呼吸仕事量

呼吸仕事量とは、呼吸筋が呼吸器系の弾性負荷および抵抗負荷に抗して、肺への空気の出入りをさせるために費やすエネルギーのことである。機械的には、移動した体積に対する圧力の積分として定義され、生理学的には、換気を維持するために呼吸筋が消費する酸素量に反映される。

Definition

呼吸仕事量とは、換気中に呼吸筋が呼吸器系に対して行う機械的な仕事であり、加えられた圧力を体積変化に関して積分したものとして計算され、弾性反跳を克服するために必要な仕事と、気流抵抗および組織変形を克服するために必要な仕事に分けられる。

Scope

このトピックでは、呼吸仕事量の定義と測定方法、弾性成分と抵抗成分（抵抗成分内では気道抵抗と組織抵抗）への分割、仕事量を最小化するための呼吸パターンの最適化、および呼吸の酸素コストについて扱う。これは機械的およびエネルギー的な量に関する参照記述であり、臨床管理に関する助言を提供するものではない。

Core questions

• 呼吸仕事量は、圧-体積ループ下の面積としてどのように計算されますか？
• 総仕事量は、弾性成分と抵抗成分にどのように分割されますか？
• なぜ身体は総仕事量を最小化する呼吸頻度を選択するのですか？
• 呼吸の酸素コストとは何ですか、そしてそれはいつ重要になりますか？

Key concepts

• 圧-体積仕事ループ
• 弾性仕事
• 抵抗仕事
• 呼吸の酸素コスト
• 最適呼吸頻度
• 呼吸筋エネルギー学

Key theories

呼吸パターンの最小仕事最適化

必要な肺胞換気量に対して、ゆっくりとした深い呼吸は弾性仕事を増加させ、速く浅い呼吸は抵抗仕事を増加させる。呼吸制御器は、総機械的呼吸仕事量の合計を最小化する頻度と一回換気量に落ち着く傾向がある。

Mechanisms

機械的な仕事は、圧力にそれが移動させる体積を乗じたものに等しい。呼吸の場合、吸気量に対する経肺圧または経呼吸器圧を積分することによって求められ、これは一回の呼吸の圧-体積ループによって囲まれた領域に相当する。この仕事には2つの部分がある。一つは弾性仕事であり、肺と胸壁を伸展させる際に蓄えられ、呼気中の反跳として大部分が回収される。もう一つは抵抗仕事であり、気道を通る空気の駆動や組織の変形において熱として散逸される。弾性仕事は一回換気量が増加するにつれて増大し、抵抗仕事は流量が速くなるにつれて増大するため、必要な換気量に対して、総仕事量が最小となる呼吸頻度が存在し、安静時の呼吸はその頻度に近い傾向がある。呼吸筋によって供給されるエネルギーは、その酸素消費量（呼吸の酸素コスト）に反映され、安静時には小さいが、弾性負荷または抵抗負荷が高い場合には急激に増加する可能性がある。

Clinical relevance

硬い肺、狭窄した気道、または高い換気需要による呼吸仕事量の増加は、呼吸の代謝コストを上昇させ、呼吸筋疲労の一因となる可能性があり、この負荷を軽減することは補助換気の生理学的根拠の一部である。この概念はまた、機械換気自体が傷害性の圧や体積を課す可能性があるという懸念も示唆している。この項目は生理学を記述するものであり、個別の診断や治療の根拠となるものではない。

Evidence & guidelines

呼吸仕事量の機械的分割と呼吸パターンの最適化は、古典的な生理学的研究に由来し、標準的な教科書にまとめられている。医原性損傷を含む肺への機械的負荷の臨床的重要性は、集中治療の文献で扱われている。

History

呼吸のエネルギー学は20世紀半ばに定量化された。当時、Otis、Fenn、Rahnは呼吸の機械的仕事を分析し、呼吸パターンがそれを最小化する傾向があることを示した。一方、DuBoisらは、基礎となる抵抗とコンプライアンスを測定する方法を開発した。過剰な機械的負荷が肺を損傷する可能性があるという後の認識は、これらの力学の関連性を集中治療にまで広げた。

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Arthur Otis
• Wallace Fenn
• Hermann Rahn

Seminal works

• dubois-1956
• otis-1954

Frequently asked questions

呼吸仕事量の2つの主要な構成要素は何ですか？

肺と胸壁を伸展させるために行われ、呼気中の反跳として大部分が戻される弾性仕事と、気道を通る空気の駆動や組織の変形において熱として散逸される抵抗仕事である。

なぜ最適な呼吸頻度があるのですか？

与えられた必要な換気量に対して、ゆっくりと深く呼吸すると弾性仕事が増加し、速く浅く呼吸すると抵抗仕事が増加する。中間的な頻度が合計を最小化するため、安静時の呼吸はその最小仕事パターンに近いところに落ち着く傾向がある。