Boundless Anatomy and Physiology

Pressure Changes During Pulmonary Ventilation

Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.

Learning Objective

Differentiate among the types of pulmonary ventilation: minute, alveolar, dead space

Key Takeaways

Key Points

  • Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.
  • The three types of ventilation are minute ventilation, alveolar ventilation, and dead space ventilation.
  • The alveolar ventilation rate changes according to the frequency of breath, tidal volume, and amount of dead space.
  • PAは肺胞ガス分圧を指し、Paは動脈血中のそのガスの分圧を指す。
  • ガス交換は、脱酸素化血液中のPAO2がPaO2よりも大きいため、受動拡散から起こる。

キーワード

  • ventilation(通気)。
  • 分圧:空気中または溶解している気体によって及ぼされる圧力で、その気体の濃度を示す

換気量の種類

呼吸生理学において、換気量とは気体が肺に入るか出ていく速度です。

空気の量は、潮容積 (平均的な呼吸で吸い込む量) または気道の死腔の容積など、より具体的なものを指すことがあります。 呼吸生理学で使用される換気速度の主な種類は次の 3 つです:

  1. 分換気量 (VE)。 1分間に肺に入る空気の量。 これは次のように定義できる。 \text{VE}=text{Tidal Volume}times{Breaths Per Minute}
  2. Alveolar ventilation (VA). 肺胞に到達してガス交換に関与する単位時間当たりのガス量。 Ⓐtext{VA}=left(\text{Tidal Volume}-text{Dead Space Volume}right)\times{Respiratory Rate}
  3. Dead space ventilation(VD):肺胞換気。 伝導帯に滞留する空気など、ガス交換に関与しない単位時間当たりの空気量をいう。

さらに、微小換気は肺胞換気と死腔換気の合計として記述することができるが、これらを導き出すのに使用した呼吸数は1分あたりの呼吸数である。 このことは、死腔容量の変化で最もよくわかる。

肺胞換気は、実際にどのくらいの酸素が体内に入るかを測定するために最も重要な換気タイプで、死腔の増加にもかかわらず肺胞換気を増やそうとする負のフィードバック機構を開始させることができます。 特に、身体は一般に、肺胞換気の十分なレベルを維持しようと呼吸の頻度を上げることによって、死腔の増加に対抗しようとします。

気体の分圧

これは肺でのガス交換の図です。 アベオリが血液から二酸化炭素を取り除き、血液に酸素を加える様子が描かれています。

肺のガス交換の図。 肺におけるガス交換の図

換気中にガスが血流に溶け込むとき、一般にそのガスの分圧によって説明されます。

呼吸生理学では、PAO2 および PACO2 は肺胞内の酸素と二酸化炭素の分圧を指します。

PaO2 および PaCO2 は、動脈血内の酸素と二酸化炭素の分圧を指します。

肺胞の空気と血液中のガスの分圧に差があるため、受動拡散によってガス交換が行われます。

通常の状態では、PAO2は約100mmHg、全身動脈では80~100mmHgですが、肺に向かう肺動脈の脱酸素血液では40~50mmHgとなっています。

気体は圧力の高いところから低いところへ移動するので、肺胞の酸素の圧力が脱酸素化血液の圧力より高いことは、ガス交換中に酸素が血流に受動的に拡散する理由を説明します。

逆に、PACO2 は 35 mmHg ですが、PaCO2 は全身動脈では約 40~45 mmHG、肺動脈では 50 mmHg になります。

さらに、PACO2は動脈血中の二酸化炭素濃度の指標であるため、血液のpHを測定し、呼吸性アシドーシスやアルカローシスの症例を特定するために使用することができる。

吸気

吸気とは、大気と肺胞の圧力差によって生体に空気が流れ込むことです。

学習目標

吸気の仕組みを概説する

Key Takeaways

ポイント

  • ヒトにおいて吸気は外部環境から気道を通って、肺胞に空気が生体内に流入することである。
  • 吸気は横隔膜の収縮から始まり、胸腔と胸膜腔の拡張と圧力の低下(陰圧の上昇ともいう)をもたらす。
  • 吸気には、外肋間筋、頭盾筋、胸鎖乳突筋、僧帽筋など多くの付属筋が関与している。
  • 横隔膜の代わりに付属筋だけで呼吸するのは非効率的と考えられ、吸気時に得られる空気ははるかに少ない。
  • 胸腔内の陰圧は、組織固有の弾性にもかかわらず、肺を開いたままにするのに十分である。
  • 肺胞内の圧力が大気圧より低い限り、空気は内側に移動し続けますが、圧力が安定するとすぐに空気の動きは止まります。

キーワード

  • 吸気。 胸壁の上昇と横隔膜の平坦化によって哺乳類で達成される、肺への空気の吸引
  • 補助筋。 胸腔の小さな部分の拡張を助ける筋肉で、横隔膜に加えて働くか、横隔膜が損傷した場合にその代わりとなる。
  • 胸膜内圧:胸腔内の圧力で、外気と比較して負であり、吸気時にさらに負になる。

    吸気のプロセス

    吸気は横隔膜の収縮で始まり、その結果、胸腔と胸膜腔が拡張されます。

    圧力と体積は互いに反比例の関係にあるため、肺内の圧力が下がると、外気を肺に取り込んで肺内の空気の体積を増やすことができます。

    肺内の空気の体積が増えると、胸膜内圧(胸腔内の圧力)の低下により、肺は拡張した胸腔を押し返します。

    肺内圧の力は、肺の自然の弾性反動にもかかわらず、吸気中に肺を開いたままにするのに十分でさえあります。

    肺胞嚢も吸気時に空気で満たされることで膨張し、肺内部の膨張に寄与します。

    やがて、肺内部の容積が増加すると肺内部の圧力は小さくなり、圧力と容積が安定すると空気の動きが止まり、吸気が終了し、呼気(呼気)が開始されることになります。

    これは気道全体の模式図で、肺胞などの内部の詳細も含まれています。 呼吸器系は、複雑な接続システムであり、どの部分でも抵抗があると問題が発生する可能性があります。

    吸気の補助筋

    横隔膜は呼吸に関与する主要な筋肉ですが、他のいくつかの筋肉が特定の状況で役割を果たします。 これらの筋肉は、吸気の付属筋肉と呼ばれます。

    • 外肋間筋。 肋骨の間にある筋肉で、静かな吸気や強制吸気時に胸腔や胸膜腔の拡張を助ける。
    • 頭板筋。 呼吸を助けるために上の肋骨(および上の肋骨の周りの胸腔)を持ち上げる頸部の筋肉。 横隔膜が損傷して正常に収縮できないときに、吸気のための機構を提供する。
    • 胸鎖乳突筋。 胸骨と首をつなぐ筋肉で、頭の回転や旋回を可能にする。 彼らは頭蓋筋ができるように上部肋骨を持ち上げることができます。
    • 僧帽筋。

    付属筋は、横隔膜と同じように胸腔を広げて呼吸を助けます。 しかし、横隔膜に比べると、胸腔のかなり小さい部分を広げることになります。

    たとえば、歌手は、歌うために必要なパワフルな声の生成をサポートするために、多くの空気を必要とします。

    たとえば、歌手は、歌に必要な力強い声を出すために、多くの空気を必要とします。初心者歌手の共通の問題は、横隔膜ではなく、首、肩、肋骨の付属筋で呼吸することで、適切に歌うために必要なものよりもはるかに少ない空気の供給しかできません。

    吐き出し

    吐き出し (or expiration) は呼吸流を生体外に流すことです。

    学習目標

    呼気のメカニズムを概説する

    Key Takeaways

    キーポイント

    • 人間において、呼気は呼吸中に気管支から気道を通って外部環境へ空気が移動することである。
    • 呼気は、肺の弾性特性のため受動的なプロセスである。
    • 強制呼気時には、胸郭を下げて胸郭容積を減少させる内肋間筋が、腹筋は横隔膜を押し上げて胸郭を収縮させる。
    • 胸部横隔膜の弛緩は、空気を排出するために肺に圧力をかける胸膜腔の収縮を引き起こす。
    • 呼気の脳制御は、随意制御と不随意制御に分けることができる。 肋間筋は、肋骨の間を走る筋肉のいくつかのグループであり、胸壁を形成し、動かすのに役立ちます。
    • exhalation。

    呼気は、呼気とも呼ばれ、呼吸電流が生体の外に流れることである。 呼気の目的は、ガス交換から代謝廃棄物、主に二酸化炭素を体外に排出することである。

    これは気道全体の模式図であり、肺胞などの内部の詳細も含まれています。 呼吸器系は、複雑な接続システムであり、どの部分でも抵抗があると問題が発生する可能性があります。 横隔膜が弛緩すると、胸腔が収縮し、肺に圧力がかかり、空気が受動的に肺から押し出されるので、肺の容積が減少します。

    呼気のプロセス

    呼気は通常、横隔膜筋(吸気のときに収縮)の緩和から起こる受動的プロセスです。 呼気が受動的である主な理由は、肺の弾性反動によるものです。 肺の弾力性は、肺組織の細胞外マトリックスにあるエラスチンと呼ばれる分子によるもので、サーファクタントという化学物質が、水による表面張力を低下させて肺の弾力性が大きくなりすぎるのを防ぐことで維持されている。 サーファクタントがなければ、肺は呼気の終わりにつぶれてしまい、再び息を吸い込むことが非常に難しくなります。 肺は弾力性があるので、空気が肺から出ると自動的に小さいサイズに戻ります。

    呼気は、吸気が終わると始まります。 吸気時に胸膜腔の陰圧が高くなることで空気を取り込むように、呼気時には(横隔膜の弛緩により)胸膜腔が収縮し、肺に圧力をかけ、腔内の陰圧を低くすることができるのです。 圧力が上がると肺の中の容積が減り、肺が小さくなって空気が気道に押し出される。 胸膜腔は、その圧力によって肺の容積が変化し、呼吸中に肺が伸縮するための摩擦のない空間を提供するため、呼吸にとって非常に重要です。

    呼気は一般に受動的なプロセスですが、能動的、強制的プロセスであることもあります。

    • 内側肋間筋:強制呼気に関与する 2 つの筋群があります。 胸郭を下げるのを助ける胸郭の筋肉は、胸腔を押し下げ、強制呼気を引き起こす。 これらは、吸気に関与する外肋間筋とは異なることに注意。
    • 腹部の筋肉。

    これは、肺の弾性特性、および胸郭を下げ、胸郭容積を減少させる内部肋間筋のために起こります。

    呼気の制御

    身体にとって異なる目的を果たすために、呼気は自発的または非自発的に行われることがあります。

    自発的な呼気は、積極的に制御されます。

    自発的な呼気は、積極的に制御されます。一般に、肺に空気を保持し、一定の割合で放出することで定義され、いつ、どれだけの空気を吐き出すかを制御できます。 これは、非常に特殊な空気のコントロールを必要とするスピーチや歌の際の発声、あるいは誕生日にロウソクを吹き消すような単純な動作に必要です。

    不随意呼気は、意識的な制御が効かないため、代謝機能にとって重要な要素です。 例としては、睡眠時や瞑想時の呼吸が挙げられます。 呼吸パターンの変化は、ネガティブフィードバックによるアシドーシスの人の呼吸数の増加など、代謝的な理由でも起こる可能性があります。 不随意呼吸の主要な神経制御中枢は、脳の直下にある脳幹の延髄と大脳皮質である。 これら 2 つの構造は、神経呼吸制御に関与していますが、心血管システムなど、他の身体システムの代謝調節機能も持っています。

    呼吸パターン

    呼吸は、肺に空気を出し入れする自律的なプロセスです。

    学習目標

    人間の呼吸のプロセスを説明する

    ポイント

    ポイント

    • 呼吸パターンは個人における潮量と呼吸数からなる。
    • 平均の呼吸パターンは1分間12呼吸、一回500mLである。
    • 無呼吸は安静時の正常な呼吸である。
    • 多くの疾患の症状である呼吸パターンの変化の種類がある。
    • 呼吸パターンの変化は、呼吸速度または呼吸中に交換される空気の量の変化を指し、常に肺胞換気の変化を示すわけではないのである。
    • 換気パターンの生成メカニズムには、髄質および大脳皮質の呼吸制御中枢による神経信号の統合が含まれる

    主要な用語

    • 変化した呼吸パターン。 通常、呼吸数が速すぎたり遅すぎたり、潮量が多すぎたり少なすぎたりすることを示す異常な呼吸パターン
    • 潮量。

    呼吸パターンは、一定期間の呼吸の頻度として定義される呼吸数、および呼吸中に循環した空気の量(潮容積)を指します。

    呼吸パターンの特徴

    呼吸数は、一定期間にわたる呼吸の頻度です。 その時間は様々であるが、通常1分あたりの呼吸数で表されるのは、その時間によって微小換気量を推定することができるからである。 通常の呼吸では、吸気と呼気で循環する空気の量は潮容積(VT)と呼ばれ、1回の呼吸で交換される空気の量である。 この潮容積に呼吸数をかけたものが分換気量であり、肺機能の最も重要な指標の一つである。 人間の平均的な成人の場合、呼吸数は1分間に12回、潮容積は0.5リットル、分間換気量は6リットルだが、この数値には個人差がある。

    Spirometry curve(スパイロメトリーカーブ)。

    呼吸数は、自律神経系の不随意過程によって制御されています。 特に、髄質と大脳翼の呼吸中枢は、体内からの様々な化学的刺激に基づいて、全体の呼吸数を制御する。

    正常および異常な呼吸パターン

    無呼吸は、安静時の個人の正常な呼吸数を表す用語です。 他のいくつかの用語は、主に呼吸器系疾患ではない多くの疾患の症状を示す異常な呼吸パターンを表します。

    • 呼吸困難:一般に息切れと呼ばれます。 潮容積が劇的に減少し、時には呼吸数が増加して、息切れの感覚をもたらすことを表します。 不安発作、肺塞栓症、心臓発作、肺気腫などの一般的な症状です。
    • 過呼吸:体の代謝ニーズを満たすために循環する空気量の増加を指し、呼吸頻度の変化を伴うかどうかは問いません。 運動や高所への適応の症状で、一般に問題はないが、貧血や敗血症性ショックで見られることもあり、問題である。
    • 頻呼吸:呼吸数の増加を表す。 しばしば一酸化炭素中毒または肺炎の症状です。
    • 呼吸困難:呼吸数の減少を表します。 しばしば高血圧、心筋梗塞、または甲状腺機能低下症による代謝速度の低下の症状である
    • 無呼吸。 一過性の呼吸停止で、その後すぐに再び呼吸が始まる。

    これらの用語はすべて、潮容積または呼吸数の増加または減少(または停止)による呼吸パターンの変化を表しています。 これらの用語を、呼吸パターンの変化ではなく肺胞ガス交換(したがって血液 pH)の異常を指す過換気および低換気と区別することが重要ですが、これらは呼吸パターンの変化を伴うことがあります。 例えば、常にではないが、不安発作の間、呼吸困難または頻呼吸はしばしば過呼吸と一緒に起こる

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