プリンキピア

第39章呼吸器系

Dead Space: V/Q Mismatch死腔:換気血流比の不均衡

Pulmonary circulation pressure is very low compared to that of the systemic circulation. It is also independent of cardiac output. This is because of a phenomenon called recruitment, which is the process of opening airways that normally remain closed when cardiac output increases. As cardiac output increases, the number of capillaries and arteries that are perfused (filled with blood) increases. These capillaries and arteries are not always in use but are ready if needed. At times, however, there is a mismatch between the amount of air (ventilation, V) and the amount of blood (perfusion, Q) in the lungs. This is referred to as ventilation/perfusion (V/Q) mismatch.
英語のヒント
肺循環の圧力は、体循環に比べて非常に低い。また、心拍出量とは独立している。これは、心拍出量が増加したとき、通常は閉じている気道を開くリクルートメントという現象による。心拍出量が増すと、血液が流れ込む、すなわち血液で満たされる毛細血管と動脈の数が増える。これらの毛細血管と動脈は、常に使われるわけではないが、必要なときには使える状態にある。しかし、肺内の空気の量(換気、V)と血液の量(灌流、Q)が釣り合わないことがある。これを、換気血流比(V/Q)の不均衡という。
There are two types of V/Q mismatch. Both produce dead space, regions of broken down or blocked lung tissue. Dead spaces can severely impact breathing, because they reduce the surface area available for gas diffusion. As a result, the amount of oxygen in the blood decreases, whereas the carbon dioxide level increases. Dead space is created when no ventilation and/or perfusion takes place. Anatomical dead space or anatomical shunt, arises from an anatomical failure, while physiological dead space or physiological shunt, arises from a functional impairment of the lung or arteries.
英語のヒント
V/Qの不均衡には2種類ある。どちらも、肺組織が壊れたりふさがったりした領域である死腔を生む。死腔は、気体の拡散に利用できる表面積を減らすため、呼吸に大きな影響を及ぼしうる。その結果、血中の酸素量が減り、二酸化炭素量は増える。死腔は、換気、灌流、またはその両方が行われない場合に生じる。解剖学的死腔、あるいは解剖学的シャントは、解剖学的な障害によって生じる。一方、生理学的死腔、あるいは生理学的シャントは、肺や動脈の機能障害によって生じる。
An example of an anatomical shunt is the effect of gravity on the lungs. The lung is particularly susceptible to changes in the magnitude and direction of gravitational forces. When someone is standing or sitting upright, the pleural pressure gradient leads to increased ventilation further down in the lung. As a result, the intrapleural pressure is more negative at the base of the lung than at the top, and more air fills the bottom of the lung than the top. Likewise, it takes less energy to pump blood to the bottom of the lung than to the top when in a prone position. Perfusion of the lung is not uniform while standing or sitting. This is a result of hydrostatic forces combined with the effect of airway pressure. An anatomical shunt develops because the ventilation of the airways does not match the perfusion of the arteries surrounding those airways. As a result, the rate of gas exchange is reduced. Note that this does not occur when lying down, because in this position, gravity does not preferentially pull the bottom of the lung down.
英語のヒント
解剖学的シャントの例として、肺への重力の影響がある。肺は、重力の大きさや方向の変化の影響を特に受けやすい。人が立ったり上体を起こして座ったりすると、胸膜内圧の勾配によって、肺の下方ほど換気が増える。その結果、胸膜腔内圧は肺尖部より肺底部でより陰性となり、肺の上部より下部に多くの空気が入る。同様に、うつ伏せの姿勢では、肺の上部より下部へ血液を送り込むほうが、必要なエネルギーが少ない。立位や座位では、肺の灌流は一様ではない。これは、静水圧による力と気道内圧の影響が組み合わさった結果である。気道の換気と、その周囲の動脈の灌流が一致しないため、解剖学的シャントが生じる。その結果、ガス交換の速度は低下する。横になっているときには起こらないことに注意しよう。この姿勢では、重力が肺の下部だけを優先的に下方へ引くわけではないためである。
A physiological shunt can develop if there is infection or edema in the lung that obstructs an area. This will decrease ventilation but not affect perfusion; therefore, the V/Q ratio changes and gas exchange is affected.
肺の感染や浮腫によって一部の領域がふさがると、生理学的シャントが生じることがある。この場合、換気は減るが灌流は変わらないため、V/Q比が変化し、ガス交換が影響を受ける。
The lung can compensate for these mismatches in ventilation and perfusion. If ventilation is greater than perfusion, the arterioles (small arterial blood vessels) dilate and the bronchioles constrict. This increases perfusion and reduces ventilation. Likewise, if ventilation is less than perfusion, the arterioles constrict and the bronchioles dilate to correct the imbalance.
英語のヒント
肺は、換気と灌流の不均衡を補うことができる。換気が灌流より大きいと、細動脈(小さな動脈血管)が拡張し、細気管支が収縮する。これにより灌流が増え、換気が減る。同様に、換気が灌流より小さいと、細動脈が収縮し、細気管支が拡張して、不均衡が修正される。

Section Summaryこの節のまとめ

The structure of the lungs and thoracic cavity control the mechanics of breathing. Upon inspiration, the diaphragm contracts and lowers. The intercostal muscles contract and expand the chest wall outward. The intrapleural pressure drops, the lungs expand, and air is drawn into the airways. When exhaling, the intercostal muscles and diaphragm relax, returning the intrapleural pressure back to the resting state. The lungs recoil and airways close. The air passively exits the lung. There is high surface tension at the air-airway interface in the lung. Surfactant, a mixture of phospholipids and lipoproteins, acts like a detergent in the airways to reduce surface tension and allow for opening of the alveoli.
肺と胸腔の構造が、呼吸の力学を決める。吸気では横隔膜が収縮して下降する。肋間筋も収縮し、胸壁を外側へ広げる。胸膜腔内圧が低下し、肺が広がって、空気が気道へ吸い込まれる。呼気では、肋間筋と横隔膜が弛緩し、胸膜腔内圧が安静時の状態へ戻る。肺は弾性反跳によって縮み、気道が閉じる。空気は受動的に肺を出る。肺内の空気と気道の境界面には、大きな表面張力がある。リン脂質とリポタンパク質の混合物であるサーファクタントは、気道で洗剤のように働き、表面張力を下げて肺胞を開きやすくする。
Breathing and gas exchange are both altered by changes in the compliance and resistance of the lung. If the compliance of the lung decreases, as occurs in restrictive diseases like fibrosis, the airways stiffen and collapse upon exhalation. Air becomes trapped in the lungs, making breathing more difficult. If resistance increases, as happens with asthma or emphysema, the airways become obstructed, trapping air in the lungs and causing breathing to become difficult. Alterations in the ventilation of the airways or perfusion of the arteries can affect gas exchange. These changes in ventilation and perfusion, called V/Q mismatch, can arise from anatomical or physiological changes.
呼吸とガス交換は、肺のコンプライアンスや抵抗の変化によって変わる。肺線維症などの拘束性疾患で肺のコンプライアンスが低下すると、気道が硬くなり、呼気時につぶれる。空気が肺内に閉じ込められ、呼吸が難しくなる。喘息や肺気腫のように抵抗が増すと、気道が閉塞し、空気が肺内に閉じ込められ、呼吸が困難になる。気道の換気や動脈の灌流の変化も、ガス交換に影響する。V/Qの不均衡と呼ばれるこうした換気と灌流の変化は、解剖学的または生理学的な変化によって生じうる。