拡散能とその測定

この章は、2017年CICM Primary SyllabusのセクションF7（iv）に最も関連しており、「拡散能とその測定を定義できる」ことが試験受験者に期待されています。 CICMの過去問では少なくとも一度、2012年の第1回論文の第20問の解答に「肺胞膜を介した酸素の拡散に影響を与える生理学的要因を挙げよ」という予想外の要素として出てきています。 この問題を文字通りに解釈して、その要因を探り、失敗させようとする真面目な（長文ではあるが）試みは、肺胞膜を介した気体の拡散の章に見ることができる。 ここでは、その代わりに、特に拡散能と、それがどのように決定されうるかに焦点を当てる。

要約すると、

これに関して一つの論文を推薦することは困難である。 そのほとんどがある特定の側面に焦点を当てており、時間のない受験生が望むような簡単で幅広い概要を提供しているものはないように思われるからです。 妥当な文献としては、運動によるDLCOの変化にやや傾いたHsia（2001）と、DLCOが病的に減少するさまざまな方法についてしっかり論じたAyers et al（1975）があります（ただし、年代は古い）。 肺機能検査に関連するすべてのものと同様に、特にDLCOの検査方法に関しては、PFTBlogが優れた情報源となります。

拡散能の定義

問題では明確に問われていませんが、2012年第1回論文の第20問における出題者の不文律の期待は、研修生が呼吸ガスの拡散に影響を与える要因を列挙する過程で、拡散能を定義するというものでした。 大学受験生自身のコメントから、この概念の定義は、

「拡散能は、1mmHgの分圧差に対して毎分、膜を通して拡散する気体の体積と定義される。”

Nunn’s は少し違う定義をしています。

“the propensity of a gas to diffuse as a given pressure gradient”

Diffusing capacity = Net rate of gas transfer / Partial pressure gradient

This property is usually referred as DL or DL, and it is typically measured in gas volume, per unit pressure, per unit time; 例えばSI unit is mmol/min/kPa, and traditional units is ml/min/mmHg…このプロパティは、通常は、DLと呼ばれます。 つまり、このパラメータは、肺胞毛細血管へのガスの輸送のしやすさを表すものであり、呼吸ガスの拡散に影響を与えるすべての要因を1つの数値に集約した便利なものである。

酸素の場合、方程式は次のとおりです：

DLO2 = 酸素摂取量 / PO2 勾配

酸素摂取量は、混合静脈と動脈の酸素量の差であり、ある種の測定が可能である。 しかし、ここでのPO2勾配は肺胞PO2と肺毛細血管PO2の差であり、後者を直接測定することは基本的に不可能である。 しかし、肺胞のPO2と肺毛細血管のPO2の差は、基本的に直接測定することは不可能である。 なぜか、この値を実際に掲載しているのは、Gehrら（1981）の哺乳類の呼吸生理学の比較の章だけである。 そこには、トンプソンガゼルやコビトマングースとともに、ヒトの値も掲載されており、2.47ml/mbar/secと報告されている。 従来の表記法で報告されているより権威のある（しかしまだ参照されていない）値は、1984年のER Weibelの教科書にあり、20-30ml/min/mmHgとされている。

二酸化炭素の拡散能については、さらに追跡が難しい。 Nunn’sは参考文献や正確な測定値すら示さず、酸素の拡散能の20.5倍という一行を伝えている。 Hellerら（1998）のウサギのデータでは、DLCO2が14.0ml/mmHg/minと報告されています。

以下に示すように、安静時の個体で測定されたこれらの値は、肺の拡散能力の真の最大値を表しているわけではありません。 これは、毛細血管への血液の供給が著しく増加する、激しい運動によってのみ明らかになります。

拡散能の測定

明らかに、最も関心のあるガスは酸素なので、このガスを直接測定することはある種の論理的意味を持ちますが、実際には、いくつかの現実的障害があります。 少なくとも、拡散能を測定する問題が浮上した当初は、そのような障壁がありました。 基本的には、DLO2を測定するためには、酸素摂取量と分圧勾配の両方を正確に測定できることが必要なのです。 分圧勾配については、肺胞酸素を計算し（簡単にできる）、さらに動脈酸素（肺毛細血管内酸素の代用として）を測定する必要がある。 そして、「動脈血中の酸素と二酸化炭素の濃度は、Rileyが開発したマイクロトノメーター法で測定しなければならないが、この方法はかなりの練習と器用さを必要とする」と、酸素を感知するクラーク電極が利用できなかったDacieは1957年に書いている。 このことは、いつでも何リットルもの患者の血液（静脈血と動脈血）を採取でき、そのガス含有量を測定する正確な機器を備えている現代の集中治療専門医にとっては、さほど障害にはならないように思われる。 しかし、歴史的にはそれは大きな問題であり、外来患者の動脈血を採取することに若干のためらいがあるのも事実である。 このようなことをすると、紹介が途絶えてしまいます。

このように、一酸化炭素の使用は歴史的にずっとポピュラーなものであった。 マリーとオーガスト・クローグが最初にこれを考え出したのは1915年のことであった。

「さらに、わずかな割合のCOを血液に通すと、そのガスはヘモグロビンと実質的に瞬時に結合し、血液中のCO圧力は0とみなすことができると仮定している。 したがって、COと空気の混合物を一定時間肺に封入し、COの割合の低下を測定すると、肺胞壁を通る拡散が計算できる」

要するに、ある患者に非致死量の一酸化炭素を吸入させるのである。 患者はその呼吸を10秒間保ち、それから吐き出す。 一酸化炭素は赤血球に入るしかないので、吸入量と呼気量の差は血液ガス関門を通過して拡散し、ヘモグロビンと結合しているはずである。 したがって、式でいえば

DLCO = 一酸化炭素吸収量 / 一酸化炭素勾配

一酸化炭素吸収量は吸気と呼気のCOの「足りない」差で、勾配は肺胞CO分圧（これはあなたが出したのでわかっています）と動脈CO分圧（これはヘモグロビンにすべて結合されてしまうことがわかっているので0mmHg）の間にあると仮定されています。 したがって、DLCOの測定は非侵襲的に行うことができる。

DLCOの測定には、単呼吸法、定常法、再呼吸法という3つの主な方法がある。 単式呼吸法は、ERS/ATS standards statement (Cotes et al, 1993)に詳細に記載されており、筆者はそこから説明用の画像を自由に借用した。 再呼吸法はこちらで、定常呼吸法はこちらで詳しく説明されています。 このテーマに関する深い知識はCICM試験受験者には期待できない（ありえない）ので、ここでは以下のように要約することで十分である。

Single breath method of measurement DLCO

• 測定の前に一定期間、部屋の空気を吸うのが理想的です
• 最初に、患者は最大に息を吐き出します（RVまで）
• 次に患者は混合ガスを吸入します（0.5%減）。3％の一酸化炭素と10％のヘリウム
  （ヘリウムは肺胞体量の測定のため）
• これは生命維持能力の呼吸です（すなわち。 TLCまで）、その量を測定する
• 患者はこの呼吸を10秒間保持する
  • この呼吸保持は、時定数に関係なく、すべての肺単位に一酸化炭素が均等に分布するようにするためである
  • この時バルサルバは胸腔内血液量に影響しDLCOが誤って減少するので避けることが大切である
  • この時、バルサルバの呼吸があれば、一酸化炭素は肺単位に均等に分布する。
• 次に患者は息を吐きます。
  • 最初の0.75リットルは死腔ガスと見なされ、残りのガスを代表するものではないので、完全に無視されます。
• 次にガスサンプルを採取します。
  • 総肺胞容積は呼気ヘリウム濃度から測定できます（これは肺容積測定のためのトレーサーガス希釈測定技法の古典的応用です）
  • 一酸化炭素の吸収は差から決定できます（これは肺容積測定技法の典型的応用です）
    • • • そして次にガスサンプルは採取します（これは呼気ヘリウム濃度から測定できます）。 吸気分圧測定と呼気分圧測定の間
        • 呼気分圧測定から一酸化炭素の分圧勾配を求めることができる

        再呼吸法DLCO

        • これは実質的に一呼吸法と同じものである。 ただし、息止めはしない。
        • 患者は、0.3％の一酸化炭素と10％のヘリウムを含む、量と体積が既知の気体の貯蔵器から呼吸しながら、急速に呼吸する（推奨呼吸数は30）

        袋内の気体の量は、通常被験者の潮容とほぼ同じになるように調節される、すなわち。 吸気時に完全に空にする

      • このような急速な呼吸の後、ガスをサンプリングする
      • 肺胞容積と一酸化炭素摂取量の計算は、その後、単回呼吸とまったく同じ方法で実行できる
      • なぜか、この技術は臨床現場ではほとんど知られておらず、主に、たとえば被験者の呼吸パターンを大きく中断せずにDLCoを測定しなければならない場面で使用されているようである。 例えば、エクササイズサイクルで激しくペダルを踏んでいるときなどである。

      Steady state method of measuring DLCO

      • 0.3% の一酸化炭素を含む混合気体を呼吸させる。
      • その呼気ガスをバッグに採取する
      • 一定期間呼吸した後（定常状態を確立するのに十分な時間）、呼気ガスを分析する
      • 一酸化炭素の供給と呼気ガス量がわかっているので、一酸化炭素吸収量を容易に計算することができる。

      拡散能力に影響を与える要因

      このパラメータを表す方程式は非常に単純で、それに影響を与える要因はガスの性質と呼吸システムの性質に分けられる。 拡散能の高いガスは、任意の圧力勾配において、拡散能の低いガスよりも容易に血液ガス関門を通過することができる。 同様に、呼吸器系の特性は、同じガスで同じ分圧勾配であっても、拡散能力を増加または減少させるような形で変化することがある。 呼吸器系の特性のうち、主に3つの要因が変化する。表面積が変わるか、膜厚が変わるか、赤血球によるガスの取り込みが何らかの形で変化するか、である。 試験対策として、これらの要因を説明するために、覚えやすい点数形式のリストを作成することができる。 このように：

      • ガス特性に影響を与える要因
        • ガスの拡散係数に影響を与えるすべての要因は、次のような役割を果たすことになる。
          • ガスの密度

          分子の大きさ

        • 媒体の温度
      • ガス交換表面積に影響を与える要因
        • 年齢（年齢が高くなると、他の要因に関係なく利用できる表面積が減少する）
        • 体の大きさ。
        • 肺活量
          • 肺活量が大きければ大きいほど、拡散能も大きくなる、すなわち、肺の大きさに影響する。e. 個人間で比較する場合は、肺胞容積を指標とした指標（例：肺胞容積1リットルあたりの拡散能）を用いるべきである。
          • したがって、肺活量に影響を与えるすべてのもの（例：肺疾患、姿勢、肥満、妊娠など）は、誤差の原因となり得る。
        • 換気-灌流特性を変える要因：
          • Shunt：拡散が起こらない
          • Dead space：拡散が起こらない
          • V/Q散乱：肺活量に影響を与える。
      • 膜特性に影響を与える要因
        • これは基本的に血液ガスバリアの厚さが増加する病態であり、以下のものがある：
          • 肺水腫
          • 内臓性肺疾患、たとえば、(1)肺梗塞

赤血球による取り込みに影響を与える要因

• 酸素に対するヘモグロビンの親和性
• ヘモグロビン濃度

。

• 心拍出量（毛細血管通過時間に影響する限りにおいて）

よく見ると。 このリストは、肺胞膜を通過する気体の拡散に影響を与える要因のリストとほぼ同じであることに気づくかもしれない。ただし、部分圧勾配（これは拡散能力の定義に組み込まれている）と測定誤差に関連するさまざまな要因は顕著な例外である。

運動による拡散能の変化

安静時の拡散能の議論は、実際にははるかに高い拡散能を持つ非ストレス系を指すので、誤った表現だと言う人もいるかもしれない。 実際、激しい運動をすると、DLO2は20〜30ml/min/mmHgから100〜120ml/min/mmHgに近い値まで増加し、これが「本当の」拡散能力である。 この増加は、式中の酸素摂取率（DLO2＝酸素摂取量／PO2勾配）が大きく増加するためである。 なぜそうなるかは、想像に難くない。 考えるに、呼吸数の増加だけでなく、潮容積の増加により、分量が増加するのである。 肺活量が増加すると、肺胞ガス交換面積が増加する。 さらに、心拍出量も増加する。 それに伴い、肺毛細血管への血液の供給が増加する。 以前は「真の」デッドスペースであったか、V/Qが1.0よりはるかに大きい肺領域で、より多くの毛細血管が採用されるため、V/Q分布が変化するのである。 これをわかりやすくまとめると、

運動に伴い、拡散能に影響を与える主要な要素が変化する：

• 肺毛細管での酸素摂取量が増加するのは、以下の理由による。
  • 表面積の増加（潮容積の増加）
  • 肺血流の増加（心拍出量の増加）

  V/Qマッチングの改善（換気の多い領域で血流が増加し、休止中の毛細管床が動員される）

肺毛細管の部分圧勾配の増加(b)。

• 酸素抽出比が増加し、混合静脈のPO2が減少する
• 分換気の増加により肺胞PCO2が減少する（したがって、肺胞PO2が増加する。
• 吸収面へのヘモグロビンの供給が増加すると、酸素シンクとして働き、毛細血管分圧を低く維持する

DLO2の増加はどの程度期待すればよいでしょうか。 2012年の最初の論文の質問20に対する大学の回答では、「…肺胞換気が増加し、21ml/min/mmHgから65ml/min/mmHgまで換気と灌流の増加がうまく一致する」と不可解な表現でこのことに触れています。
おそらく、このobiter dictumの後半に引用されている値は、DLCOの変化について言及しており、どこか評判の良いところから引用されているのだろうが、それがどこなのかは誰にもわからない。 一般的には教科書に載っている値だと思われるが、教科書の値は通常1960年代に行われた研究によるものである。 審査官がどの中世の文献を念頭に置いているのか具体的に分からないまま、実質的な査読付き文献を探すことは、本質的に文献にダーツを投げるのと同じことである。 例えば、Turinoら（1963）の研究では、健康なボランティアの安静時DLCO値は18から22、運動時値は55から64ml/min/mmHgであることが判明している。 いずれにせよ、この数値が正確であるかどうかが、試験の成績を左右するようなことは考えられません。