I. 肺容積の測定
肺容積の構成要素の定義
肺の中の気体の容積は.胸郭の拡張と収縮に伴う呼吸筋の運動によって変化する。 落ち着いて呼吸しているときは.胸郭の運動の振幅が小さいので.肺の中の気体の容積の変化も小さいが.深く息を吸い込むときは.肺がより拡張されるので.より多くの気体が吸い込まれる。
肺の総ガス量は.次の4つの基本的な体積に分けることができます：
潮容積（VT）：穏やかな呼吸の間に毎回吐き出されるか.または吸い込まれるガスの体積。
吸入量（IRV）：最大深吸気による穏やかな吸気の終わりに吸入できるガス量。
呼気量（ERV）：穏やかな呼気の終わりに.最大の深い呼気によって吐き出すことができるガスの体積。
残量（RV）：最大呼気終了時に肺に残っている空気の量。
以下の4つの肺活量は.2つ以上の基本容量から構成されています。
吸気容量(IC)：最大深吸気時の穏やかな呼気終了時に吸入できる空気量で.潮容積と吸気容積で構成される。
Vital Capacity (VC)：最大吸気終了時に最大深呼気で吐き出せる空気量（深吸気量＋代償呼気量に等しい）.最大呼気終了時に最大深吸気で吸入できる空気量も測定でき.前者は呼気肺活量とも呼ばれ.後者は吸気肺活量とも呼ばれる。
機能的肺活量（Functional Residual Capacity：FRC）：穏やかな呼気の終わりに肺に含まれる空気の体積で.呼気量と残気量からなる。
全肺活量（TLC）：最大吸気後の肺に含まれる空気の量で.肺活量＋残気量に等しい。
肺活量は年齢.性別.身長に関係し.肺活量の大きさはガス交換に一定の影響を与える。
測定方法
呼気量.吸気量.呼気量.肺活量はスパイロメトリーで直接測定できますが.残気量はガス希釈法や体積トレーシング法で測定します。 ガス希釈法には窒素フラッシング法とヘリウム希釈法があり.体積トレーシング法の原理はボイルの気体方程式の法則を採用し.密閉された体積トレーシングボックスで測定する。
臨床応用
肺容積の測定は通常.胸郭の活動性.肺と胸郭の弾力性を反映する。 したがって.胸部および肺疾患による呼吸生理学的メカニズムの変化は.肺容積の変化として反映されることが多い。 肺活量は肺の最大伸縮の呼吸振幅を表し.この呼吸振幅が制限されるような臨床状況では肺活量は減少し.胸郭外.胸膜.肺内病変で見られる。
例えば.胸郭変形.気胸.胸水.胸膜炎.肺間質疾患.肺内腔占拠性病変などである。 残気量と機能的残気量の増加は肺の過膨張を示し.これは主に肺気腫や部分的気管支閉塞.胸郭変形でみられる。 全肺容積は肺容積と残気量の和である。 全肺容積の増加は主に肺気腫でみられ.全肺容積の減少は肺水腫.肺うっ血.肺無気肺.肺腫瘍などの一部の気胸部拘束性疾患や広範な肺疾患でみられる。
第二に.換気機能測定
換気とは.肺が外部から酸素濃度の高い新鮮な空気を吸い込み.同時に肺胞から酸素濃度が低く二酸化炭素濃度の高い気体を排出することを指します。 体と外界とのガス交換の重要なプロセスである。
安静時換気量
いわゆる安静時換気量(VE)とは.安静時の1分間の呼気総量.つまり安静時の代謝を維持するための分換気量のことで.潮容積に呼吸数を掛けたものに等しい。 通常.正常な男性は約10L.女性は約9Lである。
換気機能の予備力は大きいので.重症の換気障害がない限り.安静時換気量に異常はないのが普通です。 安静時換気量の増加は過換気とみなされ.呼吸性アルカローシスを引き起こす可能性があり.安静時換気量の減少は低換気とみなされ.呼吸性アシドーシスを引き起こす可能性がある。
最大換気量
最大換気量（MVV：Maximum Ventilation Volume）とは.単位時間あたりに最大限の力で.深く.速く.大きな呼吸をしたときに得られる換気量のことである。 肺組織の弾力性.気道抵抗.胸郭の弾力性.呼吸筋の強さを測定し.肺換気の予備機能と代償能力の大きさを反映することができる。
測定方法は.限られた時間内（12秒または15秒）に深く速い呼吸を行い.測定された呼気量に5または4を掛ける.つまり1分間の最大随意換気量となります。
正常な最大随意換気は以下の要因に依存する：
①胸郭の完全性と正常な呼吸筋の健全性；
②気管と気管支の滑らかさ；
③肺組織の健全性とその正常な弾力性。
上記3つの要因に影響を与える臨床症状や病的変化があれば.最大随意換気量の低下を引き起こす可能性があり.一般的なものは以下の通りです：
1.間質性線維症.多量の胸水.肺水腫.肺実質病変などの肺可動性の制限
2.
2.慢性閉塞性肺疾患.喘息.気管支腫瘍.上気道狭窄・閉塞などの気道抵抗の増大。
3.小児麻痺や重症筋無力症などの呼吸筋力の低下や喪失。
4.側弯症などの胸郭変形。
最大随意換気は.胸部手術前の肺合併症リスクの重要な予測因子と考えられている。 胸部手術を受ける患者の死亡率がMVVと関連していることが指摘されており.死亡する患者の50％はMVVが予測値の50％未満であることから.現在でもMVVはCOPD患者が胸部手術を受けられるかどうかの主な指標として臨床外科医に用いられている。
強制換気量と第一次第二次強制換気量
強制換気量（FVC）とは.最大吸気後に残存気道まで最大力と速度で吐き出すことができる全肺容積レベルの空気量を指し.中でも第一次第二次強制換気量（FEV1）は気道閉塞の有無を判断する指標として一般的に用いられており.健常人の第一次第二次強制換気量はFVCの70～80％に達することがほとんどである。 ほとんどの健常者の第一次第二次換気量はFVCの70%~80%に達することができ.これは一般にFEV1/FVCとして表される。
その臨床的意義は主に気管支閉塞の有無を反映することであり.FEV1/FVCの低下は気道閉塞を示します。
正常な人は3秒で肺活量のほとんどを吐き出すことができるが.閉塞性換気障害の患者は肺活量のすべてを吐き出すのに5～6秒.あるいはそれ以上かかる。
気管支閉塞の有無を判定するだけでなく.FEV1/FVCは.制限性換気障害の有無を判定する証拠にもなる。 例えば.肺胞の拡張を制限するいくつかの疾患では.呼吸振幅の減少により.1～2秒以内に.発揮された肺容積のすべてを吐き出すことができ.場合によっては.1秒以内に.発揮された肺容積のすべてを吐き出すことさえでき.その結果.FEV1/FVCは100 %となる。 気管支喘息のような可逆性の気管支閉塞では.気管支拡張薬を投与すると.FEVl/FVCが改善し.FEV1値が上昇する。 強制呼気の開始時には.呼気流量は非常に早くピークに達することがあり.これは力の大きさと関連している。しかし.強制呼気を続けると.流量は減少し始め.流量がゼロになるまで.呼気内容積の減少とともに減少する。 肺体積のこの部分の流量は労作とは関係ない。
労作時の呼気中期の流量測定は.小気道閉塞の早期発見に有用である。
ピーク呼気流量（PEF）ピーク呼気流量とは.労作時のスパイロメトリーで最も呼気流量が速くなった時の瞬間的な流量を指し.主に呼吸筋の強さや気道閉塞の有無を反映するために用いられる。
健常者では.PEF値は1日内の異なる時点でわずかに異なることがありますが.一般的に20％を超えることはありません。 喘息患者の場合.その差はかなり大きくなることがあり.1日内の異なる時点でのPEF値の差が30％を超える場合は.非定型喘息の診断の主な根拠とすることができる。 喘息患者は.PEFの長期的な変化を監視する必要があり.PEF.PEFの有意な減少の測定値.または変動の増加の1日以内のPEFは.疾患の悪化を示唆している場合は.それに応じて治療する必要があります。
呼吸機能測定の評価
呼吸機能障害には3つのタイプがある：
1.拘束性肺呼吸機能障害（restrictive pulmonary ventilatory dysfunction）.すなわち肺胞拡張の制限による呼吸機能障害。
⑤その他.肥満.腹水.妊娠.神経筋疾患など。
2.閉塞性肺機能障害とは.気道の狭窄や閉塞による肺機能障害を指します。
一般的な原因としては.
①気管・気管支疾患（気管腫瘍.狭窄.気管支喘息.慢性気管支炎など）
②肺気腫.肺ヘルペス
③上気道疾患（咽頭感染.腫瘍など）
が挙げられます。
③混合性肺換気機能障害.すなわち閉塞性換気機能障害と拘束性換気機能障害が併存している。
さまざまなタイプの換気機能障害の特徴を表3-47-1にまとめた。
細気管支機能測定
細気管支とは.直径2mm以下の気管支と細気管支のことである。 気道抵抗は気管の断面積に反比例し.小気道の総断面積は直径2mm以上の気道の総断面積よりはるかに大きいため.小気道抵抗は全気道抵抗の10～20％を占めるにすぎず.従来の肺機能測定法ではその異常変化を検出することは容易ではない。
1.閉鎖容積(CV)は.測定方法が複雑なため.現在ではあまり使用されなくなり.省略されている。
2.最大呼気流量-容積曲線（V-V曲線）の低肺容積部の呼気流量は労作には関係なく.主に小気道の口径と肺胞弾性収縮力に影響される。 小気道機能の測定に用いられる指標は.通常FEF50％とF’EF75％であり.これらが正常値の80％未満であれば.この流量が減少していると考えられ.小気道閉塞が示唆される。 MEFV線の下降枝の傾きの形状も.小気道の機能を判断する上で非常に重要である。
IV.肺拡散機能の測定
原理
拡散とは.高濃度領域から低濃度領域への分子の移動を指し.エネルギー消費を必要としない受動的なプロセスである。 肺拡散は.肺胞ガス中および肺胞壁毛細血管膜を介した肺胞内における酸素と二酸化炭素のガス交換プロセスである。 肺胞毛細血管を介した拡散に影響を与える因子は.拡散面積.拡散距離.肺胞と毛細血管間の酸素分圧差である。 拡散量は.単位時間（1分）および単位圧力差0.133kPa（1mmHg）あたりに肺胞を通過できる気体の量である。 臨床的には.拡散機能は酸素を指す。 測定には通常.一酸化炭素ガスが用いられる。
測定方法
拡散の測定方法には.一回呼吸法.一定状態法.反復呼吸法の3つがある。 単一呼吸法は臨床でよく用いられる測定法の一つである。 被験者は.0.3％のCO.10％のHe.20％のO2（平衡ガスはN2）の混合ガスを残存ガスレベルの全肺容積に吸入し.10秒間息を止めた後.残存ガスレベルまで吐き出す。 この間.COとHeの濃度を連続的に測定し.肺拡散量を算出した（使用した混合ガスの濃度と比率は装置によって異なる）。
肺拡散容積は年齢.性別.体位.身長と相関し.男性は女性より大きく.若い人は高齢者より大きい。
臨床的意義
1.拡散量が正常期待値の80％未満であれば.拡散機能障害を示唆する。
①拡散距離の増加（間質性線維症.アスベストーシスなど）
②肺胞毛細血管容積の減少（肺気腫.結核.気胸.肺感染症.肺水腫など）
③循環障害（先天性心疾患.リウマチ性心疾患.貧血など）
2.
2.赤血球増加症（赤血球によるCO取り込みの増加による）.肺出血（血管外血液中のヘモグロビンが一定量のCOを取り込むことができる）などで拡散の増加が見られることがある。
5.
V. 肺コンプライアンス測定
原理
コンプライアンスとは.単位圧力変化あたりの体積変化を指し.肺組織の弾力性を反映し.通常.肺コンプライアンス.胸壁コンプライアンス.総コンプライアンスを含む。
肺容積変化△V
肺コンプライアンスCL＝経肺圧
単位はL/kPa
測定方法
肺コンプライアンスは静的コンプライアンスと動的コンプライアンスに分けられる。 静的コンプライアンスとは.呼吸周期中に気流が短時間遮断されたときに測定される肺コンプライアンスを指し.動的コンプライアンスとは.呼吸周期中に気流が遮断されないときに測定される肺コンプライアンスを指す。 静的コンプライアンスは肺組織の弾力性を反映するが.動的コンプライアンスも気道抵抗の影響を受ける。 肺を一定の容積に保つのに必要な圧力は弾性収縮力と呼ばれ.弾性収縮力が増加するとコンプライアンスは低下し.逆に減少するとコンプライアンスは低下する。
臨床的意義
(I) 全肺容積が増加する疾患
1.肺気腫 肺気腫の患者では.静的コンプライアンスが増加し.動的コンプライアンスが減少する。 <気管支喘息では静的コンプライアンスが低下することがある。
（2）全肺容積が減少する疾患（拘束性肺疾患）
1.肺切除.肺無気肺では肺容積が減少し.肺コンプライアンスが低下する。
2.静的・動的コンプライアンスが低下するびまん性間質性線維症。
3.小児脊髄炎.脊椎奇形などの肺外疾患では.肺のコンプライアンスと胸壁のコンプライアンスが低下する。
4.ARDS.肺水腫など.正常肺胞気腔の減少により.肺容積が減少し.肺コンプライアンスが低下する。
（C）小気道障害の周波数依存性
小気道障害では.肺コンプライアンスは呼吸数に影響され.呼吸数が増加するとコンプライアンスは低下する。
(iv) 機械的換気や呼吸不全モニタリングへの応用
最適なPEEPレベルを決定するのに役立ち.最大のコンプライアンスが得られるPEEP圧が最適なPEEP圧となる。
VI.気道抵抗の測定
原理と測定方法
静かな呼吸時に気道内の肺内の気体の流れによって発生する摩擦は.通常.単位流量を発生させるのに必要な圧力差として表される。 気道抵抗は一般に.体積トレーシング法または強制パルス振動法を用いて測定される。
気道抵抗=圧力差/流量(kPa?s/L)
臨床応用
気道抵抗は気道半径の4乗に反比例し.小気道の総断面積は大気気道よりかなり大きいので.気道抵抗の80％以上は大気気道の抵抗に由来する。
(A) 気道抵抗の増加は以下の疾患で見られる
1.気管支喘息 喘息発作時には気道抵抗が増加し.寛解時には気道抵抗は正常である。 喘息発作時の気道抵抗の増大は気管支拡張薬で緩和できる。
2.肺気腫：呼気中の気道萎縮が気道抵抗の増加を引き起こす可能性がある。
3.閉塞性換気機能障害.遅発枝.腫瘍.その他の原因も気道抵抗を増加させます。
4.気管挿管や気管切開などの医学的原因による気道抵抗の増加。
(ii) 気道抵抗と他の換気機能との関係
気道抵抗の増加は.強制呼気流量.吸気流量.MVVの低下を引き起こす可能性があります。
VII.運動負荷肺機能検査
原理
運動負荷肺機能検査は.運動中の肺機能の動的な変化を調べるもので.安静時には示せない生理や病態を理解する上で臨床的に有用である。 運動は.死腔換気量／潮容積比を減少させ.換気量を増加させ.二酸化炭素排泄を促進し.酸素摂取量と酸素消費量を増加させ.もちろん心血管系の負担を増加させる。
検査方法
運動負荷肺機能検査は通常.平坦なトレッドミル.すなわち一定の傾斜と回転速度を持つ移動可能な平坦面を歩行し.心電図と血圧の変化を同時にモニターしながら行われる。 運動プロトコールは修正Bruceプロトコールである。 運動負荷試験は一般に.被験者がサブエクストリーム心拍数に達した時点を試験の終点とし.サブエクストリーム心拍数に達した後もゆっくりと歩行を続け.徐々に基礎心拍数に戻す。 試験中に明らかな呼吸困難.心筋虚血.不整脈.血圧の上昇や低下が生じた場合は試験を中止する。
準備
運動負荷試験を開始する前に.運動負荷試験全体の各過程における注意事項を被験者に明確に説明し.被験者にできるだけリラックスしてもらい.緊張しないようにしてもらうと同時に.事故が起こらないように応急処置の薬や酸素などを準備しておく必要がある。
一般的に使用される検査指標
最大酸素摂取量または酸素消費量（VO2 max）：VO2maxは.極端な運動中の人体の心肺機能のレベルを反映する主要な指標です。 酸素輸送システムの能力の総和を表す。
呼吸交換率（RER）：肺における1分間のCO2排泄量と1分間のO2取り込み量の比。
最大換気量（MVV）と運動時の最大換気量VEmaxとの比（VEmax/MVV）は.呼吸困難指数であり.呼吸困難の重症度を客観的に示す指標である。
嫌気性閾値：運動負荷の漸増時の血中乳酸値の急激な上昇の起点に相当する運動強度で.嫌気性代謝能力を反映するために用いられる。 嫌気性閾値を超えると.運動強度を上げ続けると代謝性アシドーシスになる。
代謝当量：エネルギー消費量の実用的な指標で.1代謝当量は体重1kgあたり毎分3.5mlの酸素摂取量に相当し.嫌気性閾値に達していない場合の運動強度の重要な指標となる。
臨床応用
人間の体は心肺機能の予備能力が大きい。
安静状態では.機能の一部が表示することは容易ではありません.唯一の深刻な障害の機能では.臨床症状が表示されます。
1.運動誘発性喘息 運動前のFEV lより10％低ければ陽性であり.運動誘発性喘息の診断に重要な指標となる。
2.胸部手術後の合併症リスクの予測 VO2maxが有意に低下すると.術後の合併症リスクが高くなる。
3.循環器疾患への応用 運動負荷の状態で.心筋の血液供給量や心リズムの変化がわかり.冠動脈疾患や不整脈の診断に役立つ。
4.無酸素性閾値を観察することで.人体の運動持久力が期待できる。
5.胸部圧迫感.息切れ.呼吸困難の鑑別診断ができます。
禁忌
1.心臓病.高血圧など。
2.FEVlが期待値の70％未満など.肺機能が低下している。
3.喘息発作。
4.高齢.虚弱.運動機能障害。