生じる。呼吸仕事work of breathing呼吸仕事（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事）の増大は単なる不快感ではなく、換気ポンプventilatory pump換気ポンプ（ventilatory pump）ventilatory pump（換気ポンプ）が供給できる機械的出力へ近づいている徴候である。

まとめ

吸気・呼気の仕事は圧力―容積経路の積分で、一周期に散逸dissipate散逸（dissipate）dissipate（散逸）する正味のエネルギーはループ面積で表される。
呼吸仕事work of breathing呼吸仕事（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事）は弾性、気道抵抗airway resistance (Raw)気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗）、組織抵抗に対する成分からなる。
硬い肺では浅く速い呼吸、狭い気道ではゆっくりした呼吸が仕事を抑えやすい。
呼吸仕事work of breathing呼吸仕事（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事）が筋の能力を超えると換気不全へ進む。