呼吸器の構造と換気調節

呼吸器は、空気を肺へ取り込み、血液との間で酸素と二酸化炭素を交換する器官系である。気道（鼻腔から気管・気管支まで）と肺から成り、肺は胸膜腔を隔てて胸郭の内部に収まる。呼吸運動は脳幹の呼吸中枢が出す指令によって調節され、その結果として1回換気量や肺容量の大きさが決まる。

肺と胸膜腔の構造

左右の肺は、縦隔を挟んでその両側に位置する。 縦隔には胸腺が含まれ、胸骨の後方にある前縦隔の臓器として位置づけられる。

肺の表面は胸膜に覆われ、胸膜と胸壁の間に胸膜腔がある。正常な胸膜腔には少量の漿液が存在し、呼吸に伴う胸膜どうしの摩擦を減らす潤滑の役割をもつ。 正常な状態では、胸膜腔に空気や血液は存在しない。空気が貯留すると気胸、血液が貯留すると血胸となり、いずれも病的な状態である。

気管は胸骨角の高さで左右の気管支に分岐する。気管の軟骨は筒状に全周を囲まず、C字状（馬蹄形）をしている。 頸部では気管が食道の前方に位置するため、気管と食道の位置関係も合わせて整理しておく必要がある。

呼吸の調節と呼吸中枢

呼吸の基本リズムをつくるのは、脳幹の延髄と橋にある呼吸中枢である。 間脳や小脳は、この基本リズムを担う中枢の位置ではない。大脳皮質は息を止めるなどの随意的な呼吸調節に関わるが、呼吸の基本リズムを担う中枢は脳幹にある。

呼吸運動は、胸郭の拡張と収縮による胸腔内圧の変化によって空気の出入りを生み出す。吸息時には胸腔内圧が陰圧になり、それに伴って気管内圧も陰圧になる。 気道内の圧が大気圧より低くなると空気が流入するという原理により、吸気が成立する。この原理を押さえると、吸気と呼気で圧の向きがどう変わるかを整理しやすくなる。

呼吸中枢の指令により呼吸の深さと速さが変わり、その結果として換気量が変化する。換気量の変化は、呼吸中枢の調節と肺の状態の両方から理解する必要がある。

換気量と肺容量の基準

安静時の健康な成人の1回換気量は約500mLであり、1回の呼吸で出入りする空気量を表す。 吸った空気のうち、ガス交換に関与しない気道の容量は解剖学的死腔と呼ばれ、その目安は約150mLである。 したがって、1回換気量のすべてが肺胞でのガス交換に使われるわけではない。