COPD肺機能特性
1. COPDの定義
慢性閉塞性肺疾患の管理に関するグローバルガイドライン（GOLD）」では.COPDを不完全で可逆的な気道制限を特徴とする疾患と定義しています。気流制限は通常進行性で.有毒な粒子やガスに対する肺の異常な炎症反応と関連しています。
COPDの診断は.咳.痰.息切れの症状および/または危険因子への曝露歴がある場合に検討されるべきで.肺機能検査によって明らかにすることができます。Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease（GOLD）では.肺機能検査をCOPDの診断のゴールドスタンダードとしています。
2. 病態の特徴
COPDの病態は.気道.肺実質.肺血管に及ぶ慢性的な炎症が特徴です。有害な粒子やガスの吸入（特に喫煙）により.肺に炎症が起こります。マクロファージ.Tリンパ球（主にCD8+細胞）.好中球などの炎症細胞は.肺のさまざまな部位で浸潤を増加させます。活性化された炎症細胞は.ロイコトリエンB4（LTB4）pインターロイキン8（IL8）p腫瘍壊死因子a（TNF- a）などのサイトカインを含む様々な炎症メディエーターを放出し.肺組織の損傷や好中球性炎症の維持の原因となることがあります。炎症に加え.肺プロテアーゼと抗プロテアーゼ系のバランスの崩れ.酸化ストレスもCOPDの発症における重要な経路と考えられている。有害な粒子やガスの吸入により.肺に炎症が起こることがあります。喫煙は.炎症を引き起こし.肺組織に直接的な損傷を与えます。COPDの他の危険因子も.肺に同様の炎症プロセスを誘発する可能性があります。
COPDの病態生理学的変化には.気道粘液分泌過多.毛様体機能異常.気流制限.肺の過膨張.ガス交換異常などがあり.後期には肺高血圧症や肺性心疾患へと進展する可能性があります。これらの病態生理的変化は.通常.疾患の進行に伴って上記の順序で起こる。粘液の過剰分泌と繊毛の機能異常により.慢性の咳と痰が出るようになります。これらの症状が長年続いた後.徐々に他の症状や生理的な異常が現れることがあります。(できればスパイロメトリーで測定)は.COPDの特徴的な病態生理学的変化の特徴であり.本疾患の診断の鍵となるものである。気道平滑筋の痙攣性収縮と肥厚による過度の気管支収縮.気道炎症の亢進による管腔分泌物の増加と粘液による閉塞.肺胞構造の破壊により周囲の小気道に対する牽引作用が弱まり小気道を開口状態に維持する能力が低下することが.COPD患者における不可逆な気流制限の重要な原因としてあげられる。
また.肺の過膨張は横隔膜のダウンシフトの要求を高め呼吸性能を低下させ.低酸素血症とアシドーシスは中心駆動力と横隔膜弛緩速度を低下させ.栄養不良は呼吸筋の構造と機能に影響を与え呼吸筋力を低下させ.さらに.肺胞の構造破壊は気道の引っ張り効果を弱め.小さな気道開口維持能力を弱める。COPD患者のエアフローリミットの不可逆性の重要な理由である。進行したCOPDでは.肺胞実質の破壊や肺血管の異常による末梢気道の閉塞.換気量／血流比の狂い.ガス拡散面積の減少により肺のガス交換能が低下し.低酸素血症とそれに伴う高炭酸ガスによる呼吸機能の破綻を引き起こします。
COPDの肺機能特性
(A)換気機能の特徴
呼吸機能検査において換気は最も一般的かつ重要な項目であり.主に時間-容積曲線.流量-容積曲線などのスパイロメトリーにより測定される。
COPD患者では呼気流量の減少.呼気時間の延長.呼気プラトーに到達できない.またはプラトー到達時間が6秒以上.FEV1およびそのFVCに対する比率FEV1/FVCの著しい減少.MMEFおよび他の指標の著しい減少が認められ.FVCは正常範囲にある場合と減少する場合がある。流量-体積曲線は閉塞性換気機能障害の典型的な特徴を示す。呼気相下降枝の体積軸方向への落ち込みは.落ち込みが顕著なほど気道閉塞が重症である。陥凹が顕著であるほど.気道閉塞が強い。PEF.FEF50%.FEF75%などの呼気流量指標は低下します。
GOLDでは.COPDの重症度を判定するために.FEV1/FVC<70%をCOPDの診断の必要条件とし.FEV1を基準に重症度判定を行っています。なお.FEV1の数値はすべて気管支拡張剤使用後のFEV1である。
(ii) COPDにおける気管支反応性
1.気管支拡張剤試験
気管支喘息患者でも増悪時に上記のような気道閉塞の特徴を示すことがあるが.気道閉塞は可逆的であることが多いのに対し.COPD患者では気道閉塞は不可逆的または不完全に可逆的であるため.気管支拡張剤試験により2種類の気道閉塞性疾患の鑑別が可能である。
一般的に使用される吸入薬はβ2アゴニスト（例：ヴェントリンエアロゾル400μg）である。吸入前と吸入後（15分）のFEV1の変化を比較し.変化率を算出した。FEV1変化率（％）＝（吸入後FEV1-吸入前FEV1）／吸入前FEV1×100％］。FEV1変化率15％以上.絶対値0.2L以上の増加を陽性基準とした。COPD患者では気管支拡張試験は陰性となることが多い。
2.気管支興奮試験
COPD患者の気道反応性も正常より高くなることがあり.特に高齢者では.気道反応性の上昇と基礎となる肺機能との間に低い負の相関があり.基礎となる肺機能が低下した後に気道反応性が上昇することが示唆される。ただし.COPDの気道反応性亢進は手足多汗症に比べ.顕著でないことが多い3。
(iii) COPDの肺活量特性
一般にCOPDと拘束性換気機能障害は.流量-体積曲線や時間-体積曲線を測定することで鑑別できるが.両者とも肺容積VCを減少させる場合があり（COPDは残気量増加.拘束性病変は全肺容積減少）.肺容積測定が必要である。鑑別には肺容積測定が必要である。
肺容積の測定には.ガス希釈法とボディトレーシング法がよく使われる。閉塞性の強い患者や肺胞が大きい患者では.ガス分布が不均一になることが多く.ガス希釈法ではガス平衡に達するまでの時間が短いため.TLCの測定値に偏りが生じることがある。COPD患者にはボディトレーシング法がより正確であるため.推奨される。
COPD患者は閉塞性疾患の典型的な肺活量特性を有しており.TLC.FVC.RVの増加.VCの減少.流速の低下がみられる。重症度分類は表2に示す通りです。また.近年.ICとFRCの間には高い負の相関があり.FRCが低下するとICが増加することが指摘されている。したがって.TLCの変化が明らかでない場合.ICはFRCを評価するための簡便で信頼性の高い指標となり得る。さらに.ICは測定が容易であり.肺内ガス量の変化や治療効果を動的に反映することができるため.臨床モニタリングによく使用される。
(iv) 拡散機能特性
肺の拡散とは.肺の肺胞や毛細血管壁を通して酸素と二酸化炭素のガス交換が行われる過程を指します。拡散の経路には.肺胞ガス.肺胞膜.毛細血管内血漿.赤血球.ヘモグロビンなどがある。ガス拡散を決定する因子は.呼吸膜の両側のガス分圧差.ガスの溶解度.拡散面積.拡散距離である。これらの因子のいずれかが変化すると.拡散量に変化が生じます。重症のCOPD患者では.肺胞壁の構造破壊や融合により拡散機能が低下し.肺血管床面積の減少.ガス交換面積の減少.換気／血流比のアンバランスが生じることがある。
拡散量検査はCOPDの重症度を判断する上であまり意味がない。COPDの重症度評価には.拡散機能よりも呼気流量やスパイロメトリーの方がはるかに正確で高感度である。しかし.拡散機能は肺気腫の判定に有用である。ある程度の気道閉塞があるにもかかわらず拡散機能が正常に近い場合は慢性気管支炎が.拡散機能が低下している場合は上顎洞癌が基礎疾患である9。
(E) COPDの気道抵抗特性
気道の開通性は通常.呼吸ガス流量に反映され.これは気道径に正比例する。逆に言えば.気道が痙攣していたり.狭かったり.閉塞していたりすると.気道径は小さくなり.ガス流量は遅くなる。一般に.上記の推論は正しいのですが.重要な要素を無視して.ガス流量はやはりガス流の駆動圧力に関係します。同じ直径であれば.駆動圧力が高いほど.ガスの流量は速くなります。したがって.気体流量だけで気道の開存性を反映するのは不完全である。また.肺の外から肺に入る気体は呼吸作業を必要とするが.呼吸作業には.気道を流れる気体の摩擦で消費される抵抗（その物理的特性は粘性抵抗）に加え.胸郭や肺組織の拡張で消費される抵抗（その物理的特性は弾性抵抗.その逆は胸郭や肺のコンプライアンス）.さらに気体の流れや胸郭拡張運動時に発生する抵抗（その物理的特性は慣性抵抗）が必要である。呼吸器系の粘性抵抗.弾性抵抗.慣性抵抗の和を総称して総呼吸抵抗（または総呼吸インピーダンス）と呼んでいる。気道の開存性に最も密接に関係するのは粘性抵抗で.これはしばしば気道抵抗(Raw)と呼ばれる。気道抵抗は.呼吸ガスのある流量（V）を維持するために消費される圧力差（S P）とその流量の比.すなわちRaw＝S P／Vに等しい。気道抵抗の増大は気道閉塞や狭窄を示し.FEV1よりもはるかに感度が高い。
近年.気道抵抗の測定において.強制振動法（IOS）が急速に発展している。IOSの結果では.COPDの病態における中枢性気道閉塞と末梢性気道閉塞を区別することが可能である。呼吸インピーダンスは.COPD患者における気流閉塞の鋭敏な指標となる。COPD患者では.R 5.R 20.Fresが正常より有意に高く.X 5が有意に低く.粘性抵抗と電気抵抗の周波数依存性が5～35Hzで顕著である。電気抵抗の減少のメカニズムは.呼吸コンプライアンスの低下.および/または.末梢気道抵抗の増加による抵抗の周波数依存的な増加によるものである。FresはCOPD診断のための高感度指標であり.COPD患者の気流閉塞の程度を反映し.病状が悪化するほどその感度は高くなる。
(vi) COPDの呼吸機能および栄養代謝特性
COPD患者では.気道閉塞のため.気道抵抗に打ち勝つための呼吸努力が増大するため.呼吸筋の酸素消費量も増加する。Brownらは.COPD患者では.呼吸を維持するために.酸素消費量が通常の10倍にもなることを示しました。呼吸筋の酸素消費量の増加は.必然的に身体の基礎酸素消費量と基礎エネルギー消費量の増加につながる。Zheng Jinpingの研究では.COPD患者の酸素消費量と基礎エネルギー消費量は.気道閉塞が大きくなるにつれて増加することが判明した。
(VII) 運動負荷心肺機能（CPET）の特徴
COPD患者のCPETの特徴は.運動負荷の増加に伴い換気の必要性が増加するが.換気能力は低下することである。気流閉塞の増加に伴い肺弾性収縮が低下し.一部の肺領域では換気不足.一部の肺領域では過換気によりV/Q比のバランスが崩れ.VD/VTが増加するため.CO 2を排出し血中PCO 2を一定に保つために換気量の増加が必要となる。灌流された肺ユニットでは.低換気が低酸素を引き起こし.これも頸動脈ボディ化学受容器を介して肺換気を増加させる。
肺胞換気が減少すると.酸素交換が減少し.V/Q が低下し.運動時の出力が増加すると PaO 2 が減少し.P (A-a) O 2 が増加します。運動中は心拍出量が増加し.V/Q不均衡領域の血流が増加し.肺胞換気が低下するため低酸素により小動脈が収縮する。しかし.V/Q均質領域の肺胞血流量が増加し.低酸素血症の発生が抑えられ.運動負荷は増加し続けることができる。この機構が破綻すると.低酸素血症が増加し.P (A-a) O 2 が拡大する。また.シャントにつながる右房圧の上昇もP(A-a) O2を増加させる。さらに.COPD患者の潮流速度容積ループは運動時に特徴的に変化する。運動時.潮流速度容積ループは徐々に全肺量に近づき.最大流速容積ループの呼気相と大きく重なり合う。
一般に.COPD患者におけるCPETの特徴は.以下のようにまとめられる。1. 低い VO 2 max.2. 高い VD/VT.3. 高い P (a-et) CO 2.4. 高い P (A-a) O 2.5. 低い BR.6. 操作性酸素消費の増加.低出力での乳酸アシドーシス.代謝性アシドーシスでの呼吸補償不能. 7. 高い HRR.8. 異常（長方台形）呼気流. 9. 高 HRR.10. 長方形台形）呼気流のタイプ。