5.呼吸機能とその検査法
呼吸生理の基礎とその検査法
①はじめに
・肺機能検査は肺における酸素摂取と二酸化炭素排出の効率を調べる。
・外界との空気の出し入れ（換気機能）、肺胞内でのガスの移動（ガス交換能）、換気と循環の相関（換気血流比）など
・スパイロメトリー（フローボリューム曲線）、肺気量分画の検査で換気能を調べる。
・換気血流比不均等分布は健常でもあるが、病的では増加する。N2単一呼出曲線検査で調べる。
・コンプライアンス、気道抵抗、呼吸抵抗。被験者に強い負荷がかかり、日常的に行われない
・換気血流比不均等分布は低酸素血症を引き起こす機序として重要。検査は複雑。
・肺胞気動脈血酸素分圧較差（A-aDO2）の増大から疑うことができる。20mmhg以上
・気管支喘息に対して、過敏性、可逆性検査。刺激物質や気管支拡張薬を吸入し反応を見る
・換気応答反応の検査、呼吸調節機能の障害により肺胞低換気が起きているかを検査。低酸素または高二酸化炭素を負荷
・夜間睡眠時の低酸素血症は中枢性の呼吸調節障害がが知られる。ポリソムノグラフィで睡眠時の換気、脳波変化、SpO2をモニター
・運動負荷検査、労作によりガス交換障害が顕在化するのを調べる。
・6MWTの歩行距離、酸素飽和度、動脈血ガスの変化から検査する簡易法が一般的
・肺機能検査で診断が確定できるわけではない
・肺機能検査と画像診断、症状、経過、血ガスなどの結果から判断する。
②呼吸器の形態
a.気道系
・終末細気管支を過ぎると断面積が大きくなり、吸入された空気の気流速度は激減
・気道は末梢ほど、抵抗が小さく障害が検出しにくい。
・内径2mm以下の末梢気道病変はsmall airway diseaseと呼ばれCOPDの発症につながる
・喫煙などの有害物質吸入による早期からの障害になる。スパイロメトリーによる早期発見は困難。フローボリューム曲線、クロージングボリューム、動肺コンプライアンスが有効
b.血管系
・肺の機能血管、肺動静脈
・肺の栄養血管、気管支動静脈
・一部でわずかに生理的吻合がある、肺疾患感染症で吻合増加しシャント形成。ガス交換効率低下
・肺動静脈系は低圧、血管抵抗も小さく、血管壁薄い
・気管支動静脈は胸部大動脈、肋間動脈から分岐しているため、血管壁が厚い
c.気体の状態表現
・肺機能検査では容積を表す場合、条件を一定にする。
①BTPS(Body Temperature ambient Pressure Saturated with water vapor)
・体温37℃、測定時気圧、水蒸気飽和された状態
・気体が肺内に存在する状態を表す。
・肺活量などの肺気量分画や換気量など多くの肺機能検査に適用
②STPD(Standard Temperature standard Pressure and Dry)
・標準温度0℃、標準気圧1気圧（760Torr）、水蒸気を含まない乾燥した状態
・酸素摂取量、二酸化炭素排出量、拡散能などはSTPDで表現する。
③ATPS(Ambient Temperature ambient Pressure Saturated with water vapor)
・測定時の室温、大気圧、水蒸気飽和された状態。
・気量型のスパイロメータやライトのレスピロメータによる測定値、ベンチレータの換気量はATPSで表す。
主な呼吸機能検査
目的:
①異常があるかどうかのスクリーニング
②呼吸器疾患の生理学的異常の診断
③治療や管理に役立つ病態の把握
①スパイロメトリー
実際:
・座位または立位
・数回の安静換気ののち、最大呼気と最大吸気を行わせて肺活量を測定。
・最大吸気位から最大努力下に呼気をさせる。（努力呼出曲線）1秒量、努力肺活量、1秒率を測定
機種:
①気量型スパイロメータ
・気量（ボリューム）を実測、微分して気速（フロー）を求める
②気速型スパイロメータ
・気速を実測、積分して気量を求める
判定:
①1回換気量
・通常500ml
・極端な高値は過換気症候群や代謝性アシドーシスの代償時
②肺活量（VC）
・年齢、身長により予測VCが計算され、%VC（実測VC/予測VC×100）により判定、80%以上が正常
③努力肺活量（ForcedVC）
・努力呼出曲線で、最大に呼出した気量。%FVC80%以上が正常
④1秒量（FEV1）
・Forced Expiratory Volume in one second
・努力呼出曲線で、呼出開始から1秒間に吐き出した気量
⑤1秒率（FEV1%）
・FEV1/FVC×100
・70%以上が正常
換気障害のパターンと主な疾患
・正常
・閉塞性換気障害（FEV1%70%未満）
・拘束性換気障害（%VC80%未満）
・混合性換気障害
②フローボリューム曲線
実際:
最大呼気努力曲線で得られる各気量を横軸に、対応する気速を縦軸にプロットしたカーブ
判定:
・パターンで異常を認識できる
・p102参照
・気管支喘息の呼吸機能モニタリングに使用される
気道可逆性試験:
・気管支喘息が疑われる時に行われる。
・サルブタモールなどのβ2刺激薬を吸入し、前後の1秒量を測定。
・（負荷後1秒量-負荷前1秒量）/負荷前1秒量×100
・12%以上かつ1秒量が200ml以上に改善した場合可逆性ありと判定
気道過敏性試験:
・気管支喘息の診断、重症度
・咳喘息の診断に有用
・喘息発作を誘発する恐れあり、FEV1/予測VC>70%または%FEV1>70%であること、高度の呼吸機能異常がないことを確認
標準法
・アセチルコリンを薄い濃度から段階的に濃い濃度まで吸入
・その時の1秒量の変化を調べる
・最初の1秒量と比べ、20%以上低下すれば陽性またその時の薬剤濃度を閾値という
・発作を誘発する検査なので、注意必要
・ICを取ること、医師の立会いを要する
アストグラフ法
・アストグラフを用いて薬剤濃度を変化させ、呼吸抵抗（気道抵抗）から閾値を決定
③肺気量分画
・スパイロメトリーだけでは残気量、機能的残機量を測定できない
①ヘリウム閉鎖回路法
②N2洗い出し開放回路法
③体プレチスモグラフ法
・測定方法と特徴
①ヘリウム閉鎖回路法
・最も普及している、変量式、恒量式
・既知濃度のヘリウムガスを一定量用意、外気と遮断し反復呼吸、肺内の気量により薄められ、その濃度は次第に平衡になる。
・ヘリウムは体内に吸収されない
変量式:吸収されると酸素を補給しないもの
恒量式:スパイロメータの基準位が一定になるように酸素を追加
欠点:
・鼓膜穿孔で中耳と外界が交通していると正確に測定できない。
・肺内にブラなど気道と交通していない部分があると正確に測定できない。
・閉塞が強い患者だとヘリウムガスの平衡状態が得られない場合もある。
②N2洗い出し開放回路法
・純酸素を呼吸して、肺内のN2を全て洗い出し、そのN2量からFRCを調べる。
・閉塞の強い患者、低酸素状態の場合、急激に純酸素を体内に供給することによってco2ナルコーシスを起こす危険あり。
・一定時間の洗い出しでも、血液や組織のN2も洗い出されるから、その量を補正する必要あり。
③体プレチスモグラフ（ボディボックス法）
・FRCやどんな肺気量も測定できる
利点
・ガス希釈法より不均等換気のある患者でも正確に測定できる。
・気道と交通のないブラを含めた容積を測定できる。
欠点
・介助が必要な場合やボックスに入れない場合、さらに閉所恐怖症の被験者では検査できない。
・各肺気量の決定
①いずれかの方法でFRCを測定
②RV=FRC-ERVから求める
③TLC=VC+RVから求める
④TLCの中でのRV割合、残気率=RV/TLC×100
・FRC、RV、TLC、残気率の判定
①年齢による変化:
RV、FRC、RV/TLCは増加する
②測定体位による変化:
臥位では立位、座位に比してRV、FRCは低下
③疾患での変化:
閉塞性障害ではRVの増加が、一般にTLCの増加より大きく、RV/TLCが増加
拘束性障害では、肺の弾性収縮力は増強しており、RVは低下する。しかし、TLCも低下することから、RV/TLCは正常か増加
④1回呼吸法による窒素洗い出し曲線とクロージングボリューム（N2単一呼出曲線）
肺内の換気の不均等性を調べる検査として有用
・検査の実際
安静換気から最大呼出を行わせ、続いて100%酸素を最大吸気位まで吸入させる。続いて、ゆっくりとなるべく一定の気速で残気量位まで完全に呼出させる。N2単一呼出曲線（p107参照）
第Ⅰ相:死腔部分の純酸素呼出
第Ⅱ相:死腔ガスと肺胞気ガスの混合気
第Ⅲ相:肺胞気ガスの呼出部分（肺胞プラトー）
第Ⅳ相:肺底部の気道が広範に閉塞するため、傾きが上昇すると推定。この第Ⅲ相との変化点から残気量位までがクロージングボリューム（CV）。CV+RVはクロージングキャパシティ（CC）
・結果の判定
①第Ⅲ相の傾斜:
第Ⅲ相の傾斜は、ΔN2と表される。
喫煙などによる末梢気道閉塞性変化で大きくなる。肺気腫などの進行した閉塞性疾患で傾斜が急峻になる。
②CV、CC:
年齢とともに増加するが、喫煙による末梢気道の閉塞性変化で早期から増加。
肺気腫などの進行した閉塞性疾患では第Ⅲ相と第Ⅳ相の境界が不明瞭化し、一体化する。
⑤拡散機能
・co2はo2の20倍程度も拡散しやすいので、臨床上o2の拡散が問題となる。
・肺胞から毛細血管内のヘモグロビンにいたる全過程の拡散が測定される。
・原因として、肺胞-毛細血管の膜、単位血流あたりのガス取り込み速度、血流量など
・それぞれ個別に測定は難しいので、それぞれの総和を測定している。
①検査法
1回呼吸法
恒常法
再呼吸法
1回呼吸法が簡単だが、o2がもともと血液内にあること、短期間で血液内濃度が飽和することから指標となりにくい。
代わりに、ヘモグロビンとの結合能高く、血液内にほとんど存在しないCOが用いられる。
・1回呼吸法では、COを含む混合ガスを吸入し、10秒間の息堪えの後、一気に呼出させ、呼気中のCOガス濃度を測定して拡散能を算出。
・死腔洗い出し量として、呼出初期の750mlを棄て、その後の1000mlをサンプルとする。
②計算式
呼気のCO濃度が低いほど、COガスが肺内に効率的に拡散したこと、すなわち拡散能が良好であることになる。
③判定
性、年齢、身長、体表面積をもとに算出した予測値を基準に評価。肺性因子と肺外因子がある。
肺性因子:o2の拡散距離が延長する間質性肺疾患（間質性肺炎、サルコイドーシス、など）、ガス交換面積が減少する肺気腫。
気管支喘息では息堪え間に気道、肺胞にCOが残留してあたかも血液内にCOが取り込まれたように振る舞い、拡散能力の計算値が高くなる。
肺外因子:心拍出量減少や貧血症、COと結合するヘモグロビン量が減少する
④問題点
意義の上での問題点:
1回呼吸法では、息堪え前後の肺へのCO移行の程度をもとに算出しているので、結果的には換気の不均等分布も反映。
測定法上での問題点:
サンプルガスの採取を瞬間的に行う必要あり、肺気腫などの呼気延長では適切な検査が難しい。
また、呼気が延長するとその間に肺内拡散が進行する可能性もある。呼出初期の750mlを棄てるので、低排気量の患者では誤差が生じる。
⑥コンプライアンス
・肺の膨らみやすさ
・安静呼気（FRCレベル）は、肺の縮まろうとする力と胸壁の広がろうとする力が釣り合った状態
静肺コンプライアンス
・肺の硬さの指標
・気流のない状態での肺の圧、容積関係。
・最大吸気位から最大呼気位まで、途中で気道を遮断しながら、できるだけゆっくり呼出させ、その間に肺気量と経肺圧の両者を測定する。
・最大吸気位からゆっくりと気道阻止装置を通して呼出、この間に0.3lごとに気道を遮断する。
・圧が一定になったら気道を解放する。
・肺容積変化は、スパイログラフィーやボディプレチスモグラフィによって測定。
・経肺圧を決定するには胸腔内圧を知る必要あり。経鼻的にバルーンを挿入し、食道内圧から計算する。
動肺コンプライアンス
・換気の時定数の不均等性
・吸気開始点（FRC）と吸気終了点（約0.5l吸気）との間の肺気量差と圧差との比から求める。
・換気量は400〜500mlと一定になるように、呼吸数を変化させてその影響を見る。
判定
・静肺コンプライアンスは肺の硬さ、柔らかさを反映。正常は0.1〜0.3l/cmH2O
・肺気腫のように、肺の構造が脆弱になる疾患で上昇。肺線維症などの肺が硬化する疾患で低下。
・動肺コンプライアンスは静肺コンプライアンスより若干小さい。
・疾患肺では、換気回数を増やしたときに静肺コンプライアンスに対して、顕著に減少する。動肺コンプライアンスの周波数依存性という。
・動肺コンプライアンスは換気の不均等分布より末梢気道の病変の検出に有意義
⑦抵抗
気道抵抗
・気道の出入り口と肺胞間にある気道の粘性抵抗を反映し、気道両端の差圧と気道を流れる気流速度の比で示される。
・抵抗は管の太さの影響を受ける。気道径は肺気量により異なる。
・気道抵抗は肺気量により異なる。
・肺気量が増加するにつれて気道抵抗は減少する。
測定法:
ボディプレチスモグラフによる、FRCで閉じたシャッターに対してあえぎ呼吸を行い、口腔内圧の変化とプレチスモグラフィ内の圧変化の比を求める。
判定:
気道抵抗だけでは、気道障害を評価できないので、肺気量の影響を除いて、評価するために、気道コンダクタンスを肺気量で除した値を用いる。
・健常人の気道抵抗は0.6〜2.4cmH2O/L/sec
・気管支喘息やCOPDなど気道が閉塞する疾患で増加する。
・呼吸抵抗および呼吸リアクタンス
呼吸抵抗と呼吸リアクタンスは強制オシレーション法（FOT）により測定する。
呼吸抵抗=気道抵抗+肺抵抗+肺組織抵抗
※閉塞性肺疾患で気道抵抗が上昇したら呼吸抵抗も増加する。
閉塞性肺疾患、気管支喘息ではFOTにおいて周波数依存性を認める。健常例でも身長150cmに満たない人は周波数依存性あり。
⑦運動負荷検査と呼気ガス分析
・呼吸器疾患患者では、安静時に症状はなくとも、労作時に息切れを生じる。
・簡便法として、6〜12分平地歩行後、歩行距離、脈拍数、血圧、動脈血ガスの変化を見る。
測定法:
・エルゴメーターやトレッドミルなどが一般的。
・漸増法、1〜3分ごとに負荷を増量
・一定の負荷量で運動を持続する方法
・予測最大心拍数を目安に運動を行う方法
・呼吸器疾患の患者では、循環系の最大能力に達する前に運動を中断する事多く、漸増法が無難。
判定:
・最大酸素摂取量で被験者の運動能力を評価できる。
・最大心拍数が予測値に達していて、最大酸素摂取量が低下している時は循環系の障害による
・最大心拍数が予測値より低く、最大酸素摂取量が低下している時は呼吸器系ないし筋力低下により酸素摂取が十分にできないことを示している。
・激しい運動を行うと、筋肉の酸素需要が著明に増大し、好気的代謝だけでは酸素要求が満たされなくなり、嫌気的代謝によるエネルギー産生が必要になる。
・このとき、筋肉内でピルビン酸が乳酸に変わり、血中乳酸値が上昇する。
・この運動負荷量をATと呼ぶ
・ATは血中乳酸値を測定しなくても、酸素摂取量、PaCo2、などの変化から決定できる。
⑨呼気NO測定検査
・呼気中に含まれるNO濃度から気道炎症の状態を評価する。
・検出されるNOは気道上皮細胞、マクロファージにより産生されたNOに由来すると言われている。
・NOは一酸化窒素合成酵素が触媒となり、産生されるが、喘息など慢性気道炎症では炎症性サイトカインが一酸化窒素合成酵素を誘導し気道内NO濃度が増える。
臨床的な意義:
・喘息の病態に気道の慢性炎症は一貫した特徴である。
・従来の気道炎症状態は喀痰や生検組織を用いて評価してきた。迅速性にかける。
・非侵襲かつリアルタイムに測定可能な呼気NO濃度は下気道の好酸球炎症を捕捉するため、喘息の診断やモニタリングにおいて有用。
実際:
①呼気NO濃度は呼気流速により変化するため、測定の際に50ml/sを保つ
②最大に空気を吸い込んだ全肺気量位から呼出を始める。
③鼻腔などの上気道からは高濃度のNOが産生されている。
下気道由来のNOを測定するためには、上気道由来のNOを分離する必要あり。呼出時に5〜15cmH2Oに口腔内圧を高めれば軟口蓋が閉鎖するため、上気道のNO混入を防止することができる。
④呼気NO濃度は、呼出初期は鼻腔、死腔由来のNOが混入し、ピーク相を表す。そのあとは一定のプラトー相。このプラトー相の値は呼出の際適当な抵抗がかけられ呼出速度が一定であれば安定した値を示す。これを下気道由来のNO濃度とする。
解釈:
①喘息診断の補助マーカー
・健常人の呼気NO濃度の正常値は15ppv、上限値は37ppv、健常人と喘息患者の鑑別するカットオフ値は22ppv
②喘息管理の補助マーカー
・吸入ステロイド薬の使用で呼気NO濃度は低下する。気流制限や気道過敏性改善と相関し、喘息の病態と関連している。
疾患と検査成績
COPD
・スパイロメトリーで1秒量、率の低下。閉塞性障害
・フローボリューム曲線でピークフロー低下。ピークフロー直後から急速にフローが低下する特徴的な波形。
・肺気量は全肺気量、機能的残気量が増加、残気量、残機率が著しく増加。
・クロージングボリュームは増加、N2単一呼出曲線の第Ⅲ相の増加。
・肺拡散能力の著明な減少
・気道抵抗、静肺コンプライアンスの増加
・血液ガスでは低酸素血症
気管支喘息
・スパイロメトリーで1秒率低下、閉塞性障害
・気管支拡張剤吸入により、気道可逆性あり。
・残気量、クロージングボリューム、気道抵抗が増加。
・肺拡散能力、静肺コンプライアンス、血液ガスは正常。
特発性間質性肺炎
・肺活量、全肺気量、機能的残気量、残気量が減少して、拘束性障害を示す。
・肺拡散能力、静肺コンプライアンス著明に減少。
・血液ガスは低酸素血症を示す。
肺動静脈瘻
・呼吸機能検査では異常が認められない。
・室内気呼吸で著明な低酸素血症、A-aDO2増大、100%酸素吸入によって酸素分圧の上昇は小さい。
・簡易測定法によるシャント率は24%と増大。