換気と気流

換気とは、大気と肺胞との間の空気の総体的な移動であり、気流とは、駆動圧に応じてその移動が発生する速度である。これらは合わせて、毎分どれだけの新鮮なガスが肺胞のガス交換表面に到達するか、そしてその量が有用な肺胞換気と無駄な死腔換気にどのように分配されるかを決定する。

Definition

肺換気とは、空気が肺に出入りする周期的な流れであり、1回の呼吸あたりおよび1分あたりの移動量として定量化される。肺胞換気とは、その量の中でガス交換を行う肺胞に到達する部分であり、気流とは、気道に沿った圧力差によって駆動される瞬間的な体積流量である。

Scope

このトピックでは、呼吸を記述する量と速度、すなわち一回換気量、呼吸数、分時換気量、肺胞換気量、死腔、および駆動圧と気流の関係について扱う。これには、強制呼気中の最大流量の制限も含まれる。換気を測定可能な生理学的量として扱い、臨床的な助言は行わない。

Core questions

• 一回換気量と呼吸数は、どのように分時換気量と肺胞換気量に組み合わされるのか？
• 各呼吸のどのくらいの量が、解剖学的および生理学的死腔として無駄になるのか？
• 気流は、気道に沿った圧力差にどのように依存するのか？
• なぜ最大呼気流量は、ある時点を超えると努力非依存性になるのか？

Key concepts

• 一回換気量
• 呼吸数
• 分時換気量
• 肺胞換気量
• 解剖学的および生理学的死腔
• 最大呼気流量
• 努力非依存性

Key theories

流量制限と努力非依存性

強制呼気中、ある努力の閾値を超えると、特定の肺容量における最大呼気流量は、肺の弾性収縮と流量制限セグメントより上流の気道の抵抗によって決定されるため、追加の筋力による努力では流量を増加させることはできない。

Mechanisms

1回の呼吸で一回換気量が移動する。これを呼吸数で乗じると分時換気量が得られる。1回の呼吸ごとに、ガス交換を行わない導管気道（解剖学的死腔）と、換気されているが灌流されていない肺胞（肺胞死腔）を満たす一定量の空気が無駄になるため、肺胞換気量は分時換気量から死腔換気量を差し引いたものである。気流自体は、呼吸筋が気道に沿って作り出す圧力差によって生じ、気道抵抗によって妨げられる。最大強制呼気中には、気道の動的圧迫によって流量制限セグメントが形成されるため、ある程度の努力を超えると、各肺容量で達成可能な流量は、被験者がどれだけ強く押し出すかではなく、肺の弾性収縮と上流の抵抗によって固定される。

Clinical relevance

換気と気流は、スパイロメトリー（例えば、努力性呼気量と努力性肺活量）によって測定される量であり、そのパターンは肺機能障害の広範な機械的カテゴリーを区別する。流量制限の理解は、努力性呼気測定値が再現可能である理由を説明する。この項目は生理学と測定について記述しており、個別の診断や治療の根拠となるものではない。

Evidence & guidelines

換気と気流を測定するための標準化された方法は、スパイロメトリーおよび肺機能検査の解釈に関する国際的な技術声明で定められており、努力性呼気流量と容量の取得および報告方法が定義されている。

History

努力性呼気流量の生理学は1960年代に解明された。Mead、Macklemらが、最大流量が動的な気道圧迫のために努力非依存性になることを示し、努力性スパイロメトリーの根拠を提供した。これらの測定の標準化は、その後、アメリカ胸部疾患学会およびヨーロッパ呼吸器学会の連続する声明で成文化されてきた。

Key figures

• Jere Mead
• Peter Macklem
• John B. West

Seminal works

• mead-1967
• graham-2019

Frequently asked questions

分時換気量と肺胞換気量の違いは何ですか？

分時換気量は1分間に移動する総空気量（一回換気量×呼吸数）であるのに対し、肺胞換気量は、死腔で無駄になる量を差し引いた後、ガス交換を行う肺胞に到達する空気の部分のみを指します。

なぜ人は、より強く押しても強制呼気流量を増やすことができないのですか？

中程度の努力レベルを超えると、気道は動的に圧迫され、流量制限セグメントが形成されます。その時点から、最大流量は肺の弾性収縮と上流の気道抵抗によって固定されるため、余分な努力をしても流量は増加しません。