Gas Exchange

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Gas Exchange

ガス交換は、血流と肺の間で酸素と二酸化炭素が移動するプロセスです。 これは呼吸器系の主要な機能であり、組織への一定の酸素供給を確保し、二酸化炭素の蓄積を防ぐために二酸化炭素を除去するために不可欠です。

この記事では、ガス交換の原理、交換速度に影響を与える因子、および関連する臨床条件について説明します。

Physics of Gas Diffusion

含まれる空間（この場合、肺）でのガスの動きはランダムですが、全体的に拡散すると、濃度の高い領域から低い領域への移動が生じます。 気体の拡散速度は主に

• 濃度勾配に影響されます。 6251>
• 拡散のための表面積：勾配が大きいほど速度は速くなる。 表面積が大きいほど速度は速くなる。
• 拡散経路の長さ。

気体の分子が容器の側面に衝突すると、圧力が発生する。 これは理想気体の法則で定義され、次の式で与えられます：

（n はモル数、R は気体定数（8.314）、Tは絶対温度、Vは容器の体積）

図1-容器内の気体の圧力を計算する式

Diffusion of Gases Through Gases

気体が他の気体を介して拡散する場合（肺胞など）、その拡散率はグラハム則で定義することができる。

「拡散の速度は、同一の圧力と温度において、そのモル質量の平方根に反比例する」

言い換えれば、気体の質量が小さいほど、より速く拡散する。

液体中の気体の拡散

気体が液体中を拡散するとき、たとえば肺胞膜を越えて毛細血管に入るとき、気体の溶解度が重要である。 気体の溶解度はヘンリーの法則で定義されており、次のように記述されています：

「液体中の溶存気体の量は、液体上のその分圧に比例する」。

すべての気体の温度と圧力の条件が一定であると仮定すると（肺胞では大体そうである）、溶解度を決定するのは異なる気体間の固有の違いである。

二酸化炭素は酸素よりも本質的に溶けやすいので、液体中に酸素よりはるかに速く拡散する。

Fick の法則

Fick の法則は、流体中の気体の拡散速度に影響を与えるいくつかの要因を与えています：

• 拡散バリアを横切る分圧差。
• ガスの溶解度
• 流体の断面積
• 分子が拡散するのに必要な距離
• ガスの分子量
• 気体の分子量
• 気体の溶解度
• 気体の溶解度

気体の分子量 気体の溶解度

• 流体の温度-肺の中では重要ではなく、37℃と仮定できます。

肺の中では、酸素は二酸化炭素より小さい一方で、溶解度の違いは二酸化炭素が酸素よりおよそ20倍速く拡散することを意味します。

個々の分子の拡散速度のこの差は、酸素の分圧の大きな差によって補われ、二酸化炭素よりも大きな拡散勾配が生じます。

しかし、これは、酸素で十分に換気する肺の能力が損なわれる病状では、二酸化炭素の交換より先に酸素の交換が損なわれることが多いことを意味する。

酸素の拡散

肺胞内の酸素分圧は外部環境と比較して低くなっている。 これは、肺胞膜を通過する酸素の連続的な拡散と、肺胞に入って体外に出る二酸化炭素の希釈効果によるものです。

にもかかわらず、分圧は毛細管よりも肺胞で依然として高く、血液への純拡散が生じます。 肺胞と毛細血管の膜を通過して拡散した後、ヘモグロビンと結合する。 5530>

血液中の酸素輸送に関する詳しい情報は、こちらをご覧ください。

Fig 2 – Diagram showing the partial pressure of oxygen and carbon dioxide in the respiratory system

Diffusion of Carbon Dioxide

The partial pressure of carbon dioxide in the capillaries is much higher than the alveoli.The half an seconds in the blood cell arriving in a capillaries, which means the exercise is not limited by gas exchange.

図2は、気道における二酸化炭素の圧力の推移を示す図である。 これは、毛細血管から肺胞への純拡散が起こることを意味します。

二酸化炭素は、溶解、タンパク質との結合、重炭酸イオンとしての輸送など、さまざまな方法で血液中に輸送されます。 血液中の二酸化炭素の輸送に関する詳しい情報は、こちらをご覧ください。

拡散バリア

肺の拡散バリアは、以下の層から構成されています。

• 肺胞上皮
• 組織液
• 毛細血管内皮
• 血漿
• 赤血球膜

Fig 3 – （英語）。 肺の拡散バリアを構成する層を示す図

Factors That Affect The Rate of Diffusion

There are many properties that can affect the rate of diffusion in the lungs.肺の拡散速度に影響を与える多くの特性。 主な要因は以下のとおりです。

• 膜の厚さ-膜が薄いほど、拡散の速度は速くなります。 肺の拡散障壁は非常に薄いが、いくつかの条件により障壁が厚くなり、それによって拡散が損なわれる。 例：
  • 間質性腔内の液体（肺水腫）
  • 肺胞膜の肥厚（肺線維症）

膜の表面積-表面積が大きいと、拡散の速度も速くなる。 肺は通常、肺胞によるガス交換のために非常に大きな表面積を持っている。

• 肺気腫などの疾患は肺胞構造の破壊につながり、水疱として知られる大きな空気で満たされた空間の形成につながる。
• 膜の圧力差
• ガスの拡散係数

Clinical Relevance – Emphysema

Emphysema is a chronic, progressive disease that results in destruction of the alveoli in the lungs.肺気腫は、肺の破壊が起こる慢性的な進行性の疾患です。 肺気腫の主な症状は息切れですが、患者は喘鳴、持続的な咳、または胸の圧迫感を経験することもあります。 肺気腫は、慢性気管支炎と並んで、慢性閉塞性肺疾患（COPD）を構成する疾患である。 喫煙が最も一般的な原因ですが、その他の危険因子としては、副流煙への暴露、職業上の煙やほこりへの暴露、汚染度の高い地域での生活などがあります。

治療は、症状の段階（すなわち、症状や気道閉塞の程度）によりますが、通常、以下を含みます：

• Smoking cessation（禁煙）.
• 気管支収縮を抑える気管支拡張薬。
• 気道の炎症を抑える吸入コルチコステロイド。
• 病気の悪化のための抗生物質と経口ステロイド剤。
• 重症の場合は長期酸素療法（LTOT）

Fig 4 – Emphysematous lungs