肺気量。呼吸器系の死腔。肺胞換気。気道・胸壁・肺の力学的性質。呼吸器系の圧-容積関係、肺胞の表面張力、胸壁のコンプライアンス。

🧠 肺の力学は「肺は縮もうとし（retraction tendency）、胸郭は広がろうとする」という綱引きの結果、胸膜腔pleural cavity 胸膜腔（pleural cavity）pleural cavity（胸膜腔） が陰圧になり肺胞が開いたまま保たれる」という1つの原理から全部が導ける。 サーファクタントはこの綱引きの「肺側の力（表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）, surface tension）」を弱める物質、コンプライアンスはこの綱引きの「伸びやすさ」の指標、というように、あらゆる現象をこの綱引きモデルに接続して覚える。

肺気量分画

肺気量lung volume 肺気量（lung volume）lung volume（肺気量） は動的（気流速度に関係）と静的（気流速度に無関係 unrelated無関係（unrelated） unrelated（無関係））に大別され、臨床では静的気量を基本単位（4 volumes）と組み合わせ（4 capacities）で扱う。

💡 すべての呼吸筋が弛緩した状態の肺容積＝FRC。 これは「肺の縮もうとする力」と「胸郭の広がろうとする力」がちょうど釣り合う平衡点であり、後述の力学モデルの基準点 reference point 基準点（reference point） reference point（基準点） になる。

FRCの測定法

臨床スパイログラム

• 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） （forced expiratory volume in 1 second, FEV₁FEV₁（forced expiratory volume in one second））： 最大吸気maximal inspiration 最大吸気（maximal inspiration）maximal inspiration（最大吸気） 後、最大努力で呼出した最初の1秒間の呼出量。
• 1秒率FEV1/FVC ratio 1秒率（FEV1/FVC ratio）FEV1/FVC ratio（1秒率） （Tiffeneau指数）： $FEV_1/VC$（または$FEV_1/FVC$）が年齢・身長・性別などに対応する正常下限 lower limit of normal 正常下限（lower limit of normal） lower limit of normal（正常下限） 未満なら、閉塞性換気障害obstructive ventilatory defect 閉塞性換気障害（obstructive ventilatory defect）obstructive ventilatory defect（閉塞性換気障害） を示す。固定した80%を全年齢の正常下限 lower limit of normal 正常下限（lower limit of normal） lower limit of normal（正常下限） には用いない。¹
• 最大呼気流量peak expiratory flow, PEF 最大呼気流量（peak expiratory flow, PEF）peak expiratory flow, PEF（最大呼気流量） ： 健常者で>8 L/秒。

⚠️ 呼気流量-気量曲線 flow-volume curve 気量曲線（flow-volume curve） flow-volume curve（気量曲線） は呼気相が非対称に急峻 steep (dose gradient) 急峻（steep (dose gradient)） steep (dose gradient)（急峻） （呼気時は胸郭・肺が圧迫され気道半径↓→抵抗↑→流量↓）。 呼気時は胸腔内圧 intrathoracic pressure 胸腔内圧（intrathoracic pressure） intrathoracic pressure（胸腔内圧） が陽圧（気道を圧迫）、吸気時は陰圧（気道を開く）という非対称性がこの形を作る。

死腔

ガス交換に関与しない部分。

測定法： ①O₂吸入後の呼気中N₂濃度変化を追う（死腔dead space 死腔（dead space）dead space（死腔） からの呼気は純O₂でN₂を含まない）②死腔 dead space 死腔（dead space） dead space（死腔） ではpO₂・pCO₂が外気と等しいことを利用したpCO₂測定。

⭐ 生理学的死腔 dead space 死腔（dead space） dead space（死腔） は血流閉塞（血栓など）でも生じる。 換気は正常でも血流がなければガス交換は起こらず、その肺胞は「機能的には死腔 dead space死腔（dead space） dead space（死腔）」になる——換気と血流は独立変数 variables 変数（variables） variables（変数） であることの好例（3-02-gas-exchange-in-the-respiratory-system-the-pulmonary-circulation-ventilation参照）。

肺胞換気の式

肺胞換気量alveolar ventilation, V_A 肺胞換気量（alveolar ventilation, V_A）alveolar ventilation, V_A（肺胞換気量） （$\dot V_A$）と肺胞pCO₂（$P_{ACO_2}$）は双曲線 hyperbolic 双曲線（hyperbolic） hyperbolic（双曲線） 的（反比例）関係、CO₂産生量（$\dot V_{CO_2}$）とは線形関係にある。

• 運動でCO₂産生が2倍になれば、身体は$\dot V_A$も2倍にし、$P_{ACO_2}$を40mmHgに一定に保つ——過換気 hyperventilation過換気（hyperventilation） hyperventilation（過換気）・低換気は労作の有無でなく、この40mmHgからの逸脱で定義される。
• 低換気： $P_{ACO_2}>40$mmHg（高炭酸ガス血症hypercapnia高炭酸ガス血症（hypercapnia）hypercapnia（高炭酸ガス血症）, hypercapnia）。過換気hyperventilation 過換気（hyperventilation）hyperventilation（過換気） ： $P_{ACO_2}<40$mmHg（低炭酸ガス血症, hypocapnia）。

気道・胸壁・肺の力学的性質

収縮傾向とその2つの原因

肺（臓側胸膜visceral pleura臓側胸膜（visceral pleura）visceral pleura（臓側胸膜）, visceral pleura）は胸壁（壁側胸膜parietal pleura壁側胸膜（parietal pleura）parietal pleura（壁側胸膜）, parietal pleura）に胸膜液 pleural fluid 胸膜液（pleural fluid） pleural fluid（胸膜液） を介して付着し、呼吸時には胸郭とともに動く。肺は常に収縮しようとする傾向を持ち、その原因は2つ。

1. 弾性線維： ばねspring ばね（spring）spring（ばね） のように伸展され、応力除去で受動的に元に戻る。
2. 表面張力surface tension 表面張力（surface tension）surface tension（表面張力） ： 肺胞壁alveolar wall 肺胞壁（alveolar wall）alveolar wall（肺胞壁） を覆う水層 aqueous layer 水層（aqueous layer） aqueous layer（水層） のH₂O分子間の凝集力 cohesion 凝集力（cohesion） cohesion（凝集力） に由来。表面のH₂O分子は空気側に対応する分子を持たないため、内側方向にのみ正味の力がかかり、表面積を縮小させようとする（肺胞を小さくする方向）。

肺胞を開いたまま保つには、この収縮傾向 retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency） retraction tendency（収縮傾向） に対抗する力が必要——内側からの陽圧か外側からの陰圧のいずれか。正常な呼吸器系 respiratory system 呼吸器系（respiratory system） respiratory system（呼吸器系） では、外側からの陰圧（胸膜圧）がこれを担う。

flowchart TD
  A["肺の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='retraction tendency'>収縮傾向</span>（弾性線維＋<span class='jp-term jp-term-diagram' title='surface tension'>表面張力</span>）"] --> B["肺が胸膜シートを内側へ引く"]
  B --> C["胸郭は逆に外側へ広がろうとする（拡張傾向）"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intrapleural pressure'>胸膜腔内圧</span>が陰圧になる"]
  D --> E["この陰圧が肺胞を外側から開いた状態に保つ"]

気胸

肺の穿孔で空気が胸膜腔 pleural cavity 胸膜腔（pleural cavity） pleural cavity（胸膜腔） に流入すると、肺と胸壁を結びつけていた（湿った胸膜液 pleural fluid 胸膜液（pleural fluid） pleural fluid（胸膜液） による）共同運動が失われ、肺は収縮傾向 retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency） retraction tendency（収縮傾向） のみに従って虚脱し、胸郭は拡張傾向のみに従って広がる。

呼吸器系の圧

呼吸の合間（気流なし）はP_B = P_A = 0。肺胞を開いた状態に保つのはP_plの陰圧（約−4 cmH₂O）。

経壁圧transmural pressure 経壁圧（transmural pressure）transmural pressure（経壁圧） ： $P_{TM} = P_A - P_{pl} = 0 - (-4) = +4\ \text{cmH}_2\text{O}$——これが肺胞を開いた状態に保つ実効圧。

コンプライアンス

圧変化1単位あたりの容積変化——組織の伸びやすさの指標。

• 肺は液体で満たすと（表面張力surface tension 表面張力（surface tension）surface tension（表面張力） が消え、ヒステリシスhysteresis ヒステリシス（hysteresis）hysteresis（ヒステリシス） もなくなるため）より高いコンプライアンスを示す。気体充満時 distended state 充満時（distended state） distended state（充満時） はコンプライアンスが低くヒステリシス hysteresis ヒステリシス（hysteresis） hysteresis（ヒステリシス） （吸気・呼気曲線のずれ）が生じる。
• $C_{肺} \approx 0.2\ \text{L/cmH}_2\text{O}$。

プレチスモグラフィによる測定： FRC（容積）と$P_{TM}=P_A-P_{pl}$（圧、P_plは食道内圧 esophageal pressure 食道内圧（esophageal pressure） esophageal pressure（食道内圧） で代用）から圧-容積曲線 pressure-volume curve 容積曲線（pressure-volume curve） pressure-volume curve（容積曲線） を作成する。

病的コンプライアンス変化

⭐ 線維症は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） （吸気が大変）、肺気腫はコンプライアンス上昇（呼気が大変）——正反対の力学異常だが、どちらも「呼吸が大変」という共通の症状になる点に注意。

胸壁・呼吸器系全体のコンプライアンス

（肺と胸壁は直列 serial (organ architecture, vs. parallel) 直列（serial (organ architecture, vs. parallel)） serial (organ architecture, vs. parallel)（直列） 的に働くため、全体のコンプライアンスはどちらよりも低くなる。）

何が吸気・呼気を制限するか：

サーファクタント

肺胞表面に存在する蛋白質・脂質から成る表面活性物質。表面張力surface tension 表面張力（surface tension）surface tension（表面張力） を減少させ、4つの機能を持つ。

flowchart TD
  A["サーファクタント"]
  A --> B["1. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='work of breathing'>呼吸仕事量</span>の軽減<br>W=P×ΔV、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='surface tension'>表面張力</span>↓→P↓→W↓"]
  A --> C["2. 小さな肺胞の虚脱防止<br>P=2T/r（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Laplace'>ラプラス</span>則）"]
  A --> D["3. 肺水腫の防止<br>収縮による毛細血管吸引力を軽減"]
  A --> E["4. <span class='jp-term jp-term-diagram' title='hysteresis'>ヒステリシス</span>の発生"]

1. 呼吸仕事work of breathing 呼吸仕事（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事） の軽減： $W = P \times \Delta V$。収縮傾向retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency）retraction tendency（収縮傾向） が大きい＝開放に必要な圧較差 pressure gradient 圧較差（pressure gradient） pressure gradient（圧較差） が大きい＝仕事量大。サーファクタントはH₂O分子間の凝集力 cohesion 凝集力（cohesion） cohesion（凝集力） を妨げ表面張力 surface tension 表面張力（surface tension） surface tension（表面張力） を下げ、仕事量を減らす。

⚠️ 未熟児premature infant 未熟児（premature infant）premature infant（未熟児） （妊娠約6ヶ月以前）はサーファクタント産生が不十分で、呼吸仕事量work of breathing 呼吸仕事量（work of breathing）work of breathing（呼吸仕事量） の増大により疲弊 exhaustion 疲弊（exhaustion） exhaustion（疲弊） する。 対策：出産前の母体へのグルココルチコイド投与（サーファクタント産生促進）、または人工呼吸補助 mechanical ventilation人工呼吸補助（mechanical ventilation） mechanical ventilation（人工呼吸補助）。

2. 小さな肺胞の虚脱防止： ラプラスLaplace ラプラス（Laplace）Laplace（ラプラス） の法則 Laplace's law法則（Laplace's law） Laplace's law（法則）$P=\frac{2T}{r}$ より、半径が小さい肺胞ほど内圧が高くなり、空気は高圧（小）から低圧（大）へ流れ、放置すれば小さな肺胞は虚脱し大きな肺胞に吸収されてしまう。サーファクタントは肺胞の表面積に応じて濃度が変わる（小さい肺胞では濃縮、大きい肺胞では希釈）ため、小さな肺胞ほど表面張力 surface tension 表面張力（surface tension） surface tension（表面張力） の低下効果が大きく（圧が均等化され）、虚脱を防ぐ。

3. 肺水腫の防止： 収縮傾向retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency）retraction tendency（収縮傾向） は毛細血管に対する吸引力（毛細血管から間質への水の移動を促す力）としても働く。サーファクタントが収縮傾向 retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency） retraction tendency（収縮傾向） を弱めることで、この吸引力による肺水腫を防ぐ。

4. ヒステリシスhysteresis ヒステリシス（hysteresis）hysteresis（ヒステリシス） の原因： 肺が完全に虚脱するとサーファクタントは表面からミセル micelle ミセル（micelle） micelle（ミセル） へ移動し、再拡張時にはサーファクタントが不足した状態で膨張を始めるため吸気に多くの労力を要する（コンプライアンス低い）。完全拡張後はサーファクタントが表面に戻りコンプライアンスが上がるため呼気は容易になる——これが吸気曲線と呼気曲線のズレ（ヒステリシスhysteresisヒステリシス（hysteresis）hysteresis（ヒステリシス））の正体。

気道の解剖と非呼吸機能

気道は分岐（各世代で2分岐）し、伝導帯conduction band 伝導帯（conduction band）conduction band（伝導帯） （conducting zone、zone 1–16、死腔dead space死腔（dead space）dead space（死腔））から呼吸帯（respiratory zone、zone 17–23、ガス交換）へ移行する。肺胞上皮はI型細胞（type I cell、扁平上皮、ガス交換の98%を担う表面）とII型細胞（type II cell、サーファクタント産生）から成る。

非呼吸機能： ①空調（加温・加湿、1日約250mLのH₂O喪失）②宿主防御（host defense、線毛clearance、CFTR依存性の粘液線毛層 mucociliary layerによる異物除去、粒径により沈着部位 site of deposition 沈着部位（site of deposition） site of deposition（沈着部位） が異なる：>10μm=鼻毛 nasal hair鼻毛（nasal hair） nasal hair（鼻毛）、2-10μm=気管支、0.2-2μm=細気管支 bronchiole細気管支（bronchiole） bronchiole（細気管支）、<0.2μm=肺胞でマクロファージが貪食）③代謝機能（肺内皮のACEACE（angiotensin-converting enzyme）、angiotensin-converting enzymeがアンジオテンシン angiotensin アンジオテンシン（angiotensin） angiotensin（アンジオテンシン） IをIIに変換、ACE2ACE2（angiotensin-converting enzyme 2）がANG IIを分解——SARS-CoV-2の侵入受容体でもある）④発声・嗅覚・血液濾過hemofiltration, HF血液濾過（hemofiltration, HF）hemofiltration, HF（血液濾過）・姿勢保持への寄与。

呼吸筋と呼吸動態

等圧点

努力呼気forced expiration 努力呼気（forced expiration）forced expiration（努力呼気） では呼気筋の収縮により胸膜圧が陽圧化する。$P_A = P_{el} + P_{pl}$（肺胞内圧alveolar pressure 肺胞内圧（alveolar pressure）alveolar pressure（肺胞内圧） ＝弾性圧＋胸膜圧）。気道内を空気が流れるにつれ気道内圧は肺胞側から口側 oral side (proximal, toward the mouth) 口側（oral side (proximal, toward the mouth)） oral side (proximal, toward the mouth)（口側） へ線形に低下し、ある地点で気道内圧＝胸膜圧となる——これが等圧点Equal pressure point, EPP等圧点（Equal pressure point, EPP）Equal pressure point, EPP（等圧点）。

⚠️ 等圧点Equal pressure point, EPP 等圧点（Equal pressure point, EPP）Equal pressure point, EPP（等圧点） より末梢（口側oral side (proximal, toward the mouth)口側（oral side (proximal, toward the mouth)）oral side (proximal, toward the mouth)（口側））では、外圧（胸膜圧）が気道内圧を上回り気道を圧迫しうる。 通常は太い気道の軟骨がこれを防ぐが、努力の増大（胸膜圧をより陽圧に）や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）（肺気腫など）はEPPを気道のより深部（軟骨のない部分）へ移動させ、動的気道圧迫dynamic airway compression 動的気道圧迫（dynamic airway compression）dynamic airway compression（動的気道圧迫） による呼気時気道虚脱 airway collapse 気道虚脱（airway collapse） airway collapse（気道虚脱） を招きうる——COPD（chronic obstructive pulmonary disease）患者の呼気性喘鳴 expiratory wheeze呼気性喘鳴（expiratory wheeze） expiratory wheeze（呼気性喘鳴）・口すぼめ呼吸pursed-lip breathing 口すぼめ呼吸（pursed-lip breathing）pursed-lip breathing（口すぼめ呼吸） の力学的根拠。

気道抵抗

血管抵抗と同様にHagen-Poiseuilleの法則 Poiseuille law Poiseuilleの法則（Poiseuille law） Poiseuille law（Poiseuilleの法則） に従うが（層流laminar flow 層流（laminar flow）laminar flow（層流） の場合のみ）、決定因子Determinants 決定因子（Determinants）Determinants（決定因子） が血管と異なる。

気管支収縮bronchoconstriction 気管支収縮（bronchoconstriction）bronchoconstriction（気管支収縮） の機序： ①副交感神経（ACh→M1受容体 M1 muscarinic receptor M1受容体（M1 muscarinic receptor） M1 muscarinic receptor（M1受容体） →Ca²⁺シグナル）②ヒスタミン（アレルギー、H1受容体H1 receptor H1受容体（H1 receptor）H1 receptor（H1受容体） →Ca²⁺シグナル、喘息の機序）③刺激性物質（大気汚染air pollution大気汚染（air pollution）air pollution（大気汚染）・粉塵dust粉塵（dust）dust（粉塵））④寒冷曝露 cold exposure寒冷曝露（cold exposure） cold exposure（寒冷曝露）。

気管支拡張の機序（交感神経刺激）： ①β2-AR→cAMPcAMP（cyclic adenosine monophosphate）↑→平滑筋弛緩 ②NO→cGMP↑ ③VIP（vasoactive intestinal peptide）→cAMP↑（Gs）。

まとめ

• 肺気量lung volume 肺気量（lung volume）lung volume（肺気量） はTV・IRV・ERV・RVの4基本量とIC・FRC・VC・TLCの4容量に整理される。FRCは全呼吸筋弛緩時 relaxed state 弛緩時（relaxed state） relaxed state（弛緩時） の容積。
• 死腔dead space 死腔（dead space）dead space（死腔） は解剖学的（伝導帯conduction band伝導帯（conduction band）conduction band（伝導帯））と機能的（換気されても交換されない肺胞、血流途絶flow interruption 血流途絶（flow interruption）flow interruption（血流途絶） を含む）に分かれる。肺胞換気の式は$P_{ACO_2}=863 \times \dot V_{CO_2}/\dot V_A$で、正常はこれを40mmHgに保つ恒常性。
• 肺の収縮傾向 retraction tendency 収縮傾向（retraction tendency） retraction tendency（収縮傾向） （弾性線維＋表面張力 surface tension表面張力（surface tension） surface tension（表面張力））と胸郭の拡張傾向の綱引きが胸膜内陰圧を生み、肺胞を開いた状態に保つ（経壁圧transmural pressure 経壁圧（transmural pressure）transmural pressure（経壁圧） +4cmH₂O）。
• サーファクタントは呼吸仕事量 work of breathing 呼吸仕事量（work of breathing） work of breathing（呼吸仕事量） 軽減・小肺胞の虚脱防止・肺水腫防止・ヒステリシスhysteresis ヒステリシス（hysteresis）hysteresis（ヒステリシス） の発生という4つの役割を持つ。
• 気道抵抗airway resistance (Raw) 気道抵抗（airway resistance (Raw)）airway resistance (Raw)（気道抵抗） は太い気管支が主体（血管と逆）で、努力呼気forced expiration 努力呼気（forced expiration）forced expiration（努力呼気） 時の等圧点 Equal pressure point, EPP 等圧点（Equal pressure point, EPP） Equal pressure point, EPP（等圧点） の移動が動的気道圧迫 dynamic airway compression 動的気道圧迫（dynamic airway compression） dynamic airway compression（動的気道圧迫） を引き起こしうる。