換気障害と呼吸機能検査；呼吸不全

🧠 呼吸不全は2つの軸で考える: 病気の型（吐けない＝閉塞性／膨らまない＝拘束性 restrictive拘束性（restrictive） restrictive（拘束性））と、血液ガスの型（酸素化だけ悪い＝1型／CO₂も溜まる＝2型）。低酸素血症の3機序（V/Q不均衡・拡散障害diffusion impairment拡散障害（diffusion impairment）diffusion impairment（拡散障害）・シャント）のうち、シャントだけO₂が効かないのが最重要ポイント Key principles重要ポイント（Key principles） Key principles（重要ポイント）。原因の切り分けにはA-aDO₂（肺胞気-動脈血酸素分圧較差alveolar-arterial oxygen gradient肺胞気-動脈血酸素分圧較差（alveolar-arterial oxygen gradient）alveolar-arterial oxygen gradient（肺胞気-動脈血酸素分圧較差））を使う。

閉塞性と拘束性（2つの型の「壊れ方」）

flowchart TD
  O["閉塞性（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chronic obstructive pulmonary disease'>COPD</span>・喘息）<br>息を吐き出せない"] --> O1["初期：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hypoxic / hypoxemic'>低酸素性</span>・部分呼吸不全（partial）（1型）"]
  O1 --> O2["進行例：CO₂も溜まる → 高CO₂血症性・全呼吸不全（hypercapnic/global）（2型）"]
  O2 --> O3["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cor pulmonale'>肺性心</span>（右心不全）を合併しうる"]
  R["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='restrictive'>拘束性</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pulmonary fibrosis'>肺線維症</span>・RA/強皮症の間質病変・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sarcoidosis'>サルコイドーシス</span>）<br>肺が硬くて膨らまない"] --> R1["持続的に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='partial'>部分呼吸不全</span>（1型）"]
  R1 --> R2["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='diffusion impairment'>拡散障害</span>（労作時に低酸素血症）"]
  R2 --> R3["進行が速く早期に致死、高CO₂血症は終末期のみ"]

• 閉塞性: 「吐けない」病気。最初は低酸素だけ（1型）→ 病期が進むと CO₂ も溜まる（2型 = 全呼吸不全）ことがある。ただしこの進行は不可避ではない。肺気腫優位の表現型は末期まで PaCO₂ が正常〜低値にとどまりやすく、慢性気管支炎chronic bronchitis 慢性気管支炎（chronic bronchitis）chronic bronchitis（慢性気管支炎） 優位の表現型の方が早期から高CO₂血症・肺性心cor pulmonale肺性心（cor pulmonale）cor pulmonale（肺性心）をきたしやすい——「閉塞性＝いずれ2型になる」と一律には言えない。
• 拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）: 「膨らまない」病気。ずっと1型（部分呼吸不全）で、CO₂ 貯留は死の直前のみ。拡散が障害されるため、安静時は正常でも労作で低酸素になりやすく、進行が速い。代表疾患は特発性肺線維症idiopathic pulmonary fibrosis, IPF特発性肺線維症（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）idiopathic pulmonary fibrosis, IPF（特発性肺線維症）、関節リウマチ・全身性強皮症systemic sclerosis, SSc全身性強皮症（systemic sclerosis, SSc）systemic sclerosis, SSc（全身性強皮症）に伴う間質性肺疾患 interstitial lung disease, ILD間質性肺疾患（interstitial lung disease, ILD） interstitial lung disease, ILD（間質性肺疾患）、サルコイドーシスsarcoidosisサルコイドーシス（sarcoidosis）sarcoidosis（サルコイドーシス）など肺実質を硬くする病態（肺実質性拘束）。これとは別に、胸郭変形chest wall deformity胸郭変形（chest wall deformity）chest wall deformity（胸郭変形）・神経筋疾患・高度肥満severe obesity 高度肥満（severe obesity）severe obesity（高度肥満） のように肺自体は健常でも膨らませられない肺外性拘束もある（両者は拡散能diffusing capacity (DLCO) 拡散能（diffusing capacity (DLCO)）diffusing capacity (DLCO)（拡散能） （DLCODLCO, diffusing capacity of the lung for carbon monoxide）で鑑別できる。後述）。

閉塞性の診断基準：気管支拡張薬吸入後のFEV1/FVCで判定する

⚠️ 閉塞性障害obstructive defect 閉塞性障害（obstructive defect）obstructive defect（閉塞性障害） は吸入前ではなく気管支拡張薬 bronchodilator 気管支拡張薬（bronchodilator） bronchodilator（気管支拡張薬） 吸入後のFEV1FEV1（forced expiratory volume in one second）/FVCFVC（forced vital capacity）で判定する。 吸入前の値だけで「閉塞性」と判定すると、可逆性のある気道収縮 bronchoconstriction 気道収縮（bronchoconstriction） bronchoconstriction（気道収縮） （喘息発作asthma attack 喘息発作（asthma attack）asthma attack（喘息発作） 時など）を固定的 fixed 固定的（fixed） fixed（固定的） な閉塞と誤認しうる。現行のGOLDGOLD（Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease）基準は気管支拡張薬 bronchodilator 気管支拡張薬（bronchodilator） bronchodilator（気管支拡張薬） 吸入後FEV1/FVCが固定比0.70未満であることをCOPDCOPD（chronic obstructive pulmonary disease）の気流閉塞 airflow limitation (airflow obstruction) 気流閉塞（airflow limitation (airflow obstruction)） airflow limitation (airflow obstruction)（気流閉塞） と定義している¹。

⚠️ 固定比0.70とLLN（正常下限lower limit of normal正常下限（lower limit of normal）lower limit of normal（正常下限））のどちらを使うかで結論 conclusion 結論（conclusion） conclusion（結論） が変わる。 FEV1/FVCは加齢で生理的に低下するため、固定比0.70を機械的に適用すると高齢者で過剰診断、若年者で過小診断になりうる。生理学的にはLLN（年齢・性・身長・民族を補正した正常下限 lower limit of normal正常下限（lower limit of normal） lower limit of normal（正常下限））の方が妥当とされるが、現行のGOLD指針は簡便さを優先して固定比0.70を用いている。ある地域住民調査では、固定比によるCOPD有病率 prevalence 有病率（prevalence） prevalence（有病率） 24.2%に対しLLN基準では15.3%にとどまり、固定比のみで異常と判定される不一致群（高齢・男性が多い）は症状が少なく気流閉塞 airflow limitation (airflow obstruction) 気流閉塞（airflow limitation (airflow obstruction)） airflow limitation (airflow obstruction)（気流閉塞） 自体も軽度だった。ただし同じ不一致群は、正常肺機能の人より心疾患の診断が有意に多く（27.2%対7.3%）、著者らは「重要となりうる併存疾患 comorbidity 併存疾患（comorbidity） comorbidity（併存疾患） を含む集団」と結論 conclusion 結論（conclusion） conclusion（結論） している²——固定比で拾われた高齢者を「健常な過剰診断」と一括りに片づけない。判定基準の詳細はスパイロメトリーspirometryスパイロメトリー（spirometry）spirometry（スパイロメトリー）に譲る。

拘束性の確定にはTLC実測が要る

⚠️ 拘束性障害restrictive defect 拘束性障害（restrictive defect）restrictive defect（拘束性障害） はFEV1/FVCが保たれたまま肺活量 vital capacity 肺活量（vital capacity） vital capacity（肺活量） （FVC）が低下する所見だが、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） だけでは確定できない。 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） で測れるのはFVC・FEV1などの気流指標であり、残気量residual volume, RV 残気量（residual volume, RV）residual volume, RV（残気量） （RV）・全肺気量total lung capacity (TLC) 全肺気量（total lung capacity (TLC)）total lung capacity (TLC)（全肺気量） （TLC）は測定できない。FVC低下は拘束性 restrictive 拘束性（restrictive） restrictive（拘束性） を疑う手がかりにすぎず、閉塞性障害obstructive defect 閉塞性障害（obstructive defect）obstructive defect（閉塞性障害） でもエアトラッピング air trapping エアトラッピング（air trapping） air trapping（エアトラッピング） があればFVCは下がりうるため、拘束性restrictive 拘束性（restrictive）restrictive（拘束性） の確定には体プレチスモグラフィ body plethysmography 体プレチスモグラフィ（body plethysmography） body plethysmography（体プレチスモグラフィ） またはガス希釈法 gas dilution method ガス希釈法（gas dilution method） gas dilution method（ガス希釈法） によるTLCの実測が必要になる（TLC低下があって初めて拘束性障害 restrictive defect 拘束性障害（restrictive defect） restrictive defect（拘束性障害） と確定する）。詳細はスパイロメトリーspirometryスパイロメトリー（spirometry）spirometry（スパイロメトリー）・体プレチスモグラフィbody plethysmography体プレチスモグラフィ（body plethysmography）body plethysmography（体プレチスモグラフィ）に譲る。

酸素輸送（正常時）

• 片肺の肺血流 pulmonary blood flow肺血流（pulmonary blood flow） pulmonary blood flow（肺血流） ~2.4 L/min、肺胞 pO₂ ~100 mmHg。
• V/Q ratio ~0.8（生理的） — ガス交換には時間が有り余っており、肺胞 pO₂ と毛細血管 pO₂ はほぼ等しくなる。

動脈血液ガス

動脈血液ガスarterial blood gas, ABG 動脈血液ガス（arterial blood gas, ABG）arterial blood gas, ABG（動脈血液ガス） （ABG）は換気・ガス交換・酸塩基状態を一度に評価する（橈骨動脈radial artery 橈骨動脈（radial artery）radial artery（橈骨動脈） から採血）。

• 項目:
  • pH（7.35–7.45）
  • pO₂（83–108 mmHg。年齢・標高・吸入酸素で変わるため固定値だけで読まない）
  • pCO₂（35–45 mmHg）
  • O₂飽和度
  • Hb
  • 標準重炭酸塩standard bicarbonate 標準重炭酸塩（standard bicarbonate）standard bicarbonate（標準重炭酸塩） （21–28 mmol/L）
  • 塩基過剰base excess, BE 塩基過剰（base excess, BE）base excess, BE（塩基過剰） （0±3）
  • 乳酸（0.5–2.2）
• 読み方の軸:
  • pH（↑アルカローシス／↓アシドーシス）
  • pCO₂（↑呼吸性アシドーシス respiratory acidosis呼吸性アシドーシス（respiratory acidosis） respiratory acidosis（呼吸性アシドーシス）／↓呼吸性アルカローシス respiratory alkalosis呼吸性アルカローシス（respiratory alkalosis） respiratory alkalosis（呼吸性アルカローシス））
  • HCO₃⁻（↑代謝性アルカローシス metabolic alkalosis代謝性アルカローシス（metabolic alkalosis） metabolic alkalosis（代謝性アルカローシス）／↓代謝性アシドーシス）

1型・2型呼吸不全とA-aDO₂による原因の切り分け

低酸素血症だけなら1型、高CO₂血症（PaCO₂ >45 mmHg）を伴えば2型と呼ぶ。

💡 2型の表にある「PaO₂ <60 mmHg」は室内気 room air 室内気（room air） room air（室内気） 呼吸下での古典的な定義である。 酸素投与中は PaO₂・SpO₂ が正常化しても換気不全は残るため、BTS の指針は PaCO₂ が正常範囲（4.6〜6.1 kPa＝34〜46 mmHg）を超えていれば酸素飽和度O₂ saturation 酸素飽和度（O₂ saturation）O₂ saturation（酸素飽和度） が正常でも2型呼吸不全と呼ぶとしている³。両者は矛盾せず、分かれ目は吸入酸素濃度 fraction of inspired oxygen, FiO₂ 吸入酸素濃度（fraction of inspired oxygen, FiO₂） fraction of inspired oxygen, FiO₂（吸入酸素濃度） である（上限値も資料により45と46 mmHgで1 mmHg違う）。型が分かったら、次はなぜ低酸素になっているかを機序で絞り込む。その道具 tool 道具（tool） tool（道具） がA-aDO₂（肺胞気-動脈血酸素分圧較差alveolar-arterial oxygen gradient肺胞気-動脈血酸素分圧較差（alveolar-arterial oxygen gradient）alveolar-arterial oxygen gradient（肺胞気-動脈血酸素分圧較差））である。

💡 A-aDO₂の考え方： 肺胞気alveolar gas 肺胞気（alveolar gas）alveolar gas（肺胞気） 式で計算した肺胞気 alveolar gas 肺胞気（alveolar gas） alveolar gas（肺胞気） 酸素分圧 partial pressure of oxygen 酸素分圧（partial pressure of oxygen） partial pressure of oxygen（酸素分圧） （PAO₂）と、実測した動脈血酸素分圧 arterial partial pressure of oxygen, PaO₂ 動脈血酸素分圧（arterial partial pressure of oxygen, PaO₂） arterial partial pressure of oxygen, PaO₂（動脈血酸素分圧） （PaO₂）の差を取る。ガス交換そのもの（肺胞から毛細血管への酸素の受け渡し）に問題があれば、肺胞側の酸素は十分でも血液側に酸素が渡らずA-aDO₂は開大する。一方、換気量そのものが足りない（肺胞低換気alveolar hypoventilation肺胞低換気（alveolar hypoventilation）alveolar hypoventilation（肺胞低換気））か、そもそも吸う空気の酸素分圧 partial pressure of oxygen 酸素分圧（partial pressure of oxygen） partial pressure of oxygen（酸素分圧） が低い（高地など）のであれば、肺胞側の酸素供給 myocardial oxygen supply 酸素供給（myocardial oxygen supply） myocardial oxygen supply（酸素供給） 自体が乏しいだけなのでA-aDO₂は正常に保たれる。

低酸素血症の3機序

A-aDO₂が開大する低酸素血症は、さらに次の3機序に分けられる。O₂投与への反応性がシャントとそれ以外を鑑別する最大の手がかりになる。

💡 なぜシャントだけ O₂ が効かないのか: V/Q不均衡や拡散障害 diffusion impairment 拡散障害（diffusion impairment） diffusion impairment（拡散障害） は「換気はある（弱いだけ）」ので、O₂ 濃度を上げれば改善する。一方シャントは「その肺胞に換気が全く無い」ため、どれだけ O₂ を吸わせても素通りした血液には届かない。だからシャントは酸素不応で最も危険。

V/Q不均衡の本質

💡 キモは「Hb はすでにほぼ満タン」という事実。 生理的 pO₂ で Hb はほぼ飽和しているので、過換気hyperventilation 過換気（hyperventilation）hyperventilation（過換気） しても血液の酸素積載量はもう増えない（O₂ は増やせない）。しかし CO₂ は pCO₂ に直線的に比例して運ばれるので、過換気hyperventilation 過換気（hyperventilation）hyperventilation（過換気） は CO₂ を効率よく吹き飛ばせる。

• だから V/Q不均衡では O₂ は上げられないが CO₂ は下げられる → 低酸素はあっても高 CO₂ にはならない（むしろ過換気 hyperventilation 過換気（hyperventilation） hyperventilation（過換気） で pCO₂ は低め）。
• V/Q <1 → pO₂↓、pCO₂ はほぼ不変。V/Q >1 → pO₂↑・pCO₂↓ だが、Hb 飽和済みのため運ばれる O₂ 量は増えない。

2型呼吸不全への酸素投与とCO₂ナルコーシス

⚠️ 2型（高CO₂血症性）呼吸不全の患者に高濃度酸素を投与すると、PaCO₂がさらに上昇し羽ばたき振戦asterixis (flapping tremor)羽ばたき振戦（asterixis (flapping tremor)）asterixis (flapping tremor)（羽ばたき振戦）から昏睡に至るCO₂ナルコーシスを起こしうる。 だが機序を「呼吸中枢respiratory center 呼吸中枢（respiratory center）respiratory center（呼吸中枢） が低酸素性 hypoxic / hypoxemic 低酸素性（hypoxic / hypoxemic） hypoxic / hypoxemic（低酸素性） 駆動を失って呼吸が止まるから」だけで説明するのは不正確である。BTS の指針は少なくとも6つの機序が関わるとし、推定される重要度の順に①V/Q不均衡の悪化 ②換気ドライブ ventilatory drive 換気ドライブ（ventilatory drive） ventilatory drive（換気ドライブ） の低下 ③ハルデン効果 Haldane effectハルデン効果（Haldane effect） Haldane effect（ハルデン効果） ④吸収性無気肺 Resorption atelectasis吸収性無気肺（Resorption atelectasis） Resorption atelectasis（吸収性無気肺） ⑤空気より重い酸素の密度 ⑥低流量マスクでの再呼吸 rebreathing再呼吸（rebreathing） rebreathing（再呼吸）を挙げ、主因は①だとしている（重みづけそのものは今も議論がある）³。上位upper 上位（upper）upper（上位） 3つの中身は次のとおり。

• 低酸素性肺血管収縮pulmonary hypoxic vasoconstriction 低酸素性肺血管収縮（pulmonary hypoxic vasoconstriction）pulmonary hypoxic vasoconstriction（低酸素性肺血管収縮） （HPVHPV, human papillomavirus）の解除によるV/Qミスマッチ mismatch (base-pair mismatch) ミスマッチ（mismatch (base-pair mismatch)） mismatch (base-pair mismatch)（ミスマッチ） の悪化：換気の乏しい肺胞への血流はもともとHPVで絞られている。高濃度酸素を投与するとこの代償的 compensatory 代償的（compensatory） compensatory（代償的） な血管収縮が解除され、換気の悪い肺胞へ血流が再分配される。その結果V/Q不均衡が悪化し、CO₂の排出効率が下がる。
• 換気ドライブventilatory drive 換気ドライブ（ventilatory drive）ventilatory drive（換気ドライブ） の低下：低酸素血症が是正されると換気刺激が減る。ただし頸動脈小体 carotid body 頸動脈小体（carotid body） carotid body（頸動脈小体） の放電は PaO₂ 100 mmHg（13 kPa）を超えるとほぼ頭打ちになるので、PaO₂ がそれ以上に上がっても換気はほとんど変わらないのに、PaCO₂ は上がり続ける——これが「ドライブの喪失だけでは説明できない」根拠である。
• ハルデン効果Haldane effectハルデン効果（Haldane effect）Haldane effect（ハルデン効果）：酸素化されたヘモグロビンはCO₂との結合能が下がるため、高濃度酸素で動脈血の酸素飽和度 O₂ saturation 酸素飽和度（O₂ saturation） O₂ saturation（酸素飽和度） が上がるほど、同じCO₂含量でも血漿中に溶存・遊離するCO₂（PaCO₂として測定される分）が増える。

臨床研究の多くは低酸素性 hypoxic / hypoxemic 低酸素性（hypoxic / hypoxemic） hypoxic / hypoxemic（低酸素性） ドライブの寄与を小さいとみる（支持する研究もある）。一方、肺そのものの病変が乏しく呼吸筋力 respiratory muscle strength 呼吸筋力（respiratory muscle strength） respiratory muscle strength（呼吸筋力） 低下が主体の患者（神経筋疾患など）では、低酸素性hypoxic / hypoxemic 低酸素性（hypoxic / hypoxemic）hypoxic / hypoxemic（低酸素性） 呼吸ドライブ respiratory drive 呼吸ドライブ（respiratory drive） respiratory drive（呼吸ドライブ） の消失の比重が大きくなる³。だからといって低酸素血症の治療を差し控えてはならない——CO₂ナルコーシスを恐れて酸素を止めれば低酸素で死に至る。正しい対応は、目標SpO₂を88〜92%程度に設定し、過不足なく酸素を投与しながらABGでPaCO₂とpHを再評価することである³。詳細な原因整理と管理フローは高CO₂血症に譲る。

拡散能（DLCO）

拡散能diffusing capacity (DLCO) 拡散能（diffusing capacity (DLCO)）diffusing capacity (DLCO)（拡散能） （DLCO）は、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） が「吐き出せるか」を測るのに対し、「肺胞から毛細血管血 capillary blood 毛細血管血（capillary blood） capillary blood（毛細血管血） 液へガスが移る過程そのもの」を測る独立した軸の検査である。閉塞性・拘束性restrictive 拘束性（restrictive）restrictive（拘束性） の判定には関与せず、なぜそうなっているかを答える次の一手として使う。

⚠️ 肺実質が硬くなる肺実質性拘束（間質性肺疾患interstitial lung disease, ILD 間質性肺疾患（interstitial lung disease, ILD）interstitial lung disease, ILD（間質性肺疾患） など）はDLCOが低下するが、胸郭変形chest wall deformity胸郭変形（chest wall deformity）chest wall deformity（胸郭変形）・神経筋疾患のような肺外性拘束は肺実質自体が健常なためDLCOは正常〜上昇しうる。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） だけでは両者を区別できず、DLCOが「なぜ拘束性 restrictive 拘束性（restrictive） restrictive（拘束性） なのか」を切り分ける役目を担う。

まとめ