呼吸の仕事とその構成要素

この章は、2017 CICM Primary SyllabusのセクションF3（ii）に最も関連しており、試験受験者に「呼吸の仕事とその構成要素を説明できる」ことが期待されています。 これは筆記試験には出ていませんが、このトピックの重要性は、いつかSAQやビバで出題されることをかなり確信できるほどです。

要約すると：

このテーマに関するピアレビューの資料の中で。 Cabello & Mancebo (2006)がおそらく最も簡潔な概要であり、ResearchGateから無料で入手可能である。 このトピックは、出版されたものをベースに暗記し、一次試験のSAQに合格することができるかもしれない。 Banner et al (1994)も良い本で、実際もっと良いのですが、残念ながら無料ではありません。 この論文を読めば、このトピックを詳細に理解することができるだろう。 さらに、R.M. Peters (1969) による古い論文も自由に利用でき、科学界が最近「仕事」や「呼吸」の定義を変更していない限り、おそらくまだ関連しています。

仕事と呼吸の力の定義

仕事は力と変位の積で、ジュールで測定する。 最も基本的な仕事の方程式は、

仕事 = 力 × 距離

しかし、呼吸生理学のぐにゃぐにゃした生物学的世界では、力または距離で呼吸機能を記述することに慣れません。 幸いなことに、これらのパラメータを圧力と体積に簡単に変換することができます。 このための最良の導出法は、第1部にあり、最小限の変更で済みます。

仕事＝力×距離

ここで

力＝圧力×面積

なぜなら

圧力＝力／面積

したがって

ここで

仕事＝圧力×面積×距離

しかし

面積×距離＝体積

だから

仕事＝圧力×体積

タダのことである。

健常者の場合、安静時の呼吸の仕事は約0.35J/Lで、呼吸の力は約2.4J/minである。 これらの数値は、Manceboら(1995)によるいくつかの研究に由来する。彼らは、いくつかの健康なボランティアをいくつかの流量および圧力測定器に接続し、その後、通常の穏やかな呼吸中に発生する圧力と体積を測定した。 Liljestrand (1913) による古代のデータと Zakynthinos & Roussos (1991) による現代のレビューによると、この種の静かな呼吸は、換気量 1000ml あたり約 0.25-.5ml O2、つまり基礎代謝酸素消費総量の 1-2% という酸素コストになるとのことだ。 このことから、通常の潮汐呼吸の効率はかなり高いことがわかる。 これは、通常の潮間呼吸に使用されるエネルギーの多くが、呼吸器系の弾性要素に対して行われる仕事、すなわち、運動エネルギーが吸気時に伸縮する組織に蓄えられ、呼気時に戻されるからだと考えられている。 呼吸生理学に関して言及されているキャンベル図は、エドワード・J・M・キャンベルが開発したもので、1958年にこの関係を記した本を出版しています。 その本はもちろん絶版で、趣味のブロガーの予算内で合法・非合法に入手する方法はなさそうだ。 この図についての最良の説明は、実はBanner et al (1994)による。 これを理解するためには、呼吸の仕事を構成する様々な要素を解きほぐし、それらを一つの関係にまとめる必要がある。 本文から判断すると、このグラフ群は実際の圧力と体積の関係を模式的に表したものであり、現実的な数値が含まれているかもしれないが、特定の実験データに基づいているわけではない。

仕事は圧力に体積を掛けたものであることを考えると、圧力と体積のプロット上の面積として示すことができるはずである。 そのようなプロットは、FRCからある仮想的な正常潮汐量まで、弾性の肺組織を膨らませるのに必要な仕事について定義することができる：

もちろん、胸壁を変形させるためにも仕事がなされなければならない。 この場合、胸壁ははね上がってFFRCより大きな体積を占めたいので、実際には胸壁の体積をFRCまで減らす仕事が行われます：

そこでこれらのグラフをまとめてみると、重なることがわかりますね。 つまり、胸郭の弾性反動が、筋肉による補助なしに肺を膨らませる役割を果たしているのです。jpgしたがって、この小さな青い三角形は、肺を膨らませるために行われる唯一の仕事です。この領域は、胸郭が仕事のほとんどを行っているため、最初のグラフよりもはるかに小さくなっています。

ここでは、組織の弾性特性以外の追加の要因を考慮する必要があります。 気道の抵抗をなくし、干渉する重要な医療機器（気管内チューブや人工呼吸器回路など）の抵抗も克服するために、仕事が行われているのです。

加えられたレンズ状の領域は、吸気と呼気の気流抵抗を克服するために行われる仕事をカバーしています。 呼気では、肺の弾性反動によって蓄積されたエネルギーが戻るので、付加的な仕事は必要ない。 吸気時には、気道の抵抗と人工気道の抵抗に打ち勝つために、何らかの付加的な仕事をする必要がある。

さて、呼吸の仕事の構成要素を説明する図が残された。

• 弾性仕事
  • 肺の弾性反動を克服するために行われる仕事
  • 胸の弾性反動を克服するために行われる仕事（これは、胸の弾性反動を克服するために行われる仕事から差し引かれる 肺の抵抗）
• 抵抗仕事
  • 組織抵抗を克服するために行われた仕事
    • 胸壁抵抗
    • 肺抵抗

  気道抵抗を克服するために行われた作業。 を含む。

  • 気道抵抗
  • 気道装置と回路の抵抗

抵抗仕事への追加成分はすべて呼吸抵抗の成分で、不活性と胸腔内ガス量を圧縮するための仕事が含まれますが、これらの要素の寄与は笑えるほど小さいため、おそらくSAQ回答から安全に省略することができます。 確かに、抵抗に関する質問に対するカレッジのコメントには、これらの要素は含まれていません。

これらのグラフィックスを使用すると、機械的肺疾患のさまざまな形態を表現することができるかもしれません。 現実的には、気道抵抗の増加や肺のコンプライアンスの低下があるシナリオの表現に限定されるでしょう。 これらはBannerら(1994)によっても提示されており、その修正版を以下に提供する。

次のグラフは、喘息患者で見られるような気道抵抗増加のパターンを示している。 呼気気流抵抗に打ち勝つために追加された仕事を含め、気道抵抗からの寄与の増加を観察する：



次のグラフは、肺コンプライアンスの低下の設定における呼吸の仕事を示している。



同じ潮量を達成するには、胸壁の寄与が変わらないのに対し、肺の増加した弾性反動を克服するためにはるかに多くの仕事をしなければならない。 さらに、FRCが減少していることに気づくかもしれません。 これは肺の弾性反跳圧が増加したためで、胸壁の反跳と肺の弾性反跳が新しい平衡を得る場所であるため、FRC容積は結局小さくなっています。

最後に、胸壁の抵抗が大きくなるとどうなるか見てみましょう。



このとき、胸壁組織の抵抗により、再び胸の容積を増加する仕事が増加している、たとえば周産期熱傷のような場合である。 この場合も、胸壁と肺の弾性圧の平衡がより低い容積で起こるので、FRCは減少する

。