デッドスペース（生理学）

死腔とは、吸入された空気のうち、ガス交換に関与しない空気の量です。これは、気道内に留まるか、灌流されていないか灌流が不十分な肺胞に到達するためです。つまり、呼吸ごとにすべての空気が酸素と二酸化炭素の交換に利用できるわけではないということです。哺乳類は肺から呼吸をしますが、吸入した空気のうち、ガス交換が起こらない気道内に留まる部分は無駄になります。

総死腔（生理学的死腔とも呼ばれる）は、解剖学的死腔と肺胞死腔の合計です。

一見無駄に見えるデッドスペースを含む換気設計にも、メリットはあります。^[1]

1. 二酸化炭素が保持され、重炭酸緩衝血液および間質が可能になります。
2. 吸入された空気は体温まで温められ、ヘモグロビンの酸素親和性が高まり、_酸素の吸収が改善されます。^[2]
3. 粒子状物質は気道の内側を覆う粘液に捕捉され、粘液繊毛輸送によって除去されます。
4. 吸入された空気は加湿され、気道粘液の質が改善されます。^[2]

人間の場合、安静時の呼吸の約3分の1ではO2とCO2のレベルに変化はありません_。成人_では通常150mLの範囲です。^[3]

死腔は、シュノーケルなどの長いチューブを通して呼吸することで増やすことができます（そして、よりよく想像できます）。シュノーケルの一方の端は空気に開いていますが、着用者が息を吸うとき、前回の呼気からシュノーケル内に残っていた大量の空気を吸い込みます。したがって、シュノーケルは、ガス交換に関与しない気道をさらに追加することで、人の死腔を増やします。

解剖学的死腔とは、気道（鼻、口、気管から末端細気管支まで）の容積である。気道はガスを肺胞に導くが、ここではガス交換は起こらない。肺胞死腔が小さい健康な肺では、ファウラー法は一回の呼吸による窒素洗浄法を用いて解剖学的死腔を正確に測定する。^{[4] [5]}

死腔容積（mL）の正常値は、ほぼ体の除脂肪体重（ポンド）で、平均すると安静時の一回換気量（450～500 mL）の約3分の1です。ファウラーの元の研究では、解剖学的死腔は156 ± 28 mL（n=45男性）で、一回換気量の26％でした。^[4]気管は柔軟で、気道は細いにもかかわらず、気管支収縮や運動中の激しい呼吸によって、その全体量（つまり解剖学的死腔）はほとんど変化しません。^{[4] [6]}

鳥類は同サイズの哺乳類よりも気管が長くて広いため、解剖学的に不釣り合いに大きい死腔を持ち、気道抵抗を減らします。鳥類は肺を通して空気を流すので、この適応はガス交換に影響を与えません。哺乳類のように息を吸ったり吐いたりするわけではないからです。^[7]

肺胞死腔は、生理的死腔と解剖学的死腔の差として定義されます。これは、灌流に比べて過剰に換気されているすべての末端呼吸単位によって生じます。したがって、第一に、換気されているが灌流されていない単位、第二に、換気灌流比が 1 より大きい単位が含まれます。

肺胞死腔は健康な人ではごくわずかですが、一部の肺疾患では換気と灌流の不均衡により劇的に増加する可能性があります。

死腔が吸い込んだ息の一部を無駄にするのと同様に、死腔は呼気中に肺胞の空気を希釈します。この希釈を定量化することで、ボーアの式で表される質量バランスの概念を用いて生理学的死腔を測定することができます。^{[8] [9]}

${\displaystyle {\frac {V_{d}}{V_{t}}}={\frac {P_{a\,{\ce {CO2}}}-P_{e\,{\ce {CO2}} }}{P_{a\,{\ce {CO2}}}}}}$

ここで、は死腔容積であり、は一回換気量である。 ${\displaystyle V_{d}}$${\displaystyle V_{t}}$

${\displaystyle P_{a\,{\ce {CO2}}}}$動脈血中の二酸化炭素分圧であり、

${\displaystyle P_{e\,{\ce {CO2}}}}$混合された呼気（吐き出された空気）中の二酸化炭素の分圧です。

ボーアの式は、生理的死腔を測定するために使用されます。残念ながら、この式を使用するには肺胞内の二酸化炭素 (CO ₂ ) 濃度が必要ですが、換気灌流比は健康時と病気時の両方で肺の部位によって異なるため、これは単一の値ではありません。実際には、動脈血の CO _{2分圧が平均肺胞の CO 2}分圧の推定値として使用されます。これは、1938 年に Henrik Enghoff によって導入された修正です (Enghoff H. Volumen inefficax. Bemerkungen zur Frage des schadlichen Raumes. Upsala Läkarefören Forhandl., 44:191-218, 1938)。実際には、単一の動脈血 pCO _{2値によって、さまざまな肺胞内のさまざまな pCO 2}値が平均化されるため、ボーアの式が使用可能になります。

_{健康な肺胞から吐き出される CO 2}の量は、伝導気道 (解剖学的死腔) 内の空気と、灌流に対して過剰換気されている肺胞からのガスによって希釈されます。この希釈係数は、吐き出された息に含まれる混合呼気 pCO ₂が決定されれば計算できます (吐き出された息を電子的に監視するか、ガス不透過性バッグ (ダグラス バッグ) に吐き出された息を収集し、収集バッグ内の混合呼気ガスの pCO ₂を測定するかのいずれかの方法)。代数的に、この希釈係数から、ボーア方程式で計算される生理学的死腔が得られます。

${\displaystyle {\frac {V_{\ce {生理的\,死腔\,空間}}}{V_{t}}}={\frac {P_{a\,{\ce {CO2}}}-P_{\ce {混合\,呼気\,CO2}}}{P_{a\,{\ce {CO2}}}}}}$

肺胞死腔は、生理学的死腔（ボーア方程式のエンゴフ修正法を使用して測定）と解剖学的死腔（ファウラーの単呼吸法を使用して測定）の差として決定されます。

肺胞死腔の大きさの臨床的指標は、動脈血 CO2 分圧_と呼気終末 CO2 分圧_の差です。

解剖学的死腔の測定には、異なる手法が用いられます。被験者は息を吐ききり、窒素 0% のガス混合物 (通常は酸素 100%) を深く吸い込み、窒素とガスの量を測定する装置に向かって息を吐き出します。この最後の呼気は 3 つの段階で起こります。最初の段階 (段階 1) には窒素が含まれません。解剖学的死腔には 100% 酸素のガスが含まれているからです。窒素濃度は、短い 2 番目の段階 (段階 2) の間に急速に増加し、最終的に 3 番目の段階 (段階 3) で一定になります。解剖学的死腔は、最初の段階で吐き出した量に、段階 1 から段階 3 への移行の中間点までの量を加えた量に等しくなります。

呼吸の深さと頻度は、化学受容器と脳幹によって決定され、いくつかの主観的感覚によって変化します。強制モードで機械的に人工呼吸器を使用すると、患者は機械によって指示された速度と一回換気量で呼吸します。死腔があるため、ゆっくり深呼吸する (たとえば、1 分間に 500 ml の呼吸を 10 回) 方が、浅く素早く呼吸する (たとえば、1 分間に 250 ml の呼吸を 20 回) よりも効果的です。1 分間のガス量は同じ (5 L/分) ですが、浅い呼吸の大部分は死腔であり、血液への酸素の取り込みに役立ちません。^{[引用が必要]}

機械的死腔または外部死腔とは、呼吸装置の通路内の容積であり、呼吸者が息を吸ったり吐いたりするときに呼吸ガスが両方向に流れるため、最後に吐き出したガスが次の呼吸ですぐに吸入され、同じ量の使用可能な空気または呼吸ガスを得るために必要な一回換気量と呼吸努力が増加し、浅い呼吸による二酸化炭素の蓄積が増加します。これは、事実上、生理的死腔の外部拡張です。^[10]

以下の方法で削減できます:

• 吸気と排気の通路を別々にし、各通路に一方向弁を配置する。通常は各通路とマウスピースの間。これにより、デッドスペースは逆止弁とユーザーの口または鼻の間だけに限定される。逆止弁間の容積のすべてがデッドスペースになるわけではない。狭いダクト内の呼気ガスは必ずしも吸入ダクトからの新鮮なガスとうまく混ざるわけではないが、排気逆止弁の向こう側の呼気ガスは、弁が正しく機能していれば新鮮なガスと混ざらないと合理的に想定できる。この外部デッドスペースの容積をできるだけ小さくすることで、総有効デッドスペースを最小限に抑えることができるが、これによって呼吸の仕事量が過度に増加しないようにする必要がある。これは、高周囲圧で使用される呼吸装置では重大な問題となる可能性がある。^[11]
• フルフェイスマスクまたはデマンドダイビングヘルメットを着用の場合：
  • 内部容積を小さく保つ
  • メインマスクまたはヘルメットの内側に小さな内部口鼻マスクがあり、外部の呼吸通路をマスク内部の残りの部分から分離します。
  • フルフェイスマスクのいくつかのモデルには、ダイビングレギュレーターで使用されるようなマウスピースが取り付けられています。これは、口鼻マスクと同じ機能を持ちますが、口呼吸を強制する（ギャグのように機能し、明瞭な会話を妨げる）という代償を払って、外部のデッドスペースの容積をさらに減らすことができます。

死腔があると、呼吸のたびに肺胞に到達する新鮮な呼吸ガスの量が減ります。これにより、ガス交換に利用できる酸素と、除去できる二酸化炭素の量が減少します。高地で起こるような呼吸ガスの低酸素状態でない限り、通常は二酸化炭素の蓄積の方が顕著な影響です。体は吸入ガスの量を増やすことである程度は補うことができますが、これによって呼吸仕事量も増加し、死腔と一回換気量の比率が呼吸仕事量の増加による追加の二酸化炭素負荷を補うのに十分に低下した場合にのみ効果的です。二酸化炭素が継続的に蓄積すると、高炭酸ガス血症と呼吸困難につながります。

健康な人では、安静時のV _{d はV t}の約3分の1であり、運動するとV _tの増加により約5分の1に減少します。これは、解剖学的死腔はあまり変化せず、肺胞死腔はごくわずかか非常に小さいためです。^[12]

特定の呼吸装置の外部死腔は通常固定されており、任意の運動レベルで同等の有効換気を提供するには、この容積を一回換気量に追加する必要があります。

• ボーア方程式 – 人の肺の生理的死腔の量を表す方程式
• クリスチャン・ボーア – デンマークの医師、生理学教授
• 多重不活性ガス除去技術 - 医療技術
• 呼吸器系 – 動物や植物のガス交換のための生物学的システム

• Arend Bouhuys. 1964. 「呼吸死腔」。生理学ハンドブック。第 3 章: 呼吸。第 1 巻。Wallace O. Fenn および Hermann Rahn (編)。ワシントン: アメリカ生理学会。
• ジョン・B・ウェスト。2011年。「呼吸生理学：基礎編」リッピンコット・ウィリアムズ＆ウィルキンス、第9版。ISBN 978-1609136406。 

• ジョンズ・ホプキンス医科大学のインタラクティブ呼吸生理学ウェブサイトのデッドスペースページ。