26.10 : 胸腔内の圧力関係

呼吸は肺換気とも呼ばれ、肺に出入りする空気の動きのプロセスを指します。肺換気を推進する主なメカニズムは、大気圧 (P_atm)、肺胞内の肺内圧 (P_pul) または肺胞内圧 (P_alv)、および胸膜腔内の胸膜内圧 (P_ip) です。

呼吸のメカニズム

肺胞内圧と胸膜内圧は、どちらも肺の特性に依存します。呼吸する能力、つまり吸入時に空気が肺に入り、呼気時に空気が肺から出る能力は、大気圧に対する肺内の気圧に依存します。

圧力のダイナミクス

吸気（息を吸うこと）と呼気（息を吐くこと）は、大気と肺の間の圧力差によって決まります。気体では、閉じ込められた気体分子の動きによって圧力が生じます。たとえば、容積が減少するため、同じ量の気体分子でも 1 リットルの容器では 2 リットルの容器よりも圧力が高くなります。一定温度の気体における容積と圧力の関係は、圧力と容積は反比例する（P = k/V）というボイルの法則で説明されます。容積が増加すると圧力は低下し、その逆も同様です。

肺換気は、大気圧、肺胞内圧、胸膜内圧の 3 種類の圧力によって決まります。大気圧は、特定の表面を囲む空気ガスによって及ぼされる力を表します。大気圧は、圧力単位 (atm) または水銀柱ミリメートル (mm Hg) で表されます。1 atm は、海面気圧である 760 mm Hg に相当します。大気圧などの他の圧力値は、通常、呼吸で説明されます。

肺胞内圧（肺内圧）は肺胞内の気圧を表し、呼吸のさまざまな段階で変動します。肺胞は気道を介して大気とつながっているため、肺内圧は常に大気圧と等しくなります。

胸腔内圧は、臓側胸膜と壁側胸膜の間の胸膜腔内の気圧です。これは呼吸段階によって変動し、肺の特性により、肺胞内圧に比べて常に負圧に保たれます。胸腔内圧は、呼吸サイクル全体を通じて約 -4 mm Hg に保たれます。これは、肺の弾性繊維の内側への反動と胸壁の外向きの引っ張りによって維持されます。これらの反対方向の力のバランスによって、肺胞内圧に対する -4 mm Hg 胸腔内圧が決まります。胸腔内圧と肺胞内圧の差である経肺圧によって、肺の大きさが決まります。

換気に影響を与える要因

圧力差とは別に、呼吸は横隔膜と胸筋繊維の収縮と弛緩に依存します。横隔膜と肋間筋の動きは主に、吸気と呼気の原因となる圧力変化を引き起こします。

肺のその他の特性も呼吸に影響します。抵抗は動き、この文脈ではガスの流れを遅くする力です。気道の大きさは抵抗に影響を与える主な要因です。管径が小さいほど、空気はより狭い空間を通過するため、空気分子と気道壁の衝突が多くなります。式 F=ΔP/R は、圧力変化と気道抵抗の関係を表します。

肺胞の内層に存在する水によって生じる肺胞内の表面張力は、肺胞の拡張を制限する傾向があります。II 型肺胞上皮細胞によって分泌される肺サーファクタントは水と混ざり、この表面張力を低下させ、呼気中の肺胞の虚脱を防ぎます。

胸壁コンプライアンス、つまり胸壁が圧力を受けて伸びる能力は、呼吸に必要な努力に影響します。吸気が起こるためには胸腔が拡張する必要があり、肺活量に直接影響します。胸壁コンプライアンスが欠如している（拡張できない）場合、胎児の胸郭と肺の発育が困難になります。