Physiology · 3.2

呼吸器系におけるガス交換。肺循環。換気血流比。

Gas exchange in the respiratory system. The pulmonary circulation. Ventilation-perfusion relationship.

応用トピック: 呼吸不全肺塞栓症の病態・診断・治療肺塞栓症体外循環と人工心肺装置の理論・実際肺塞栓症と肺性心間質性肺疾患原発性・続発性肺高血圧症肺解剖・呼吸生理の臨床的要点動脈血液ガス検査と結果の解釈呼吸機能検査：静的・動的肺気量呼吸困難急性呼吸不全
検査値: 肺拡散能

🧠 このトピックは「拡散（膜を挟んだガス交換）」と「灌流（血流の空間分布）」という2つの独立変数variables変数（variables）variables（変数）の掛け算」だと捉える。どちらか一方が完璧でも、両者の「マッチング」が悪ければ酸素化は損なわれる——重力gravity重力（gravity）gravity（重力）による換気血流比V/Q ratio換気血流比（V/Q ratio）V/Q ratio（換気血流比）の不均衡（頂部apex頂部（apex）apex（頂部） vs 底部）がその最も重要な実例。

呼吸膜とガス拡散

肺胞-血液関門alveolar-capillary barrier血液関門（alveolar-capillary barrier）alveolar-capillary barrier（血液関門）は6層・厚さ約1.0μmの薄い膜（①サーファクタント層②肺胞上皮③上皮基底膜epithelial basement membrane上皮基底膜（epithelial basement membrane）epithelial basement membrane（上皮基底膜）④間質腔interstitial space間質腔（interstitial space）interstitial space（間質腔）⑤毛細血管基底膜⑥毛細血管内皮capillary endothelium毛細血管内皮（capillary endothelium）capillary endothelium（毛細血管内皮））。ガス移動は単純拡散simple diffusion単純拡散（simple diffusion）simple diffusion（単純拡散）に従う。

V_{gas} = \frac{A \times D \times (P_1-P_2)}{T} = D_L \times (P_1-P_2)

（A=表面積、D=拡散係数diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient）diffusion coefficient（拡散係数）、T=膜厚membrane thickness膜厚（membrane thickness）membrane thickness（膜厚）。 $A \cdot D/T$ をまとめて肺拡散能diffusing capacity of the lung肺拡散能（diffusing capacity of the lung）diffusing capacity of the lung（肺拡散能） $D_L$ と呼ぶ。）

	肺胞	毛細血管（静脈血）	圧較差pressure gradient圧較差（pressure gradient）pressure gradient（圧較差）
pO₂	100 mmHg	40 mmHg	60 mmHg
pCO₂	40 mmHg	46 mmHg	6 mmHg

💡 O₂の圧較差pressure gradient圧較差（pressure gradient）pressure gradient（圧較差）はCO₂の10倍なのに、輸送量はほぼ同じ。 これは $D_L$ がガスごとに異なるため——CO₂はO₂よりH₂Oへの溶解度が約20倍高く、 $D_L$ もCO₂の方が約20倍大きい。運動中は表面積（A）が拡大する（CO 3-4倍増→肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）の毛細血管開存数増加）ことで $D_L$ 自体も増大する。

通過時間

肺毛細血管内Endocapillary毛細血管内（Endocapillary）Endocapillary（毛細血管内）の血液滞在時間は約0.75秒だが、実際のガス交換（酸素化）に必要なのはその1/3（約0.25秒）のみ——残り2/3は予備。

拡散律速diffusion-limited拡散律速（diffusion-limited）diffusion-limited（拡散律速） vs 灌流律速perfusion-limited灌流律速（perfusion-limited）perfusion-limited（灌流律速）：

型	定義	例
拡散律速diffusion-limited拡散律速（diffusion-limited）diffusion-limited（拡散律速）	血液が肺胞圧と平衡化する前に毛細血管を出てしまう	CO（Hbへの結合が強く血中遊離分圧が上がりにくい）
灌流律速perfusion-limited灌流律速（perfusion-limited）perfusion-limited（灌流律速）	0.25秒以内に肺胞圧と平衡化する	O₂、CO₂（正常肺では血流量が輸送量を決める）

⚠️ 肺水腫は間質腔interstitial space間質腔（interstitial space）interstitial space（間質腔）に体液が溜まり膜厚membrane thickness膜厚（membrane thickness）membrane thickness（膜厚）（T）を増大させ $D_L$ を低下させる——これは拡散能diffusing capacity (DLCO)拡散能（diffusing capacity (DLCO)）diffusing capacity (DLCO)（拡散能）そのものを障害する典型例。組織では毛細血管-細胞間距離が1.0μmをはるかに超えるため、O₂・CO₂は拡散律速diffusion-limited拡散律速（diffusion-limited）diffusion-limited（拡散律速）になる（肺と組織でのガス交換の性質が異なる点に注意）。

気体の分圧とヘンリーの法則

液体中では理想気体ideal gas理想気体（ideal gas）ideal gas（理想気体）の法則（ideal gas law、 $PV=nRT$ ）ではなくヘンリーHenryヘンリー（Henry）Henry（ヘンリー）の法則Henry's law法則（Henry's law）Henry's law（法則）が支配する。

[\text{Gas}]_{溶存} = \alpha(\text{溶解度}) \times P_{gas}

（O₂の溶解度係数は約0.03 mL O₂/L H₂O/mmHg、CO₂はその約20倍。）

分圧が重要な理由：①溶存量は分圧に線形比例②ガスは高分圧から低分圧へ流れ、等しくなったところで平衡に達する。

	pO₂	pCO₂
肺胞腔alveolar space肺胞腔（alveolar space）alveolar space（肺胞腔）	100 mmHg	40 mmHg
静脈血	40 mmHg	46 mmHg
動脈血	95 mmHg	40 mmHg

⭐ 動脈血のpO₂が肺胞と同じ100mmHgでなく95mmHgになる理由が2つ。 ①気管支循環bronchial circulation気管支循環（bronchial circulation）bronchial circulation（気管支循環）由来のやや静脈性venous静脈性（venous）venous（静脈性）の血液が混入する（生理的シャント, physiological shunt）②重力gravity重力（gravity）gravity（重力）による換気血流比V/Q ratio換気血流比（V/Q ratio）V/Q ratio（換気血流比）の不均衡（後述）——完全な平衡化が起こらない。

肺循環

機能： 血液の再酸素化とCO₂放出、肺組織への代謝産物metabolite代謝産物（metabolite）metabolite（代謝産物）の輸送。総血液量の約10%（500mL）を占める。肺血流pulmonary blood flow肺血流（pulmonary blood flow）pulmonary blood flow（肺血流）量は右心のCO＝左心のCOに等しい（直列serial (organ architecture, vs. parallel)直列（serial (organ architecture, vs. parallel)）serial (organ architecture, vs. parallel)（直列）接続, in series）。

部位	圧
右心室right ventricle右心室（right ventricle）right ventricle（右心室）	25/0 mmHg
肺動脈	24/9 mmHg（平均14mmHg）
肺毛細血管	約10 mmHg
肺静脈pulmonary vein肺静脈（pulmonary vein）pulmonary vein（肺静脈）	約9 mmHg
左心房left atrium左心房（left atrium）left atrium（左心房）	8 mmHg

体循環に比べ圧較差pressure gradient圧較差（pressure gradient）pressure gradient（圧較差）が著しく小さい（駆動圧driving pressure駆動圧（driving pressure）driving pressure（駆動圧）≈6mmHg、体循環の約1/15）理由：肺血管は平滑筋が少なく低抵抗——抵抗も体循環の約1/15（流量は同じなため）。

受動的調節

運動でCO増加（3-4倍）しても、肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）は血管拡張＋抵抗低下により、圧の大幅な上昇なしに増加した血流を受け入れられる——肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）の「余裕reserve余裕（reserve）reserve（余裕）」がここにある。

能動的調節：低酸素性肺血管収縮

\text{局所肺胞pO}_2\downarrow \to \text{局所血管収縮（反射）} \to \text{その部位の血流}\downarrow

この反射は換気と血流のバランスを保つ（換気の悪い肺胞への血流を減らし、無駄な灌流を防ぐ）——体循環の自己調節autoregulation自己調節（autoregulation）autoregulation（自己調節）（圧に応じた血管収縮）とは逆に、低酸素で収縮するという肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）特有の性質。

⚠️ 全肺が低酸素になる状況（高地居住の慢性低酸素、呼吸不全）では、この反射が肺全体で働き肺血管抵抗pulmonary vascular resistance肺血管抵抗（pulmonary vascular resistance）pulmonary vascular resistance（肺血管抵抗）全体が上昇、肺高血圧→右室後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）増大を招く。これは局所的には合目的的な反射が、全身性に起こると病的帰結（肺性心cor pulmonale肺性心（cor pulmonale）cor pulmonale（肺性心）, cor pulmonale）をもたらす例。

気管支循環

肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）とは別に、肺組織自体を養う体循環由来の血流（総循環の約1%）。肺静脈pulmonary vein肺静脈（pulmonary vein）pulmonary vein（肺静脈）へ合流し静脈血を混入させる——動脈血pO₂が100ではなく95mmHgになる一因（前述）。

重力の影響

立位で肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）から肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）にかけて、肺胞圧（P_A）・動脈圧（P_a）・静脈圧（P_V）の大小関係zone1-3大小関係（zone1-3）zone1-3（大小関係）が変化する。

領域	圧の関係	血流
Zone 1（肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）、非現実的）	P_A > P_a > P_V	毛細血管が完全に圧迫→血流なし
Zone 2（肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）の実際）	P_a > P_A > P_V	部分的圧迫→血流減少
Zone 3（肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底））	P_a > P_V > P_A	血管拡張→血流最大

肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）から肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）にかけ血流が劇的に増加する（肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）：抵抗↑・圧↓→血流↓／肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）：抵抗↓・圧↑→血流↑）。

換気血流比

換気も重力gravity重力（gravity）gravity（重力）の影響を受ける。胸膜圧は肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）で約−10cmH₂O、肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）で約−2.5cmH₂Oと、肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）の方がより陰圧（立位で肺自身の重みが胸膜腔pleural cavity胸膜腔（pleural cavity）pleural cavity（胸膜腔）を下方へ引くため）。

💡 肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）の肺胞は（強い陰圧のため）すでに大きく膨らんでいる分コンプライアンスが低く、同じ呼吸努力respiratory effort呼吸努力（respiratory effort）respiratory effort（呼吸努力）でも容積変化が小さい。肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）の肺胞は小さい分コンプライアンスが高く、より大きく開閉gating開閉（gating）gating（開閉）できる——換気量は肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）で多い。

部位	換気（ $\dot V_A$ ）	血流（ $\dot Q$ ）	$\dot V_A/\dot Q$	血液の性質
肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）	相対的に多い	少ない	高い	高酸素（過換気hyperventilation過換気（hyperventilation）hyperventilation（過換気）側）
肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）	相対的に少ない	多い	低い	低酸素（過灌流hyperperfusion過灌流（hyperperfusion）hyperperfusion（過灌流）側）

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apex of lung'>肺尖</span>：換気>血流→高いV/Q→高酸素血液（流量小）"]
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base of the lung'>肺底</span>：血流>換気→低いV/Q→低酸素血液（流量大）"]
  A --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pulmonary vein'>肺静脈</span>で混合"]
  B --> C
  C --> D["平均<span class='jp-term jp-term-diagram' title='arterial oxygen partial pressure'>PaO2</span> < 肺胞PAO2（100mmHg）"]

⭐ 低いV/Qの血液（肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）、流量が多い）が高いV/Qの血液（肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）、流量が少ない）より支配的に混合に寄与するため、混合後の動脈血pO₂は肺胞のpO₂（100mmHg）より低くなる（95mmHg）。「量が多い方の性質が平均を支配する」という非対称な混合が本質——これが換気血流比不均衡V/Q mismatch換気血流比不均衡（V/Q mismatch）V/Q mismatch（換気血流比不均衡）による生理的な（病的でない）肺胞気動脈血酸素較差alveolar-arterial oxygen gradient, A-a gradient肺胞気動脈血酸素較差（alveolar-arterial oxygen gradient, A-a gradient）alveolar-arterial oxygen gradient, A-a gradient（肺胞気動脈血酸素較差）の一因。

まとめ

ガス拡散は $V_{gas}=D_L(P_1-P_2)$ に従い、 $D_L$ はCO₂がO₂の約20倍（溶解度の違い）。運動時は表面積増大で $D_L$ も増える。
O₂・CO₂は正常肺で灌流律速perfusion-limited灌流律速（perfusion-limited）perfusion-limited（灌流律速）（0.25秒で平衡化）、CO・線維性肥厚下のO₂は拡散律速diffusion-limited拡散律速（diffusion-limited）diffusion-limited（拡散律速）。組織では距離が長く常に拡散律速diffusion-limited拡散律速（diffusion-limited）diffusion-limited（拡散律速）。
肺循環pulmonary circulation肺循環（pulmonary circulation）pulmonary circulation（肺循環）は低抵抗・低圧較差pressure gradient圧較差（pressure gradient）pressure gradient（圧較差）で、低酸素に対して血管収縮するという体循環と逆の反応（換気血流マッチングのため）を示す。
重力gravity重力（gravity）gravity（重力）により肺尖apex of lung肺尖（apex of lung）apex of lung（肺尖）は高換気/低血流（高V/Q）、肺底base of the lung肺底（base of the lung）base of the lung（肺底）は低換気/高血流（低V/Q）となり、両者の混合で動脈血pO₂は肺胞pO₂よりわずかに低くなる（100→95mmHg）。