Physiology · 2.5

循環系の構成。体循環における各血管区分の血行動態的機能。血流の生物物理学的基礎。圧と流量の関係。

Organization of the circulatory system. Hemodynamic functions of different vessel segments in the systemic circulation. Biophysical basis of blood flow. Relationship of pressure and flow.

応用トピック: 心臓カテーテル検査・血行動態評価・心周期

🧠 血管系は「抵抗血管resistance vessels抵抗血管（resistance vessels）resistance vessels（抵抗血管）（resistance vessel：動脈・細動脈）」と「容量血管capacitance vessel容量血管（capacitance vessel）capacitance vessel（容量血管）（静脈）」の役割分担で読む。動脈は高コンプライアンスhigh compliance高コンプライアンス（high compliance）high compliance（高コンプライアンス）の弾性を利用して拍動流pneumatic pulsatile拍動流（pneumatic pulsatile）pneumatic pulsatile（拍動流）を平滑化し（ウィンドケッセル効果Windkessel effectウィンドケッセル効果（Windkessel effect）Windkessel effect（ウィンドケッセル効果）, Windkessel effect）、細動脈は平滑筋の収縮で抵抗の大半（＝血圧の落差の大半）を作り、静脈は低い弾性・高いコンプライアンスで血液の6割以上を「貯蔵」する。抵抗が半径の4乗に反比例する（Hagen-Poiseuilleの法則, Hagen-Poiseuille’s law）という1つの物理法則が、細動脈の重要性のすべてを説明する。

循環系の全体構成

心臓： ポンプ
肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）： ガス交換のため肺へ血液を送る
体循環： 末梢組織へO₂・栄養・ホルモンを運び、老廃物waste product老廃物（waste product）waste product（老廃物）（CO₂）を除去する

その他の機能：栄養/老廃物waste product老廃物（waste product）waste product（老廃物）輸送、体温調節thermoregulation体温調節（thermoregulation）thermoregulation（体温調節）、ホルモン輸送、免疫機能immune function免疫機能（immune function）immune function（免疫機能）。

血管の分岐に伴う変化

指標	傾向
血管数	大動脈1本→細動脈約10⁷→毛細血管約4×10¹⁰、その後静脈側で再び合流し減少
血管半径vessel radius血管半径（vessel radius）vessel radius（血管半径）	大動脈25mmから毛細血管最小約2μmまで低下
総断面積total cross-sectional area総断面積（total cross-sectional area）total cross-sectional area（総断面積）	分岐点branch point分岐点（branch point）branch point（分岐点）ごとに娘血管の合計CSAは親血管を上回る。毛細血管で最大
血液量の分布	全血液量約5L。体循環85%・肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）15%。動脈系13%・静脈系64%超（貯蔵庫reservoir貯蔵庫（reservoir）reservoir（貯蔵庫）として機能）

💡 CSAが最大＝流速が最小になる場所が毛細血管。 連続の式（continuity equation、 $I_V = A \times v$ = 一定）から、CSAが最大の毛細血管で血流速度blood velocity血流速度（blood velocity）blood velocity（血流速度）が最も遅くなる——これはガス・物質交換exchange of substances物質交換（exchange of substances）exchange of substances（物質交換）に必要な滞留時間を確保するための構造的必然。

血管壁の構造

毛細血管を除き3層構造：①内膜tunica intima内膜（tunica intima）tunica intima（内膜）②中膜③外膜。構成要素は内皮細胞（血管内腔vascular lumen血管内腔（vascular lumen）vascular lumen（血管内腔）を裏打ち）、弾性線維（伸展後の復元renaturation復元（renaturation）renaturation（復元））、膠原線維collagen fiber膠原線維（collagen fiber）collagen fiber（膠原線維）（強度・過伸展hyperextension過伸展（hyperextension）hyperextension（過伸展）防止）、平滑筋細胞smooth muscle cells平滑筋細胞（smooth muscle cells）smooth muscle cells（平滑筋細胞）（血流の再分配）。

血管	直径	壁厚	弾性組織	平滑筋	血液量割合
大動脈	25mm	2mm	+++	+	13%（動脈系合計）
動脈	4mm	1mm	++	++
細動脈	20μm	2μm	+	+++
毛細血管	5–7μm	0.5μm	−	−	7%
細静脈venule細静脈（venule）venule（細静脈）	20μm	1μm	+	−
静脈	5mm	0.5mm	+	+	64%（静脈系合計）
大静脈	30mm	1.5mm	++	++

血流の生物物理学

連続の式

I_V = A_1 v_1 = A_2 v_2 = \text{一定}

CSAと流速は反比例——CSA最大の毛細血管で流速最小。

ベルヌーイの法則

P_s(\text{

流速が上がると側圧lateral pressure側圧（lateral pressure）lateral pressure（側圧）は下がる。主要血管の狭窄（血流速度blood velocity血流速度（blood velocity）blood velocity（血流速度）↑）は、分岐する側枝への側圧lateral pressure側圧（lateral pressure）lateral pressure（側圧）を減少させうる。

Hagen-Poiseuilleの法則

Q = I_V = \frac{\pi r^4}{8\eta l}\Delta p

流量は半径の4乗に比例——血管径の変化が流量に与える影響は極めて大きい。

抵抗の式

オームOhmオーム（Ohm）Ohm（オーム）の法則（Ohm’s law、 $\Delta p = Q \times R$ ）とHagen-Poiseuilleの法則を組み合わせると：

R = \frac{8\eta l}{\pi r^4}

⭐ 抵抗は半径の4乗に反比例する。 これが血流調節（＝抵抗調節）の主眼が細動脈の半径制御に置かれる理由——わずかな血管径の変化が抵抗・血流に劇的な影響を与える。

直列・並列抵抗

R_{

総末梢血管抵抗TPR総末梢血管抵抗（TPR）TPR（総末梢血管抵抗）は各臓器の血管床vascular bed血管床（vascular bed）vascular bed（血管床）が並列に接続されているとみなして計算する：

\frac{1}{TPR} = \frac{1}{R_{

レイノルズ数

Re = \frac{\rho \cdot d \cdot \bar v}{\eta}

Re	流れ
<2000	層流laminar flow層流（laminar flow）laminar flow（層流）の可能性が高い
>3000	乱流turbulent flow乱流（turbulent flow）turbulent flow（乱流）の可能性が高い

太い血管径・高流速・低粘度（ヘマトクリットhematocrit, Hctヘマトクリット（hematocrit, Hct）hematocrit, Hct（ヘマトクリット）低下）は乱流turbulent flow乱流（turbulent flow）turbulent flow（乱流）を招く。

病態	乱流turbulent flow乱流（turbulent flow）turbulent flow（乱流）の原因
貧血	ヘマトクリットhematocrit, Hctヘマトクリット（hematocrit, Hct）hematocrit, Hct（ヘマトクリット）低下→粘度低下
狭窄	血管径の減少
動脈瘤	壁の脆弱化detrusor weakness脆弱化（detrusor weakness）detrusor weakness（脆弱化）→径の増大

ラプラスの法則

T = \frac{P \times r}{2 \times (\text{壁厚})}

壁張力wall tension壁張力（wall tension）wall tension（壁張力）は圧×半径に比例し壁厚に反比例する。動脈瘤： 血管壁の膨隆→半径増大＋壁厚減少→壁張力wall tension壁張力（wall tension）wall tension（壁張力）の急激な増大→破裂リスクrupture risk破裂リスク（rupture risk）rupture risk（破裂リスク）。

伸展性とコンプライアンス

指標	定義	式
伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）	透壁圧上昇あたりの容積変化率	$D = \dfrac{\Delta V}{V_0 \Delta p}$
コンプライアンス	圧-容積曲線pressure-volume curve容積曲線（pressure-volume curve）pressure-volume curve（容積曲線）の接線の傾き	$C = \dfrac{\Delta V}{\Delta p}$

静脈の伸展性distensibility伸展性（distensibility）distensibility（伸展性）は動脈の8倍、コンプライアンスは動脈の25倍。動脈は圧が変化しても抵抗が比較的安定なため抵抗血管resistance vessels抵抗血管（resistance vessels）resistance vessels（抵抗血管）、静脈は少ない圧上昇で大量の血液を保持できるため容量血管capacitance vessel容量血管（capacitance vessel）capacitance vessel（容量血管）と呼ばれる。

シェア（せん断）と粘度

血管壁近傍は血流が遅く、中心部（赤血球が多い）は速い——この速度差がシェアshearシェア（shear）shear（シェア）。壁近傍ほどシェアshearシェア（shear）shear（シェア）が大きく、中心ほど小さい。速い成分ほど中心に偏在する結果、細い血管では見かけのヘマトクリットhematocrit, Hctヘマトクリット（hematocrit, Hct）hematocrit, Hct（ヘマトクリット）が低下する。

圧-流量関係：2種類の血管型

型	代表	機構	圧上昇への応答
肺型血管lung-type vessel肺型血管（lung-type vessel）lung-type vessel（肺型血管）	弾性線維に富む血管	受動的	コンプライアンスが高く容積が圧に比例して増加→抵抗は減少
腎型血管kidney-type vessel腎型血管（kidney-type vessel）kidney-type vessel（腎型血管）	平滑筋に富む血管	能動的（自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節））	一定範囲で血流を一定に保つ（自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節））→圧上昇で壁張力wall tension壁張力（wall tension）wall tension（壁張力）が増し能動的に収縮→抵抗も上昇

腎型血管kidney-type vessel腎型血管（kidney-type vessel）kidney-type vessel（腎型血管）の機序： 平滑筋の伸展活性化非特異的陽イオンチャネルstretch-activated cation channel伸展活性化非特異的陽イオンチャネル（stretch-activated cation channel）stretch-activated cation channel（伸展活性化非特異的陽イオンチャネル）開口→脱分極→VDCC活性化→Ca²⁺流入→血管収縮→径減少→抵抗上昇。この現象はベイリス効果Bayliss effectベイリス効果（Bayliss effect）Bayliss effect（ベイリス効果）（自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節））と呼ばれ、一定範囲の血圧で血流を一定に保つ（2-09-local-control-of-circulation-myogenic-humoral-control-mechanisms-functional-and参照）。

各血管区分の血行動態的機能

血管	機能
大動脈・大血管	ウィンドケッセル効果Windkessel effectウィンドケッセル効果（Windkessel effect）Windkessel effect（ウィンドケッセル効果）：収縮期に弾性壁が血液を貯め弾性エネルギーを蓄積、拡張期にそのエネルギーで血液を末梢へ押し出し、拍動流pneumatic pulsatile拍動流（pneumatic pulsatile）pneumatic pulsatile（拍動流）を定常流steady flow定常流（steady flow）steady flow（定常流）に変換する
中・小動脈	細動脈へ血液を輸送。脈圧は減衰するがなお触知可能palpable触知可能（palpable）palpable（触知可能）
細動脈（<300μm）	体循環で最大の抵抗を担う。単収縮単位single-unit単収縮単位（single-unit）single-unit（単収縮単位）の平滑筋。ペースメーカー細胞pacemaker cellペースメーカー細胞（pacemaker cell）pacemaker cell（ペースメーカー細胞）由来の持続的血管収縮（筋原性myogenic筋原性（myogenic）myogenic（筋原性）トーン myogenic tone＋交感神経トーン sympathetic tone）で安静時緊張resting tone安静時緊張（resting tone）resting tone（安静時緊張）を維持
静脈	弾性組織が少なくコンプライアンスが高い。全血液量の約65%を保持し、主な機能は貯蔵

⚠️ 圧の最大の落差は細動脈で起こる。 大動脈（高圧、低コンプライアンス）から小動脈まではエネルギー損失が少ないが、細動脈で高抵抗のため圧が急落し、毛細血管でさらに低下、右房でほぼ0〜2mmHgに達する。

まとめ

血管は分岐とともに数・総CSAが増大し半径は減少、毛細血管でCSA最大・流速最小になる。
血流は連続の式・ベルヌーイBernoulliベルヌーイ（Bernoulli）Bernoulli（ベルヌーイ）の法則・Hagen-Poiseuilleの法則に従い、抵抗は半径の4乗に反比例する（ $R \propto 1/r^4$ ）。
動脈は低コンプライアンス・抵抗血管resistance vessels抵抗血管（resistance vessels）resistance vessels（抵抗血管）、静脈は高コンプライアンスhigh compliance高コンプライアンス（high compliance）high compliance（高コンプライアンス）・容量血管capacitance vessel容量血管（capacitance vessel）capacitance vessel（容量血管）（血液量の64%を保持）。
細動脈が体循環最大の抵抗を担い、圧の最大の落差はここで生じる。腎型血管kidney-type vessel腎型血管（kidney-type vessel）kidney-type vessel（腎型血管）は自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節）（ベイリス効果Bayliss effectベイリス効果（Bayliss effect）Bayliss effect（ベイリス効果））で血流を一定に保つ。